董作典，宋燕，史廣芹，韓寶妮，唐旭，何婷

（西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西　西安　710100）

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電磁脈沖對MMIC電路中MIM電容的損傷分析

董作典，宋燕，史廣芹，韓寶妮，唐旭，何婷

（西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西西安710100）

電容失效是電子電路中常見的故障。通過對某QPSK調(diào)制器微波單片集成電路 （MMIC）進(jìn)行失效分析，確定了該產(chǎn)品出現(xiàn)的故障是由MIM電容引起的，進(jìn)一步地通過故障原因排查和故障機(jī)理分析，得知該MIM電容故障是由電磁脈沖 （EMP）引起的，最后通過設(shè)計試驗使故障復(fù)現(xiàn)，驗證了分析結(jié)果的正確性，從而為今后MMIC的老煉試驗設(shè)計提供了指導(dǎo)。

電磁脈沖；微波單片集成電路；金屬-絕緣體-金屬電容；失效分析

0　引言

金屬-絕緣體-金屬 （MIM）電容是電路中常見的電子元件［1-2］，然而在使用的過程中該電容卻時常發(fā)生故障。導(dǎo)致MIM電容發(fā)生故障的原因有很多，其中，電磁脈沖 （EMP）是一個常常被人們忽視的重要且隱蔽的原因。EMP產(chǎn)生于設(shè)備儀器開關(guān)機(jī)時，雖然EMP的峰值電壓遠(yuǎn)低于靜電電壓，但是其脈寬較寬、能量較大，對電子器件的傷害不亞于靜電損傷［3-5］。本文通過高溫老煉中某單機(jī)用的QPSK調(diào)制器MMIC的失效案例，研究了EMP對MIM電容的影響。

1　故障描述

某單機(jī)用的QPSK調(diào)制器MMIC在進(jìn)行高溫電老煉篩選試驗后有1/4的器件插入損耗比正常值增大了4～8 dB，LO端端口阻抗由高阻 （＞50 MΩ）變?yōu)?00 Ω以下，器件的參數(shù)已嚴(yán)重地超差。

2　故障定位

MMIC電路版圖及其原理圖分別如圖1和圖2所示。

圖1　QPSK調(diào)制器芯片版圖

圖2　QPSK調(diào)制器芯片電路原理圖

由圖2可知，MMIC電路由I路混頻器、Q路混頻器和Lange耦合器3部分組成。Lange耦合器將LO端輸入的單端載波信號變換為正交兩路信號，兩路信號功率相等，相位相差90°；I路、Q路混頻器在輸入調(diào)制信號的驅(qū)動下分別工作在BPSK調(diào)制狀態(tài)下，最終合成的調(diào)制信號從RF端輸出。

MMIC電路在高溫老煉中出現(xiàn)故障，LO端端口阻抗由高阻下降到100 Ω以下，從圖2分析可知，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因有兩種：1）電容C1擊穿短路；2）電容C2擊穿短路。

為了定位故障電容，抽取2只故障產(chǎn)品 （6#、35#）進(jìn)行開帽，采用紅外熱像儀進(jìn)行熱成像分析，分析過程中LO端施加+2 V電壓，C1在芯片版圖上的位置示意圖如圖3所示，6#、35#產(chǎn)品芯片的熱分布情況如圖4所示。

圖3　C1在芯片版圖上位置示意圖

圖4　產(chǎn)品紅外熱像圖

從熱成像分析結(jié)果可以看出，電容C1處有明顯的熱斑，而電容C2處的成像結(jié)果正常，可以判定是電容C1發(fā)生了故障。進(jìn)一步采用SEM對電容C1進(jìn)行檢查，得到的結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)了介質(zhì)層擊穿點。C1電容擊穿后，電容上下電極短路，介質(zhì)層等效為電阻，該電阻值的大小與介質(zhì)層的擊穿程度有關(guān)；同時，載波信號從擊穿的電容處泄露到地，導(dǎo)致產(chǎn)品的插入損耗增大，與故障產(chǎn)品的微波特性的變化情況一致。

