有关微波电路的可靠性问题.doc

有关微波电路的可靠性问题一 前言产品的可靠性是设计制造出来的。二 设计是产品可靠性之本1. 最不让人放心的”地” 2. 令人头痛的“腔体效应“3. 红花虽好还需要绿叶相扶-辅助电路的作用不可轻视4. 降额使用及功能储备5. 功能分析和整体综合平衡的全局观点6. 采用鸡蛋里挑骨头方式，寻找可能产生的潜在隐患并采取对策三 工艺制作1. 焊接基本原理及获得良好焊接的途径2. 要重视电路组装中的一些具体细节问题四 应用注意事项 1. 预防感应电瞬时放电对电路损坏2. SMA接插件连接注意事项 3. 一等二查三通电原则 4. 防止整机异常工作状态对电路造成的损坏5. 数字化门限调节方法五几种常见的失效模式及原因分析 1. 接地不良 2. 热呼吸效应造成的盐雾沉积和付蚀3. 器件损坏 .SMA中心导体变形移动引起的失效5. 电源馈线开路 6. 热应力 7. 短路六结束语一前言可靠性是一项非常重要、涉及面很广的工作，有很多专门著作论述。今天我只谈几十年来做有关可靠性工作的一些经验体会。我六四年从南大物理系毕业分配到十三所，前后从事硅功率器件、微波混合集成电路工艺和电路工作。不论是做器件还是做电路都负责有关可靠性工作；其中特别是八十年代末负责抓通讯卫星上用六级硅低噪声器件攻关工作，它需1000个器件工作1000小时不能有一个失效，其难度可想而之。几十年与可靠性打交道的风风雨雨经历，使我深深体会到产品的可靠性是设计制造出来的。筛选只能起辅助作用，仅靠筛选是做不出高可靠的产品。可靠性工作具有三个特点:. 长期性：它不是一个抓一抓即可劳永逸的事情，而是一项需长期坚持不能松懈的工作,只要一放松就要出间题。长期性的另一含义是有关可靠性工作的经验及数据需要长期不断积累和充实。2. 细微性：造成失效的因素往往是一些不起眼的问题，可谓千里大堤毁於蚁穴。可靠性工作是一项如同绣花一样细致的工作，来不得半点粗心大意。3. 广泛性：是可靠性工作涉及面广，它涉及物理、化学、机械、环境等多学科，又是一项与人人相关，不是少数人的工作。下面就电路设计、工艺制作、应用注意事项、常见的故障模式及原因分析谈一些个人心得体会供诸位参考。 -1-二设计是电路之本 如设计欠妥，电路的可靠性将会是无本之本、无源之水。即使使用再高级的元器件，再严格的工艺也往往无济于事。70年代末我们研制S波段3W导弹用的功放，其中我们认为不会有问题的125 1000小时贮存遇到问题。我采用电路片盒体镀10厚金，采用做器件的清洗工艺，最多仅能通过小时超不过小时。其主要问题是Gp下降超过要求而失效。把失效的电路拆开擦洗后组装又恢复正常。最终修改设计，把原先用镙钉固定基片改为采用面焊接技术钎焊固定基片。不但通过了125 1000小时试验，而目还积累了连续4000小时不失效数据。 为此在电路设计时在可靠性方面多做一些工作、多花一些精力是一个省力、省时、省经费的一本万利之事。 对微波电路设计而言，涉及面广考虑的事又多。下面根据我们的经验提出六项设计时需要注意和认真对待的问题。1.最让人不放心的”地”因为微带电路中电场大部分是集中在微带线与地之间的个质层中并以地为参考面，如接地不良或局部接地不良必会引起电场畸变，轻则引起幅频持性变化Gp下降，重则导致吸收峰乃至自激；接地不稳定不可靠是造成电路性能不稳定和变化的主要原因。这可用聚四氟棒压下镙钉固定的电路基片，就能明显看到幅频特性变化就 是一个最直观的例证。 微波电路基片采用面焊接技术，把基片钎焊到电路盒体是最隹 -2-接地方案。所以我们电路基片均全部采用这种接地方式。我们给贵所前后作了上千条电路组件至今未发现因接地不良而引起幅频曲线变化而失效的例证。对於长期工作在高于85环境的电路和需要125 1000小时高温贮存考核的电路，其电路基片必须采用面焊接接地技术。 对於不会在上述高温环境工作的电路，也可采用镙钉固定。但是固定基片的镙钉要尽可能的多，正面接地图形要尽量的大，金属化孔要尽量多，这才是确保良好接地的前提。此外还必需注意基片背面电路盒内片表面要清洁平整，否则残留的油污经过一段时间，特别是高温会使接地恶化，影响电路性能。 其次不同廻路不要共用正面的接地图形，否则会相互干扰。我们曾把故障检制电路中的检波电路滤波电容的接地点与末级漏偏置去耦电容共用同接地图形，因去耦的残存射频信号严重干扰了检波电路，不是产生一个尖峰就是产生个凹坑，使检波的幅频持性相差34dB之多而无法使用。