编者按
以某GaN基HEMT型微波开关为例研究可靠性评价技术，结合其材料结构特性、失效模式、应用模式和可靠性指标设计可靠性评价试验。首先设计包含温度循环试验和恒定加速度试验的材料工艺验证试验；其次基于微波开关的实际应用模式设计射频考机试验，验证微波开关应用条件下的可靠性和稳定性；最后设计基于温度的加速寿命试验，验证微波开关长期工作可靠性。
引 言
微波开关是微波毫米波系统中的重要信号控制电路，控制着信号的通断与路径选择，其可靠性直接影响整个系统。微波开关最早使用波导，同轴线和铁氧体技术，能承受较高功率但是产品体积较大。微波单片集成微波开关有利于实现小型化，低功耗，同时可实现宽带和低损耗特性。高性能微波开关要求导通时低损耗，关断时高隔离度，且能承受较大功率。
可靠性是指产品在规定的时间内、规定的条件下完成指定功能的能力，而用来描述这种能力的数学特征量有可靠度、失效率、平均无故障工作时间和寿命等。对微波开关而言，主要用失效率（λ）作为数量特征来表征其可靠性。目前国内关于微波开关缺乏系统的可靠性评估理论，缺乏完整的可靠性试验验证方法。本文以某GaN基HEMT型MMIC开关为例展开研究，对其进行可靠性评价方法研究。
1 可靠性评价方案设计
该微波开关采用HEMT工艺技术制造，金属层材料为Au，芯片表面采用GaN钝化保护，该微波开关芯片的功能示意如图1所示，其极限参数如表1所示。
图1 微波开关功能示意图
表1 微波开关的极限参数
HEMT管通常由两种不同的半导体材料构成异质结构，为产生高电子迁移率的电子气提供条件。MMIC常见失效机理如下表所示。
表2 MMIC常见的失效模式和失效机理
根据工程应用要求，该微波开关的可靠性要求指标为单边置信区间、置信水平为90%，TA=+125℃，失效率λ≤10-7/h。
本文研究的思路是在传统的可靠性验证试验方法的基础上，综合考虑微波开关实际工作模式和应用技术指标设计对应的可靠性评价试验。根据不同的评价试验结果，利用可靠性的评估方法，对在正常应力条件下的微波开关可靠性做出合理的评估。首先设计基于性能退化的材料工艺验证试验，通过温度循环试验和恒定加速度试验验证微波开关的材料与工艺的稳定性；其次基于微波开关的实际应用模式设计射频考机试验，在射频考机试验中器件的射频输入端RFC和信号控制端均施加额定最大值；在前两项评价试验的基础上通过基于温度的加速寿命试验来研究微波开关的长期可靠性。具体可靠性评价方案如下图2所示。
图2 微波开关可靠性评价试验
2 微波开关可靠性评价
插入损耗参数是微波开关的核心参数，因此本文以微波开关的插入损耗参数为监测对象来判断产品是否失效。根据产品设计指标，当试验前后产品的插入损耗参数变化量超过0.5dB时则认为试验产品失效。此外，根据表1所示MMIC常见失效模式和失效机理可知，当微波开关芯片发生失效时通常伴随烧毁现象，因此试验后对产品开帽进行内部目检。
表3 微波开关可靠性评价试验
2.1 基于性能退化的材料工艺验证
为了考核微波开关的材料和工艺可靠性，本文设计了温度循环和恒定加速度试验。温度循环试验对材料因热膨胀系数不匹配形成的缺陷或产品内部有裂纹的器件具有筛选作用，可以评价微波开关承受极端高温和低温的能力以及承受极端高温与极端低温交替变化的能力。恒定加速度能检测出结构和机械类型的缺陷，可以通过高应力试验来考核封装、内部金属化和引线系统、芯片或基板的焊接以及MMIC器件其他部件的机械强度不满足要求的薄弱环节。微波开关温度循环试验和恒定加速度试验的样品数量各5只，试验条件如下表4所示。
表4 基于性能退化的材料工艺验证试验
