专利名称：砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法
技术领域：
本发明涉及一种元器件电应力评估方法，具体涉及一种砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法。
背景技术：
随着我国航天科技工业的飞速发展，一系列国家重大专项的实施，对配套的元器件的性能、功能和可靠性有了更高的要求。同时，元器件生产制造方的设计思路也在改变， 从“单纯满足合同要求”向“尽可能加大产品的可靠性裕度，保证使用中不出故障”转变。因此为达到更高的宇航元器件可靠性要求，应了解元器件承受应力等的范围或界限，掌握所选用的元器件实际能力与其厂家详细规范所标注的能力之间的裕度。这有助于采购方选择质量保证能力强的航天型号使用元器件的供应商，从用户方角度保证选用元器件的高可靠性。同时，对宇航用元器件实际能力的摸底可以掌握其设计或应用的可靠性裕度等信息，并且可根据摸底过程中元器件暴露的薄弱环节，重点增加鉴定试验的批次和项目，通过提高鉴定试验的条件筛选门槛来保证高可靠性宇航元器件的选用。目前，我国一些传统元器件可靠性试验所采用的试验条件往往是直接照搬国外的标准规范，而没有在原因上做深入的考究，因此对元器件的改良也不能深入，可靠性也不能从实质上进行提高。基于这样的背景需求，我国宇航元器件可靠性领域亟待一套成熟的技术和工程化的标准体系。目前，一种新的元器件可靠性评价技术——宇航元器件极限评估技术在国内被提出。宇航元器件极限评估技术，是针对分析元器件应用中所关注的相关功能、性能和可靠性与规范之间要求的裕度和余量，以及在设计、材料或工艺方面的潜在缺陷，采用高加速应力和持续应力的方法以获得极限能力，评估元器件在热、力、电等应力作用下可承受的应力极限值和失效模式，综合评价元器件极限能力的全过程。从20世纪80年代后期开始，国外高加速应力试验(HAST, Highly Accelerated Stress Test)等激发试验技术快速发展,为极限评估提供了有力手段，同时加速了这种提高元器件质量保证技术的工程化，在宇航技术标准领域增加了一些极限测试与评估的内容。美国国家航空航天局(NASA)标准体系及欧洲空间元器件协调委员会(ESCC)为保证其航天产品的高质量、高可靠性和低成本，制定了一些相关元器件的评估测试标准。如《ESCC 2269010单片微波集成电路(MMIC)的评估测试计划》中，器件的标准评估流程如后样品选取一制定评估测试计划一筛选一初始电测量一评估测试并检查。但在极限测试方面，NASA与ESCC发布的评估测试方法还不够细致全面，操作性还有欠缺，依靠这些方法难以掌握电子元器件的真实能力和失效原因。例如对GaAs MMIC而言，凭借其在体积、稳定性、品质和成本上的优势，在雷达、通信、导航和仪器系统等国防、航天等高科技领域中有日益广泛的需求和应用。这也对器件可靠性增长提出了更高的要求，材料、结构和工艺技术的不断翻新，也引入更多新的失效模式和机理，使其可靠性研究及分析不断面临新的问题。一般来说，人们认为降低温度就可以提高微波器件的可靠性，对于GaAs MMIC功率放大器芯片而言，设计师通常过度重视高稳态温度引起的失效，一般特征是熔化或者热击穿。然而在器件使用中，出现这种高温极可能是由静电放电产生的瞬时高能或过电应力引起的，在高场强下工作所诱发的一系列瞬态效应对微波器件性能的提高和器件可靠性提出了挑战。而目前也确实没有针对砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，该评估方法采用变步长步进方式进行极限评估试验，得到的器件极限能力更逼近真实值。解决了现有技术中存在的技术问题。为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案
一种砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，包括以下步骤
