Мощные высокочастотные транзисторы

ДС_рез/С_рез=±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 h_21Э или U_кэR, 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 деградационных отказов мощных ВЧ транзисторов являются уход за нормы технических условий или значительное изменение таких статических параметров, как статический коэффициент передачи тока h_21э, 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 K_ур, коэффициентов комбинационных частот M_z, и Ms и коэффициента полезного действия, -- то они могут меняться, выходя за нормы технических условий, вследствие изменения статических параметров h_213, U_кэR и U_вх.

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 основания 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 деградационные 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 I_КБО может в кремниевых приборах приводить к гораздо более резкому увеличению обратного тока между коллектором и эмиттером I_Кэ0. Значение I_КЭО примерно в h_21Э раз превышает I_КБ0. Но на малых токах в кремниевых транзисторах значение h_21Э резко увеличивается с ростом тока. Поэтому возможно, что при увеличении I_КБО в несколько раз ток I_кэо возрастает во много раз.

С увеличением обратного тока эмиттерного перехода I_ЭБО 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 утопывается 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 |А_21Э| 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 А_21Э, U_K3R, U_вх и f_rp приведут к изменению основных ВЧ параметров: отдаваемой мощности, К_ур, М₃, М₅, а также коэффициента полезного действия.

Помимо электромиграции указанные деградационные 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 деградационных 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 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 ленточных выводов в корпусах транзисторов, происходящий из-за различия коэффициентов теплового расширения керамического основания и материала вывода, приходится выбирать толщину этих выводов минимально допустимой (ограничением является необходимость обеспечения 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 правило, 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 деградационного 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:

МТТF = СА/J *ехр(ф/(kT). (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 низкоомный 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.

Рис. 4.2. Структура n-p-n транзистора с металлическими (а) и диффузионными (б) 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 основе пленок из высокоомных металлов и сплавов или с использованием специальных диффузионных областей. На рис 42 [13] приведены металлические и диффузионные резисторы. Использование диффузионных резисторов позволяет повысить надежность приборов, во-первых за счет увеличения номиналов резисторов (так как возможность увеличения номиналов металлических резисторов ограничена более низкими значениями, чем максимально достижимые значения диффузионных резисторов) ; во-вторых, за счет улучшения воспроизводимости и уменьшения разброса номиналов (при использовании нихромовых резисторов возможен большой разброс контактных сопротивлений между алюминием и нихромом, приводящий к увеличению разброса номиналов резисторов); в-третьих, за счет того, что отвод тепла от диффузионных резисторов лучше, чем от металлических, в результате чего они не перегреваются, и, наконец, в-четвертых, за счет того, что область диффузионных резисторов может иметь пробивное напряжение несколько ниже, чем базовая область транзистора, так что эта область может действовать как стабилитрон, включенный параллельно переходу коллектор -- база, и защищать транзистор от перегрузок по напряжению. Этот эффект будет выражен еще сильнее, если вокруг базовых областей создавать делительные кольца, а вокруг областей диффузионных резисторов не делать таких колец.

Рис. 4.3. Обеспечение теплового контакта фланца с теплоотводом для корпусов с монтажным винтом: а -- правильно изготовленные фланцы; б -- неправильно

В предыдущем параграфе говорилось о возможных отказах, связанных с ухудшением теплового контакта между корпусом и теплоотводом. Чтобы избавиться от этого вида отказов можно использовать два конструктивных решения. Во-первых, в медь, из которой изготавливаются монтажные фланцы корпусов ВЧ транзисторов (плоские или с винтом), можно вводить добавки, уменьшающие ее пластичность и увеличивающие предел упругости. Во-вторых, можно при креплении фланцев использовать шайбы Гровера, позволяющие сохранить прижим даже при наличии пластической деформации материала винта или самого фланца. Кроме того, следует придавать фланцам не абсолютно плоскую форму, а предварительно их деформировать так, как это показано на рис. 4.3,а.

