微波集成电路的老炼试验技术

任俊华，赵鑫燚，王弘英

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北　石家庄　050051）



微波集成电路的老炼试验技术

任俊华，赵鑫燚，王弘英

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）

微波集成电路 （MIC）是雷达和微波通信系统中的关键部分，其可靠性试验对于保证交付产品的质量具有重要的作用。老炼试验是可靠性筛选的关键一环，因而也是产品质量保证的重要手段。对MIC老炼试验技术进行了研究，并针对老炼夹具的设计、ESD与EMP防护和自激振荡的预防与消除提出了具体的解决措施。

微波集成电路；老炼试验；夹具；自激振荡；可靠性

0　引言

微波集成电路 （MIC：Microwave Integrated Circuit）在雷达和微波通信等系统中得到了广泛的应用。伴随着对器件质量要求的不断提高，可靠性试验的重要性逐步地加强，而老炼试验结合电参数测试是有效的可靠性筛选手段［1］。正式生产交付的MIC都应通过老炼试验，以对其可靠性进行评估。由于MIC具有静电放电敏感度等级低、易产生自激振荡等特点，因而其老炼试验工作具有一定的难度。试验夹具设计有问题、试验规范不明确或试验操作失误等都会导致产品的老炼试验失败，因此，研究MIC老炼试验的相关理论和试验过程中的影响因素，具有重要的指导价值。

1　老炼夹具的设计

老炼夹具也被称为老化板，它的设计要同时实现4个基本功能：固定试验样品、正确地施加电应力、预防自激振荡和保证散热良好。典型的MIC老炼夹具的示意图如图1所示。

图1　典型的MIC老炼夹具

下面以金属陶瓷扁平封装的MIC静态电老炼为例，介绍老炼夹具的设计。

首先，要根据高温试验箱的尺寸及老炼器件合理的密度要求，设计每块老化板的尺寸和重量；在老化板上对适用的产品型号或管壳型号、制作日期等进行标示；不同的加电导线要通过颜色进行区分，以防止试验人员混淆。

其次，在每路馈电引线与地之间并接一对去耦电容，容值推荐为10 μF并联0.1 μF。在射频输入、输出端口外接50 Ω贴片电阻，以防止微波器件的阻抗失配，因为在一定的条件下，微波器件严重的阻抗失配会导致自激振荡。由于老化器件并联工作，为了保证每只器件的加电条件一致，将正负电源的导线加粗，并采取大面积接地及就近接地。相邻器件间的间距设置要合理，过近则易产生空间串扰。

然后，因MIC老化试验的高温工作特点，老化板应采用镀金工艺，并对除引线焊盘以外的区域进行阻焊处理，防止手汗、油渍等沾污腐蚀，背衬铝板也要进行导电氧化处理，避免高温下由于铝被氧化而造成接触电阻变大。

最后，管脚引线到背衬铝板的距离应略大于夹具槽深 （一般不超过0.8 mm），以使得固定器件的底座后，管脚引线能自然下垂地搭在老化板的微带线表面。固定器件后若管脚上翘，严重的情况下会造成管壳瓷裂或管脚脱落。在设计压块或压条尺寸时，应让开器件引脚根部至少1 mm，以防止压块或压条直接压在引脚根部而造成管壳受损。

2　ESD与EMP防护

MIC以砷化镓或氮化镓场效应管为电路基础，因而其静电敏感度等级较低，在老炼试验的过程中需要预防静电放电 （ESD：E1ectro-Static discharge）和电磁脉冲 （EMP：e1ectro magnetis pu1se）效应。带电人体触碰反偏肖特基结产生静电放电的热损伤模型如图2所示。

图2人体静电放电等效电路

图2中各参数的定义为：

VD——肖特基结反向击穿电压；

Rc——人体接触电阻；

RD——肖特基结击穿时的电阻；

VD——人体带电电势。

在一个放电周期τp内，通过反偏肖特基结的平均损耗功率Pa可表示为［2］：

Pa=0.634VDIP+0.866RDIP2（1）

其中，IP与Vb-VD成正比，为流过RD的峰值电流。

加在反偏肖特基结上的平均功率密度Pas为：

式 （2）中：Sef——ESD有效放电面积。

当Pas达到并超过某一临界阈值时，肖特基结进入雪崩击穿状态，最终会由于热效应而造成器件损伤乃至烧毁。

与ESD反偏注入模型相比，EMP反偏注入模型少了一个起一定的限流作用的1.5 KΩ的人体等效电阻，所以EMP对器件的损伤机理与ESD类似，但EMP注入失效电压仅为ESD注入失效电压的1/10～1/20。试验设备里的各类电动机、电阻丝等感性元件的启闭过程中都可能产生EMP信号。某普通电动改锥头上测得的EMP信号如图3所示，其峰值达300 V。