步骤I，样品选取；
步骤2，对样本进行初始电测试，各项指标参数应当满足详细规范；
步骤3，将样本分为两组对比组和试验实验组；对比组用于与试验实验组进行对比， 当对试验实验组的样品进行电测试的时候，对比组的样品也需要进行电测试；
步骤4，对试验实验组样品施加电应力,进行电应力极限评估试验实验，
步骤5，数据分析并得出结论；
所述的步骤4需要先确定以下参数
确定电压起始点，电压起始点应当设定为器件的最佳工作电压范围；
选择采用电压向上步进，还是选择电压向下步进，对于工作环境经常出现高于最佳工作电压的情况，采用电压向上步进实验，而对于工作环境会经常出现低于最佳工作电压状况，对低电压敏感的器件或者工作在负压的器件，应当采用电压向下步进实验；
确定电压上限和下限，根据器件规范中规定的上限电压和下限电压来确定，具体来说就是如果器件规范中的电压下限和上限是8—9V，那么极限电压实验就从9V向上步进，从 8V向下步进，直到出现器件功能失效为止，所以说这个上下限是根据想探究器件能力到什么程度来决定的。如用户要探究器件的破坏极限，则电压上限应当以造成器件损坏为准。 为提高试验效率，电压起始点应当设定为器件的最佳工作电压。确定电压向上或向下的应力步长，在最佳电压工作范围内，电压步长设置为较大的值，但不得超过器件最佳工作电压的10%，当电压超出器件规范中规定的上限电压值之后，应当缩小电压步长至最大为器件最佳工作电压的5%。确定电压施加停留时间，停留时间应当仅为测试需要的时间。参考仪器测量时间， 一般为I分钟左右。在上述参数已经确定的前提下，步骤4具体包括以下过程所述的实验组的砷化镓单片微波功放元器件至少两个，其中一个为I号器件，另一个为2号器件，将I号器件的电压步进间隔始终保持在O. 5V不变，电压从起始电压上升至I号器件达到破坏极限，而2 号器件电压步进间隔在小于上限电压时保持O. 5V不变，超过上限电压后，间隔变为O. IV继续升压，至2号器件达到破坏极限。更进一步的是所述的步骤5具体包括
步骤5-1，砷化镓单片微波功放电压极限评估实验结果分析；
步骤5-1-1，根据采用步进的应力实验参数设定，在距离研制方给定的工作电压较远时采用大的步幅，当接近研制方给定的工作电压时采用小的步幅，能够充分地减少实验时间并且使实验结果更加地逼近样品的真实固有极限，用于分析实验结果的实验数据也按照此原则选取，则更有针对性；
步骤5-1-2，利用数据处理软件对实验数据绘制多维图表，进行多角度分析，
包括有
频率为 8— 11. 5GHz,
在不同频率，漏电流随电压的变化曲线三维在不同频率，输出功率随电压的变化曲线三维在不同频率，效率随电压的变化曲线三维在不同频率，增益随电压的变化曲线三维B频段从8— 11. 5GHz，每隔500MHz的频率对应一组二维图，包括有
在每个输入功率下(10 — 22dBm)，增益随电压的变化曲线；
在每个输入功率下(10 — 22dBm)，漏电流随电压的变化曲线；
在每个输入功率下(10 — 22dBm)，输出功率随电压的变化曲线；
步骤5-2，得出实验结论
根据上面的分析，可以得到GaAs丽IC功率放大器芯片的各类极限
根据单项实验的评价方法，单项实验中元器件的固有极限相对于应用极限条件的裕度低于30%时，器件可靠性过低，为不好用，单项实验中元器件的固有极限相对于应用极限条件的裕度高于30%时，器件功能过高，造成可靠性裕度浪费，为不好用。所述的砷化镓单片微波功放为一种中功率GaAs MMIC功率放大器芯片，其频率范围覆盖8. 5— I IGHz，小信号增益大于15dB ；
先确定以下参数
确定电压起始点为IV ；
确定电压采用向上步进，并且在电压低于研制方给定的样品规范极限电压9V时取
O.5V/步，直到步进到规范极限电压9V ；
电压超过规范极限电压9V后，取其中一只样品以O. IV每步继续升压步进，达到样品的破坏极限为止，另一只样品仍以O. 5V每步继续升压步进，达到样品的破坏极限为止。所述的参数确定后，开始以下实验步骤