4.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Если полупроводниковый прибор правильно сконструирован, то основным источником потенциальной ненадежности являются несовершенство технологии его изготовления или разного рода нарушения технологии. Поэтому в основе обеспечения высокой надежности полупроводниковых приборов лежит система технологических мероприятий, направленная на создание совершенной (с точки зрения ликвидации вероятности отказов) технологии и ее выполнение. В полной мере эти утверждения относятся и к мощным ВЧ транзисторам.

Основными мероприятиями являются следующие:

1. Совершенствование технологических операций и процессов, направленное на устранение причин потенциальных отказов.

2. Создание системы контрольных и проверочных операций, позволяющих оценивать правильность выполнения и поддерживать на требуемом уровне основные технологические операции.

3. Создание системы тест-структур.

4. Проведение необходимых технологических испытаний.

5. Создание системы цеховых отбраковок, включающей обеспечение запасов по основным параметрам приборов.

Рассмотрим, что представляют эти мероприятия при производстве мощных ВЧ транзисторов.

Совершенствование технологических операций. Приведем некоторые примеры совершенствования технологических операций, направленные на повышение надежности приборов.

Источником деградационных и катастрофических отказов могут быть попадающие на полупроводниковые пластины загрязнения. В связи с этим большое внимание следует уделять дополнительным мерам по очистке используемых в технологии газов, воды, растворителей и химических веществ, а также снижать запыленность в технологических помещениях и рабочих скафандрах. Необходимо тщательно выполнять такие операции, как подготовка кремниевых пластин к различным технологическим процессам, отмывка и очистка пластин. Недостаточная отмывка после травления во время фотолитографии по алюминию может, например, стать причиной коррозионных процессов, которые могут сначала вызвать деградационные явления, а затем катастрофический отказ. Такие же последствия может иметь применение флюса при операциях, связанных с пайкой или облуживанием. Наличие следов флюса может стать причиной последующей коррозии. В связи с этим необходимо принимать меры, позволяющие избавиться от флюса: проводить пайку в инертной или восстановительной среде, тщательно очищать облаживаемые поверхности, применять предварительное облуживание.

Надо отметить, что не всегда мероприятия, препятствующие попаданию загрязнений на поверхность пластин, дают результаты. На пластинах могут остаться подвижные ионы, например, ионы натрия, которые создадут на поверхности или в защищающем ее окисле подвижные заряды и станут причиной деградационных изменений -- дрейфа обратного тока и снижения пробивного напряжения.

Разработаны специальные технологические мероприятия, позволяющие резко уменьшить подобный дрейф, несмотря на наличие на поверхности полупроводниковых пластин подвижных ионов. К таким мероприятиям относится, например, нанесение на поверхность пластин стабилизирующих покрытий. Так, если вслед за второй стадией диффузии эмиттерной примеси нанести с помощью пиролитического осаждения на поверхность пластины с транзисторными структурами слой фосфорно-силикатного стекла, подвижные ионы, обладающие высокой растворимостью в стекле, соберутся в нем и не будут вызывать дрейфа тока и снижения пробивного напряжения [45]. Существенную роль в процессах стабилизации поверхности могут играть специальные термообработки с применением различных газовых сред.

Рис. 4.4. Слои металла, напыленные в обычной установке (а) и в установке с планетарным механизмом перемещения подложки (б)

Одна из причин, вызывающих деградационные и катастрофические отказы в мощных ВЧ транзисторах, -- электромиграция. Скорость электромиграции сильно растет с увеличением плотности тока. В местах, где по каким-то причинам слой металлизации, по которой течет эмиттерный ток, имеет меньшую толщину, плотность тока резко возрастает и скорость миграции значительно увеличивается. Таким местом может быть переход металлизации через ступеньку в защитном окисле. Если напыление ведется из одного источника на неподвижные пластины, то пленка будет иметь вид, показанный на рис. 4.4,а. Несколько лучший результат будет получен, если напыление ведется из нескольких источников под разными углами. Однако достаточно уверенно избавиться от сильного утоньшения металлизации при переходе через ступеньку в окисле удалось, применив для напыления специальные установки с планетарным механизмом перемещения подложек в процессе напыления. В этих установках за время напыления пластина оказывается под самыми разными углами относительно источника, и в результате обеспечивается ее равномерная толщина (рис. 4.4,6).

