English 0 позиций в запросе!   Отправить?
Подписка на новости
Задать вопрос

Имя *

E-Mail *

Компания *

Телефон *

Вопрос *

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных

Заказать образцы

Имя *

E-Mail *

Телефон *

Сайт

Компания *

Описание проекта *

Образцы предоставляются под проект

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на
обработку своих персональных данных и
обратную связь со специалистами PT Electronics

Подписка на новости

Назад

Испытание мощных РЧ транзисторов, выполненных по технологии GaN на SiC, на долговечность технологии GaN на SiC, на долговечность при высокой мощности РЧ сигнала

11 Мар 2017

Раз  уж GaN  технология  для  создания  мощных  устройств  вполне  развилась  и получила  одобрение  на  рынке,  производители,  которые  снабжают  его  продуктами, использующими  эту  подающую  надежды  технологию,  обязаны  обеспечить  её надёжность.   В  этой  статье  представлен  обзор  тестовых  методик, используемых для  определения  интенсивности  отказов  и  приводится  сравнение  методов определения  срока  службы  в  условиях  высокотемпературного  нагрева  при воздействии  постоянного  тока  и  РЧ  сигнала (DC HTOL*  и RF HTOL).  Статья сфокусирована  на  методе RF HTOL  при  высокой  мощности  используемом  в  фирме MACOM  для  проведения  квалификационных  испытаний**  их  новой  линейки  мощных
РЧ  дискретных  транзисторов  выполненных  по  технологии  GaN  на SiС  с  индексом MAGX.  Приводится  обзор  результатов  и  сравнение  надёжности  устройств выполненных  по  технологии GaN  по  отношению  к  старой,  основанной  на  кремнии, технологии мощных полупроводников.
 
Понятно,  что  полупроводниковые  устройства  на  основе  нитрида  галлия  на  карбиде кремния (GaN  на SiС),  используемые  для  усиления  мощности  РЧ-сигналов,  быстро завоевывают  признание  в  ВЧ  и  СВЧ  отрасли.  Обещание  того,  что  указанная  технология обеспечит высокую плотность мощности и высокий КПД, также  как и работу в широкой полосе  частот,  при  повышенной  температуре  канала,  по  сравнению  с  предыдущими полупроводниковыми технологиями, окончательно сбывается. Все технологии проходили одинаковый  жизненный  цикл:  внедрение,  всеобщее  признание,  и,  наконец,  устаревание. Однако прежде чем любая новая технология может быть полностью принята и одобрена, её  надёжность  должна  быть  доказана.  Кроме  того,  текущая  конъюнктура  рынка,  которая нуждается в коротких циклах проектирования, также требует надежности. Производители полупроводников  мирового  класса  сегодня  понимают  это  и  поэтому  систематически подвергают свою новую продукцию широкомасштабным отбраковочным испытаниям для оценки надежности и качества.

С  начала  семидесятых, MACOM RF  Power  Products  Group***  в  Торрансе, Калифорния  имеет  долгую  и  авторитетную  историю  обеспечения  высокого  качества надёжных  РЧ  и  СВЧ-решений  для  применения  в  мощных  коммерческих  устройствах.  За  этот  период  фирма MACOM  разработала  широкое  разнообразие  систем для   коммерческой  связи,  первичных  и  вторичных  радаров  УВД,  авионики, спутниковых  линий  связи  и  промышленных  и  медицинских  применений  в  диапазоне  от UHF  до S,  многие  из  которых  производятся  до  сегодняшнего  дня.  Устройства, разработанные  для  этих  систем,  требовали  тщательных  отбраковочных  испытаний  для оценки  надёжности,  поскольку  эти  испытания –  ответственный  компонент  при организации комплексного прогнозирования долговечности этих высоконадёжных систем для   решения   ответственных  задач.  В  результате,  фирма  MACOM  обладает   глубоким опытом в разработке и тестировании компонентов, которые могут обеспечивать более чем тридцатилетний срок эксплуатации систем. 

