Главная Промышленная автоматика.


ЗаО 250 200 150 Температура корпуса прибора, °С

Рис. 12.12. Сравнение значений средней наработки до отказа для ПТШ с затворами из А1 и Au-W-Ti при испытаниях в режиме высокочастотного сигнала. Спад выходной мощности на 1 дБ квалифицировался как отказ. Стрелка означает, что отказ не был обнаружен за указанное время и требуется продолжение эксперимента [17, 28]: □ - 24 ПТШ с затвором из А1 общей шириной 6 мм; о - 21 ПТШ с затвором из Au-W-Ti общей шириной 1,2 мм


300 250 200 150 Температура корпуса, С

Рис. 12.13. Сравнение значений средней наработки до отказа для ПТШ с затворами из А1 и Au-W-Ti при испытаниях на постоянном токе. Для приборов с затворами из А1 спад выходной мощности на 0,2 дБ квалифицировался как отказ. Для приборов с затворами из Au-W-Ti отказом считали спад выходной мощности на 1 дБ [16, б]: п - 211 ПТШ с затвором из А1 общей шириной 6 мм; о - 300 ПТШ с затвором из Au-W-Ti общей шириной 2,4 мм

или 105 мВт/мм. Приборы с затворами Au-W-Ti имели общую ширину затвора 1,2 мм и подвергались старению при сигнале с частотой 8 ГГц и мощностью 100 мВт или 83 мВт/мм. За отказ для приборов обоих типов принималось снижение выходной мощности на 1 дБ или выгорание, если оно происходило раньше. Очевидно, что среднее время наработки до отказа для приборов с затворами из А1 на единицу ширины затвора почти в 1000 раз выше, чем для приборов с затворами из Au-W-Ti в диапазоне температур от 200 до 250° С. Не было показано, однако, что электромиграция является превалирующим механизмом отказов в каждом случае.

На рис. 12.13 представлены сравнительные результаты ускоренных испытаний приборов с затворами из А1 и Au-W-Ti в условиях подачи смещения по постоянному току [6, 16]. В этом случае значения отказов на единицу щирины затвора из А1 взяты из статьи [l6], где за отказ было принято снижение уровня выходной мощности насыщения на 0,2 дБ, критерием отказа для приборов с затворами из Au-W-Ti оставалось условие снижения уровня выходной мощности на 1 дБ на единицу щирины затвора. В нервом случае приборы имели общую ширину затвора 6 мм, во втором 2,4 мм. При этих условиях, если не принимать во внимание различие по критерию отказа,



средняя наработка до отказа для приборов с затворами из А1 была почти в 50 раз большей, чем для приборов с системой металлизации затвора Au-W-Ti. В работе [6] . отказы среди приборов с затворами из Au-W-Ti объяснялись злектромиграцией материала затвора. Отсюда следует вывод, что ожидаемые преимущества металлизации затвора на основе системы тугоплавкий металл-золото еще не полностью реализованы. (В указанных сравнениях данные для затворов из А1, которые были приведены в форме среднего срока службы, преобразованы в среднюю наработку до отказа с использованием рис. 12.12.) Кроме того, средняя наработка до отказа при испытаниях со смещением по постоянному току меньше, как следует из рис. 12.13, для затворов из А1, чем при испытании с подачей высокочастотного сипгала (рис. 12.12), только из-за того, что в первом случае были более жесткие критерии отказов.

12.6.2. ВЫГОРАНИЕ

В отличие от малощумящих ПТШ, где проблемы, связанные с выгоранием затвора, стоят не очень остро и могут быть приняты действительные защитные меры, в мощных ПТШ выгорание является одной из главных проблем. Эта проблема обсуждается редко, хотя трудности, связанные с ней, рассмотрены повсеместно, как показывают неофициальные беседы со специалистами, работающими в данной области. Как правило, обсуждению подвергаются механизмы постепенной деградации параметров, механизмы выгорания в большей или меньшей степени остаются без комментариев, даже если они составляют до одной трети всех отказов [28]. В некоторых случаях, особенно если приборы содержат очень большое число зубцов затвора, отказы классифицируются как деградация параметров, хотя в действительности они происходят из-за выгорания одного или нескольких зубцов затвора. Обрыв зубца затвора (локальное изменение металлизационного слоя) не приводит к закорачиванию оставшихся структур, которые продолжают действовать, причем параметры всего прибора несколько ухудшаются.

