敬小東，王海龍，游 飛，魏彥江，鐘世昌

（1. 西南電子設(shè)備研究所，成都 610036； 2. 電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731；3. 四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心，成都 610036； 4. 南京電子器件研究所，南京 210016）

0 引言

2000 年以來(lái)，隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，尤其是氮化鎵高電子遷移率器件（GaN HEMT）的出現(xiàn)，固態(tài)功放的輸出功率、效率等核心指標(biāo)以及耐高溫、耐輻照性能均得到極大提升[1-2]。目前，在L 和S 頻段，基于GaN 器件的固態(tài)功放無(wú)論輸出功率還是效率都已達(dá)到行波管放大器（TWTA）的水平，并且在線性度、體積、重量上具有更多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2015 年開始，國(guó)內(nèi)基于GaN 器件的大功率固態(tài)功放逐漸開始星載應(yīng)用。然而，相較于GaAs 固態(tài)功放，GaN 固態(tài)功放所采用的材料和工藝成熟度低、功率密度大、工作電壓高，亦無(wú)長(zhǎng)時(shí)間可靠應(yīng)用數(shù)據(jù)積累。另外，以導(dǎo)航、通信為代表的中高軌衛(wèi)星對(duì)其星上產(chǎn)品的壽命要求都在10～15 年，甚至更長(zhǎng)；中軌和低軌衛(wèi)星也至少要滿足8 年以上壽命要求。因此，開展星載大功率GaN 固態(tài)功放的壽命評(píng)估研究具有重要意義。

對(duì)于電子產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命評(píng)估，加速壽命試驗(yàn)是最常用的方法。對(duì)于普通元器件來(lái)說(shuō)，其失效模式單一，加速壽命試驗(yàn)的加速應(yīng)力和激活能的確定較為簡(jiǎn)單。但對(duì)于如星載大功率GaN 固態(tài)功放這樣的單機(jī)級(jí)電子產(chǎn)品，其包含的元器件種類復(fù)雜，導(dǎo)致其失效機(jī)理和失效模式多樣，因此其加速壽命試驗(yàn)的加速應(yīng)力和激活能的確定較為困難。另一方面，固態(tài)功放產(chǎn)品的壽命主要由其核心器件決定，并非各器件壽命的簡(jiǎn)單累加，對(duì)固態(tài)功放獨(dú)立進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯涌己水a(chǎn)品各器件和材料的工作狀態(tài)，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命評(píng)估，其意義是器件級(jí)加速壽命試驗(yàn)所無(wú)法取代的；但是單機(jī)級(jí)加速壽命試驗(yàn)面臨產(chǎn)品成本高昂、樣本數(shù)少的困難。一些文獻(xiàn)[3-7]已探討過(guò)固態(tài)功放的加速壽命試驗(yàn)問(wèn)題，但未涉及新型星載大功率GaN 固態(tài)功放或其壽命評(píng)估結(jié)果無(wú)實(shí)際在軌工作數(shù)據(jù)驗(yàn)證，因此，本文將探索適用于大功率GaN 固態(tài)功放的加速壽命試驗(yàn)方法和壽命評(píng)估方法，以期為該產(chǎn)品的工程應(yīng)用提供實(shí)際支撐。

影響固態(tài)功放長(zhǎng)期可靠性的除了材料、工藝等內(nèi)在因素外，還有電壓、溫度、振動(dòng)、沖擊、水汽、輻照等很多外在因素，開展加速壽命試驗(yàn)首先要確定哪種因素是關(guān)鍵因素，繼而確定加速應(yīng)力。本文通過(guò)對(duì)星載大功率GaN 固態(tài)功放進(jìn)行故障模式、機(jī)理及影響分析（FMMEA），找到其薄弱環(huán)節(jié)及失效機(jī)理；然后，基于阿侖尼烏斯（Arrhenius）模型確定適用于該產(chǎn)品的激活能和加速應(yīng)力取值，并對(duì)產(chǎn)品開展加速壽命試驗(yàn)；最后，對(duì)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在軌累計(jì)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，給出壽命評(píng)估結(jié)果。

1 加速壽命試驗(yàn)方案

1.1 失效機(jī)理

基于固態(tài)放大器的FMMEA 找到影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵元器件和關(guān)鍵裝配工藝，并進(jìn)行失效機(jī)理分析。固態(tài)功放的裝配工藝屬于較成熟的微波工藝，已在多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)使用，有大量的可靠性數(shù)據(jù)，故本項(xiàng)目主要針對(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行分析。固態(tài)功放的關(guān)鍵器件主要是各種半導(dǎo)體器件，其中末級(jí)GaN微波功率管由于其功率密度大、技術(shù)成熟度低，成為固態(tài)功放可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)。