图3　电动改锥头EMP信号

为了进行ESD与EMP防护，在老炼过程中应对各种电磁干扰进行有效的隔离。例如：老炼夹具应放置于聚四氟乙烯绝缘隔板上，而不应该与高温试验箱的金属壁或金属板相接触；装卸、传递老化板的过程中，应将老炼板上的各加电导线短接，以避免不同电极间的电位差；市电 （～220 V）应经交流稳压电源稳压滤波后，再给各类试验仪器供电；此外，还应利用精密净化交流稳压电源对来自电网的纹波噪声和尖峰电压进行吸收和抑制。通常，交流稳压电源的典型指标为：输入稳压范围：180～260 V；尖峰吸收：输入3 000 V/3 ms，输出30 V。

老炼试验过程中必须提供一个低阻通道，对可能产生的ESD和EMP电流进行分流泄放，以防止器件受损，例如：将各种试验仪器、设备均可靠地接地；佩戴有线式防静电手环；在防静电桌面上进行装卸、加电检查等操作等。

3　自激振荡的预防与消除

内含各类放大器的MIC老炼时，都应考虑到自激振荡的预防与消除。MIC频带越宽、增益越高、输出功率越大，就越易产生自激振荡。

任何放大器都可能因为增加了外部正反馈而导致振荡。这种反馈可以是有意的，例如：级间的偏置网络、器件并联而产生的环路和源自感效应；也可能是无意的，例如：低的隔离度和接地不良［3］。反馈型振荡器的基本原理图如图4所示。

振荡器模型主要由有源部分G（jω）和反馈网络H（jω）构成，其传输函数可表示为：

图4　反馈型振荡器原理框图［4］

由于振荡器无输入，V（in）=0。因此，振荡器产生稳定输出的条件为 （3）式右边的分母为零，即G（jω）H（jω）=1，也就是：

|G（jω）H（jω）|=1（4）

φG（jω）+φH（jω）=2nπ，n=1，2，3…（5）

其中，称G（jω）H（jω）=T（jω）为反馈系统的环路增益。自激振荡发生的条件为T（jω）=1，其也被称为振荡器的平衡条件。对于一个给定的老炼器件，G（jω）的值是一定的，所以预防与消除自激振荡的关键在于调整反馈系数H（jω），并最终使得|T（jω）|＜1。

老炼试验时，需要使用精确、直观的宽带频谱分析仪探查自激振荡，通过观察电压、电流的稳定与否或使用高频毫伏表来探查都不可靠。在加电检查阶段，需对每块老化板上的每个器件的上方均使用宽带频谱进行扫描探查；器件被放入烘箱后，由于器件阻抗的大小会随温度的上升而发生变化，因而可能产生新的自激，所以需要用频谱分析仪重新进行扫描，一个捕捉到的自激振荡的频谱如图5所示。

图5　自激振荡的频谱

自激振荡的预防首先依赖于老炼夹具电路的防自激设计，在试验操作时主要要注意保证器件接地良好。在通常情况下，可通过以下几种方式来实现这一目的，例如：加强器件与地之间的紧固效果；在器件管座与接地铝板间垫一层铝箔，减小接地电阻；另外，有些管壳的金属管帽属悬空设计，悬空的管帽因加强了相邻器件间的电场耦合［5］，很容易造成自激振荡，这种情况下可通过接地的铝条将悬空的管帽短路到地。

此外，还常使用微波吸收材料来减小同一器件输入与输出间、相邻器件输出与输入间的空间电磁耦合，即改变反馈系数，从而预防和消除自激。

6　结束语

老炼试验是可靠性筛选的重要一环，也是产品质量保证的重要手段。科学的老炼试验对于正确地判别器件的质量水平具有重要的意义。因此，本文对MIC老炼试验技术进行了研究，并综合运用文中所述的各项试验技术，成功地保障了数十万只各类MIC的老炼试验的顺利完成。

［1］王茉.军用集成电路老炼筛选技术研究 ［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：1-15.

［2］刘红兵，王长河，赵彤，等.ESD与EMP对微波晶体管损伤机理研究 ［J］.半导体技术，2008，33（8）：705-710.

［3］IDER J Bah1.射频与微波晶体管放大器基础［M］.鲍景富，孙玲玲，译.北京：电子工业出版社，2013：307-364.

［4］曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析 ［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006：104-108.

［5］周旭.电子设备结构与工艺 ［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004：95-100.

Burn-in Test Technique of MIC

REN Jun-hua，ZHAO Xin-yi，WANG Hong-ying
（The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

MIC is the key part of radar and microwave communication system，whose re1iabi1ity test is great1y important to ensure the qua1ity of de1ivered products.Burn-in test is the key part of re1iabi1ity screening，therefore，it is a1so an important means to ensure the qua1ity of products. The burn-in test techniques of MIC are studied，and the specific solutions aiming at the design of the test fixture，the protection of ESD and EMP as well as the prevention and elimination of self-oscillation are put forward.

MIC；burn-in test；fixture；se1f-osci11ation；re1iabi1ity

TN 454；TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0061-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.012

2016-01-22

2016-01-25

任俊华 （1975-），男，安徽芜湖人，中国电子科技集团公司第十三研究所工程师，主要从事半导体器件可靠性试验工作。