某型多普勒雷达本振失锁的故障分析

■ 吕 辉　李 栋　陈 炜

某型多普勒雷达本振失锁的故障分析

■ 吕 辉李 栋陈 炜

本文通过故障树分析法将故障定位为由于组件内部介质谐振压控振荡器（DRVCO）模块内的场效应管参数退化，并对某型多普勒雷达本振失锁的故障原因进行了深入的机理分析。

表1　　Ku波段接收组件故障件测试结果

1.引言

某型多普勒雷达（以下简称雷达）采用模块化设计，设置了故障自检测功能，提高了雷达的维修性。雷达由天线基座组合、Ku波段发射组件、Ku波段接收组件、中频处理组件、信号处理组件、数据处理组件、电源模块七个SRU单元组成。雷达自检测功能连续监测雷达工作状态，检测到故障，实时输出对应的故障代码并以十六进制形式显示。报故障返厂维修的雷达经技术人员检测输出故障码：07表示Ku波段接收组件故障。现场进行了故障检测确认，现场测试结果显示配套6部雷达Ku波段接收组件在常温环境下本振单元锁相环路失锁，中频基准无输出信号。测试结果见表1。

2.失锁故障定位

故障Ku波段接收组件在常温下加电，本振单元失锁,中频无输出信号，在XX GHz±15MHz附近无介质谐振压控振荡器（DRVCO）的泄露信号，因此故障Ku波段接收组件常温失锁可能是由于DRVCO工作异常引起。图1是Ku波段接收组件本振源单元的原理框图。图2是本振单元失锁故障树。

参考Ku波段接收组件本振源单元原理框图，结合本振单元失锁故障树对故障现象进行分析。

2.1首先开盖镜检故障组件。在显微镜下接收组件内部无多余物，各单元电路带线无开短路现象，元器件焊点满足焊接要求。

2.2排查C101。用开路电缆测试接收组件40MHz参考信号功率为9dBm，在正常的工作范围内，排除40MHz参考信号问题。

2.3排查C102。测量鉴相器PE3236各引脚电阻均在正常范围，测试工作电流为25mA，均在正常范围，排除鉴相器PE3236损伤。

2.4排查C103。开盖测试放大器以及混频器均正常工作，排除放大混频器件受损。

2.5排查C104。开盖测试有源滤波电路中的运算放大器电流为8mA，在正常范围内，排除有源环路滤波问题。

2.6排查C105。常温下用开路电缆测试故障件在电调电压为0～12V范围内均发生停振无输出。可以确认接收组件DRVCO工作异常，即DRVCO工作异常成立。

2.7排查C201（介质受潮DRVCO停振）。DRVCO介质对水汽敏感，当腔体内部进入潮气后可能会引起DRO停振或跳频。故障件在85℃下烘干8h后对DRVCO进行测试，测试结果与烘干前对比无变化，排除介质受潮DRVCO停振。

2.8排查C202。开盖镜检故障件，在显微镜下检查其内部无多余物、无微带线开裂短路及断路现象，电路及元器件焊接符合设计要求，排除机械应力损伤。

2.9排查C203。对工作异常的DRVCO重新进行调试，DRVCO故障状态无变化，排除调试状态临界。

2.10排查C204。开盖后对故障件DRVCO内场效应管进行直流参数测试，测试结果如表2所示。从测试结果可以看出故障件DRVCO场效应管的栅源电压(VGS)与正常件相比变大，漏电流(IDS)与正常件相比变小。根据该类场效应管的工作原理，当栅压变大的情况下，相同的漏源电压下漏电流会增加，故障件场效应管的漏电流反而变小，因此可以推断故障件的场效应管参数发生变化。为了进一步确认场效应管参数发生变化，对故障件的场效应管用晶体管图示仪测试其I-V特性图，并且与正常件进行对比。从测试结果可知工作异常的DRVCO模块内的场效应管饱和漏电流变小、跨导变小，参数发生变化，可以确定C204-振荡管参数退化成立。