GaN 器件的失效分為早期失效、中期失效和后期失效，其壽命周期曲線呈現(xiàn)典型的浴盆形狀，如圖1 所示。GaN 器件工程應(yīng)用前的生命期又叫早期失效期（I 段），早期失效主要由器件的工藝和材料缺陷引起，可通過(guò)篩選試驗(yàn)來(lái)剔除，屬于偶然失效；器件工程應(yīng)用期（II 段）又叫中期失效期，中期失效主要由材料和工藝特性決定，呈現(xiàn)一個(gè)基本不變的失效率，無(wú)法通過(guò)篩選試驗(yàn)剔除；器件的超期應(yīng)用期又叫后期失效期（III 段），其起始點(diǎn)決定了器件的使用壽命，由器件多種失效模式確定，如歐姆接觸退化、柵退化、材料退化、電遷移等，且這些失效模式都與溫度強(qiáng)相關(guān)。固態(tài)功放的壽命評(píng)估主要是評(píng)估產(chǎn)品工程應(yīng)用期的時(shí)間，經(jīng)過(guò)FMMEA 可確定，影響固態(tài)功放可靠性的關(guān)鍵元器件是末級(jí)GaN 微波功率管，且失效機(jī)理分析結(jié)果顯示溫度是該器件在產(chǎn)品工程應(yīng)用期的關(guān)鍵失效因素。

圖1 GaN 器件壽命周期曲線Fig. 1 Bathtub curve of the life cycle of the GaN device

1.2 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)失效機(jī)理分析，溫度是固態(tài)功放的關(guān)鍵失效因素。因此，加速壽命試驗(yàn)以恒定高溫為加速應(yīng)力，基于Arrhenius 模型的加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行壽命評(píng)估[8-11]。

加速壽命試驗(yàn)的加速系數(shù)Fa可定義為正常應(yīng)力T0作用下器件壽命L0與加速應(yīng)力T1條件下器件壽命L1之比，

式中：下標(biāo)β為置信度；γ為失效數(shù)，試驗(yàn)中一般為0；t*為試驗(yàn)累積時(shí)間。

置信度的取值根據(jù)總體要求和樣本數(shù)等條件綜合考慮，本項(xiàng)目置信度取值為60%，則

加速壽命試驗(yàn)的實(shí)際時(shí)間L1滿足

將式(1)～式(5)聯(lián)立得到，置信度60%下，保證器件正常工作壽命達(dá)到平均壽命的加速壽命試驗(yàn)樣本零失效時(shí)間為

1.3 激活能和加速應(yīng)力的確定

激活能對(duì)應(yīng)著產(chǎn)品某種失效模式下的加速系數(shù)，對(duì)GaN 器件而言，通常對(duì)應(yīng)金屬原子擴(kuò)散、固-固反應(yīng)等物理過(guò)程所需的能量，其取值直接關(guān)系到壽命評(píng)估的結(jié)果[12-13]。元器件激活能通常采用三溫加速壽命試驗(yàn)獲得。但固態(tài)功放中包含多種元器件，每種元器件的失效機(jī)理和模式不同，激活能也不同，且三溫加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力極大，很多外圍電路不能承受此高溫。

本項(xiàng)目中，固態(tài)功放的激活能取值方法是先分別找出關(guān)鍵元器件的激活能，然后以關(guān)鍵器件的激活能最低取值作為整機(jī)激活能的取值。元器件激活能的取值參考美軍標(biāo)MIL-HDBK-338B《電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)》[14]和歐空局標(biāo)準(zhǔn)文件ECSS-QHB-30-01A《最壞情況分析》[15]，以及固態(tài)功放的部分元器件進(jìn)行三溫加速壽命試驗(yàn)所得到的器件激活能值[16-17]見表1。最終經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，大功率GaN 固態(tài)功放加速壽命試驗(yàn)的激活能取值確定為1.0 eV。

表1 固態(tài)功放電子元器件激活能取值Table 1 Assigned values of activation energy of components in SSPA

