ДСрез/Срез=±qV2/2.(3.26)

Отметим, что в формуле (3.26) q - погрешность прибора, используемого только в качестве индикатора согласования. При тщательно проведенной градуировке двухполюсника рассматриваемая составляющая инструментальной погрешности может быть уменьшена до ±0,3 Ом.

Таким образом, полная погрешность реактивной части входного сопротивления будет составлять не более ±0,5 Ом.

В третьей главе нами рассмотрена система параметров мощных ВЧ транзисторов, а также ряд вопросов, связанных с измерением электрических параметров. Показано, что появление линейных транзисторов изменило саму систему и усложнило методы измерения энергетических параметров, в частности привело к необходимости измерений в двухтоновом режиме. Введение контроля коэффициента Мз(Мь) при производстве потребовало, чтобы линейные транзисторы имели существенно большие запасы по параметрам, нежели другие классы мощных ВЧ транзисторов.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ НАДЕЖНОСТЬ МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

4.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с отказами мощных ВЧ транзисторов, целесообразно сказать несколько слов о том, что следует понимать под отказавшими приборами. Помимо катастрофических отказов, т. е. приборов совершенно неработоспособных, среди отказавших различают еще работоспособные приборы и приборы, условно потерявшие работоспособность. Первые из них - это такие приборы, которые вполне могут выполнять свое функциональное назначение, но у которых один или несколько параметров не укладываются в нормы технических условий. Вторые - это приборы, которые в принципе могут выполнять свое функциональное назначение, но у которых один или несколько основных параметров, скажем 1121Э или Uk3r, в такой степени не соответствуют нормам, что практическое применение приборов в устройстве становится нецелесообразным.

В соответствии с этим различают катастрофические отказы, в результате которых прибор полностью теряет работоспособность, и деградационные отказы, в результате которых прибор может или условно потерять работоспособность, или сохранить ее, но параметры его при этом выйдут за пределы, оговоренные нормами технических условий. Если деградационные отказы происходят у изготовителя (например, во время технологических или квалификационных испытаний) или на входном контроле, они всегда будут замечены. Если же прибор установлен в аппаратуру и произойдет такого рода отказ, то вполне вероятно, что он никак себя не проявит и аппаратура останется работоспособной. В дальнейшем этот отказ может привести к катастрофическому или к условной потере работоспособности. Для мощных ВЧ транзисторов, как показывает практика, катастрофические отказы происходят чаще, чем деградационные.

Рассмотрим основные виды катастрофических отказов мощных ВЧ транзисторов. Прежде всего это отказы, связанные с разрушением конструкции прибора. К таким отказам относятся: обрыв внешних ленточных выводов (как правило, речь идет об их отрыве от керамического основания), разрушение керамического основания, отделение этого основания от фланца, обрыв внутренних выводов (обычно в местах их присоединения к кристаллу или ножке), перегорание внутренних выводов, отделение кристалла от основания, разрушение кристалла, электрический или тепловой пробой электронно-дырочных переходов.

В современных многоструктурных приборах может быть не один, а большое число внутренних эмиттерных и базовых выводов. При обрыве одного-двух из них отказа не произойдет. Если же произойдут обрыв или перегорание значительной доли этих выводов в приборе, работающем в аппаратуре, то вслед за этим, как правило, разовьются явления, которые приведут к его пробою.

Пробой переходов как электрический, так и тепловой всегда сопровождается явлениями, приводящими к разрушению кристалла. Кристалл может локально про-плавиться вследствие теплового пробоя или под действием электрического пробоя может разрушиться кристаллическая решетка в микроскопической по размерам области, которую впоследствии трудно обнаружить. В этом смысле разрушение кристалла при пробое отличается от тех разрушений, которые, например, вызываются механическими напряжениями и которые легко обнаруживаются.

