C－SAM （声学扫描）、X－RAY 分析应用（三）
——微波功率器件热结构缺陷分析
编写：李少平 李萍
陶瓷封装微波功率器件热结构缺陷分析案例
微波功率器件失效机理复杂，失效分析难度大，主要表现在：
① 微波功率器件属于静电放电敏感器件
微波功率器件工作在微波频率范围，微波通路上每个节点的等效电容量必须
符合器件在微波工作频率下的要求，限制了微波器件端口静电放电保护。微波器
件多数属于静电放电敏感的器件，尤其是MOS 型功微波率器件，是静电放电极
其敏感的器件。
② 驻波可导致器件过电压或过功率击穿失效
器件工作在微波频率，如果微波通路上阻抗匹配出现异常，就可能产生驻波，
导致大电压和大功率，最终引起器件因过电压或过功率而失效。
③ 失效扩大
微波器件属于功率输出器件，一旦由于某种原因引起短路失效，其电源将提
供足够的功率，加上微波功率，使失效部位进一步扩大，因此而掩盖器件初始失
效的特征，导致失效分析难度增大。
④微波器件装配工艺复杂，装配缺陷具有隐蔽性
由于微波器件工作的特点，导致其装配工艺复杂，而且装配工艺的缺陷具有
一定的隐蔽性，如金丝键合缺陷、芯片烧结缺陷等等。
对微波器件的失效分析，一方面从失效表征诊断样品的失效机理，但往往因
为微波器件失效的复杂性而难以确定一个准确的结论，常常需要通过器件缺陷的
直接分析以及缺陷、失效表征与失效机理的对应性，必要时，通过试验验证来诊
断微波功率器件的失效机理。
微波功率器件通常由多个功率芯片并联和阻抗匹配网络组成，属于多芯片组
装，通常采用元器件烧结在陶瓷（一般为氧化铍陶瓷）基板、陶瓷基板烧结在底
（管壳）的结构，结构示意图见图1。
图1 微波功率器件内部结构示意图
从微波功率器件的结构示意图可见，微波功率器件有两个烧结界面，如果烧
结工艺存在缺陷，可引起微波器件散热不良，导致微波功率器件的芯片过热而击
穿失效。
微波功率器件过热特征可以是多种因素引起的，如散热不良引起过热击穿、
驻波引起过电压或过功率击穿、承受过功率引起击穿等，因此，必须根据器件的
失效特征、结合器件的结构缺陷、器件失效时的应用状态应力以及环境应力，综
合分析器件的各方面的因素，诊断器件的失效机理。
具有过热、过功率失效特征的微波器件，开展热结构分析，可区分热结构缺
陷和过功率引起的失效。下面以××××型号功率器件为例，阐述C－SAN、X－
RAY 在微波功率器件失效分析中的应用。
失效过程：样品已随整机经过低温贮存、低温工作、高温贮存、高温工作、
温度－高度试验、加速度和温度冲击试验，现场累计工作时间为40 小时。在进
行了温度冲击试验后，器件发生失效。
通过对失效样品的C－SAM （声学扫描）观察可见：失效样品的陶瓷与底座
（管壳）之间的烧结界面存在大面积空洞，见图2，陶瓷基板与管壳之间存在严
重的热缺陷；失效样品中共6 只芯片并联，其中有一只芯片与陶瓷基板之间烧结
存在大面积空洞，见图3。
图2 陶瓷基板与管壳之间C－ 图3 芯片与陶瓷基板之间C－
SAM 扫描形貌（中间长方形块 SAM 扫描形貌（白线上共6 只
中红色部分为陶瓷烧结空洞，黄 芯片， 其中左起第5 只芯片呈现
色为烧结良好） 红色，为烧结空洞）
X－RAY 观察发现：在C－SAM 观察中到芯片烧结不良的位置上，灰度明
显比其它芯片低，见图4，证明该芯片的烧结材料明显比其他地方少。
图4 X－RAY 观察形貌（蓝框中的 图5 芯片布局（白线上共有6 只芯
芯片呈现低灰度——烧结焊料粘润不 片，烧结不良的芯片位置在红框中）
良，红框对应于声扫发现的空洞） #p#分页标题#e#
图5是样品芯片严重过热烧毁的形貌照片、芯片烧结空洞的位置。
C－SAM、X－RAY 分析证明，失效样品存在严重的烧结缺陷，会产生严重
的散热不良问题，尤其是图3 中所示的左起第5 只芯片，整个芯片都未能形成良
好烧结，该芯片的散热条件极为恶劣。由于失效样品采用6 只芯片并联，见图5，
正常工作时，微波功率是平均分配到每只芯片上的，由于该芯片存在严重的烧结
缺陷，显然该芯片工作时温度远高于其他芯片，因此在样品使用过程中，该芯片
因过热而首先失效。
正是由于样品采用6 只芯片并联，某芯片击穿烧毁，一方面，引起其他芯片
平均负担功率增大；另方面，破坏输出回路的阻抗匹配，引起大驻波产生和或驻
波增大。由于某芯片的过热击穿烧毁，最终引起其他芯片击穿烧毁。
案例提示：
①微波功率器件一般是多芯片（包括放大晶体管芯片、匹配电容器和电阻等）
电路，都采用陶瓷基板进行组装，存在两个烧结面，任何一个烧结面存在异常，
均可能导致微波功率器件散热不良，而引起放大晶体管过热击穿失效。
②微波功率器件存在两个烧结界面，在烧结界面的缺陷分析方面应采用C－
SAN、X－RAY 两种分析方法结合，相互验证，可以确认烧结缺陷的部位和程度。
③界面烧结缺陷是微波功率器件的主要失效原因，应引起微波功率器件生产
单位和使用单位的高度重视。
题外话：
委托单位应根据失效分析结果进行：
第一步，对产品烧结缺陷开展100％筛选，剔除存在烧结缺陷的产品；
第二步，开展烧结缺陷的工艺控制。