Фирма MACOM  недавно  представила  новую  линейку  мощных  РЧ  транзисторов  с затвором 0.5 мкм выполненных по технологии GaN  на SiC  и,  оставаясь верной традиции, подвергла указанную технологию исчерпывающим испытаниям на надёжность и качество. В  этой  статье  описывается  применённый  технологический  процесс  и  обобщаются результаты тестирования.  

Для  проведения  квалификационных  испытаний  был  выбран  образец тридцативатного  внутренне  несогласованного  транзистора  выполненного  по  технологии  GaN  на SiC из линейки мощных транзисторов MAGX (см. рис.1). Прибор значительно  больший,  чем  те,  которые  обычно выбирают  производители  для  квалификационных  испытаний  и испытаний  на  надёжность.  Обычно применяют  более  мелкие  ячейки порядка  нескольких  десятых миллиметра,  однако  был  принят подход  фирмы MACOM – использовать  более  мощные полупроводники,  поскольку  мы надеемся, что  это скорее продвинет продукт на рынок, чем всего лишь  «ломтик»  устройства. 

Рис.1. HEMT транзистор 30 Вт в непрерывном режимемммм

Рис.1. HEMT транзистор 30 Вт в непрерывном режиме

Сам  по  себе  полупроводник –  это  шестимиллиметровый  HEMT  с периферийным  затвором,  встроенный  в  керамический  корпус  с  использованием Au/Sn эвтектического  припоя.  Соединение  корпуса  с  компонентом  выполняется  стандартной золотой  проволочкой.  Квалификационные  испытания  и  испытания  на  надёжность  были разделены  на  две  основных  группы:  тестирование  корпусированного  образца  в соответствии  со  стандартом MIL-PRF-19500  и  испытание  на  долговечность  при повышенной  температуре  окружающей  среды  и  при  высокой  мощности  РЧ  сигнала, которое  фокусируется  на  надёжности  непосредственно  мощного  полупроводникового кристалла из GaN. В каждой группе испытаний принимала участие своя выборка образцов. Данная статья сфокусирована, в основном, на испытании непосредственно полупроводника (RF HTOL),  однако,  в  Таблице 1  кратко  показаны  все  отбраковочные  испытания  для оценки надёжности, относящиеся к квалификационным испытаниям устройства. 

Таблица 1

Выборка 1
Тестирование корпусированного образца в
соответствии со стандартом MIL-PRF-19500
Выборка 2
Определение срока службы в условиях
высокотемпературного нагрева при воздействии
мощного РЧ сигнала
Внутренний визуальный осмотр
Воздействие РЧ сигнала и постоянного тока
Паяемость
Стойкость к агрессивным средам
Термоциклирование
Герметичность (грубая проверка герметичности)
Прочность склейки
Прочность выводов
Влагостойкость
Удар
Вибрации
Постоянное ускорение
Солевой туман
Пробой 
Внутренний визуальный осмотр
Ультразвуковой контроль крепления кристалла
Воздействие РЧ сигнала и постоянного тока
ИК сканирование
Проверка защитного покрытия
Герметичность (грубая проверка герметичности)
RF HTOL

Из  пластин  для  изготовления  интегральных  схем  и  партий  этих  пластин  получается большое  число  транзисторов.  Они  подвергаются  выбраковке,  как  показано  в  столбце Выборка 2  Таблицы 1  в  результате  внутреннего  визуального  осмотра,  ультразвукового контроля  крепления  кристалла (чтобы  исключить  пустоты)  и  функциональных  тестов  по постоянному  току  и  на  РЧ.  Изделие  из  пяти  образцов,  отобранных  из  этой  группы, подвергается  инфракрасному  сканированию,  используя  систему Quantum Focus Infrascope II  для определения характеристического  теплового  сопротивления.  Эта информация была использована для определения следующего уравнения для вычисления температуры канала приборов при испытаниях на принудительный отказ: 

Тканаларассеяния х (2.932 + 0.01973 Тповерхности) + Тповерхности,

где:
Tканала – температура канала исследуемого устройства; 
Ррассеянияdc-Pвыхвч
Тповерхности –  температура нагревательного столика;
Θjc=2.932°C/Вт – тепловое сопротивление. 