При химическом процессе травления контактных окон в защитной пленке на поверхности полупроводника возможна ситуация, когда травление базовых и эмиттерных окон идет с разной скоростью. Кроме того, пленка под эмиттерным окном имеет меньшую толщину, чем под базовым. В результате защитная пленка в эмиттерных окнах может протравливаться сильнее, размеры окна сильно увеличатся и впоследствии возрастет вероятность закорачивания алюминия с базовой областью. Замена жидкостного химического травления сухим плазменным травлением, при котором не происходит бокового подтравливания обрабатываемого защитного слоя, позволила устранить этот источник потенциальной ненадежности приборов (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Жидкостное (а) и плазменное (б) травления окисла

Надежность мощных ВЧ транзисторов очень сильно зависит от качества напайки кристалла на основание корпуса. Для повышения качества напайки используется ряд мероприятий: пайка ведется в нейтральной среде; количество эвтектического сплава золото -- кремний, используемого при пайке, берется достаточно большим для того, чтобы свести к минимуму вероятность появления несмоченных мест и пустот; иногда пайка проводится с использованием ультразвука. Однако осуществление процесса пайки в значительной степени зависит от искусства оператора. Поэтому в виде дополнительной технологической меры повышения качества пайки иногда ее разбивают на две операции: предварительно облаживают кристалл и, только убедившись в том, что вся поверхность обладилась, напаивают его на основание корпуса.

Создание системы контрольных и проверочных операций. Очень важную роль в обеспечении надежности приборов играют меры, связанные с организацией технологического контроля. Несмотря на высокую трудоемкость и большую сложность многих контрольных операций, их приходится вводить практически после каждой технологической операции. После многих операций проводится визуальный контроль невооруженным глазом или с помощью микроскопа. Визуально контролируется чистота поверхности пластин после их подготовки, после диффузионных операций, после нанесения защитных слоев, контролируется качество фотолитографических и качество сборочных операций.

Исходные материалы, применяемые в технологическом процессе (эпитаксиальные структуры, газы, вода, растворители, кислоты и химические реактивы), подвергаются входному контролю.

При входном контроле исходных эпитаксиальных структур проверяются их электрофизические параметры, а также соответствие плотности разного вида дефектов допустимым значениям. Газы проверяют на содержание в них паров воды и кислорода (для инертных газов и азота). При контроле воды в первую очередь проверяют ее удельное сопротивление (если речь идет о деионизованной воде), а также отсутствие в ней нерастворимых примесей.

После создания диффузионных областей проверяют их глубину, содержание вводимых примесей (по поверхностному электрическому сопротивлению) и качество поверхности. После создания защитных и изолирующих слоев проверяют их толщину и отсутствие в них дефектов. В металлизированных слоях контролируют их толщину. После фотолитографических операций проверяют размеры создаваемых областей, качество края полученного изображения, отсутствие дефектов типа невытравленных участков (островков) или участков, вытравившихся там, где это недопустимо; проверяют отсутствие следов неснятого фоторезиста, а также то, прошло ли травление до конца там, где оно осуществлялось.

Там, где можно организовать проверку электрических характеристик создаваемых структур, эта проверка вводится сразу. Так, уже после создания базовых областей проводится проверка их пробивного напряжения. Различные электрические параметры контролируются на разных стадиях изготовления кристалла и сборки транзистора. Особое значение для мощных ВЧ транзисторов имеют такие контрольные операции, как проверка допустимой статической мощности рассеяния и проверка отсутствия горячих пятен. Для проверки отсутствия горячих пятен используют специальные инфракрасные микроскопы (тепловизоры), в которых инфракрасное излучение, испускаемое прибором, нагреваемым электрическим током, воспринимается чувствительным к ИК излучению видиконом и преобразуется в изображение на экране телевизора. Яркость на этом изображении соответствует температуре, до которой нагрет изображаемый участок структуры. С помощью тепловизора удается весьма значительно снизить вероятность вторичного пробоя как на последующих стадиях проверки прибора (в том числе на квалификационных испытаниях), так и при его эксплуатации.

