Le life test en contraintes dynamiques

Le life test en contraintes dynamiques :
Cas des composants RF pour applications spatiales
présenté par JL. MURARO
Qualité Programme Fiabilité
ALCATEL SPACE
JL MURARO
All rights reserved © 2002, Alcatel Space
SOMMAIRE
t CONTEXTE
• Spécificités du spatial : approche normative
• Mécanismes de dégradation activés par une contrainte dynamique
t METHODOLOGIE : Exemple d’une évaluation sous contraintes
dynamiques
• Véhicule de test
• Banc de test
• File de test
• Résultats
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RAPPEL SUR LA FIABILITE
Durée de vie liée à l’usure :
Taux de défaillances
λ
Défauts de
jeunesse
(I)
Défauts d'usure
(III)
Eliminés par le contrôle
de fabrication des circuits
Retour
d'expérience,
Recueil de données
Durée de vie utile
Extrapolation (Black, Arrhénius...)
ê
(II)
Estimation de
la durée de vie
liée aux défauts d’usure
Temps
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Essais de vieillissement accéléré:
Contraintes électriques (DC)
Contraintes thermiques
ê
Mécanisme de dégradation
graduel
ê
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RAPPEL SUR LA FIABILITE
FACTEURS D'ACCELERATION DES MECANISMES
t TEMPERATURE
• LOI D'ARRHENIUS
• MTTF = A exp (Ea/kT)
t DENSITE DE COURANT
• LOI DE BLACK (ELECTROMIGRATION)
•
MTTF = A j-2 exp (Ea/kT)
t CHAMP ELECTRIQUE
• MULTIPLICATION DES PORTEURS (phénomène de claquage etc…)
• PAS DE LOI D'ACCELERATION
t ...
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CONTEXTE
FIABILITE DES APPLICATIONS NON LINEAIRES
t APPLICATIONS LINEAIRES
• Les mécanismes de dégradation sont connus
• Intégrité de la technologie (diffusion, électromigration…)
– Activation thermique
t APPLICATIONS NON LINEAIRES
• Mécanisme de dégradation activé par une combinaison
– Du point de repos
– Du signal dynamique
– De l ’adaptation hyperfréquence
– De la température (basse !)
• Pas de loi d’accélération connue à ce jour
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CONTEXTE
GARANTIR LA DUREE DE VIE
USURE (ZONE III)
REDUCTION DES TAUX DE CONTRAINTES
(NORMES)
ð Ne pas outrepasser X % d’une valeur max.
définie par le fabricant
r POINTS DURS :
Ÿ Normes (PSS, ESA, CNES) issues du retour d’expérience des fonderies Silicium
Ÿ Adaptées pour tout type de transistor, quel que soit le mode de fonctionnement !
Ÿ Valeurs max. (DC, RF)... si elles existent ne sont pas toujours pertinentes
r INCOMPATIBILITE ENTRE :
è Les règles de taux de charges préconisées par les agences spatiales pour les
applications non linéaires (amplificateurs de puissance, mélangeurs…) et
è Les besoins en performances, les modes de fonctionnement spécifiques au spatial
(overdrive)
overdrive : surcharge en puissance due à un brouillage, erreur de commande au sol, couverture nuageuse etc...
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CIRCUITS HYPERFREQUENCE NON LINEAIRES DANS UNE CHARGE UTILE
AMPLIFICATEUR
FAIBLE BRUIT
Chaîne émettrice
AMPLIFICATEUR
AMPLIFICATEUR AMPLIFICATEUR
DE PUISSANCE
DE CANAUX
IMUX
Antenne de
réception
OMUX
Canaux
OL
Récepteur
LLA
MELANGEUR
OSCILLATEUR LOCAL
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Antenne
d ’émission
EXEMPLE DE LIFE TEST RF
METHODOLOGIE
t VEHICULE DE TEST
l
Amplificateur de puissance (simplet)
t FILES D'ESSAIS
l
l
Life test RF graduel : augmentation progressive du point de compression
Life test RF longue durée : validation et confirmation des résultats du life test RF
graduel
t RESULTATS
l
l
Mécanisme de dégradation
Aire de sécurité de fonctionnement en termes de contraintes dynamiques
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BANC DE TEST
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BANC DE TEST
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EXEMPLE DE LIFE TEST RF
FILES D'ESSAIS
t 1-VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES GRADUELLES : «Step
Stress RF»
l
Augmentation du point de compression du gain à VDS donné par step de 1 dB par
semaine
l
Mettre en évidence un mécanisme de dégradation
l
Définir les niveaux de fonctionnement du vieillissement sous contraintes dynamiques
t 2-VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES : «Life Test RF»
l
Durée : 4500 Heures
l
3 niveaux de fonctionnement
l
8 modules / niveaux
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EXEMPLE DE LIFE TEST RF
RESULTATS -VIEILLISSEMENT GRADUEL-
4
-2
Vds=12 V
Vds=11 V
-6
Vds=8.5 V
-10
Vds=12 V
2
Vds=11 V
1
Vds=8.5 V
temoin
-1
Initial P4dB P5dB P6dB
Initial P4dB P5dB P6dB
