Le life test en contraintes dynamiques : Cas des composants RF pour applications spatiales

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1 Le life test en contraintes dynamiques : Cas des composants RF pour applications spatiales présenté par JL. MURARO Qualité Programme Fiabilité ALCATEL SPACE

2 SOMMAIRE CONTEXTE Spécificités du spatial : approche normative Mécanismes de dégradation activés par une contrainte dynamique METHODOLOGIE : Exemple d une évaluation sous contraintes dynamiques Véhicule de test Banc de test File de test Résultats

3 RAPPEL SUR LA FIABILITE Taux de défaillances l Défauts de jeunesse (I) Eliminés par le contrôle de fabrication des circuits Durée de vie utile (II) Temps Retour d'expérience, Recueil de données Défauts d'usure (III) Durée de vie liée à l usure : Essais de vieillissement accéléré: Contraintes électriques (DC) Contraintes thermiques Mécanisme de dégradation graduel Extrapolation (Black, Arrhénius...) Estimation de la durée de vie liée aux défauts d usure

4 RAPPEL SUR LA FIABILITE FACTEURS D'ACCELERATION DES MECANISMES TEMPERATURE LOI D'ARRHENIUS MTTF = A exp (Ea/kT) DENSITE DE COURANT LOI DE BLACK (ELECTROMIGRATION) MTTF = A j -2 exp (Ea/kT) CHAMP ELECTRIQUE MULTIPLICATION DES PORTEURS (phénomène de claquage etc ) PAS DE LOI D'ACCELERATION...

5 FIABILITE DES APPLICATIONS NON LINEAIRES CONTEXTE APPLICATIONS LINEAIRES Les mécanismes de dégradation sont connus Intégrité de la technologie (diffusion, électromigration ) Activation thermique 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

6 CONTEXTE GARANTIR LA DUREE DE VIE USURE (ZONE III) REDUCTION DES TAUX DE CONTRAINTES (NORMES) Ne pas outrepasser X % d une valeur max. définie par le fabricant POINTS DURS : Normes (PSS, ESA, CNES) issues du retour d expérience des fonderies Silicium Adaptées pour tout type de transistor, quel que soit le mode de fonctionnement! Valeurs max. (DC, RF)... si elles existent ne sont pas toujours pertinentes INCOMPATIBILITE ENTRE : Les règles de taux de charges préconisées par les agences spatiales pour les applications non linéaires (amplificateurs de puissance, mélangeurs ) et 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...

7 CIRCUITS HYPERFREQUENCE NON LINEAIRES DANS UNE CHARGE UTILE AMPLIFICATEUR FAIBLE BRUIT AMPLIFICATEUR Chaîne émettrice AMPLIFICATEUR DE CANAUX AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE Antenne de réception IMUX OMUX Antenne d émission Canaux MELANGEUR OL Récepteur OSCILLATEUR LOCAL LLA

8 VEHICULE DE TEST Amplificateur de puissance (simplet) FILES D'ESSAIS 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 RESULTATS Mécanisme de dégradation EXEMPLE DE LIFE TEST RF METHODOLOGIE Aire de sécurité de fonctionnement en termes de contraintes dynamiques

9 BANC DE TEST

10 BANC DE TEST

11 FILES D'ESSAIS EXEMPLE DE LIFE TEST RF 1-VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES GRADUELLES : «Step Stress RF» Augmentation du point de compression du gain à V DS donné par step de 1 db par semaine Mettre en évidence un mécanisme de dégradation Définir les niveaux de fonctionnement du vieillissement sous contraintes dynamiques 2-VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES : «Life Test RF» Durée : 4500 Heures 3 niveaux de fonctionnement 8 modules / niveaux

12 EXEMPLE DE LIFE TEST RF RESULTATS -VIEILLISSEMENT GRADUEL- 2 4 IDSS (%) Initial P4dB P5dB P6dB Vds=12 V Vds=11 V Vds=8.5 V temoin BVGD (V) Initial P4dB P5dB P6dB Vds=12 V Vds=11 V Vds=8.5 V temoin VARIATION DU COURANT DE SATURATION DRAIN SOURCE VARIATION DE LA TENSION DE CLAQUAGE GRILLE DRAIN

