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      甘恩二極管制造過程中熱阻的無損檢測

      熱方法——甘恩二極管制造過程中熱阻的無損檢測


      摘要—考慮了甘恩二極管在其制造的不同工藝技術周期下的熱阻研究結果

      關鍵字:微波功率,甘恩二極管,熱阻測量和測試


      在過去的十年中,甘恩二極管的發展已證明了利用任何機會來改善二極管工作的熱模式的驚人發明性。標準和新近開發的甘恩二極管(GD)固有的參數和限制知識可確保其成功應用。這樣的參數之一就是熱阻RT,它規定了最大輸出功率電平的限制,從而降低了可靠性并增加了噪聲電平。在甘恩二極管組件的技術周期中進行熱破壞的無損測量和測試,是對這些過程進行質量控制的必要條件。

      [1,2,5]和專利[3,6]中給出了適合在制造條件下測試RT的方法和設備。RT測試必須在以下三種情況下執行:

      –在過程測試中指定RT的規范時;

      –調整晶體安裝方式時;

      –在測試裝入盒中的過程晶體的穩定性和可重復性時。

      對不同類型的甘恩二極管(直接組裝,反向組裝和帶有集成散熱器的組裝)進行的實驗研究表明,熱阻與所產生的微波功率之間呈反比關系:image.png

      最高的熱阻(RT=50–130°C/W)是直接組裝的二極管(3A721–3A724)的特性;反向組裝二極管固有的最低熱阻(RT=8–30°C/W)。第一種情況的過熱溫度為80–200°C,第二種情況的過熱溫度為30–150°C。帶金剛石散熱片的二極管的熱阻為RT=6–10°C/W,比在銅晶體支架上獲得的相同晶體的電阻(RT=10–16°C/W)要低。這與給出的RT值低1.5–2倍的計算數據相吻合。不幸的是,由于缺乏基于導熱系數,金屬化質量和晶體裝配困難的拒絕金剛石散熱器的方法,因此適合組裝在金剛石散熱器上的二極管的良率百分比非常低。放在鉆石散熱器上。對于OrionResearchInstitute(Kiev)生產的整體散熱器上的二極管,獲得以下值:RT=15–50°C/W(直接極性)和RT=70–160°C/W(反向極性)。在分析的情況下,RT的測量取決于設計和幾何參數以及二極管的類型。同時,使用超聲波微焊接和通過金鍺合金將熔爐焊接在一起的技術,對相同晶體的組裝確定了相似的值,即RT=13.4°C/W和RT=13.1°C/W。

      分析表明,出現熱阻增加的原因有兩個:散熱片上的晶體安裝變差,由于組裝過程中機械和熱過載導致的二極管有源區域中的缺陷,導致最有源區域的導熱系數降低;

      熱電阻的無損檢測

      表1.3A716二極管批次的熱阻和微波功率

      表2.3A728二極管批次的熱阻和微波功率

      image.png 

      應該注意的是,超聲振幅A=11時,功率最大值(RT的最小值)很大。這表明需要以所需的精度維持超聲水平。超聲微焊接模式的效果在[4]中有詳細描述。

      由相同結構在相同組裝參數下制造的單個類型二極管的熱阻測量結果表明δRT和δPout存在很大差異。因此,將近40%的二極管image.png,因此大大降低了具有可接受功率水平的二極管的產量。

      表1列出了8個批次的3A716二極管(每個20個)的RT和Pout平均值的數據,這些二極管是由從一層膜獲得的晶體制成的。

      批次間的RT和功率平均值均不超過測量精度(小于20%)。使用3A728二極管進行的類似實驗揭示了另一種情況(請參見表2)。

      為了選擇由一層膜制成的晶體的最佳熱壓縮模式,使用不同的模式安裝了四批二極管。在每批中,測量了50個隨機選擇的二極管的RT值(請參見表3)。

      在過程中,對RT處于正常范圍內的1-3批二極管進行了測試(請參見表4)。

      表3.二極管的數量(在RT上),取決于熱壓縮模式參數

      image.png 

      表4.過程中測試的結果

      image.png 

       

      第二種模式提供了高質量的組裝,具有更高的良率和最小的熱阻范圍和值。裝配前進行晶體處理的效果也會使熱阻產生較小的變化。例如,在標準處理情況下,3A719二極管的RT平均值為RT=20.2°C/W,在進行額外化學處理的情況下,該平均值降低為19°C/W,血漿中的溫度降低到17.5°C/W。注意,陰極觸點的處理將熱阻提高到22°C/W。微波功率的平均值分別為141、99、113和89mW。

      這些對不同類型二極管的研究沒有揭示RT值與晶體隔離過程中留在晶體支架上的跡線之間的任何相關性(如工作表中所述)。甘恩二極管生產期間的裝配質量取決于兩個因素,即RT值和在整個晶體表面上隔離晶體時留在晶體支架上的跡線的均勻性。由于必須獲得最大輸出功率,因此使用第一種方法,而第二種方法則提供了晶體與晶體支架的更牢固的機械連接。此外,在晶體在晶體支架表面上較弱地安裝晶體的地方會出現二極管,但是RT的值很小。

