Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 21 )

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 h21э, 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 Kур, коэффициентов комбинационных частот Mz, и Ms и ко­эффициента полезного действия, — то они могут меняться, выходя за нормы технических условий, вследствие изменения статических параметров h213, UкэR и Uвх.

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 IКБО может в кремниевых приборах приводить к гораздо более рез­кому увеличению обратного тока между коллектором и эмиттером IКэ0. Значение IКЭО примерно в h21Э раз превышает IКБ0. Но на малых токах в кремниевых тран­зисторах значение h21Э резко увеличивается с ростом то­ка. Поэтому возможно, что при увеличении IКБО в не­сколько раз ток Iкэо возрастает во много раз.

С увеличением обратного тока эмиттерного перехода IЭБО 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.