может испытывать пластическую деформацию, в результате которой прижим транзистора к радиатору уменьшится, тепловое сопротивление корпус - теплоотвод возрастет и в конечном счете прибор может перегреться и выйти из строя.

Рассмотренные виды и возможные причины отказов мощных ВЧ транзисторов, безусловно, могут влиять на надежность работы этих приборов. Основной путь повышения надежности транзистора - это устранение всех рассмотренных причин отказов или уменьшение вероятности их возникновения.

4.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Рассмотрим конструктивные меры, направленные на уменьшение вероятности отказов и повышение надежности мощных ВЧ транзисторов в такой же последовательности, в какой в предыдущем параграфе были рассмотрены причины возникновения отказов. Для того чтобы предотвратить обрыв внешних лен-точных выводов в корпусах транзисторов, происходящий из-за различия коэффициентов теплового расширения керамического основания и материала вывода, приходит-ся выбирать толщину этих выводов минимально допустимой (ограничением является необходимость обеспе-чения не слишком высокой плотности протекающего через выводы тока). В современных мощных ВЧ транзисторах толщина ленточных выводов составляет 0,08 - 0,1 мм. Благодаря уменьшению толщины выводов удается избежать появления чрезмерно высоких напряжений в припое, соединяющем вывод с металлизацией керамики, и в самой керамике, расположенной под выводами.

Из-за внутренних напряжений в керамическом основании корпуса в сочетании с напряжениями, возникающими от различных внешних воздействий, основание может разрушиться. Чтобы предотвратить подобные отказы, можно ввести в конструкцию корпуса между керамическим основанием и медным монтажным фланцем прокладку из металла или сплава, обладающего коэффициентом расширения, близким к коэффициенту расширения керамики. Таким металлом может быть молибден или вольфрам. Надо отметить, что введение подобной прокладки приведет неизбежно к увеличению теплового сопротивления корпуса прибора. Можно вместо вольфрама или молибдена использовать для прокладки композиционный материал, созданный методами порошковой металлургии из тех же металлов с медью. Подобные материалы могут обладать невысоким коэффициентом теплового расширения и высокой теплопроводностью. Однако и их использование приводит к росту rt, и поэтому для наиболее мощных приборов использование таких прокладок недостаточно эффективно. Для снижения уровня механических напряжений в керамике можно несколько изменить конструкцию монтажного фланца, создав так называемую разгрузочную канавку (рис. 4.1). Такая канавка весьма незначительно повышает тепловое сопротивление и в то же время может заметно снизить механические напряжения в керамическом основании корпуса.

Для того чтобы механические воздействия не приводили к обрыву внутренних проволочных выводов, нельзя допускать, чтобы в собранных приборах эти выводы были натянуты. Поэтому выводам придают форму дуги так, чтобы их длина была больше, чем расстояние между соединяемыми контактными площадками. Для уменьшения вероятности перегорания внутренних выводов их суммарное сечение выбирают таким, чтобы выводы выдерживали ток, превосходящий предельно допустимое значение.

Рис. 4.1. Введение разгрузочной канавки в монтажный фланец корпуса мощного ВЧ транзистора: 1 - окись бериллия; 2 - медь; 3 - разгрузочная канавка

Для предотвращения разрушения кристалла вследствие механических напряжений необходимо снижать их уровень. Механические напряжения возникают в кристалле в результате его взаимодействия с основанием корпуса через слой припоя, соединяющий кристалл с этим основанием. Можно снизить уровень напряжений в кристалле, применяя для его напайки на основание корпуса мягкие припои. Такие припои обладают, как пра-. вило, высокой пластичностью, и поэтому через них не может передаваться с основания корпуса на кристалл значительное механическое воздействие. Однако, как уже говорилось в гл. 2, применение мягких припоев в конструкции мощных ВЧ транзисторов нежелательно, так как прослойка мягкого припоя существенно увеличивает тепловое сопротивление прибора. Кроме того, при низких температурах [ниже минус (20 - 40)°С] мягкие припои теряют пластичность и перестают предохранять кристалл от механических напряжений. И наконец,