Технологическому контролю подвергается прочность приварки внутренних выводов, для чего проводится выборочный отрыв выводов с помощью динамометра. Это испытание можно упростить, отказавшись от динамометра и потребовав, чтобы сам вывод рвался раньше, чем оторвется место его приварки к кристаллу или корпусу.

Важную роль играет контроль внешнего вида кристаллов перед сборкой и собранных приборов перед герметизацией. При контроле готовых кристаллов на них могут быть обнаружены такие потенциальные источники ненадежности, как царапины на алюминиевой металлизации и микротрещины, возникшие после резки. В том месте, где есть царапина, уменьшается толщина металлизации и растет вероятность миграции. Неотбракованный кристалл с микротрещиной впоследствии в результате механических воздействий может разрушиться. Важным моментом контроля собранного прибора перед его герметизацией является обнаружение металлических частиц. Наличие посторонних частиц в загерметизированном приборе может впоследствии привести к замыканию между электродами и к выходу прибора из строя.

Контролю на геометичность подвергаются приборы после герметизации.

Здесь нет возможности перечислять все контрольные операции или рассматривать, как каждая из этих операций влияет на надежность приборов. В то же время приведенные примеры показали, что отсутствие контрольных операций может привести к резкому снижению надежности.

Система тест-структур. Для осуществления многих контрольных операций могут использоваться тест-структуры. Эти структуры создаются на тех же полупроводниковых пластинах, на которых изготовляются транзисторные структуры. Тест-структуры могут представлять собой обычные транзисторные структуры, содержащие не сотни, а несколько эмиттеров, а могут быть областями специальной формы, расположенными на определенном расстоянии друг от друга. Если, например, используются две транзисторные тест-структуры, различающиеся наличием и отсутствием стабилизирующих резисторов или делительных колец, то, сравнивая их характеристики, можно определить экспериментально сопротивление стабилизирующих резисторов или тот эффект, который дают делительные кольца. Транзисторная тест-структура, содержащая одну базовую область и контактные окна эмиттера и базы большого размера (достаточного для того, чтобы в них устанавливались измерительные зонды), позволит оценить усилительные свойства на более ранних технологических этапах, чем это можно сделать на рабочих транзисторных структурах. Тест-структуры, состоящие из групп областей, легированных путем диффузии и расположенных на различных расстояниях, позволяют определить глубину диффузии в базовых и эмиттерных областях. Еще один тип тест-структур позволяет определить поверхностное сопротивление в областях базы и эмиттера, т. е. оценить содержание легирующих примесей в этих областях. Тест-структуры, создаваемые на этапе напыления алюминия и фотолитографии по алюминию, позволяют оценить толщину и площадь поперечного сечения металлизированных дорожек, а также наличие более тонких мест у перехода металлизации через ступеньки в защитном окне.

Наличие нескольких групп подобных тест-структур на каждой рабочей пластине позволяет оценить разброс большого числа различных характеристик как по отдельной пластине, так и между пластинами и партиями пластин. Подобные оценки необходимы при проведении мероприятий, направленных на уменьшение этого разброса, а разброс значений различных параметров транзисторных структур прямо или косвенно может влиять на надежность приборов (например, наличие большого разброса входных сопротивлений и сопротивлений стабилизирующих резисторов может привести к образованию горячих пятен и вторичному пробою).