VARIATION DU COURANT DE SATURATION
DRAIN SOURCE
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3
0
temoin
-14
BVGD (V)
IDSS (%)
2
VARIATION DE LA TENSION DE CLAQUAGE
GRILLE DRAIN
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EXEMPLE DE LIFE TEST RF
RESULTATS -VIEILLISSEMENT GRADUEL0,3
1E-02
Igs_avant vieillissement
Igs_après vieillissement
@ Vds=12 V, P4 dB
6E-03
Après vieillissement
0,25
0,2
Ids (A)
I grille (A)
8E-03
Avant vieillissement
4E-03
0,15
0,1
2E-03
0,05
0E+00
0
0,2
0,4
0,6
Vgs (V)
0,8
1
COURANT DIRECT DE LA JONCTION SCHOTTKY
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0
0
1
2
Vds (V)
3
4
RESEAU DE SORTIE AVANT ET APRES VIEILLISSEMENT
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EXEMPLE DE LIFE TEST RF
VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES
LONGUE DUREE
-RESULTATSF Pas de dégradation : confirmation du step
stress
q
VDS=10 volts, 2 dB de compression du gain
F Pas de dégradation : confirmation du step
stress
q
2
VDS=8.5 volts, 4 dB de compression du gain
VDS=10 volts, 4 dB de compression du gain
F Dégradation confirmé
Variation de I DSS (%)
q
0
-2
-4
-6
-8
-10
Témoin
-12
-14
10
100
1000
Temps (heures)
COURANT DE SATURATION IDSS
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10000
FIABILITE DANS L'APPLICATION
AIRE DE SECURITE DE FONCTIONNEMENT
Compression du gain (dB)
6
5
Diminution de la
puissance de
4
3
2
4
6
AIRE DE SECURITE
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8
10
VDS (V)
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12
14
FIABILITE DANS L'APPLICATION
VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES
-RESULTATSt Vieillissement sous contraintes dynamiques conduit de manière à
dégager une aire de sécurité
t Résultats du vieillissement sous contraintes dynamiques confirment les
résultats du vieillissement graduel
t Dégradation apparaît rapidement (100 heures)
t Signature électrique :
l
î IDS, î POUT, ì RDSON, ìBVGD ,
l
Pas de variation de la caractéristique Schottky
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L’ionisation par impact
dans les
MECANISME
DE FETs
DEGRADATION
Source
Drain
Grille
Vg
hν
ee-
E
p+
ee-
e- e-
hν
P+
φb
ee-
E
x
ì courant de grille et de substrat (p+)
ì courant de drain (e-)
• émission radiative
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Ev
Ec
MECANISME DE DEGRADATION
IONISATION PAR IMPACT
Visualisation du courant de trou collecté par la grille
Vgs (V)
Vgs (Volt)
-2
-1,5
-1
Ig (A)
-3E-04
0
0,5
-3
1
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0E+00
Ig @ 75°C
-1E-04
-2E-04
-0,5
Ig_trous (A)
-2,5
0E+00
Vds=6 V
<
Vds=8 V
Vds=10 V
-5E-05
-1E-04
-2E-04
Vds=12 V
-4E-04
-2E-04
-5E-04
-3E-04
COURANT D'IONISATION PAR IMPACT
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Ig @ -10°C
COURANT D'IONISATION PAR IMPACT EN
FONCTION DE LA TEMPERATURE
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MECANISME DE DEGRADATION
IONISATION PAR IMPACT
1/(VGD) (V-1)
Tension de claquage BVds (V)
20
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
1E-01
18
16
Conditions de polarisation
propices au phénomène
d'ionisation par impact
14
ALPHA x Leff
1E-02
1E-03
Seuil de déclenchement
de l'ionisation par
impact
1E-04
1E-05
1E-06
12
-2 -1,8 -1,6 -1,4 -1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0
Vgs (V)
TENSION DE CLAQUAGE BVDS (VGS)
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1E-07
COEFFICIENT D'IONISATION PAR IMPACT EN
FONCTION DU CHAMP ELECTRIQUE GRILLE-DRAIN
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MECANISME DE DEGRADATION
q Mécanisme à seuil de déclenchement ≠ Mécanisme graduel
q Electrons chauds piégés dans la passivation : pièges permanents
q Surface déplétée augmente : î IDS, î POUT, ì R DSON
q Diminution du champ électrique grille - drain : ì BVGD
1/(VGD) (V-1)
0
0,05
0,1
0,15
source
0,2
0,25
0,3
Passivation
ELECTRONS PIEGES
drain
grille
1E-01
ALPHA x Leff
1E-02
1E-03
Seuil de déclenchement
de l'ionisation par
impact
h
1E-04
région déplétée avant
1E-05
région déplétée après
1E-06
1E-07
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Champ électrique max avant
Champ électrique
max après
CONCLUSION
t Vieillissement sous contraintes dynamiques
• Méthodologie
• Véhicule de test / Banc de Test
t Mécanisme de dégradation activé
• Compréhension du mécanisme
• Signature électrique : î Puissance de sortie RF
• Seuil de déclenchement
t Définition d’une aire de sécurité de fonctionnement
• Normes dépassées
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