Анализ отказов и разработка технических мероприятий по повышению надежности СВЧ твердотельных модулей для радиолокационных станций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Гришаков, Михаил Николаевич

• Гришаков, Михаил Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гришаков, Михаил Николаевич

Введение.

Глава 1. Основы надежности твердотельных СВЧ модулей.

1.1 Особенности конструкции и режимы эксплуатации СВЧ модулей для РЛС.

1.2 Современные требования к показателям надежности СВЧ модулей и методы их оценки.

1.3 Физика отказов.

1.4 Выводы и постановка задачи диссертации.

Глава 2. Анализ причин и механизмов отказов твердотельных

СВЧ модулей.

2.1 Анализ причин отказов передающего канала СВЧ модулей.

2.2 Анализ причин отказов вторичных источников питания твердотельных СВЧ модулей.

2.3 Выводы.

Глава 3. Построение модели отказов твердотельных СВЧ модулей.

3.1 Качественная модель процесса возникновения отказов, обусловленных термоциклированием.

3.2 Анализ зависимости числа термоциклов до возникновения отказа от амплитуды термоциклов.

3.3 Анализ тепловой модели СВЧ транзисторов и расчет амплитуды термоциклов в периодическом режиме.

3.4 Выводы.

Глава 4. Разработка технических мероприятий по обеспечению надежности твердотельных СВЧ модулей.

4.1 Рекомендации по выбору режимов эксплуатации и "конструкции СВЧ модулей.•.

4.2 Отбраковочные испытания, выбор режимов.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ отказов и разработка технических мероприятий по повышению надежности СВЧ твердотельных модулей для радиолокационных станций»

Актуальность работы.

Важнейшими составными частями обеспечения обороноспособности страны и безопасности воздушного движения над ее территорией являются охрана воздушного пространства, противовоздушная оборона.

Ключевая роль в решении этих задач принадлежит радиолокационным системам и построенным на их основе комплексам, используемым в Радиотехнических войсках ВВС. На рубеже 1990-2000 гг. стало возможным создание полностью твердотельных радиолокационных станций (PJIC) в L- и S-диапазонах длин волн с зеркальными антеннами и активными фазированными антенными решетками. В современных PJIC используется от нескольких десятков до тысячи модулей, причем в каждом передающем модуле до 10 мощных СВЧ транзисторов. Преимущество твердотельных PJIC неразрывно связано с переходом от сосредоточенных к распределенным источникам СВЧ мощности в виде модулей. Применение большого количества СВЧ модулей приводит к повышению живучести станции в целом, поскольку отказ даже 10-20% от общего числа модулей не лишает PJIC работоспособности. При этом становится возможным за счет использования запасных (резервных) модулей и ремонта отказавших обеспечить непрерывную работоспособность PJIC в течение срока службы 10-К25 лет. В этой ситуации крайне актуальной является задача по изучению физики отказов передающих СВЧ модулей и разработке мероприятий по повышению их надежности и, соответственно, живучести PJIC.

Целью работы является исследование причин и механизмов отказов передающих СВЧ твердотельных модулей, возникающих в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, и на этой основе разработка эффективных мер по обеспечению их надежности.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс взаимосвязанных теоретических и организационных технических задач:

- исследование причин и физики отказов, определяющих надежность твердотельных СВЧ модулей при работе в составе PJIC;

- построение моделей отказов, в импульсно-периодическом режиме работы обусловленных деградацией металлизации транзисторов;

- разработка эффективных методов отбраковочных испытаний твердотельных СВЧ модулей с учетом реальных режимов их эксплуатации;

- разработка конструктивно-технологических предложений по обеспечению требуемых показателей надежности модулей.

Исследования по теме диссертации проводились в ФГУП НИН «Пульсар» в процессе выполнения ОКР и поставочных работ («Панцирь», «Утес»).

Объектом исследования настоящей диссертации послужили СВЧ модули, созданные для твердотельных PJIC («Панцирь», «Утес») (Рис. 1.1-1.2).

Рис. 1.2. Трассовая PJ1C «Утес-Т»

Научная новизна.

1. Предложен физический механизм отказов транзисторов в СВЧ модулях, причиной которых являются резкие изменения температуры транзистора вследствие периодических импульсов СВЧ-мощности с заданной скважностью. При этом, возникают импульсные механические напряжения, происходит деградация многослойной металлизации транзисторов, которая завершается тепловым пробоем.

