Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 23 )

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:

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 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.

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 транзи-сторов (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.