в мягких припоях велика вероятность явлений усталости. Результаты исследований показывают, что конструкции мощных транзисторов, в которых используются прослойки мягких припоев между кристаллами и основанием корпуса, не обладают высокой устойчивостью к термоэнергоциклированию [40]. Поэтому для напайки кристаллов используются не мягкие припои, а эвтектический сплав золото-кремний (реже золото-германий). При этом низкий уровень механических напряжений в кристалле будет обеспечиваться, только если материал основания, лежащего под кристаллом, обладает коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту расширения кремния, и если слой эвтектического сплава золото-кремний имеет не слишком большую толщину. Керамика на основе окиси бериллия, лежащая под кремниевым кристаллом в корпусах всех мощных ВЧ транзисторов, имеет коэффициент расширения, достаточно близкий к коэффициенту расширения кремния. Что же касается слоя эвтектики, то его толщину выбирают минимальной, обеспечивающей достаточно хорошее качество напайки кристалла. При наличии шероховатостей и неплоскостности, которыми характеризуются металлизированные керамические основания, а также при современном уровне технологии напайки кристалла минимально допустимая толщина слоя эвтектики составляет около 20 - 30 мкм. При этом могут возникать довольно большие механические напряжения, однако усилие от слоя эвтектики будет в связи с его малой толщиной достаточно небольшим и оно будет передаваться в основном не на кристалл, а на керамическое основание, толщина которого намного больше, чем толщина кристалла. Поэтому механические напряжения в кристалле не будут достигать опасного уровня. Что касается явлений усталости, то до настоящего времени в конструкциях типа «кремний - эвтектика - золото - кремний - бериллиевая керамика» они не обнаружены.

Конструктивной мерой, направленной на уменьшение вероятности возникновения электрического или теплового пробоя в структуре мощного ВЧ транзистора, может быть введение запасов по его электрическим и тепловым параметрам. Это запасы по напряжению, допустимой мощности рассеяния, тепловому сопротивлению и по сопротивлению стабилизирующих эмиттерных резисторов. Из-за большого числа взаимнопротиворечивых требований к параметрам транзисторов, к форме и размерам различных областей транзисторной структуры, толщине кристалла и конструкции корпуса нельзя рассчитывать на наличие значительных запасов у приборов рассматриваемого класса. Практически можно говорить о запасе в 10 - 15% по напряжению и допустимой мощности рассеяния (если иметь в виду запас, проверяемый в процессе изготовления прибора). В принципе запас по пробивному напряжению может быть несколько увеличен, если применять конструкцию с достаточно большим числом делительных колец. При этом, однако, может сильно возрасти емкость коллектора и ухудшатся частотные свойства приборов.

Запасы по тепловому сопротивлению и сопротивлению стабилизирующих эмиттерных резисторов трудно определить, так как ни то, ни другое непосредственно в процессе изготовления на каждом приборе не проверяется. Подходя к этой задаче качественно, можно сказать, что возможность создания достаточно больших стабилизирующих резисторов в мощных ВЧ транзисторах имеется, хотя при этом, безусловно, будет расти последовательное сопротивление и уменьшится КПД прибора. Что же касается запасов по тепловому сопротивлению, то это проблема, которую пока что решить не удалось. В связи с этим разработчики аппаратуры практически всегда используют мощные ВЧ транзисторы при сниженном уровне мощности, стремясь обеспечить запас по мощности рассеяния и таким путем повысить надежность работы приборов в устройствах.

Рассмотрим конструктивные пути уменьшения вероятности деградационных отказов.

Для того чтобы снизить вероятность деградационно-го отказа, связанного с увеличением обратного тока коллекторного перехода, возможны два пути - увеличение запасов по этому параметру и повышение стабильности обратного тока. Второй путь носит в основном технологический характер. Увеличение запасов по обратным токам также в значительной мере определяется уровнем технологии. В настоящее время принято выбирать технологическую норму на обратный ток коллекторного перехода в 5 - 10 раз ниже нормы технических условий. При этом следует иметь в виду, что обе эти нормы, как правило, существенно превосходят значения обратных токов перехода, определяемых объемными, а не поверхностными явлениями.