2. Установлено, что с ростом длительности и амплитуды периодических СВЧ импульсов мощности, число термоциклов и соответственно время наработки модулей на отказ, резко уменьшается за счет роста амплитуды термоциклов.

3. Установлено, что механизм отказов вторичных источников питания в условиях эксплуатации СВЧ модулей связан с токовой перегрузкой, возникновением сквозных токов, перегревом и выгоранием элементов источника питания.

4. Для повышения надежности СВЧ модулей предложено: использовать СВЧ транзисторы с металлизацией на основе Ti-Pt-Au, что позволяет уменьшить разницу температурных коэффициентов расширения металлизацион-ных слоев, обеспечивать амплитуду термоциклов с запасом относительно режимов, допустимых по техническим условиям, за счет контроля импульсного теплового сопротивления транзисторов и выбора амплитуды импульсной мощности Ри

5. Для обеспечения эффективности отбраковочных испытаний СВЧ модулей необходимо устанавливать предельно допустимый режим эксплуатации:

- Токр - температура окружающей среды +60°С;

- Un макс ~ максимально допустимое напряжение питания;

- ТиМакс " максимальная длительность импульсов;

- Qmhh - минимально допустимая скважность;

- токовая нагрузка вторичного источника питания должна превышать нормы ТУ.

Достоверность полученных результатов:

Теоретические и практические результаты подтверждаются большим объемом испытаний модулей, эффективным внедрением предложенных методов обеспечения надежности на практике, использованием адекватных моделей развития отказов в твердотельных СВЧ модулях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Основным механизмом отказов СВЧ модулей при работе в импульсно-периодических режимах является воздействие на их структуру термоциклов и, как следствие, развитие усталостных явлений и деградация системы металлизации СВЧ транзисторов, что приводит к уменьшению напряжения лавинного пробоя Uk3R в паузе между импульсами и необратимому тепловому пробою.

2. С ростом длительности и амплитуды периодических СВЧ импульсов мощности время наработки на отказ СВЧ модулей резко уменьшается за счет возрастания амплитуды термоциклов.

3. Отказы вторичного источника питания СВЧ модулей в условиях эксплуатации вызваны воздействием токовой перегрузки и как следствие появлением сквозных токов в силовых транзисторах, перегрева и выгорания элементов источника питания.

4. Для обеспечения требуемых показателей надежности твердотельных СВЧ модулей необходимо:

- в условиях производства использовать транзисторы с системой металлизации на основе Аи, прошедшие контроль значений R™;

- проводить 100%-ный технологический прогон модулей в предельных режимах, максимально приближенных к условиям эксплуатации;

- в условиях эксплуатации обеспечить запас по амплитуде термоциклов относительно норм ТУ;

- в условиях производства проводить контроль перегрева и технологический прогон платы вторичного источника питания.

Практическая значимость.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке и внедрении комплекса технических мероприятий по обеспечению требуемых показателей надежности твердотельных СВЧ модулей, используемых в современных радиолокационных станциях различного назначения. К этим мероприятиям относятся:

- рекомендации по конструктивным изменениям СВЧ транзисторов, а также составу отбраковочных испытаний, обеспечивающие устойчивость транзисторов к термоциклированию. В частности, для СВЧ-транзисторов необходима металлизация на основе Ti-Pt-Au. Устойчивость транзисторов к термоциклированию повышается при отбраковке транзисторов с повышенным RTH;

- с целью обеспечения эффективности, отбраковочные технологические испытания СВЧ твердотельных модулей проводят в предельных режимах эксплуатации; с целью обеспечения запасов по электрическим и тепловым нагрузкам режимы эксплуатации должны устанавливаться с учетом того, что амплитуда термоциклов ДТмаксне должна превышать 125°С;

- разработанные рекомендации позволили существенно (на порядок) повысить надежность (среднюю наработку до отказа) СВЧ модулей в изделиях «Панцирь» и «Утес».

Апробация работы.

Содержание и результаты работы доложены и обсуждены на IV международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» г. Пицунда 26-28 сентября 2008 года и VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» г. Москва 07-08 октября 2008 года.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конце диссертации. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена настраницах машинописного

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Гришаков, Михаил Николаевич

4.3 Выводы

1. Основной причиной отказов СВЧ модулей является воздействие на их структуру мощных энерго- и термоциклов, что приводит к развитию и накоплению разрушений на границе материалов с различным тепловым коэффициентом расширения.