      每一批的特征在于以下參數,這些參數確定了合格二極管的良率并提供了組裝過程的質量,即:

      –即平均熱阻;

      –即熱阻在一個批次中的擴散;

      –N1,即,該二極管類型的RT≤RTn的二極管數量。

      根據3A727型二極管的示例(請參見27號二極管和131號晶體的列表),我們選擇了220個二極管。密封后剩下187個(從R0的角度來看)。這些二極管形成了兩批:RT≤RTn=24的二極管(編號65)的第二批,RT≥RTn的二極管(編號122)的第二批。根據微波功率和電沖擊測量的結果,證明第一批中100%的二極管是可接受的,第二批中只有70%(56%)是可接受的。電流老化后,第一批剩余50個二極管(短路10個,壞了5個),第二批剩余58個二極管(12個故障),分別占可接受二極管的79.4和82%能量沖擊后剩余的二極管和組裝好的二極管的79.4%和46.7%。確定有效范圍后,最終可接受的二極管數量分別為45個和52個(71.4%和41.9%),因此,在驗收和過程測試中,可接受的二極管的產量提高了1.7倍被執行。

      不僅平均值的變化,而且熱阻分布的變化動態也令人關注。根據3A728二極管的示例發現,在A=3時,RT的平均值最小。在這種情況下,方差也最小化:微波功率變化極小,所有二極管的功率均高于90mW(即100%已安裝)。當超聲波的A振幅減小時,較大的RT值的分數和未焊接的晶體的數量增加。相應的分布特征是朝著較大的RT平滑變化。當A從3增加到5時,在RT分布中會出現一個值大于40°C/W的組。結果,在微波功率分布中出現了功率值低于90mW的一組。這可能與存在缺陷的晶體有關,這些缺陷在強化模態時會更加嚴重地退化。因此,RT的測試使得可以控制組裝過程的穩定性,并根據所需的輸出功率水平,為RT的GD指定允許的規范。

      從二極管制造穩定性的觀點來看,揭示導致RT方差(范圍)增加的因素非常重要。首先,必須區分晶體參數多功能性的貢獻(外延層的厚度,厚度和金屬化質量等),并確定組裝模式不穩定性影響的邊界。

      對故障強度的分析[4](取決于運行時間)表明,在使用壽命的開始和結束時都存在兩個時期。第一個開始于制造后。它與耿氏二極管制造過程中形成的缺陷有關。在此期間,RT檢查在過程測試階段尤為重要。對當前老化過程中故障的調查表明,在最初的24小時內觀察到了大部分故障。對RT的分析表明,其RT比允許的RT規范大1.5–2倍的二極管最先出現故障。為了確定第一階段參數變化的原因,分析了耿氏二極管在50小時內下列電流-電壓特性的行為:在連續和脈沖模式下測量Uthresh和Ithresh;Ubr以脈沖模式Um,Im,Pout測量;RT和R0以連續模式測量。Um和Ip的值僅略有變化(小于10%),無論是增加還是減少。在連續模式下測得的Uthresh,Ithresh,R0值也發生微小變化(相等于增加和減少)。輸出功率和效率發生了相同的變化。這首先是由于工作電流和電壓年齡的變化。在脈沖閾值參數Uthresh,Ithresh和Ubr中觀察到了最強烈的變化。在這種情況下,Ubr和Uthresh主要增加,而Ithresh主要減少。通常,熱阻RT保持恒定或略有增加。應該注意的是,在具有大RT的二極管中,所有參數的變化最大。因此,RT(確切地說是有源區的溫度)有助于有源區參數的變化。

      從在同一工廠工作的三名操作員獲得的以下數據表明,資格的影響和對成品產量的單獨對待。第一個操作員可接受的二極管的產率為91%(RT小于25°C/W,P大于120mW),平均壽命值為RT=24.2°C/W和P=122mW。第二個運算符上的數據如下:在RT=23.3°C/W和P=129mW時,合格二極管的產率為89%。第三位運營商設法在RT=26.2°C/W和P=119mW時僅獲得53%的可接受二極管。因此,存在無法從技術上確定并且取決于操作員的個人技能的因素。

      結論

      1.這些調查證實了在制造甘恩二極管的過程中必須測試其熱阻的必要性。

      2.據透露,應檢查熱阻:

      –在定期和過程測試中,將單一類型晶體組裝到盒子中的過程的可重復性;

      –調整晶體的模式時;

      –用于在驗收和過程測試中拒收不可接受的Gunn晶體。

      3.為在特定工廠制造的甘恩二極管規定了熱阻規范(根據輸出微波功率的水平和可接受的二極管的產量)。

      4.揭示了決定批量生產的甘恩二極管熱阻變化的因素。


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