通过上述分析可以判定，故障件本振失锁是由于组件内部DRVCO模块内的场效应管参数退化，从而引起DRVCO工作异常，最终导致本振单元失锁。

图1　本振源单元的原理框图

图2　本振单元失锁故障树

3.机理分析

表2　故障件DRVCO内场效应管直流测试结果

为进一步分析场效应管参数退化的机理，中电科技半导体器件可靠性中心对解焊后的场效应管进行了失效分析。中电科技半导体器件可靠性中心从场效应管的外观、极间直流电特性、I-V电特性、PIND试验、密封性试验、内部镜检等几个方面分析，得出结论为，失效样品的肖特基势垒特性退化、饱和漏电流(IDSS)和跨导(Gm)减小；开帽镜检，芯片表面未见与失效相关的明显异常。图6是场效应管参数退化故障树。

以下结合场效应管应用情况，依据场效应管参数退化故障树，逐一排查场效应管参数退化原因：

3.1排查C201（工作电流偏高）。在场效应管芯片背面温度为75℃时，场效应管的极限安全电流为100mA, 极限VDS为4.5V。DRVCO电路设计中振荡管偏置为VDS=4.0V，IDS=40mA。工作电流偏离安全电流较远，因此可以排除工作电流偏高。

3.2排查C202（超功率使用）。DRVCO模块最大输出功率为25mW，DRVCO采用直接耦合输入方式，因此从栅极耦合的注入功率一定小于25mW。场效应管MWT-LP773的最大输入功率为80-120mW。因此不存在超功率使用的原因，排除超功率的使用问题。

3.3排查C203（结温过高）。场效应管振荡状态工作电流为40mA,其热阻为380℃/W。经过计算在环境温度为75℃时，结温为126.3℃。将场效应管开帽后，将DRVCO加75℃底温在红外热成像仪下测试非振荡状态下的结温，最高温度为87℃，偏离最高结温温度175℃较远。因此排除结温过高造成参数退化。

3.4排查C204（工作电压偏高）。场效应管栅漏击穿电压BVGDO=-6～-8V，实际工作VGD=-5.0V；栅源击穿电压BVGSO=-5～-8V，实际工作VGS=-1.0V。因此排除直流工作点偏高导致场效应管参数退化。

3.5排查C102（自身微缺陷）。如果微波器件自身存在缺陷，在长期使用后可能导致参数退化。因此对本批失效件与正常件的芯片进行FIB（聚焦离子束）试验。从芯片FIB试验可以看出失效件在栅柄附近的钝化层破裂，而且表面有异物，栅极末端区域钝化层鼓包。从正常件的FIB试验可以看出在失效件异常的区域未发现类似的现象。因此排除场效应管自身缺陷。

3.6排查C205（静电损伤失效）。器件是在使用几年后失效，失效模式和静电失效不相符，因此排除静电损伤。

3.7排查C206（使用中开关机损伤）。故障件失效前平均开关机次数约为800次。对正常件模拟2000次整机开关机试验后，正常件未出现场效应管退化的现象。经过上述试验分析，排除使用过程频繁开关机造成场效应管退化。

图6　场效应管参数退化故障树

3.8排查C301（管芯受到潮热）。用湿热试验方法验证是否由于外界水汽进入，在长期电应力作用下造成场效应管参数退化的可能性。取未封盖的DRVCO，按照整机的湿热环境GJB150.9A-2009进行湿热试验。湿热条件下DRVCO进行2000次开关，开关后加正常电应力。每两天监测一次DRVCO的功率和相位噪声。在湿热试验进行10天后DRVCO内部场效应管RDS增大，15天后上述DRVCO出现停振，对停振的DRVCO内部场效应管进行直流特性、FIB试验。从直流特性测试结果可以看出，场效应管跨导显减小，饱和漏电不同程度减小。将失效件开帽，在500倍显微镜下观察芯片表面，从高倍显微镜下可以看出，失效场效应管在芯片栅极末端表面有鼓起斑点，栅漏之间存在异常，与故障件现象完全一致。对芯片异常的点进行FIB试验，由FIB试验结果可以看出，钝化层有裂纹和空洞存在，在钝化层上面栅极与漏极之间的区域有多余物存在。对该多余物进行能谱分析，发现多余物中镍、氧元素含量很高，与故障件的分析情况完全吻合。