В  общей  сложности,  для  проведения RF HTOL,  было  отобрано  восемнадцать устройств  содержащих 5  образцов,  которые  прошли  ИК  сканирование.  Напряжение  стока было 50В, а напряжение затвора было подобрано так, чтобы установить ток рабочей точки 250мА.  Мощность  непрерывного  РЧ  сигнала 2.5Вт  на  частоте 3ГГц.  Напряжение  стока  и затвора  поддерживались  постоянными  в  течение  теста.  Три  группы  устройств испытывались  при  постоянных  температурах  канала 290°C, 305°C,  и 320°C.  В совокупности  были  собраны  более  чем 16,000  часов  данных  в  течение  тестирования.  При самой низкой температуре отдельные устройства работали более 1,600 часов.

Во время теста через равные промежутки времени, температура изделий снижалась до 60°C  и  для  каждого  из  них  проводились  измерения  постоянного  тока  и  РЧ характеристик.  Цель  этих  тестов  состояла  в  том,  чтобы  проверить,  что  скорость деградации,  наблюдаемая  при  воздействии  повышенной  температуры,  сходна  с ухудшением рабочих характеристик при нормальных рабочих температурах.

Критериями  отказа  во  время  теста  были –  либо  падение  выходной  мощности  РЧ сигнала  на 1  дБ,  либо  падение  на 20%  рабочего  тока  стока.  Если  одно  из  этих  событий происходило,  то  образец  считался  вышедшим  из  строя.  В  течение  тестирования  стало ясно, что уменьшение выходной мощности на 1 дБ в обязательном порядке происходило перед  понижением  тока  стока.  Поэтому  именно  понижение  мощности  стало  основным критерием  отказа.  Для  устройств,  которые  во  время  теста  не  достигали  заданных критериев  отказа,  время  выхода  из  строя  определялось  методом экстраполяции.  В каждом  случае  был  доступен  достаточный  объем  данных,  чтобы  получить  кривую, пригодную для экстраполяции. В результате были определены средние сроки службы для каждой из трёх групп. Результаты находятся в Таблице 2.

 Таблица 2. Результаты испытаний на долговечность (критерий отказа – падение выходной мощности РЧ сигнала на 1 дБ)

  Часы Температура канала
ML 529  3200C
ML 1.5х103   3050C
ML 3.7х103  2900C
MTTF  5.3х106  2000C

*Данные при температуре 2900C получены в результате экстраполяции 
 
Как  отмечалось  ранее,  проведение  испытания  на  долговечность  столь  сложного изделия  не  типично  и  данных  таких  исследований  представлено  мало.  Большинство испытаний  на  долговечность,  проводимых  до  настоящего  времени,  было  сделано  на постоянном  токе  при  нескольких  температурах  без  подачи  на  изделие  РЧ  сигнала.

Поэтому  трудно  сравнить  результаты,  приведённые  в  данной  статье,  с  результатами других  изготовителей.  Однако,  продемонстрированные  значения  долговечности  хорошо сопоставимы  с  известными  пределами,  основанными  на  энергии  активации (Ea).   Кроме того,  эта  статья –  одно  из  немногих  известных  исследований,  в  котором  используется значение  теплового  сопротивления,  полученное  из  результатов  ИК  сканирования  при воздействии  высокой  мощности  РЧ  сигнала.  Важно  отметить,  что  это  точно  описывает значение  температуры  канала  при  тестировании  в  условиях  повышенной  температуры. Представленный в статье набор тестов, как полагают, более точно и строго согласуется с предсказанной  медианной  долговечностью,  чем  сообщала  какая-либо  другая  компания для устройств такого размера и при таких уровнях мощности.