圖5　產(chǎn)品的電容被擊穿后的SEM照片

3　故障原因分析

C1電容被擊穿的原因可能有多種，依次排查如下。

3.1產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查

對全部失效產(chǎn)品進(jìn)行PIND試驗，沒有發(fā)現(xiàn)異常。抽取4只產(chǎn)品開帽，在高倍顯微鏡下檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常，判定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正常、內(nèi)部沒有多余物，微帶線正常，鍵合絲正常，因而可以排除因產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常而導(dǎo)致C1出現(xiàn)故障的可能性。

3.2芯片設(shè)計缺陷檢查

試驗中使用的QPSK調(diào)制器的芯片采用了I/Q混頻器的電路結(jié)構(gòu)，由I、Q兩路混頻器和Lange耦合器組成，發(fā)生電容擊穿的部位在Lange耦合器部分，該部分的電路結(jié)構(gòu)參照了國外公司同類芯片的電路結(jié)構(gòu)，與該芯片具有類似結(jié)構(gòu)的10余款芯片在航天電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，尚未出現(xiàn)類似的故障，因此可排除芯片設(shè)計缺陷導(dǎo)致C1出現(xiàn)故障的可能性。

3.3芯片工藝缺陷檢查

芯片工藝缺陷主要體現(xiàn)在電容介質(zhì)層，在該芯片工藝中，介質(zhì)層的材料為Si3N4，厚度為0.2 μm，Si3N4淀積工藝為PECVD，該工藝的特點是Si3N4成膜質(zhì)量好、均勻性好、孔狀缺陷少并且不易龜裂。芯片生產(chǎn)單位的工藝線在該工藝過程中進(jìn)行了SPC控制，從控制圖中未發(fā)現(xiàn)Si3N4生長異常。采用QT2半導(dǎo)體圖示儀對篩選合格的產(chǎn)品進(jìn)行了電容抗擊穿能力測試，在LO端口施加0～50 V電壓，其漏電流均小于1 μA，與正常的電容I-V曲線吻合。通過以上分析，可以認(rèn)為芯片不存在批次性的電容介質(zhì)層缺陷。

3.4靜電損傷分析

QPSK調(diào)制器的芯片為GaAs微波器件，為了保證器件的微波特性滿足用戶的要求，沒有設(shè)計專門的靜電保護(hù)電路，從ESD摸底試驗可知，該產(chǎn)品LO端的抗靜電能力為500 V，屬于靜電敏感器件，在生產(chǎn)、測試和使用的過程中需要注意防靜電。檢查產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗和測試的各環(huán)節(jié)均未發(fā)現(xiàn)有違反靜電防護(hù)規(guī)定的行為。從靜電的產(chǎn)生條件的角度分析，靜電的產(chǎn)生與空氣濕度的關(guān)系很大，空氣濕度越大，越不容易產(chǎn)生靜電，產(chǎn)品發(fā)生故障時正值夏季，空氣濕度較大，測試間空氣濕度保持在50%以上，產(chǎn)生靜電的可能性較小。同時，靜電通常為高壓窄脈沖，其脈寬為ns量級，積分能量較小，靜電造成的電容擊穿一般為介質(zhì)層的場擊穿，不會造成明顯的燒毀痕跡，而從SEM照片可以看到明顯的擊穿燒毀痕跡，因此可以判斷該電容擊穿不是靜電損傷造成的。

3.5EMP損傷分析

EMP產(chǎn)生于設(shè)備儀器開關(guān)機(jī)時刻，EMP的峰值電壓遠(yuǎn)低于靜電，一般小于100 V，但其脈寬較寬，可以達(dá)到ms量級［7-8］，因此積分能量較大，對于電容造成的擊穿可以觀察到明顯的燒毀痕跡，這一點與SEM觀察到的情況一致。因此，在排除了前幾項故障原因后，將焦點集中在EMP損傷。首先對老煉系統(tǒng)的地線進(jìn)行EMP檢查，使用分析帶寬為400 MHz的示波器，探頭連接在高溫試驗箱的外殼上，開關(guān)高溫試驗箱的控制電源，可以觀察到如圖6所示的EMP波形，其脈沖峰峰值大于50 V，脈寬約為1.5 ms，試驗箱關(guān)閉時產(chǎn)生的EMP值明顯地大于啟動時的值。