加速應(yīng)力值的選取與試驗(yàn)時(shí)間直接相關(guān)，固態(tài)功放內(nèi)部除了微波功率管器件外，還有其他電阻、電容、導(dǎo)線等低溫器件，試驗(yàn)溫度過(guò)高將導(dǎo)致其他失效模式引起的固態(tài)功放損壞，無(wú)法達(dá)到壽命評(píng)估的目的。因此，試驗(yàn)應(yīng)力值的確定應(yīng)根據(jù)通常衛(wèi)星平臺(tái)固態(tài)功放鑒定試驗(yàn)溫度，以及功率管結(jié)溫和固態(tài)功放腔體溫度的差，保證器件結(jié)溫不超過(guò)可靠性允許的極限溫度，同時(shí)避免失效機(jī)理發(fā)生變化[18]。

經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，大功率GaN 固態(tài)功放的加速應(yīng)力值取為75 ℃，結(jié)合產(chǎn)品熱分析和熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)GaN 器件溝道溫度約為160 ℃，可在保持高溫應(yīng)力的條件下保證產(chǎn)品不會(huì)因過(guò)應(yīng)力而產(chǎn)生其他失效模式。

1.4 加速壽命試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證固態(tài)功放在軌工作溫度T0=45 ℃，在軌工作時(shí)間≥15 年的要求，考慮樣本數(shù)量較少，L0取值為25 年，即219 000 h，Ea=1.0 eV，根據(jù)式(1)～式(6)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的參數(shù)推算：

L0≥219 000 h，故L1≥8700 h。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，固態(tài)功放加速壽命試驗(yàn)時(shí)間至少需8700 h，最終確定為10 000 h。根據(jù)Arrhenius模型，綜合考慮航天樣機(jī)數(shù)量成本和試驗(yàn)時(shí)間成本，決定采用1 件樣本（含2 只末級(jí)GaN 功率管）進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)條件為：加速應(yīng)力75 ℃；加速系數(shù)23.19；樣本數(shù)1 件。試驗(yàn)終止判據(jù)（滿足以下任何一個(gè)條件即終止試驗(yàn)）為：樣本輸出功率減小超過(guò)1 dB；試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到10 000 h。

1.5 加速壽命試驗(yàn)方案

加速壽命試驗(yàn)架構(gòu)如圖2 所示。本項(xiàng)目采用的加速壽命試驗(yàn)樣機(jī)與正樣產(chǎn)品為同批次，采用抽樣方式選取。加速壽命開始前，樣機(jī)需完成所有驗(yàn)收試驗(yàn)。

圖2 加速壽命試驗(yàn)架構(gòu)Fig. 2 Configuration of the accelerated life test

固態(tài)功放在加速壽命試驗(yàn)前、后進(jìn)行詳細(xì)指標(biāo)測(cè)試；在加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行輸出功率、電流、電壓、溫度檢測(cè)。

加速壽命試驗(yàn)需要產(chǎn)品處在高溫75 ℃下，且時(shí)間較長(zhǎng)，故需設(shè)置一塊鋁制散熱板作為產(chǎn)品恒溫平臺(tái)，通過(guò)產(chǎn)品自身發(fā)熱升溫，風(fēng)扇通風(fēng)散熱降溫。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)散熱板溫度檢測(cè)和風(fēng)扇供電控制實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。此平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，利于長(zhǎng)期工作。

2 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 中間測(cè)試

GaN 固態(tài)功放加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中，共進(jìn)行4 次中間測(cè)試：第1 次在試驗(yàn)前，第2 次在試驗(yàn)進(jìn)行5000 h 后，第3 次在7500 h 后，第4 次在10 000 h后。測(cè)試結(jié)果見表2 所示，輸出功率減小0.18 dB，功耗減小1.94%，雜散減小0.63 dB，二次諧波增加0.66 dB，三階交調(diào)減小0.24 dB。試驗(yàn)中，GaN 固態(tài)功放的帶內(nèi)增益和群時(shí)延變化如圖3、圖4 所示，增益在各頻點(diǎn)變化小于0.22 dB，群時(shí)延在各頻點(diǎn)變化小于0.30 ns?？梢?，GaN 固態(tài)功放的各項(xiàng)指標(biāo)在各階段的測(cè)試結(jié)果均滿足載荷要求以及本項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)的要求。

表2 GaN 固態(tài)功放加速壽命試驗(yàn)中間測(cè)試結(jié)果Table 2 The intermediate results of accelerated life test of GaN SSPA

圖3 GaN 固態(tài)功放的增益變化Fig. 3 Measured variation of gain vs frequency for GaN SSPA

圖4 GaN 固態(tài)功放的群時(shí)延變化Fig. 4 Measured variation of group delay vs frequency for GaN SSPA