Проведение необходимых технологических испытаний. В конструкции мощных ВЧ транзисторов учитываются особенности, необходимые для того, чтобы приборы были устойчивы к разного рода механическим, тепловым и электротермическим воздействиям, но нельзя гарантировать, что такая устойчивость будет обеспечена для всех 100 % изготовляемых приборов. Поэтому в технологии их изготовления предусматриваются специальные меры по выявлению приборов, недостаточно устойчивых к внешним воздействиям. Эти меры называются технологическими испытаниями, среди которых можно отметить следующие:

1. Проверка отсутствия кратковременных коротких замыканий и обрывов. Эта проверка заключается в том, что приборы подвергаются вибрации при одновременной подаче на них электрических напряжений. Если во время вибрации происходят кратковременный обрыв или короткое замыкание, то срабатывает устройство индикации и прибор отбраковывается. Причиной кратковременного обрыва может быть отсутствие сварки вывода с контактной площадкой и в то же время наличие электрического контакта между ними (благодаря тому, что вывод прижат к контактной площадке). В мощных ВЧ транзисторах вероятность обнаружения подобного дефекта очень мала, так как для этого должны произойти одновременно кратковременные обрывы всех внутренних выводов эмиттера или базы. Гораздо более вероятно кратковременное короткое замыкание, которое может произойти при наличии внутри корпуса прибора посторонней металлической частицы (например, капли припоя золото -- кремний) или если хотя бы один внутренний эмиттерный вывод слишком близко располагается от базовой металлизации (или базовый вывод -- от эмиттерной металлизации).

2. Проверка ударопрочности приборов. Целесообразно эту проверку проводить перед проверкой на отсутствие коротких замыканий и обрывов, так как подобные дефекты могут появиться именно в результате недостаточной устойчивости к воздействию ударов.

3. Проверка устойчивости к циклическому изменению температуры. Приборы подвергают периодическому нагреву и охлаждению до предельно допустимых значений рабочих температур корпуса с выдержкой при этих температурах. Если в испытуемых приборах слишком высок уровень внутренних механических напряжений, то складывающиеся с ними термомеханические напряжения, возникающие в результате этих периодических изменений температуры, могут привести к разрушению конструкции прибора. В связи с этим после проверки устойчивости приборов к циклическим изменениям температуры проводят проверку их герметичности.

4. Тренировка приборов и их старение. Известно, что существуют механизмы отказов, которые действуют в начальный период эксплуатации приборов. Поэтому в ряде случаев, когда это является экономически оправданным, приборы на стадии изготовления подвергают ускоренной эксплуатации (прогону в форсированных электрических режимах, выдержке при повышенной температуре или сочетанию того и другого -- термоэлектротренировке). Подобное технологическое испытание является чрезвычайно дорогим и сложным и применять его целесообразно только тогда, когда подтверждена его эффективность, т. е. способность действительно отбраковать потенциально ненадежные приборы, и когда, как было сказано ранее, расходы на его осуществление могут окупаться. Примером целесообразности таких испытаний может быть изготовление приборов для космической аппаратуры.

Система цеховых отбраковок. Технология изготовления любых полупроводниковых приборов, в том числе мощных ВЧ транзисторов, предусматривает проведение системы цеховых измерений электрических параметров готовых транзисторов. У транзисторов измеряются основные статические параметры (обратные токи и пробивные напряжения переходов, статический коэффициент передачи тока). При измерении этих параметров устанавливаются нормы, обеспечивающие запасы по этим параметрам по сравнению с нормами технических условий. Для обеспечения надежности приборов цеховые нормы на обратные токи устанавливают не менее чем с 5 -- 10-кратным запасом. Нормы на коэффициент передачи тока выбирают с запасом 10 -- 15%. При этом определенная часть приборов уходит в брак, поэтому запасы приходится выбирать не только с точки зрения повышения надежности, но и с учетом обеспечения приемлемого процента выхода годных. Некоторые параметры можно не проверять, так как они или определяются с достаточной точностью размерами областей и распределением концентрации примесей в транзисторной структуре (емкости переходов), или их определенное значение может быть гарантировано при условии проверки других параметров транзистора (сопротивление насыщения).