样品在实验和测试中电源电压始终保持在详细规范规定值上，即Vd=8V，Vg=-5V,最高输入功率不超过+23dBm ；
i.低电压步进选取初始电压为IV，步进间隔为O. 5V，直到达到详细规
范规定的工作电压极限9V，电压值分别取点为1V、I. 5V、2V、2. 5V、3V、3. 5V、……8. 5V、9V ；
ii.一个样品芯片电压步进至9V时，改变电压步进间隔为O. IV，直到样品芯片达到破坏极限，另一样品芯片步进至9V时，仍取步进间隔为O. 5V，直到达到该样品芯片破坏极限，每个电压值采集一组数据，输入为微波信号输入；
iii.详细规范给出该芯片的频段为8. 5——IIGHz，通过对芯片测试系统进行设定，采取间隔为500MHz对整个频段的数据进行采集，为留出余量，从8GHz采集到
11.5GHz :8GHz、8. 5GHz、9GHz、10GHz、10. 5GHz、11GHz、11. 5GHz ;每个频率值对应一组数据； iv.输入信号功率Pin采点为10 — 22dBm，每隔IdBm采集一组数据；
V.每组数据包括的关键性能指标有输入功率Pin、输出功率Po、信号
增益值Gp、效率nadd、静态电流Id。与现有技术相比，本发明的有益效果是
I.采用电压步进方式进行极限评估实验，得到的器件极限能力更逼近真实值。2. 分析实验数据，可以得到器件的可靠性裕度，为器件的正确使用提供依据。3. 可考察元器件在规定的最佳工作条件下的表现，以验证器件真实性能。4.可以暴露元器件有效失效模式，以便改进器件设计。
图I为本发明中涉及到的四种极限概念的关系图2为本发明具体实施例中，在不同频率，漏电流随电压的变化曲线三维图3为本发明具体实施例中，在不同频率，输出功率随电压的变化曲线三维图4为本发明具体实施例中，在不同频率，效率随电压的变化曲线三维图5为本发明具体实施例中，在不同频率，增益随电压的变化曲线三维图6为本发明具体实施例中，在每个输入功率下，增益随电压的变化曲线二维图7为本发明具体实施例中，在每个输入功率下，漏电流随电压的变化曲线二维图8为本发明具体实施例中，在每个输入功率下，输出功率随电压的变化曲线二维图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步阐述。现将本专利文件中所涉及到的概念进行解释，以便于对本文的理解。在本文中，极限评估的主要目的是探测和获得元器件在电应力作用下可承受的应力极限值(简称极限)，并评价极限的合理性。由于评判标准存在可选择性和元器件在应力下的表现存在梯度差异，所以极限评估中的“极限”也可细致划分，便于研究。I、极限的概念
本文中的极限是指元器件在规定时间的应力条件下，满足规定要求的临界应力值，包含规范极限、固有极限、可用极限和破坏极限四种极限，其中，规范极限和可用极限是预设的指标，属于指标层；固有极限和破坏极限的确定需设定判据，属于判据层。这四种极限的关系如图I所不。I. I指标层极限
由于规范极限和可用极限的评判要参考元器件指标，因此归属于指标层范畴。规范极限是由元器件规范给出的应力绝对最大值，元器件预期在该极限内工作不会出现性能参数超差或功能失效。这里的元器件规范可以是元器件的详细规范，也可以是总规范或通用规范等标准文件。不限定为单一元器件规范的目的是为了对不同型号的同类元器件进行横向比较。一般情况下，元器件在规范极限之内应用。
可用极限是为满足用户使用可靠性要求所必需的元器件的固有极限最小值。可用极限提出了对固有极限的最低要求，正常情况下固有极限应不小于可用极限，如果固有极限小于可用极限，则元器件预期不能满足用户使用可靠性要求。可用极限也为极限评估试验提供了一个可供选择的试验截止条件。I. 2判据层极限