Графики  деградации  выходной  мощности  РЧ  сигнала (см.  рис. 2-4)  показывают общую  тенденцию –  первоначальное  ухудшение  характеристик  происходит  за  первые 100-200  часов.  Впоследствии  характеристики  выравниваются,  и  наблюдается  значительно  меньшая  деградация  в  течение  долгого  времени.  Это  может  указывать  на два  различных  механизма  вызывающих  деградацию  характеристик  в  пределах  одного устройства.  Промежуточные  результаты  тестирования  через  равные  промежутки времени при 60°C во время испытания на долговечность представлены на рисунках 2-4. График  логарифмически  нормального  распределения  показан  на   рисунке 5. Соответствующий  трёхтемпературный  график  Аррениуса  используемый  для экстраполяции, что бы понизить рабочие температуры, может быть найден на рисунке 6. По этим данным была вычислена энергия активации Ea=1.77. 

Рис.2. Зависимость выходной мощности РЧ сигнала от времени при температуре канала 320°C

Рис.2. Зависимость выходной мощности РЧ сигнала от времени при температуре канала 320°C

 

 Рис.3. Зависимость выходной мощности РЧ сигнала от времени при температуре канала 305°C

Рис.3. Зависимость выходной мощности РЧ сигнала от времени при температуре канала 305°C

Рис.4. Зависимость выходной мощности РЧ сигнала от времени при температуре канала 290°C

Рис.4. Зависимость выходной мощности РЧ сигнала от времени при температуре канала 290°C

  
Приведённые  в  статье  результаты  считаются  применимыми  ко  всей  линейке GaN HEMT  фирмы MACOM.  Следующий  очень  важный  шаг –  подвергнуть  устройства, прошедшие RF HTOL детальному исследованию и анализу, чтобы попытаться определить соответствующие  факторы, способствующие отказу устройства из-за полупроводника. В мощных  полупроводниковых  приборах,  основанных  на  Кремнии,  основной  фактор, способствующий отказу, хотя не обязательно единственный, был связан с отказами из-за  миграции металла. Для предсказания времени жизни межсоединений в устройствах SiBJT фирмы MACOM,  использовалось  уравнение  Блэка  для  миграции  металла  при  энергии активации Ea=1 (приблизительно).

Рис.5. Логарифмически нормальное распределение отказов

Рис.5. Логарифмически нормальное распределение отказов

Испытания,  описанные  в  этой  статье,  представляют  данные,  подтверждающие  надёжность  продуктов  фирмы MACOM,  произведённых  по  полупроводниковой технологии GaN  на SiC,  при  длительной  эксплуатации  и  работе  при  воздействии  РЧ сигнала  и  расчётном  режиме  смещения.  Результаты  сопоставимы  с  качеством  и надежностью  продуктов,  произведенных  подразделением  мощных  РЧ  изделий  фирмы MACOM  за  прошедшие 30  лет.  Результаты  квалификационных  испытаний  в соответствии  со  стандартом MIL-PRF-19500,  а  также  описанных  здесь  испытаний RF HTOL доступны по запросу.

Рис.6. Трёхтемпературный график Аррениуса используемый для экстраполяции

Рис.6. Трёхтемпературный график Аррениуса используемый для экстраполяции

___________________

* HTOL – High Temperature Operating Life –  срок службы в условиях высокотемпературного нагрева

**  п.9.8  ГОСТ  Р 15.201-2000  С  целью  демонстрации  готовности  предприятия  к  выпуску  продукции, отвечающей  требованиям  КД,  проверки  разработанного  технологического  процесса,  обеспечивающего стабильность характеристик продукции, а также для оценки готовности предприятия к выпуску продукции в количестве, определяемом договором (контрактом), проводят квалификационные испытания.

*** MACOM RF Power Products Group – Подразделение мощных РЧ изделий фирмы MACOM