试验结束后对产品进行内部目检，要求芯片外观无异常；并测试产品的插入损耗参数，要求插入损耗参数变化量小于0.5dB。根据表3和表4要求开展评价试验，试验结果如表5所示，可知5只微波开关样品均满足插入损耗参数变化量小于0.5dB，表明其材料工艺性能符合应用要求。
表5 基于性能退化的材料工艺验证试验数据
2.2 基于实际应用模式的模拟验证
为了考核微波开关实际应用中承受极限电应力的可靠性，本文根据微波开关的实际工作模式设计了射频考机试验。考机试验条件为环境温度TA=+125℃，RFC端施加射频信号，射频信号频率为微波开关的工作频率中心频点，功率为+47dBm(脉冲工作模式：脉宽8ms、占空比40%)，控制电压-0.5V/+32V。其中RFC→RF1工作态240小时，RFC→RF2工作态240小时，开关RF1和RF2之间切换速率为0.1Hz，试验样品数量为5只。射频考机试验图如下图3所示，试验结束后对产品进行内部目检，要求芯片外观无异常；并测试产品的插入损耗参数，要求插入损耗参数变化量小于0.5dB。
图3 微波开关射频考机示意图
试验后对试验样品进行内部目检，未发现异常。对样品测试，试验结果如表6所示，可知5只样品均满足插入损耗参数变化量小于0.5dB，因此通过射频考机试验表明该微波开关符合相关应用要求。
表6 射频考机试验数据
2.3 基于温度加速的寿命试验验证
根据工程应用要求，该微波开关的可靠性指标为单边置信区间、置信水平为90%， TA=+125℃ ，失效率λ≤10-7/h。
对于长寿命高可靠性元器件的寿命特征评估，通常采用温度加速寿命试验，相关公式如下所示：
其中M代表产品的敏感参数，通常该参数在加速寿命试验前后有较大变化，dM/dt表示温度为T时的反应速率，Ea为产品的激活能（eV），其值与产品的失效机理有关，可以通过试验获得，K是玻尔兹曼常数，A是常数。
对公式（1）变形，可得出，
式中：
M0为初始状态；
M1为退化后的状态。
由公式（2）可推出加速因子τ如下：
根据先前该微波开关研究可知，其Ea为1.7eV，考核温度T0为125℃，T1加速温度为200℃，可知加速因子τ为2572，其中加速温度200℃低于该微波开关沟道温度的极限值225℃。
依据GB 5080中对可靠性测定试验的点估计所规定的方法，单边置信区间置信度90%时器件失效率为：
式中
γ代表失效样品数；
T*为试验累积器件小时。
根据公式（4）可知，选用10只样品，器件累计试验时间应至少为890h，试验时间确定为900h。试验结束后对产品进行内部目检，要求芯片外观无异常；并测试产品的插入损耗参数，要求插入损耗参数变化量小于0.5dB。
表7 微波开关加速寿命试验数据
由表7可知，经过900h的加速寿命试验后，10只微波开关的插入损耗参数变化量均小于0.5dB；对试验结束后对产品进行内部目检，芯片外观无异常。因此10只微波开关在加速温度为200℃时可正常工作时间大于900h，因此该批微波开关满足单边置信区间、置信水平为90%，TA=+125℃，失效率λ≤10-7/h要求。
3 结束语
本文以某GaN基HEMT型MMIC开关为例展开研究，对其应用可靠性展开评价方法研究。微波开关的评价试验包含基于性能退化的材料工艺验证试验，基于微波开关的实际应用模式的射频考机试验，并且在上述两个评价试验的基础上设计了基于温度的加速寿命试验，验证微波开关长期应用可靠性。实践表明，本文的评价方法满足微波开关可靠性的评价要求，其研究思路和方法也可引申应用于其他类似产品。
引用本文：冉红雷，韦婷，张魁，彭浩，黄杰.微波开关可靠性评价技术研究[J].环境技术，2021，233(05):111-115.
专家简介：冉红雷，男，硕士研究生，专业方向：半导体器件可靠性技术研究。
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