元器件(在本文中重点是指砷化镓单片微波功放)在规定时间的应力条件下，不出现性能参数超差或功能失效时对应的临界应力值，称为固有极限。固有极限表征了元器件承受应力的实际能力，其判据取自元器件规范，合格产品的固有极限应不小于规范极限。固有极限与规范极限的差值指示了元器件满足规范的裕度，该裕度的增加有助于提高可靠性，但裕度过大往往需要付出制造成本大幅增加的代价，而对可靠性提高却作用有限，因此裕度适当即可。破坏极限则是指元器件在规定时间的应力条件下，不产生不可恢复的功能或性能失效时的临界应力值。在解释了相关概念之后，再详细叙述本发明专利的具体实施情况
鉴于极限评估实验的目的，实验的参加人员包括实验人员、测试人员和分析人员。实验人员要求熟悉极限评估实验的基本理论与过程、熟练掌握实验设备的操作方法，并要求参与实验方案的制定、实验结果的分析；测试人员由实验样品研制单位负责，要求熟悉实验器件的结构与功能；实验分析人员要求了解实验全过程，具有从事极限评估实验结果分析的能力。实验设备的要求
主要包括极限评估实验设备和测试设备，极限评估实验设备需要专业的电压控制台。 测试设备要求能够获取实验样品的响应数据。实验样品
实验采用的样品型号和性能如下
实验采用是一种中功率GaAs MMIC功率放大器芯片，频率范围覆盖8. 5 11GHz，小信号增益大于15dB。采用+8V/-5V电源供电。实验参数设定原则
起始电压为IV，步进量在电压低于研制方给定的样品规范极限电压时取O. 5V/步，直到步进到规范极限电压9V。取其中一只以O. IV/步继续升压步进，达到样品的破坏极限为止。另一只仍以O. 5V/步继续升压步进，达到样品的破坏极限为止。实验样品的测试
中功率GaAs丽IC功率放大器芯片待测参数
输出功率(采三个频点)、漏电流(采三个频点)、信号增益值、效率规范规定最佳工作条件如表I :
权利要求
1.一种砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，包括以下步骤步骤I，样品选取；步骤2，对样本进行初始电测试，各项指标参数应当满足详细规范；步骤3，将样本分为两组对比组和试验组；对比组用于与试验组进行对比，当对试验组的样品进行电测试的时候，对比组的样品也需要进行电测试；步骤4，对试验组样品施加电应力,进行电应力极限评估试验；步骤5，数据分析并得出结论；其特征在于所述的步骤4需要先确定以下参数确定电压起始点，电压起始点应当设定为器件的最佳工作电压范围；选择采用电压向上步进，还是选择电压向下步进，对于工作环境经常出现高于最佳工作电压的情况，采用电压向上步进试验，而对于工作环境会经常出现低于最佳工作电压状况，对低电压敏感的器件或者工作在负压的器件，应当采用电压向下步进试验；确定电压上限和下限，根据器件规范中规定的上限电压和下限电压来确定；确定电压向上或向下的应力步长，在最佳电压工作范围内，电压步长设置为较大的值， 但不得超过器件最佳工作电压的10%，当电压超出器件规范中规定的上限电压值之后，应当缩小电压步长至最大为器件最佳工作电压的5% ；确定电压施加停留时间；在上述参数已经确定的前提下，步骤4具体包括以下过程所述的试验组的砷化镓单片微波功放元器件至少两个，其中一个为I号器件，另一个为2号器件，将I号器件的电压步进间隔始终保持在O. 5V不变，电压从起始电压上升至I号器件达到破坏极限，而2号器件电压步进间隔在小于上限电压时保持O. 5V不变，超过上限电压后，间隔变为O. IV继续升压，至2号器件达到破坏极限。