13 EXEMPLE DE LIFE TEST RF RESULTATS -VIEILLISSEMENT GRADUEL- I grille (A) 1E-02 8E-03 6E-03 4E-03 2E-03 Igs_avant vieillissement Igs_après Vds=12 V, P4 db Ids (A) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Avant vieillissement Après vieillissement 0E ,2 0,4 0,6 0,8 1 Vgs (V) Vds (V) COURANT DIRECT DE LA JONCTION SCHOTTKY RESEAU DE SORTIE AVANT ET APRES VIEILLISSEMENT

14 VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES LONGUE DUREE -RESULTATS- EXEMPLE DE LIFE TEST RF V DS =8.5 volts, 4 db de compression du gain Pas de dégradation : confirmation du step stress V DS =10 volts, 2 db de compression du gain Pas de dégradation : confirmation du step stress V DS =10 volts, 4 db de compression du gain Dégradation confirmé Variation de I DSS (%) Témoin Temps (heures) COURANT DE SATURATION I DSS

15 6 FIABILITE DANS L'APPLICATION AIRE DE SECURITE DE FONCTIONNEMENT Compression du gain (db) Diminution de la puissance de AIRE DE SECURITE V DS (V)

16 VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES DYNAMIQUES -RESULTATS- Vieillissement sous contraintes dynamiques conduit de manière à dégager une aire de sécurité Résultats du vieillissement sous contraintes dynamiques confirment les résultats du vieillissement graduel Dégradation apparaît rapidement (100 heures) Signature électrique : I DS, P OUT, R DSON, BV GD, Pas de variation de la caractéristique Schottky FIABILITE DANS L'APPLICATION

17 L ionisation par impact dans les FETs MECANISME DE DEGRADATION Source Grille Drain E V g f b e - hν e - e - hn e - p + e - P + e - e - e - E x Ev Ec courant de grille et de substrat (p + ) courant de drain (e - ) émission radiative

18 MECANISME DE DEGRADATION IONISATION PAR IMPACT Visualisation du courant de trou collecté par la grille Ig (A) Vgs (Volt) -2,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 0E+00-1E-04 Vds=6 V -2E-04-3E-04-4E-04-5E-04 < Vds=8 V Vds=10 V Vds=12 V Ig_trous (A) Vgs (V) -3-2,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0E C -5E-05-1E-04-2E-04-2E C -3E-04 COURANT D'IONISATION PAR IMPACT COURANT D'IONISATION PAR IMPACT EN FONCTION DE LA TEMPERATURE

19 MECANISME DE DEGRADATION IONISATION PAR IMPACT Tension de claquage BVds (V) Conditions de polarisation propices au phénomène d'ionisation par impact ALPHA x Leff 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 1/(V GD ) (V -1 ) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Seuil de déclenchement de l'ionisation par impact -2-1,8-1,6-1,4-1,2-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 Vgs (V) 1E-07 TENSION DE CLAQUAGE BV DS (V GS ) COEFFICIENT D'IONISATION PAR IMPACT EN FONCTION DU CHAMP ELECTRIQUE GRILLE-DRAIN

20 MECANISME DE DEGRADATION Mécanisme à seuil de déclenchement Mécanisme graduel Electrons chauds piégés dans la passivation : pièges permanents Surface déplétée augmente : I DS, P OUT, R DSON Diminution du champ électrique grille - drain : BV GD 1/(V GD ) (V -1 ) source Passivation ELECTRONS PIEGES drain 1E ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 grille ALPHA x Leff 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 Seuil de déclenchement de l'ionisation par impact région déplétée avant région déplétée après h Champ électrique max avant Champ électrique max après 1E-07

21 CONCLUSION Vieillissement sous contraintes dynamiques Méthodologie Véhicule de test / Banc de Test Mécanisme de dégradation activé Compréhension du mécanisme Signature électrique : Puissance de sortie RF Seuil de déclenchement Définition d une aire de sécurité de fonctionnement Normes dépassées