对接地的评价AD公司出版的本介绍有关仪表放大器应用方面的书有一句值得深思的话：”您可以永远相信您的母亲，但您决不可以相信您的地”。这反映了接地是所有电路中都要重视的共性同题，也是一个最易出问题的地方。对微波电路来讲，还要加一个”更”字,特别是基片背面接地。这一点希望大家要有足够的认识。这也是贵所有些电路重装后性能会改善的二大因素之一，即与接地不良有关。2. 令人头痛的腔体效应 -3微带电路还有一小部份电场分布在电路基片上面的空间，当盖上盒盖会使边界条件发生变化，常常会引起腔体效应，轻则造成幅频增益的变化、隔离度下降，重则会产生自激。尤其是电路级数多、Gp高、Po大、微带线过长、电路匹配欠隹的情况下更为突出。往往同一批装的电路，有的腔体效应严重，有的轻微，有的却没有，令人头痛和难于捉模。我们在电路设计时采取减少和削弱空间电场的下述措施入手，起到减少腔体效应的作用。1) 电路内过长的连接采用半硬同轴电缆，这样不但杜绝了上面产生电场分布，而且插损也比微带线小得多，这对大功率电路来讲更为可贵。2) 尽量采用小型化元器伴，这也是我常采用集总半集总参数电路匹配元件的原因。3) 加强级间隔离和屏蔽，二级电路其Gp35dB还是是稳定的，而三级电路那怕Gp仅几dB电路往往欠稳定。为此多级电路以二级为一单元，中间要隔离，采用隔离器是最有效、也是最简便的方法。如受盒体尺寸限制可用26dB衰减器作隔离。其次采取屏蔽措施阻断空间电场相互影响。4) 采用吸收材料，这是比较有效的措施。但要选用相应频段的吸收材料才能收到好的效果。有的吸收材料粘接剂是塑料，高温会收缩。5) 电路盒体设计时尽量多留一点高度空间。盒体高度对腔体效应极为敏感，有时只耍增加1mm乃至0.5mm即 -4-可消除腔体效应。为此盒体高度的设计要保守些，在总体尺寸给定的条件下，也要尽量压缩其它尺寸，力争给盒体腔体高度多留一些空间或预留点可以修改增加高度的空间。这是抑制腔体效应最有效的方法，但往往又是因条伴限制而又无法实现的办法。3. 红花虽好还需要绿叶相扶-辅助电路的作用不可轻视 对微波电路部件设计大家均很重视，但往往忽视了电源等辅助电路。这对一些刚参加工作不久的年轻人常常会如此，由此造成的问题累见不鲜。 2001年贵所研制航管雷达时，曾因一个外购放大开关组件干扰分机同步造成被动。其原因之是组件电源去耦欠隹，使末级供电模拟开关产生的感生电动势dV=LdI/dt通过电源窜入分机所至。 采用正变负电路可省一路负压电源，但只有经过精心设计去耦滤波电路才能使正变负电路中的残存振荡余波对雷达信号脉冲寄生调制的杂波分量小於-90dB，优於整机小於-80dB的要求。否则会高达-40-50dB,高於要求至个数量级，会严重影响整机性能。 AsGa场放电路需先加栅负压后加漏偏压，为此电源保护电路必不可少。用得最多、书中引用最多的是富士通公司给出的延迟保护电路，这种电路需用个元器伴，在负压短路时，起不到保护作用。 我们采取通过负压达到定值时，打开模拟开关给漏极供电的方法。其电路元器件仅为富士通电路的1/3，对负压短路也能起保护作用，并且还具有休眠功能。 我们对一些常用的正变负电路、负压保护电路、电源去耦保护 -5-电路、驱动电路、故障检测等辅助电路十分重视，均做了大量的试验，筛选出性能较隹电路，使其标淮化。譬如对每种电路组件均要用的故障检测电路不但解决了连续波与脉冲工作检测兼容问题，而且连电路基片也标准化，这将大幅度减少这些电路引起的麻烦和故障。4降额使用和功能储备 由於器件的使用寿命是器件结温(沟道温度)的函数，其温度越高寿命越短。对一般硅器件而言，结温提高50寿命降低一个数量级。对微波器件而言，因图形细小基区宽度(栅长)仅零点几微来，所以温度影响远远超过上述数据。如ERA-3结温和寿命的关系见下表：1351451561731912072000年1000年250年40年11年4年由於通过降额使用，能使结与管壳之间温度下降，达到减少结温提高寿命的目的。 改善散热性能降低器件壳温，也就相应降低了结温，起到提高寿命的目的。由於一般人对改善散热未引起足够的重视，如仅仅降额使用而不重视散热，则壳温的增加会大大抵消了降额使用带来的好处。为此，对功率器件，特别是大功率器件，散热问题非常重要。 功能储备又称差值分析，就是电路设计时要有一定的富裕度。我们设计贵所使用的放大器般设计在浅饱和状态，即增益压缩23dB左右、输出功率比要求大12dB，而增益通常大3dB左右。