2.根据权利要求I所述的砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，其特征在于 所述的步骤5具体包括如下步骤步骤5-1，砷化镓单片微波功放电压极限评估实验结果分析；步骤5-1-1，根据采用步进的应力实验参数，在距离研制方给定的工作电压较远时采用大的步幅，当接近研制方给定的工作电压时采用小的步幅，能够充分地减少实验时间并且使实验结果更加地逼近样品的真实固有极限，用于分析实验结果的实验数据也按照此原则选取，则更有针对性；步骤5-1-2，利用数据处理软件对实验数据绘制多维图表，进行多角度分析，包括有频率为 8— 11. 5GHz,在不同频率，漏电流随电压的变化曲线三维图；在不同频率，输出功率随电压的变化曲线三维图；在不同频率，效率随电压的变化曲线三维图；在不同频率，增益随电压的变化曲线三维图；B频段从8 11. 5GHz，每隔500MHz的频率对应一组二维图，包括有在每个输入功率下(l(T22dBm)，增益随电压的变化曲线；在每个输入功率下(l(T22dBm)，漏电流随电压的变化曲线；在每个输入功率下(l(T22dBm)，输出功率随电压的变化曲线；步骤5-2，得出实验结论，根据上面的分析，可以得到GaAs丽IC功率放大器芯片的各类极限根据单项实验的评价方法，单项实验中元器件的固有极限相对于应用极限条件的裕度低于30%时，为不好用，单项实验中元器件的固有极限相对于应用极限条件的裕度高于30% 为不好用。
3.根据权利要求2所述的砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，其特征在于 所述的砷化镓单片微波功放为一种中功率GaAs丽IC功率放大器芯片，其频率范围覆盖 8. 5— I IGHz，小信号增益大于15dB ；先确定以下参数确定电压起始点为IV;确定电压采用向上步进，并且在电压低于研制方给定的样品规范极限电压9V时取O.5V/步，直到步进到规范极限电压9V ；电压超过规范极限电压9V后，取其中一只样品以O. IV/步继续升压步进，达到样品的破坏极限为止，另一只样品仍以O. 5V/步继续升压步进，达到样品的破坏极限为止。
4.根据权利要求3所述的砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，其特征在于 所述的参数确定后，开始以下实验步骤样品在实验和测试中电源电压始终保持在详细规范规定值上，即Vd=8V，Vg=-5V，最高输入功率不超过+23dBm ；低电压步进选取初始电压为IV，步进间隔为O. 5V，直到达到详细规范规定的工作电压极限 9V，电压值分别取点为:1V、I. 5V、2V、2. 5V、3V、3. 5V、......8. 5V、9V ；一个样品芯片电压步进至9V时，改变电压步进间隔为O. IV，直到样品芯片达到破坏极限，另一样品芯片步进至9V时，仍取步进间隔为O. 5V，直到达到该样品芯片破坏极限，每个电压值米集一组数据，输入为微波信号输入；详细规范给出该芯片的频段为8. 5 — 11GHz，通过对芯片测试系统进行设定，采取间隔为500MHz对整个频段的数据进行采集，为留出余量，从8GHz采集到11.5GHz :8GHz、 8. 5GHz、9GHz、10GHz、10. 5GHz、11GHz、11. 5GHz;每个频率值对应一组数据；输入信号功率Pin采点为10 — 22dBm，每隔IdBm采集一组数据；每组数据包括的关键性能指标有输入功率Pin、输出功率Ptjut、信号增益值Gp、效率 Hadd、静态电流Ido
全文摘要
一种砷化镓单片微波功放的电应力极限评估方法，包括如下步骤对砷化镓单片微波功放进行分析，获得对器件可靠性影响因子较大的电参数；根据极限评估电应力试验参数设计方法考察器件的电应力极限能力，按照评判标准给出判据。本发明的有益效果是采用电压步进方式进行极限评估实验，得到的器件极限能力更逼近真实值。分析实验数据，可以得到器件的可靠性裕度，为器件的正确使用提供依据。可考察元器件在规定的最佳工作条件下的表现，以验证器件真实性能。可以暴露元器件有效失效模式，以便改进器件设计。
文档编号G01R31/00GK102608449SQ201210026740
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月8日 优先权日2012年2月8日
发明者付琬月, 何俊伟, 姜宝钧, 徐军, 毋俊玱, 王茂琰, 董宇亮 申请人:电子科技大学