圖6　高溫試驗箱開關(guān)機(jī)時探測到的機(jī)箱外殼EMP波形

產(chǎn)品老煉板如圖7所示。老煉板底座為硬鋁材料，作為老煉板的地；底座上安裝PCB板用于對產(chǎn)品I、Q端加電，產(chǎn)品LO、RF端通過PCB板與老煉板的地連接；產(chǎn)品放置于底座的凹槽內(nèi)，產(chǎn)品的地依靠外殼與底座的接觸與老煉板的地相連。

圖7　產(chǎn)品老煉板

在老煉的過程中，老煉板直接放在了高溫試驗箱的隔板上，隔板為導(dǎo)電的金屬網(wǎng)，與高溫試驗箱的外殼相連。因此，高溫試驗箱的外殼上產(chǎn)生的EMP脈沖可以直接通過隔板串?dāng)_到老煉板的地上，進(jìn)而進(jìn)入產(chǎn)品的地上［9］。

從芯片電路原理圖分析可知，老煉時LO端也是接地的，因此，電容C2兩端均接地，EMP脈沖引入時應(yīng)不會在電容兩端產(chǎn)生較大的電壓差，從而不會造成C2電容被擊穿。

4　故障機(jī)理分析

該QPSK調(diào)制器MMIC所用的芯片采用GaAs 0.25 μm pHEMT工藝制造，電容為MIM結(jié)構(gòu)，中間介質(zhì)層為Si3N4，厚度為0.2 μm，電容抗擊穿電壓為80～110 V，電容上加載120 V以上的電壓時氮化硅層就會被擊穿，表現(xiàn)為電容被擊穿，原本直流開路的電容呈現(xiàn)阻性，電阻的大小與擊穿程度有關(guān)［10］。而電磁脈沖與直流電壓不同，電磁脈沖中含有高頻信號成分，因此會有高頻電流流過電容介質(zhì)層；當(dāng)電流足夠大時，會使介質(zhì)層材料發(fā)生電位移而造成擊穿，因此，通常電容抗電磁脈沖電壓的能力遠(yuǎn)小于抗直流電壓的能力。電容抗電磁脈沖的能力與電容介質(zhì)層的致密度、電容極板的面積和形狀有關(guān)，介質(zhì)層致密、極板面積大且呈圓形的電容抗電磁脈沖的能力強［11］。

該產(chǎn)品芯片上的電容C1為34 μm×34 μm的方電容，而電容C2為100 μm×100 μm的方電容，因此在承受同樣的EMP脈沖時C1首先被擊穿，C1被擊穿后呈現(xiàn)小電阻特性，其吸收了大部分EMP能量，反而對C2電容構(gòu)成了保護(hù)。同樣的道理，在一個老煉板上，電容介質(zhì)層致密度稍差的電容抗EMP能力低，首先被EMP擊穿，器件損壞，損壞的器件吸收了大部分EMP能量，能夠?qū)ν旰玫钠骷纬杀Ｗo(hù)。

5　故障復(fù)現(xiàn)

通過進(jìn)一步的排查發(fā)現(xiàn)，通過改進(jìn)試驗可以避免此情況的發(fā)生，產(chǎn)品在老煉板凹內(nèi)的放置位置如圖8所示。

圖8　產(chǎn)品放置于老煉板凹槽內(nèi)的情況

產(chǎn)品老煉時放置在圖8所示的右邊的凹槽內(nèi)，凹槽的深度按照產(chǎn)品絕緣子與外殼底面的高度值設(shè)計，但是在機(jī)械加工時，由于加工偏差，凹槽的深度會有一定的偏差，因此槽深偏小處安裝的產(chǎn)品可以與老煉板的地良好地接觸，而槽深偏大處安裝的產(chǎn)品底面會與老煉板間存在縫隙，導(dǎo)致產(chǎn)品接地不良，地端近似懸空狀態(tài)。對于接地不良的產(chǎn)品，由于其電容C1一端通過LO端口接地，而另一端由于產(chǎn)品接地不良導(dǎo)致近似懸空，使得電容C1在遭遇EMP影響時兩極板并非等電位，從而受到EMP損傷。如果試驗中在老煉板的凹槽內(nèi)墊鋁箔紙，使產(chǎn)品與老煉板良好接觸，就可使產(chǎn)品免受EMP造成的損傷。