2. Зависимость накопленного процента отказов СВЧ модулей у=(п0/п)100% от числа термоциклов N хорошо описывается на начальном участке распределением Вейбулла. Параметры этого распределения заметно зависят от уровня качества (засоренности дефектами) испытуемой партии модулей. С ростом амплитуды температурных циклов величина Ny резко уменьшается.

3. Технологический прогон СВЧ модулей в предельный допустимом импульсно-периодическом режиме является эффективным средством контроля качества поставляемых заказчику партий и позволяет выявлять дефектные образцы.

4. В условиях непрерывной эксплуатации в зависимости от конструкции и режимов работы, в первую очередь, комплектующих изделий ресурс модулей может составлять 5-НО лет. В течение этого времени интенсивность случайных отказов может составлять 10" -10" 1/ч.

5. Для повышения надежности и в первую очередь безотказной наработки СВЧ модулей, работающих в импульсно-периодических режимах, необходимо:

- уменьшать максимальный перегрев кристалла и соответственно металлизации СВЧ мощных транзисторов за время действия импульса (за счет снижения Ри, tH или RTH, Тмин);

- уменьшать напряжение питания до значения менее Urao и обеспечивать его стабильность;

- использовать металлизацию Ti-Pt-Au, более устойчивую к термоцикли-рованию, чем металлизация Мо-А1, вследствие меньшего значения температурного коэффициента линейного расширения используемых материалов.

Для обеспечения запасов источника питания модулей к токовым перегрузкам, внедрены следующие мероприятия:

- увеличения в 1,3 раза сверх норм ТУ токовой нагрузки при технологических прогонах модулей, обеспечение динамического режима потребления по цепи питания сборки АБОЗ;

- выбора стеклотекстолита, с более высокой теплопроводностью и толщиной проводников;

- введение отбраковки плат источников питания при повышенной температуре окружающей среды по величине перегрева сердечника трансформатора;

- внедрение мероприятия по повышению устойчивости к возникновению сквозных токов, за счет увеличения времени задержки между моментом включения и выключения силовых транзисторов во вторичном источнике питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали:

1. В режиме эксплуатации РЛС различного назначения передающие твердотельные СВЧ модули работают в импульсно-периодических режимах при длительности импульсов tH = 70 -КЗ00 мкс и скважностью Q = 7^21. Характерной особенностью таких режимов является возникновение периодических колебаний температуры (термоциклов) активной области структуры СВЧ транзисторов.

2. Амплитуда температурных колебаний (термоциклов) активной области структуры СВЧ транзисторов в импульсно-периодических режимах определяется тепловыми характеристиками транзистора, длительностью, скважностью и амплитудой СВЧ импульсов и может превышать 100°С. Количество колебаний температуры (циклов) за время наработки модулей достигает до 1012.

3. В импульсно-периодических режимах одним из основных механизмов отказов, определяющих ресурс модулей, является развитие усталостных явлений в металлизации СВЧ транзисторов, которые приводят к её разрушению и, как следствие, уменьшению Ukdr и возникновению необратимого пробоя. Время развития этого механизма зависит от материала металлизации и резко уменьшается при увеличении амплитуды термоциклов AT, воздействующих на металлизацию.

4. Другой механизм отказов СВЧ модулей в условиях эксплуатации связан с перегрузками по току потребления вторичного источника питания и отказом силовых транзисторов и (или) токоведущих дорожек на стеклотекстоли-товой плате.

5. Для обеспечения заданных показателей надежности СВЧ модулей (средней наработке на отказ при работе в составе радиолокационной станции) необходимо внедрить следующие мероприятия:

- на этапе разработки оптимизировать конструкцию и условия охлаждения и обеспечить запасы по предельным тепловым режимам работы мощных СВЧ транзисторов, относительно норм ТУ;

- на этапе производства использовать СВЧ транзисторы с Аи металлизацией, вместо металлизации Мо-А1, прошедшие контроль по величине RTh ;

- использовать стеклотекстолит для платы ВИП, с высокой теплопроводностью и увеличенной толщиной проводников;

- проводить отбраковку плат ВИП при повышенной температуре окружающей среды по величине перегрева сердечника трансформатора и токо-проводящих дорожек;

- обеспечить повышенную устойчивость к возникновению сквозных токов в ВИП за счет увеличения времени задержки между моментом включения и выключения силовых транзисторов во вторичном источнике питания.

- проводить 100% технологический прогон СВЧ модулей в предельно допустимом СВЧ импульсно-периодическом режиме.