由此可以确定在高温高湿、气压反复变化的环境下，个别器件出现水汽进入管壳内部，水汽在电场作用下发生电化学反应，生成活跃的OH-离子和H+离子，这些活跃的离子透过钝化层缝隙腐蚀漏极活跃金属，并且金属离子在电场下发生迁移，从而导致钝化层变色或者多余物聚集等现象。而这些迁移过来的金属氧化物又会造成沟道势垒的加深，这样就导致电流下降、跨导同时下降，源漏电阻变大等现象。故C301外界潮气进入造成了场效应管参数退化。

综上所述，Ku波段接收组件失效的原因是：国外场效应管采用胶封方式封帽，在湿热气象环境下，电应力长期作用等复杂使用条件下，DRVCO内场效应管会发生呼吸作用，使有水气分子透过胶体渗入到器件的腔体中，腐蚀芯片从而造成场效应管参数退化失效。

3.9排查C302（管芯自封入潮气）。场效应管可能封帽时封入水汽，由于生产时在管壳封装过程中填充了高纯氮气，可以有效消除管芯内部水汽，避免管芯内部自封入潮气。因此排除管芯自封入潮气。

4.故障复现

4.1Ku波段接收组件本振环路失锁故障复现

将故障件换上工作正常的振荡管，在DRVCO内部贴铟破坏振荡需要的相位条件和幅度条件，使DRVCO停振，此时本振单元失锁，中频基准无输出，故障得到复现。

另外取一只正常工作的接收组件，将DRVCO的振荡管更换为故障件参数退化的振荡管后，DRVCO发生停振，本振单元失锁，中频基准无输出，故障得到复现。

4.2场效应管参数退化故障复现

在场效应管参数退化机理分析中，对DRVCO进行湿热试验，出现停振现象，停振DRVCO内部场效应管同样出现跨导减小、饱和漏电流减小的现象。从芯片表面及FIB试验分析现象均与故障件一致，场效应管参数退化的现象得到复现。

5.结语

该多普勒雷达失效是由于Ku波段接收组件内部的DRVCO模块的场效应管管芯采用胶封方式密封措施，当产品长时间在高温高湿、湿度、温度、气压气象条件反复变化的环境下，水汽容易进入DRVCO模块的场效应管管壳内部，加上长期的电应力，场效应管参数退化，从而导致DRVCO工作异常，最终导致本振环路失锁，组件失效。下一步应针对故障原因采取有效措施。

七二二所参加第十三届国际光电子博览会

第十三届国际光电子博览会于2016年11月3日至5日在武汉国际博览中心举行。七二二所在“军民融合”特装展区集中展示了新开发的船舶通导系统、综合内外通设备等多项系统和产品，同时以宣传片的形式重点展示了七二二所近几年在科技产业发展方面取得的成绩。

此次展示的船舶通导系统是一款可融合多路无线传输、高清视频采集与智能调度、智能导航等技术的全新海上平台综合通信与导航系统，可为各类公务船、商用船舶、渔船及各型海工平台提供完整和自动化程度高的信息化系统整体解决方案；该设备具备业务服务、业务控制、综合接入和网络管理等功能，可实现船舶内部和船与船、船与岸之间的话音与数据等多种业务互通。七二二所参展的系统和产品，凭借专业技术优势和在军民融合领域的成功应用经验，吸引了来自不同领域的观众驻足观看，受到了客商们的关注和好评。

国际光电子博览会作为光电子行业全球规模最大、产业链最齐全的专业博览会之一，在推动行业健康发展，促进国内外光电产业深度交流方面发挥了重要的作用。本届展会由国家工业和信息化部、国家科学技术部等部委和湖北省人民政府共同主办，展会以“光联万物，智引未来”为主题，展览面积达4万平方，聚集了500余家国内外知名企业参展，专业观众超过3.5万余人，与往届相比参展企业更多、规模更大。

近年来，七二二所积极响应国家军民融合发展战略，围绕电子信息与通信、能源与节能装备、船舶与海洋装备、特种装备等产业板块，大力发展民品科技产业。通过参加此次展会，进一步提升了七二二所民品科技产业在行业内的知名度和影响力，同时为加快市场开拓提供了新的思路。（陈彦霞）

陆航驻兰州地区军事代表）