Выгорание является -ускоренным термическим процессом, который может происходить в буферном слое или в подложке, заключающимся в том, что непроводящий в обычном состоянии материал нагревается до такой степени, что температурный коэффициент сопротиЕления становится отрицательным. Показано [29], что такой процесс происходит при температуре около 500-550°С. Наиболее вероятное место для возникновения этого процесса - область стокового контакта, где вследствие неоднород-ностей и высокой плотности тока может образовываться локальный разогрев. Данный процесс происходит мгновенно, особенно когда на приборе рассеивается значительная мощность, вызывающая увеличение температуры. Показано [зо], что выгорание в процессе старения или нормальной работы может происходить при достаточно умеренной и обычно безопасной мощности из-за постепенных изменений в поверхностном слое, которые обусловлены высокой напряженностью поля в области стока. В результате из-за рассеивания мощности в зтой области также могут образовываться локальные разогревы, которые приводят к резкому росту температуры.

В литературе появилось только одно статистическое исследовате выгорания мощных ПТШ [11]. В зтой работе упоминается об испытании 500 мощных ПТШ на арсениде галлия с затворами из А1 общей щириной 6 мм (большей частью пассивированных пленкой SiOj) - старении в условиях смещения по постоянному току в области температур 170-260° С, Подтверждается, что распределение внезапных отказов из-за выгорания подчиняется логарифмически нормальному закону. На рис, 12.14 представлено распределение внезапных отказов для группы из 119 приборов, подвергнутых старению при температуре 260° С со смещением по постоянному току (напряжение на стоке 14 В и ток стока 550 мА). Бьшо обнаружено, что среднее квадратическое отклонение (а) находилось в пределах от 1 до 2, в то время как при температуре 100 и 108° С значение



Г 1

-т-1-

/ 7 / / / /

1 1

Рис. 12.14. Представление в виде логарифмически нормального распределения наработки до отказа из-за пробоя в зависимости от процента пробоя приборов в выборке из 116 образцов мощных ПТШ, пассивированных диэлектрической пленкой SiOj, проходивших старение на постоянном токе при температуре канала 260° С (•) [И]: - аппроксимация по методу наименьших квадратов;---верхняя и

нижняя 90 %-ные доверительные гратцы

ш га 50 80 90

Доля отказов, %

98 39,5

а« 4. Значение энергии активации процесса составляло примерно 0,9 эВ в диапазоне температур 1бО-208°С и 1,6 эВ для интервала температур 208-260° С. Эти зависимости указывают на наличие нескольких мехшшзмов отказов. Один механизм характеризуется высокой (1,6 эВ) энергией активатщи процесса и имеет тенденщто проявляться в области Повышенных температур. Такое превалирование одного механизма отказов приводит к снижению среднего квадратического отклонения. При пониженных значениях температуры проявляются один или несколько механизмов отказов с низким значением энергии активации процесса, приводящих к увеличению числа выгорающих приборов, и этот смешанный механизм дает увеличенное значение среднего квадратического отклонения. Высокое значение энергии активации процесса выгорания, возможно, является следствием поверхностных явлений [ЗО]. Механизмы выгораний с низким значением энергии активации процесса не идентифицированы.

На рис. 12.15 представлен прогноз о числе отказов из-за выгорания ПТШ по результатам исследования работы приборов при токе стока 0,53 А и напряжений на стоке 14 В в условиях температуры окружающей среды 25 и 52° С (нормальное и максимальное значения температуры, которые приняты для ретрансляционных СВЧ станций в США фирмы Bell System [U]). Показано, что для температуры окружающей среды 25°С

Рис. 12.15. Оценка интенсивности отказов из-за пробоя для типичных мощных ПТШ, пассивированных диэлектрической пленкой SiOj и работавших при токе стока /=0,53 А при температурах окружающей среды 25 (---)

и 52° С (-). Кривые верхней

и нижней границ соответствуют 67 %-ному доверительному интервалу среднего срока службы и среднему квадратическому отклонению [и]

Зксперим

рхмяя гра

ница Z

Верх гран

"нижняя

граница. Зкст

римент

1 iii

4 III

нижняя 1 III

граница 1 in

1 1 .11

т 70 Срок службы, v





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 [69] 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0038