6. Результаты проведенных исследований и внедрение вышеуказанных разработанных технических мероприятий позволило на порядок уменьшить интенсивность ранних отказов СВЧ модулей в условиях эксплуатации и обеспечить требуемые значения средней наработки на отказ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гришаков, Михаил Николаевич, 2010 год

1. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике» Основные понятия. Термины и определения».

2. ГОСТ РВ 27.1.02-2005 «Надежность военной техники. Программа обеспечения надежности. Основные положения».

3. Автоматизированная система расчета надежности (АСРН), 2006 г., 22 ЦНИИ МИНОБОРОНЫ РОССИИ.

4. ГОСТ РВ 20.57.304-98 «Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы оценки соответствия требованиям к надежности.

5. ГОСТ В 20.57.404-81 «Изделия электронной техники. военного назначения. Методы оценки соответствия требованиям по надежности».

6. ОСТ В 11 0256-86 «Модули СВЧ Общие технические условия»

7. Чернышов А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. -М: Радио и связь, 1988-256 с.

8. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и ВТ. -М: Высшая школа, 1970-270 с.

9. Алексенко А.Г. Физический подход к проблеме надежности микроэлектронной аппаратуры. Из в. Вузов СССР. Радиоэлектроника, 1968-вып.7, с.704-718.

10. Петров Б.К. Теоретические основы проектирования и предельная метрика надежных кремниевых мощных ВЧ и СВЧ транзисторов. Диссертация д.т.н. -М: МИЭТ, 1981-294 с.

11. Синкевич В.Ф. Физические основы диагностики предельных состояний и обеспечение надежности мощных СВЧ транзисторов. Диссертация д.т.н. -М: МИФИ, 1987-294 с.

12. Алексанян И.Т., Кривошапко В.М., Рубаник И.Т. Моделирование электромиграционных отказов элементов ИС на ЭВМ. —Электронная техника. Сер.8, 1976-№6, с. 39-47.

13. Алексанян И.Т. Имитационные исследования надежности ИС. Диссертация д.т.н., М:МИЭТ, 1982.

14. Режимы эксплуатации и испытаний. Термины и определения. -Приложение к комплексу стандартов «Климат-7» (утв. 15.11.91).

15. Диковский В.И. Физико-технические основы создания биполярных СВЧ транзисторов с предельно высоким значением выходной мощности. Диссертация д.т.н. М: НИИ «Пульсар», 1991.

16. Глазштейн Л.Я., Десятов И.Б. Вопросы разработки и производства мощных транзисторов в США на примере деятельности фирмы MSC. 4.1,2. Обзоры по ЭТ. -М: ЦНИИ «Электроника», 1990-64,60 с. -(Сер.2, в.7).

17. Д'Орль. Электродиффузия и отказы в электронике. -Технология толстых и тонких пленок. /Под ред. А. Рейсмана, К. Роуза-М: Мир, 1972-с.35-45.

18. Десятов И.Б., Иванова Л.И., Рубаха Е.А. и др. Механизмы усталостной деградации структур мощных планарных 1111 приборов в импульсных режимах. Спецэлектроника Сер.2, 1985, в.2-с 111-121.

19. Пруслина С.С., Рубаха Е.А., Малышева О.А. Обеспечение надежности МСТ непрерывной мощности при их работе в импульсных режимах. Тезисы конф. МЭП «Новые процессы», 1986-с. 51-52.

20. Аронов B.JT., Федотов Я.А. Испытании и исследование 1111. — М.:Высшая школа, 1975, 325с.

21. Аленина Е.П., Рубаха Е.А. Ускоренные испытания мощных транзисторов в форсированных импульсных режимах. ЭТ, Сер.2, 1989, в.5-с. 104107.

22. Poole W.E. MTF of microvave power transistors under RF conditions. 11th Annu. Proc. Reliab. Phys., Las Vegas, Nev., 1973-p. 287-292.

23. Fisher. K.H. Pulsed RF life of an L-band power transistors. 11th Annu. Proc. Reliab. Phys., Las Vegas, Nev., 1973-p. 293-300.

24. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М: Металлургия, 1971-264с.

25. Груничев А.С., Однодушнов А.В., Якимов П.Ф. Обеспечение надежности РЭА и комплектующих изделий при эксплуатации. М:Сов. Радио, 1976-240с.

26. Справочник по видам, механизмам, причинам отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем и мероприятия по их устранению. -М. Дейтон, 1981-413с.

27. Синкевич В.Ф., Соловьев В.Н. Физические механизмы деградации полупроводниковых приборов. Зарубежная электронная техника. 1984-Вып.2.-с. 3-46.