為了驗證產(chǎn)品的失效是由于EMP引起的，設(shè)計如下試驗。試驗人員對前期采用同一晶圓批芯片裝配的樣品和PIND試驗中失效但電性能合格的樣品共14只再次進(jìn)行了老煉試驗，試驗進(jìn)行了2次。

第一次，采用改正的試驗操作方法：1）在老煉板凹槽內(nèi)填充褶皺的鋁箔紙，保證產(chǎn)品接地良好；2）在老煉板與高溫試驗箱間加墊絕緣的石棉板；3）放入老煉板前提前打開高溫試驗箱和電源的開關(guān)；4）老煉結(jié)束后首先去除老煉板的電源線和地線，用耐高溫手套取出老煉板后再關(guān)閉高溫試驗箱和電源的開關(guān)。經(jīng)過96 h老煉試驗后發(fā)現(xiàn)，14只樣品全部合格，沒有出現(xiàn)故障。

第二次，使用同樣的14只樣品，恢復(fù)之前的錯誤操作方法：1）老煉板凹槽內(nèi)沒有填充鋁箔紙；2）老煉板與高溫試驗箱直接接觸；3）先放入老煉板，連接好老煉板加電線后再打開電源和高溫試驗箱的開關(guān)；4）關(guān)閉電源和高溫試驗箱的開關(guān)后才取出老煉板。經(jīng)過48 h老煉試驗后發(fā)現(xiàn)，有1只樣品出現(xiàn)了故障，用QT2測試端口I-V特性發(fā)現(xiàn)，LO端直流阻抗由高阻變?yōu)? Ω左右，與篩選中出現(xiàn)的失效情況一致。

通過對2次老煉試驗的結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了本文中對QPSK調(diào)制器MMIC故障的定位和故障原因分析的正確性。

6　結(jié)束語

本文對QPSK調(diào)制器MMIC在高溫電老煉中出現(xiàn)的故障進(jìn)行了定位和對故障機(jī)理進(jìn)行了分析，并通過故障復(fù)現(xiàn)驗證了故障分析結(jié)果的正確性，從而得出該QPSK調(diào)制器MMIC失效的原因為：產(chǎn)品老煉板設(shè)計不夠完善，導(dǎo)致產(chǎn)品存在接地不良的情況；同時產(chǎn)品老煉過程中開關(guān)機(jī)操作不當(dāng)，使得部分QPSK調(diào)制器MMIC中C1電容受到了高溫試驗箱開關(guān)機(jī)時產(chǎn)生的EMP脈沖的影響，造成MMIC中C1電容擊穿，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。本研究為今后老煉試驗操作和老化板的設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)。

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Analysis of the Damage of Electromagnetic Pulse to the MIM Capacitor in MMIC

DONG Zuo-dian，SONG Yan，SHI Guang-qin，HAN Bao-ni，TANG Xu，HE Ting
（Xi’an Space Radio Techno1ogy Research Institute，Xi’an 710100，China）

Capacitor fai1ure is a common fai1ure in e1ectronic circuits.Through the failure analysis of the MMIC of a QPSK modulator，it’s determined that the fai1ure of the product is caused by the MIM capacitor.Through further troub1eshooting and fai1ure mechanism ana1ysis，it’s known that the fai1ure of the MIM capacitor is caused by e1ectromagnetic pu1se.Fina11y，the failure reappears by designing an experiment，which verifies the correctness of the analysis results，and provides a guidance for the future design of burn-in test of MMIC.

e1ectromagnetic pu1se；MMIC；MIM capacitor；fai1ure ana1ysis

TN 454.06

A

1672-5468（2016）03-0013-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.003

2015-12-31

2016-01-12

董作典 （1982-），男，吉林白山人，西安空間無線電技術(shù)研究所微波元器件可靠性中心工程師，從事航天型號用微波電子元器件質(zhì)量保證及可靠性研究工作。