甘恩二極管制造過(guò)程中熱阻的無(wú)損檢測

熱方法——甘恩二極管制造過(guò)程中熱阻的無(wú)損檢測

摘要—考慮了甘恩二極管在其制造的不同工藝技術(shù)周期下的熱阻研究結果

關(guān)鍵字：微波功率，甘恩二極管，熱阻測量和測試

在過(guò)去的十年中，甘恩二極管的發(fā)展已證明了利用任何機會(huì )來(lái)改善二極管工作的熱模式的驚人發(fā)明性。標準和新近開(kāi)發(fā)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(shù)周期中進(jìn)行熱破壞的無(wú)損測量和測試，是對這些過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制的必要條件。

[1,2,5]和專(zhuān)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(guò)程測試中指定RT的規范時(shí)；

–調整晶體安裝方式時(shí)；

–在測試裝入盒中的過(guò)程晶體的穩定性和可重復性時(shí)。

對不同類(lèi)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(jìn)行的實(shí)驗研究表明，熱阻與所產(chǎn)生的微波功率之間呈反比關(guān)系：

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(guò)熱溫度為80–200°C，第二種情況的過(guò)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(zhì)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(chǎn)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(lèi)型。同時(shí)，使用超聲波微焊接和通過(guò)金鍺合金將熔爐焊接在一起的技術(shù)，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(gè)：散熱片上的晶體安裝變差，由于組裝過(guò)程中機械和熱過(guò)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(wú)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

 

應該注意的是，超聲振幅A=11時(shí)，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(gè)類(lèi)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，因此大大降低了具有可接受功率水平的二極管的產(chǎn)量。

表1列出了8個(gè)批次的3A716二極管（每個(gè)20個(gè)）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(guò)測量精度（小于20％）。使用3A728二極管進(jìn)行的類(lèi)似實(shí)驗揭示了另一種情況（請參見(jiàn)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(gè)隨機選擇的二極管的RT值（請參見(jiàn)表3）。

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

表3.二極管的數量（在RT上），取決于熱壓縮模式參數

 

表4.過(guò)程中測試的結果

 

 

第二種模式提供了高質(zhì)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(jìn)行晶體處理的效果也會(huì )使熱阻產(chǎn)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(jìn)行額外化學(xué)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(diǎn)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(lèi)型二極管的研究沒(méi)有揭示RT值與晶體隔離過(guò)程中留在晶體支架上的跡線(xiàn)之間的任何相關(guān)性（如工作表中所述）。甘恩二極管生產(chǎn)期間的裝配質(zhì)量取決于兩個(gè)因素，即RT值和在整個(gè)晶體表面上隔離晶體時(shí)留在晶體支架上的跡線(xiàn)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(huì )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(guò)程的質(zhì)量，即：

–即平均熱阻；

–即熱阻在一個(gè)批次中的擴散；

–N1，即，該二極管類(lèi)型的RT≤RTn的二極管數量。

根據3A727型二極管的示例（請參見(jiàn)27號二極管和131號晶體的列表），我們選擇了220個(gè)二極管。密封后剩下187個(gè)（從R0的角度來(lái)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(gè)二極管（短路10個(gè)，壞了5個(gè)），第二批剩余58個(gè)二極管（12個(gè)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(gè)和52個(gè)（71.4％和41.9％），因此，在驗收和過(guò)程測試中，可接受的二極管的產(chǎn)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(dòng)態(tài)也令人關(guān)注。根據3A728二極管的示例發(fā)現，在A(yíng)=3時(shí)，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(shí)，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(zhù)較大的RT平滑變化。當A從3增加到5時(shí)，在RT分布中會(huì )出現一個(gè)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(guān)，這些缺陷在強化模態(tài)時(shí)會(huì )更加嚴重地退化。因此，RT的測試使得可以控制組裝過(guò)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(guān)點(diǎn)來(lái)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(zhì)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(shí)間）表明，在使用壽命的開(kāi)始和結束時(shí)都存在兩個(gè)時(shí)期。第一個(gè)開(kāi)始于制造后。它與耿氏二極管制造過(guò)程中形成的缺陷有關(guān)。在此期間，RT檢查在過(guò)程測試階段尤為重要。對當前老化過(guò)程中故障的調查表明，在最初的24小時(shí)內觀(guān)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(shí)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(wú)論是增加還是減少。在連續模式下測得的Uthresh，Ithresh，R0值也發(fā)生微小變化（相等于增加和減少）。輸出功率和效率發(fā)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(guān)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(shuō)是有源區的溫度）有助于有源區參數的變化。

從在同一工廠(chǎng)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(chǎn)量的單獨對待。第一個(gè)操作員可接受的二極管的產(chǎn)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(gè)運算符上的數據如下：在RT=23.3°C/W和P=129mW時(shí)，合格二極管的產(chǎn)率為89％。第三位運營(yíng)商設法在RT=26.2°C/W和P=119mW時(shí)僅獲得53％的可接受二極管。因此，存在無(wú)法從技術(shù)上確定并且取決于操作員的個(gè)人技能的因素。

結論

1.這些調查證實(shí)了在制造甘恩二極管的過(guò)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(guò)程測試中，將單一類(lèi)型晶體組裝到盒子中的過(guò)程的可重復性；

–調整晶體的模式時(shí)；

–用于在驗收和過(guò)程測試中拒收不可接受的Gunn晶體。

3.為在特定工廠(chǎng)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(chǎn)量）。

4.揭示了決定批量生產(chǎn)的甘恩二極管熱阻變化的因素。

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