28. Пыхтунова А.А., Сопов О.В. Нестабильности в МДП-структурах: Обзоры по электронной технике. Сер. 2, Полупроводниковые приборы.-М.:ЦНИИ «Электроника», 1977. -74 с.

29. Литовченко В.Г., Горбань А.П. Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник. -КиевгНаукова думка, 1978.312 с.

30. Козлов Н.А., Нечаев A.M., Синкевич В.Ф. Шнурование начального тока при зарядовой нестабильности в МД11-структурах. Электронная техника. Сер.2, полупроводниковые приборы. 1967. -Вып. 1.-е 20-23.

31. Свидетельство на промышленный образец №12454 (СССР). / Рубаха Е.А., Синкевич В.Ф., Горин В.Н. и др. Приоритет 20.10.80.

32. Аронов B.JL, Рубаха Е.А., Синкевич В.Ф. Исследование отказов МСТ в схеме усилителя мощности при рассогласовании. Тезисы Всесоюз-нойконф. «XXV лет отечественной ГШ промышленности». М:МДНТП, 1978.

33. Каганова И.И., Миркин А.И. Методика проведения испытаний транзисторов при работе на рассогласованную нагрузку. ЭТ Сер.2, 1975, в.8-с.130-140.

34. Фикс В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках. -М.: Наука. -1969. -295 с.

35. Физические основы надежности интегральных схем. Под ред. Ю.Г. Миллера. М., «Сов. Радио», 1976, 320 с.

36. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. — Минск.: Наука и техника. -1962. -576 с.

37. Рубаха Е.А., Синкевич В.Ф. Отказы мощных СВЧ транзисторов, вызванные электродиффузией. Электронная техника. Сер. 2, полупроводниковые приборы. 1976. -вып.7. - с. 119-128.

38. Д*Орль. Электродиффузия и отказы в электронике. Технология толстых и тонких пленок: Сб. Статей: Пер. сангл. Подред. А. Рейсмана, К. Роуза. -М.: Мир. -1972. с. 35-46.

39. Аленина Е.П., Рубаха Е.А. Ускоренные испытания мощных транзисторов в форсированных импульсных режимах. Электронная техника. Сер 2, 1989, в 5, стр. 104-107

40. Десятов И.Б., Иванова Л.И., Рубаха Е.А. и др. Механизмы усталостной деградации структур мощных планарных приборов в импульсных режимах. Спецэлектроника. Сер 2, 1985, в 2, стр. 111-121

41. Докучаев Ю.П., Синкевич В.Ф., Таран П.В. Разработка и производство СВЧ модулей для PJIC. Петербургский журнал электроники №3-4, 2004г. стр. 135-146

42. Sinha А.К., Sheng Т.Т. The temperature dependence of stresses in A1 filme on Si02. ThinSolidFilms, 1978, 48 №1, pi 17.

43. Иванова Л.И., Рубаха Е.А. Особенности механизмов отказов и надежность мощных СВЧ импульсных транзисторов.

44. РДВ 319.02.24-99. Комплексная система контроля качества. Аппаратура военного назначения. Методы проведения отбраковочных испытаний.

45. Аронов В.А., Евстегнеев А.С. Передающие блоки и модули L- и S-диапазонов для радиолокализации. Электронная промышленность.2003, №2.

46. Kaminski ~Ы.,Чекмарев А. Циклонагрузочная способность IGBT — модулей. Силовая электроника, №4, 2006 г.

47. Голант В.И. Расчет тепловых характеристик в режиме серий импульсов. Эт сер.1, 1983, №2-c.33-35

48. Иванова Л.И., Рубаха Е.А. Механизмы деградации мощных импульсных транзисторов. Электронная техника. Сер.2 1983, в. 7.

49. Гришаков М.Н., Синкевич В.Ф. Физика отказов мощных СВЧ транзисторов при работе в импульсных режимах. // Электронная техника. Серия 2, полупроводниковые приборы, выпуск 2, 2007, стр.91-96

50. Гришаков М.Н., Синкевич В.Ф., Таран П.В.Температурная зависимость развития отказов, обусловленных усталостными явлениями в металлизации СВЧ транзисторов. // Электронная техника, серия 2 полупроводниковые приборы выпуск 1, 2008г., стр.76-78

51. Гришаков М.Н., Синкевич В.Ф., Таран П.В. Отбраковочные испытания твердотельных СВЧ модулей. // Электронная техника, серия 2 полупроводниковые приборы выпуск 2, 2009 г., стр. 78-82