Отделение крышечки, герметизирующей прибор, не приводит ни к полной, ни к условной потере работоспособности транзистора, но его принято считать катастрофическим отказом, так как конструкция прибора при этом разрушается. В принципе такое отделение крышечки, поскольку оно приводит (к разгерметизации прибора, может стать причиной деградационного, а затем и катастрофического отказа прибора.

Рассмотрим основные виды деградационных отказов. Прежде всего к таким отказам относят уход за границу норм технических условий статических параметров транзисторов, определяющих качество их переходов. Иначе говоря, речь идет об увеличении обратных токов и о снижении пробивных напряжений (обратные токи могут возрасти и у эмиттерного, и у коллекторного переходов, а снижение пробивного напряжения может произойти

практически только у коллекторного). Вполне реальными видами деградационньгх отказов мощных ВЧ транзисторов являются уход за нормы технических условий или значительное изменение таких статических параметров, как статический коэффициент передачи тока Ь21э, сопротивление насыщения и входное сопротивление. Такие параметры, как емкости переходов, не могут претерпевать постепенных деградационных изменений. Что касается основных ВЧ параметров: отдаваемой мощности, коэффициента усиления по мощности Кур, коэффициентов комбинационных частот Mz, и Ms и коэффициента полезного действия, - то они могут меняться, выходя за нормы технических условий, вследствие изменения статических параметров h213i икэл и ивх.

К деградационным отказам следует отнести также постепенное снижение допустимой мощности рассеяния прибора, связанное с деградационными изменениями его теплового сопротивления.

Рассмотрим причины отказов мощных ВЧ транзисторов. В принципе они могут быть связаны с дефектами конструкции и нарушениями технологии изготовления приборов, а могут также возникать в процессе неправильной эксплуатации. В последнем случае отказы могут происходить из-за неправильного выбора режима работы, кратковременных или длительных перегрузок по мощности, наличия выбросов напряжений, бросков тока и т. п., а могут вызываться неправильным или недостаточно тщательным монтажом прибора или другими причинами, приводящими к плохому отводу тепла.

Рассмотрим причины отказов, связанные с недостатками конструкции и с нарушением технологии изготовления приборов. Прежде всего остановимся на причинах катастрофических отказов. Обрыв внешних ленточных выводов, если не говорить о нарушениях правил эксплуатации и монтажа приборов у потребителя, может быть связан с механическими напряжениями в керамическом основании под местом припайки выводов (может произойти обрыв вывода по месту пайки, так что произойдет излом керамики и часть ее останется на выводе). Он также может быть связан с плохой металлизацией (отрыв происходит по металлизации) и с плохим качеством пайки (происходит отрыв вывода от металлизации основания ножки). Напряжения в керамическом основании могут быть недостаточно велики для того, чтобы сами по себе стать причиной обрыва ленточного вывода, однако в сочетании с механическими и термическими воздействиями на прибор они могут вызвать такой обрыв.

Причиной разрушения керамического основания корпуса или отрыва основания от фланца (если этот отрыв происходит по керамике) являются внутренние напряжения в керамике в сочетании с напряжениями, возникающими от каких-либо внешних воздействий. Такими воздействиями могут быть чисто механические удары или вибрации, резкое и значительное по величине изменение температуры корпуса, а также периодическое тепловое воздействие, связанное с многократными включениями и выключениями прибора.

Обрыв внутренних выводов может происходить из-за внешних механических или термомеханических воздействий, если места соединения этих выводов с металлизацией ножки или кристалла ослаблены. Ослабление может быть следствием плохого качества приварки (несоблюдение режимов приварки, плохое качество золочения ножки, плохое качество металлизации кристалла), а также длительных процессов, связанных с эффектами типа электромиграции. Надо отметить, что в контактах, которые с самого начала имели худшее качество, эти эффекты выражены сильнее, так как они определяются плотностью тока, а в местах плохих контактов плотность тока всегда выше. Поэтому у этих контактов и вероятность того, что со временем произойдет обрыв, будет выше.