这样在输入功率下降23dB，电路本身增益下降23dB，其电路输出还能满足整机使用要求，从而达到提高电路稳定性和可靠性目的。 -65. 要树立功能分析和整体综合平衡的全局观点 不论整机、分机、电路组件、元器件，我们使用的主要是某些功能。为此，从整体功能分析入手，可达到简化电路、相互补偿化不利为有利，起到提高可靠性稳定性的目的。 JY9雷达中JDF3513-II小功放，最初后面有一个970厂生产的电调衰减器，我们在电路调试中发现对工作在浅饱和状态的JDF3513-II,调节末级工作电压也能起到调节输出功率达10dB功能。为此，我们仅增加了二个穿心电容，分机调试时焊一个合适的电阻，即可省去后面的电调衰减器，减化了分机电路。 硅功率器件多工作在丙类，当温度增加、增大、Ic增加、Pc增加、Po下降、易过激励而烧毁；而温度下降会因下降、EB结前向电压增加，要求增加输入激励功率，易出现不工作状态。 而AsGa器件左温度增加引起gm下降、Id下降、Po下降;而低温会使gm增大、Id增大、Po增大。 为此，用AsGa功放做硅功率器件的激励级可大幅度改善硅功率器件在高低温下工作的稳定性和可靠性。这一优点往往不为人们重视。 贵所曾订的JGF3510AsGa激励功放，提出要求是：-40+50、输入25dBm，其输出功率变化不能超过1dB。为达到此目标，经多方努力，最后采取了漏偏置电源中串68个肖特基二极管来控制漏电压，才实现所提要求。从局部讲，上述要求完全正确，但从全局看是个败笔，它损失了AsGa场放的补偿作用，又额外增加了8 个元件。-7 又如雷达接收机LNA前需要有一个PIN限幅器，从功能分析在接收时限幅器不工作，其功能相当在LNA输入加了个小容量的旁路电容，它分流了部份有用信号(即插损)。发射时LNA不工作，限幅器对泄漏过来发射功率限幅保护LNA。如把限幅器PIN管分布电容作为LNA输入匹配迥路的一个元件，即可减少限幅器对LNA不利影响即插损减小，不但可改进LNA的NF值，也减化了接收分机。90年中期，我们以此思路做成NF110V,放电三至四次，ERA-3损坏；180V,放一次电即ERA-3损坏。从而证实了仪器分布电容上的感应电放电对电路的损坏。为此仪器必需严格接地，这一点希望大家一定要注意。 2. SMA的连接注意事项 拧SMA用力要适当。只使外镙套转动，中心导体平移，否则往往因中心导体移动、转动造成电路失效。 3. 等二查三通电原则 这是预防人为误操作的有效措施。等一等、查一查最多也就是几分钟的事，否则发生了人为的误操作产生的不良后果，不是区区几分钟的事，往往还会造成很大损失。 4. 特别要预防整机异常工作状态对电路造成的损坏 整机出现异常工作状态，特别是强放管打火对电路的危害最大，它产生的广谱射频脉冲倒灌烧毁激励功放组件末级器件。其次是造成二个地系统之内产生脉冲高压，对电源电路形成危险。这次返修的二条JGF3514-B激励功放失效模式相同，-5V稳压电源烧坏把栅下偏置电阻烧开路。模拟-5V稳压块烧毁条件必须要-55V以上，我分析可能是上述原因造成的。 -13- 5. 数字化门限调节方法1) 门限电压调节采用五位数字电位器共32步，请不要用小镙丝刀像调节机械式电位器那样用力旋转，以免损伤控制端电极上的铜箔，选成控制端电极短路或开路，使门限调节失效。2) 门限调节是用金属小棍通过盒盖上的调节孔接触下面的电极，每接触次数字电位器步进一次，通过标有的小孔为增加，标有的小孔为减少。其VT值可从相应的接线柱上用万用表测出。五. 几种常见的失效模式及原因分析失效模式是属於可靠性物理范畴，失效分析常常要用多种大型仪器，80年曾做过这方面的工作。今天仅就我了解的一些常见失效模式及原因做一些介绍。1.接地不良。常发生在以镙钉固定基片、背面接地和金属化孔接地处,这些失效往往有一个缓慢发展过程。尤其是基片背面接地往往不为人们注意，轻则造成Gp、Po下降，重则不工作。其根源设计考虑欠隹、工艺过程中的缺陷及不规范操作所为。2. 热呼吸效应造成的盐雾沉积和付蚀 这发生在沿海、特别到小岛室外工作的电子设备。当开机后元器件发热、电路盒机箱内空气受热膨胀排出；关机后空气冷却收缩吸入，盐雾气氛沉积在器件最热部位。如此不断反复一点点的增加并在焊点外造成微电池效应付蚀，最终引起失效。(见失效照片)其对策一是加强防护对机箱的设计，其次是定期更换有关部件。 3. 器件损坏 -14-器件损坏90%以上发生在输入输出级，特别是输出级,而级间极少损坏。如是器件原因应是等几率的，其比例不会如此悬殊。我直