Многие виды деградационных отказов связаны с явлением электромиграции. Как известно, протекание тока через проводник сопровождается переносом вещества. При высоких температурах, достаточно высокой плотности тока и малом поперечном сечении проводника злектромиграция может быть выражена очень сильно и через определенное время в результате электромиграции может произойти полный обрыв проводника. Результаты экспериментального изучения электромиграции в тонких алюминиевых пленках позволяют определить связь среднего времени, проходящего до отказа (МТТР - mean time to failure), с параметрами, характеризующими процесс миграции:

МТТБ = СА/J *ехр(ф/(кТ).(4.1)

Здесь С - экспериментальная константа, зависящая от свойств алюминиевой пленки; А - поперечное сечение пленки, см2; ф - энергия активации процесса электромиграции; k - постоянная Больцмана; Т - температура, К; J - плотность тока, А/см2. Константа С очень сильно зависит от свойств пленки. Так в зависимости от размера зерен алюминия С может меняться в 10 - 20 раз. Кроме того, в 10 - 20 раз может возрастать это значение при наличии на поверхности алюминия диэлектрической пленки [41, 42]. Установлено, что при введении в кремний добавок меди константа С также может резко возрасти [43]. Температурная зависимость, содержащаяся в (4.1), в интервале температур 100 - 200 °С примерно такова, что увеличение Т на каждые 10° приводит к уменьшению МТТР в 2 раза.

Таким образом, чтобы снизить вероятность миграции в структурах мощных ВЧ транзисторов с алюминиевой металлизацией, следует вместо чистого алюминия использовать сплав алюминия с небольшим (несколько процентов) содержанием меди, увеличивать толщину металлизации, насколько это позволяет технология, уменьшать плотность тока и наносить поверх алюминиевой металлизации диэлектрическое покрытие (например, пиролитически осажденную двуокись кремния). Практически установлено, что плотность тока около 105 А/см2 с точки зрения устранения миграции вполне допустима, а плотность 106 А/см2 при эксплуатации в режимах, предельных по температуре, резко уменьшает МТТР.

В СВЧ мощных транзисторах существует еще один типичный вид отказа при использовании алюминиевой металлизации. При повышенной температуре перехода с приближением к ее предельно допустимому значению может стать заметным вызванное совместным действием диффузии и электрического тока растворение кремния и алюминия друг в друге, которое может привести к замыканию эмиттерной металлизации с базовой областью. Особенно значительно этот эффект проявляется, если происходит локальный перегрев транзисторной структуры до 280 - 310°С [39]. Чтобы уменьшить вероятность подобной деградации, следует в алюминиевую металлизацию добавлять кремний. Это позволит уменьшить эффекты, связанные с взаимным растворением алюминия и кремния. В отличие от СВЧ приборов, у мощных ВЧ транзисторов это явление наблюдается реже. В частности, это связано с тем, что в них минимальные размеры элементов больше и в соответствии с этим увеличивается расстояние, которое должен пройти алюминий до замыкания с базовой областью.

При принятии необходимых мер алюминиевая металлизация может считаться достаточно надежной с точки зрения опасности миграции. Но существует мнение, что для исключения опасности миграции следует от алюминия переходить к другим металлам. Так, в [44] указано, что в золоте миграция в 15 раз медленнее, чем в обычных алюминиевых пленках. Однако создать металлизацию мощных ВЧ транзисторов путем непосредственного нанесения на поверхность кремния слоя золота (напылением или гальваническим осаждением) нельзя: золото реагирует с кремнием при еще более низких температурах, чем алюминий. Поэтому то, что называют «золотой» металлизацией, представляет собой, по существу, двух- или трехслойную металлизацию. Например, можно использовать системы платина - хром - золото, платина - титан - золото, палладий - хром - золото и др. В этих системах первый из металлов образует с кремнием силицид, что позволяет получить низко-омный контакт. Второй металл образует барьерный слой, предохраняющий золото от взаимодействия с кремнием или лежащим на нем силицидом. Верхний слой - золото - служит для обеспечения длительного протекания токов без заметной миграции. Утверждается также, что если помимо перехода -к трехслойной металлизации с верхним слоем золота заменить алюминиевые внутренние проволочные выводы на золотые, то можно поднять также надежность соединения проволочных выводов с металлизацией корпуса и контактными площадками на кристалле.

n-p-n транзистора диффузионными

Рис. 4.2. Структура металлическими (а) и резисторами типа р:

j - металлизация базы; 2 - металлизация эмиттера; 3 - общая эмиттерная шина- 4 - слой окисла; 5 - база; б - эмиттеры; 7 - коллектор; S - тепловой поток; 9 - тепловой барьер; 10 -тонкопленочный резистор; 11 - диффузионные резисторы

Стабилизирующие эмиттерные резисторы в структурах с полосковыми эмиттерами могут создаваться на