Из сказанного следует, что в мощном ВЧ транзисторе возможна ситуация, при которой произойдет обрыв не всех, а одного или нескольких внутренних выводов. Перегорание внутренних выводов может произойти только из-за перегрузки прибора по току.

Разрушение кристалла или его отделение от основа-ния корпуса может быть следствием внешних механических, термомеханических воздействий, а также результатом электротермомеханических воздействий, возникающих при многократных включениях и выключениях приборов. Такие многократные воздействия приводят к появлению в кремниевом кристалле, керамике и соединяющей их металлической системе знакопеременных механических напряжений. Эти напряжения могут быть намного меньше предела прочности указанных материалов, но при значительном числе циклов приведут к тому, что наступит явление усталости, предел прочности снизится и, в конце концов, разрушится припой, соединяющий кристалл с основанием [33 - 35].

Причиной электрического или теплового пробоя может быть перегрузка по напряжению, току или мощности. Однако пробой может произойти и в результате Многих других причин. Например, если в приборе произошло деградационное уменьшение пробивного напряжения перехода, то он может быть пробит напряжением, Которое для нормального прибора будет допустимым. К тепловому пробою могут привести деградацион-ные процессы в корпусе и в месте присоединения кристалла к корпусу, следствием которых является постепенное увеличение теплового сопротивления. Одна из основных причин пробоя в мощных ВЧ транзисторах - это явление образования горячих пятен и наступающее вслед за ним шнурование тока. Пробой, происходящий в результате шнурования тока, получил название вторичного [8, 9, 36, 37].

Образование в работающей транзисторной структуре горячих пятен может быть связано с недостаточной степенью стабилизации равномерности распределения тока между отдельными эмиттерами. Причинами образования горячих пятен могут быть также большой разброс входных сопротивлений между отдельными структурами на кристалле или частями одной структуры, или наличие непропаянных мест в соединении кристалла с керамическим основанием, или такого же рода дефекты между основанием и металлическим фланцем. Горячие пятна могут также возникать в местах, где исходный кремний имеет дефекты или скопление дефектов.

Остановимся теперь на причинах деградационных отказов.

Увеличение обратного тока и снижение пробивного напряжения перехода коллектор - база происходят из-за того, что на поверхность структуры в процессе изготовления приборов попадают примеси ионного типа (они могут оказаться на границе между кремнием и окислом, в самом защитном окисле или на его поверхности). В принципе такие примеси могут попасть на поверхность уже готовой структуры, если она плохо защищена (например, если произошла разгерметизация прибора). Под влиянием электрических полей, особенно если прибор одновременно находится при повышенной температуре, эти примеси могут дрейфовать. Дрейф может происходить таким образом, что в кремнии в коллекторной области вблизи от границы р-п перехода из-за ионного заряда (положительного), скопившегося на поверхности, будет расти число подвижных электронов, индуцированных этим зарядом. В результате произойдет снижение пробивного напряжения. Возможен случай, когда в результате дрейфа на поверхности структуры образуется канал, шунтирующий р-п переход и приводящий к росту обратного тока. Отметим, что увеличение обратного тока перехода коллектор - база 1КБО может в кремниевых приборах приводить к гораздо более резкому увеличению обратного тока между коллектором и эмиттером 1Кэ0. Значение 1КЭО примерно в 1121Э раз превышает 1КБ0. Но на малых токах в кремниевых транзисторах значение 1121Э резко увеличивается с ростом тока. Поэтому возможно, что при увеличении 1КБО в несколько раз ток 1кэо возрастает во много раз.

С увеличением обратного тока эмиттерного перехода 1ЭБО приходится сталкиваться гораздо реже, так как степень легирования кремния по обе стороны перехода достаточно велика и для образования канала необходим очень высокий уровень загрязнений.