2.2 過(guò)程測(cè)試

GaN 固態(tài)功放加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中的輸出功率、電流、遙測(cè)電壓變化如圖5 和圖6 所示。在試驗(yàn)開始的1000 h 內(nèi)，固態(tài)功放的輸出功率和電流有一個(gè)穩(wěn)定期；在1000～10 000 h 過(guò)程中，輸出功率和電流有較明顯的退化趨勢(shì)，輸出功率減小0.20 dB，電流減小0.21 A（母線電壓42 V），5、9、-3.3、28 V遙測(cè)電壓基本不變。過(guò)程測(cè)試是不間斷連續(xù)采樣的測(cè)試結(jié)果，中間測(cè)試是每次產(chǎn)品中斷加電后冷卻到常溫的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示這2 種測(cè)試數(shù)據(jù)的功率變化和電流變化基本吻合。

圖5 GaN 固態(tài)功放的輸出功率、電流變化Fig. 5 The output power and current vs time for GaN SSPA

圖6 GaN 固態(tài)功放的二次電源遙測(cè)電壓變化Fig. 6 The telemetered voltage of EPC vs time for GaN SSPA

2.3 在軌工作數(shù)據(jù)

為了彌補(bǔ)大功率GaN 固態(tài)功放加速壽命試驗(yàn)樣本較少的問(wèn)題，對(duì)此型固態(tài)功放的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)。從2015 年開始，此型大功率GaN 固態(tài)功放相繼在“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的多顆衛(wèi)星中應(yīng)用；截至2021 年1 月，已累計(jì)上星達(dá)30 臺(tái)，在軌累計(jì)穩(wěn)定工作超過(guò)60 萬(wàn)h，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。因?yàn)槊颗_(tái)固態(tài)功放中包含2 只GaN 器件，所以該型GaN 器件已上星60 只，累計(jì)穩(wěn)定工作超過(guò)120 萬(wàn)h。

表3 3 臺(tái)固態(tài)功放在軌工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 3 On-orbit working time of three SSPAs

固態(tài)功放的輸出功率和電流能直接反映其工作狀態(tài)和長(zhǎng)期退化趨勢(shì)，對(duì)某衛(wèi)星GaN 固態(tài)功放在軌1 年多的輸出功率、電流遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7 所示，該產(chǎn)品在軌工作溫度最高為40 ℃，考慮壽命末期衛(wèi)星溫控平臺(tái)能力退化，以在軌45 ℃進(jìn)行壽命預(yù)計(jì)，結(jié)果表明：其輸出功率變化小于0.2 dB，電流變化小于0.2 A，變化范圍與預(yù)計(jì)相符，且沒(méi)有明顯的退化趨勢(shì)。

圖7 固態(tài)功放在軌輸出功率和電流遙測(cè)數(shù)據(jù)Fig. 7 The telemetered output power and current of SSPAs in orbit

2.4 壽命評(píng)估

加速壽命試驗(yàn)中，固態(tài)功放在75 ℃下工作10 000 h 后輸出功率減小0.18 dB，采用多項(xiàng)式對(duì)功率變化進(jìn)行擬合，得到固態(tài)功放在75 ℃下工作約50 000 h 后輸出功率將減小1.0 dB。以在軌工作溫度45 ℃下輸出功率減小1 dB 為失效判據(jù)，根據(jù)式(6)對(duì)星載大功率GaN 固態(tài)功放進(jìn)行壽命評(píng)估，得到MTTF=1.26×106h。再根據(jù)式(2)可得星載大功率GaN 固態(tài)功放的失效率λ為7.93×10-7，15 年工作可靠度Rt=e-λt=0.901。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目對(duì)星載大功率GaN 固態(tài)功放進(jìn)行了可靠性薄弱環(huán)節(jié)和失效機(jī)理分析，并完成了1 臺(tái)產(chǎn)品75 ℃條件下10 000 h 的射頻加速壽命試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析和計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

1）GaN 固態(tài)功放的薄弱環(huán)節(jié)是末級(jí)GaN 微波功率管，產(chǎn)品可靠性與溫度直接相關(guān)；

2）產(chǎn)品在75 ℃條件下10 000 h 的射頻加速壽命試驗(yàn)后，輸出功率退化小于0.2 dB；

3）根據(jù)加速壽命試驗(yàn)中的產(chǎn)品輸出功率退化趨勢(shì)，以輸出功率退化1 dB 為判據(jù)，預(yù)計(jì)其在軌45 ℃條件下工作的 MTTF 為1.26×106h，失效率λ為7.93×10-7，15 年工作可靠度為0.901。