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通過系統的可靠性保證實現高可靠GaN射頻功率器件的大規模生產

2018-04-10 來源：微波射頻網字號：大中小

摘要：

氮化鎵功率器件因其優良的性能而被廣泛應用于基礎工業（如通訊基站）和國防領域（如雷達），然而其高功率耗散及可能的惡劣工作環境又對可靠性提出了更高要求。能訊高能半導體作為處于產業鏈上游的企業，始終把產品可靠性放在一切工作的首位，通過引入系統的可靠性保證體系，確保出貨的每一批產品都能滿足客戶應用對可靠性提出的高要求。本短文將對能訊半導體保證產品可靠性所采取的方法、步驟及可靠性實驗結果做一簡要介紹。

1、前言

氮化鎵射頻器件能夠突破硅基器件的理論極限，實現高頻率/寬頻帶、高功率、高電壓、高效率及高使用溫度的特性，而被逐漸廣泛應用于移動通信行業。移動通訊基站要求器件在額定電壓下長期連續工作，因而可靠性成為GaN器件能否得到廣泛應用的一個關鍵因素。

能訊半導體專注于第三代半導體器件的設計和生產。其基于SiC襯底的GaN射頻產品覆蓋了10W到700W之間的功率等級、DC到6GHz之間的移動通信頻段。能訊充分理解電子元器件可靠性對設備制造商和最終用戶的重要性，從而將保證產品質量及可靠性放在一切工作的首位。

2、能訊產品可靠性保證方法

能訊半導體產品的可靠性是通過一個系統工程來保證的，從產品設計、可靠性鑒定、器件生產到篩選測試，以及工藝、產品的可靠性監控，每一個環節都按嚴格的程序進行，確保出貨產品都能夠達到最高可靠性標準。高可靠性既是針對器件苛刻電學工作條件（大電流、高電壓、大功率起伏），也是針對極端氣候條件（高低溫、高潮濕等等），使能訊產品能滿足不同客戶的需要。

2.1 可靠性設計

在產品設計中充分考慮可靠性失效物理相關的設計規則，以規范產品設計行為，從而保證所有失效機理在相應工作環境下達到應用要求的工作壽命。通過可靠性設計提高產品的壽命，使產品有效工作時間延長，實現如圖1浴盆曲線耗損失效期延后（紅色虛線延后至綠色實線）；同時進行Smart Screening篩選降低早期失效率，從而減少浴盆曲線的早期失效（紅色虛線降低至綠色實線）。

圖1、產品壽命曲線和應用要求

2.2 可靠性鑒定

產品可靠性鑒定方案覆蓋整個產品應用的任務剖面：包括工作的電學和使用環境。可靠性實驗包括與產品長期壽命相關的可靠性實驗和產品耐受性實驗。前者為模擬產品在壽命過程中的電學應力、熱-機械、環境（潮濕、溫度），后者用于檢驗產品對環境、過壓電應力、靜電等的承受能力。

能訊可靠性實驗室具有滿足GaN技術的先進可靠性實驗平臺，能完成所有相關的可靠性實驗。圖2為能訊可靠性實驗室部分設備。

圖2、能訊可靠性實驗室一角

以下舉例介紹幾項關鍵產品可靠性實驗。

·    直流高溫運行壽命實驗（DC-HTOL），用來評估產品長時間工作于規定的高結溫和電應力下的可靠性。實驗為在漏極施加1.1VDD，結溫225℃下運行1008小時。（JESD22-A108）
·    高溫反偏實驗（HTRB），評估產品在高溫過電壓、關斷狀態的可靠性。在產品的關斷狀態，柵極附近的高電場和高結溫可能在柵極近漏極端的邊緣處造成不可逆轉的損壞。實驗為在柵漏間上施加2.5倍VDD以上電壓，Ta=150℃下運行1008小時。（JESD22-A108）
·    平均壽命實驗（MTTF）用于評估產品的本征壽命。采用極高的加速實驗條件設置（更高的結溫），促成受測器件組在有限的應力時間內達到失效，得到這個實驗條件下的壽命平均值。將在三個不同溫度下得到的MTTF值擬合、外推，得到器件標稱工作結溫下的平均壽命。（JEP-118）
·    靜電-人體模型（ESD-HBM），用于鑒定產品遭受人體靜電放電后，產品性能是否失效。（JS-001）
·    靜電-器件充放電模型（ESD-CDM），用于鑒定產品產品自身對外進行靜電放電后，產品性能是否失效。（JESD22-C101）