Для мощных ВЧ транзисторов довольно характерным видом отказа являются деградационные изменения коэффициента усиления, сопротивления насыщения и входного сопротивления. Такие изменения происходят вследствие того, что часть эмиттеров в многоэмиттерном транзисторе или часть структур в многоструктурном приборе перестает работать. Основная причина такого отказа - явление электромиграции, происходящее под воздействием протекающего тока в металлизации, через которую осуществляется контакт внешних выводов с эмиттерными областями транзистора (та. к как токи в базовой цепи меньше, то для рассматриваемых в данной книге n-p-n транзисторов вероятность того, что сильная миграция произойдет в базовой металлизации, мала). В результате электромиграции алюминиевая металлизация в местах с наибольшей плотностью тока утоныиается так, что входное сопротивление для лежащих вблизи от этих мест структур или отдельных эмиттеров резко возрастает и ток, протекающий через них, существенно уменьшается. В конце концов, в этих местах может произойти полный обрыв металлизации, так что часть прибора совсем перестает работать.

Полный обрыв металлизации эмиттерных или базовых зубцов может произойти не только в результате электромиграции алюминия. Его причиной могут стать коррозионные явления на границе между алюминием и нихромом, если нихром используется в качестве материала стабилизующих резисторов, включенных между общей эмиттерной шиной и металлизацией эмиттерных зубцов. Коррозия происходит, если после фотолитографии по алюминию не удалены полностью следы трави-теля. Следствием обрыва металлизации эмиттерных или базовых зубцов будет увеличение плотности тока в остальной части прибора. Это приведет к уменьшению статического коэффициента передачи для больших значений тока и может также привести к снижению модуля коэффициента передачи тока А21Э на высоких частотах, т. е. к уменьшению граничной частоты. Увеличение входного сопротивления для отдельных структур или их полное отключение приводит к росту входного сопротивления всего транзистора в целом. Те же явления приводят и к росту сопротивления насыщения прибора, так как этот параметр определяется в основном последовательным сопротивлением тела коллектора. Последовательное сопротивление тела коллектора зависит от поперечного сечения тока, протекающего в коллекторе. При отключении части структур это сечение уменьшается, а сопротивление тела коллектора растет.

Вызванные электромиграцией изменения параметров А21Э, UK3R, и приведут к изменению основных ВЧ параметров: отдаваемой мощности, Кур, М3, М5, а также коэффициента полезного действия.

Помимо электромиграции указанные деградацион-ные изменения статических и динамических параметров мощных ВЧ транзисторов могут вызываться и обрывом внутренних эмиттерных или базовых выводов; обрыв части этих выводов приводит к отключению части эмиттеров или целых структур, в результате чего изменяются параметры транзистора. Отметим, что если подобные процессы происходят в приборе, работающем с высоким уровнем рассеиваемой и отдаваемой мощности, то после того, как уровень происшедшего изменения параметров становится заметным, скорость деградацион-ных процессов резко возрастает и вскоре может наступить катастрофический отказ. Такой ход явлений - это дополнительная причина того, что в мощных ВЧ транзисторах чаще всего наблюдаются катастрофические отказы.

Те же явления, связанные с прекращением работы части транзисторной структуры, приводят и к росту теплового сопротивления прибора. Другие причины де-градационного изменения теплового сопротивления - это знакопеременные термомеханические напряжения, следствием которых могут быть явления усталости, приводящие к появлению трещин в припое, соединяющем кристалл с корпусом, или в месте соединения керамического основания корпуса с фланцем. Все это очевидным образом приводит к увеличению теплового сопротивления и соответственно к уменьшению допустимой мощности, перегреву прибора, вследствие которого может наступить и катастрофический отказ.

Отметим еще один вид отказов, обусловленный процессами вне прибора, но связанный с изменениями в самом приборе. Речь идет о постепенном изменении теплового сопротивления между прибором и теплоотводом. Это тепловое сопротивление зависит от того усилия, с которым прибор прижат к теплоотводу. В процессе работы прибора в составе аппаратуры, особенно если корпус его сильно нагрет, материал фланца