…

產品可靠性實驗的部分結果如表1所示。

表1 產品可靠性實驗部分結果

實驗項目	簡稱	應力條件/要求	鑒定結果
柵源安全電壓范圍	V_{GS limits}	-10V～2V	通過
漏源擊穿電壓	V_br	關斷狀態下，≥150V	通過
柵源臨界電壓	V_{GS critical}	≥24V	通過
輸出失配承受力	VSWR	VSWR=10:1；	通過
過功率壓縮步進實驗	P_com	線性增益壓縮7dB	通過
靜電-人體模型	ESD-HBM	依據標準JS-001	通過(500 V)
靜電-器件充放電模型	ESD-CDM	依據標準JESD22-C101	通過(500 V)
潮敏等級	MSL	依據標準J-STD-020，通過MSL1	通過
直流高溫運行壽命實驗	DC-HTOL	依據標準JESD22-A108； T_j = 225 ℃，1.1*VDD，1008小時	通過
功率循環實驗	Power Cycling	依據標準JESD22-A122；11000次循環	通過
高溫反偏實驗	HTRB	依據標準JESD22-A108；大于2.5*VDD，T_a= 150 ℃，1008小時	通過
溫度循環實驗	TMCL	依據標準JESD22-A104；-65 ℃～150 ℃， 500次循環	通過
高加速應力實驗	HAST	依據標準JESD22-A110； 1.1*VDD，130 ℃& 85 % R.H，96小時	通過
平均壽命實驗	MTTF	依據標準JEP118，三溫度法	T_j=225^oC下MTTF=1.6×10⁶ 小時

表中產品級可靠性實驗結果顯示能訊GaN HEMT系列產品的高可靠性，能滿足基礎工業應用的可靠性要求。

以下對關鍵的3項長期可靠性實驗結果做簡單介紹。

· 直流高溫運行壽命實驗（DC-HTOL）前后漏電特性、射頻特性變化舉例如圖3所示，應力實驗后樣品特性沒有退化。

圖3、DC-HTOL實驗前后樣品特性變化對比

· 高溫反偏實驗（HTRB）在線實時檢測I_g漏電曲線如圖4所示。在1008小時的應力過程中，樣品在線Ig漏電持續降低或保持平穩，表明GaN HEMT器件優秀的耐受高溫反偏能力。

圖4、HTRB實驗在線I_g漏電隨實驗時間變化

· 平均壽命實驗（MTTF）由3溫度實驗法推定產品的長期壽命，三組實驗結溫設置在330℃到380℃之間。由實驗得到的產品MTTF和器件結溫關系如圖5所示，結溫225℃的MTTF大于10⁶小時。

圖5、產品MTTF和器件結溫關系

2.3 生產可靠性監控

為確保已驗證的產品可靠性結果在大規模生產階段得以重現并不斷提高，對工藝技術平臺和產品進行可靠性監控，包括晶圓級快速可靠性監控和產品級可靠性監控。晶圓級快速可靠性對每批次都進行抽樣檢驗，產品級可靠性鑒定依據實驗項的風險等級分別進行季度監控、半年度監控、年度監控。圖6為晶圓級快速可靠性鑒定-快速電學鑒定實驗關鍵參數（I_d變化率）的SPC管制圖。CPK=1.87標示能訊具有良好的保證高可靠性產品生產的工程能力。

圖6、快速電學鑒定關鍵參數（I_d變化率）的管制圖

3、可靠性的不斷改進

能訊在保證已實現的產品可靠性的基礎上，持續尋找器件的相對薄弱環節、確定失效機理，并進一步做出改進，不斷提高產品的可靠性。圖7為可靠性持續改進的示例，圖7a為改進前器件的EMMI照片，圖中的亮點為器件的薄弱點。通過物理分析確認了失效機理并做出了改進，改進后器件的EMMI圖片如圖7b所示，薄弱點被消除，可靠性提升。