星载大功率GaN 固态功放寿命评估方法

敬小东，王海龙，游 飞，魏彦江，钟世昌

（1. 西南电子设备研究所，成都 610036； 2. 电子科技大学 电子科学与工程学院，成都 611731；3. 四川省宽带微波电路高密度集成工程研究中心，成都 610036； 4. 南京电子器件研究所，南京 210016）

0 引言

2000 年以来，随着宽禁带半导体器件的飞速发展，尤其是氮化镓高电子迁移率器件（GaN HEMT）的出现，固态功放的输出功率、效率等核心指标以及耐高温、耐辐照性能均得到极大提升[1-2]。目前，在L 和S 频段，基于GaN 器件的固态功放无论输出功率还是效率都已达到行波管放大器（TWTA）的水平，并且在线性度、体积、重量上具有更多的应用优势。

2015 年开始，国内基于GaN 器件的大功率固态功放逐渐开始星载应用。然而，相较于GaAs 固态功放，GaN 固态功放所采用的材料和工艺成熟度低、功率密度大、工作电压高，亦无长时间可靠应用数据积累。另外，以导航、通信为代表的中高轨卫星对其星上产品的寿命要求都在10～15 年，甚至更长；中轨和低轨卫星也至少要满足8 年以上寿命要求。因此，开展星载大功率GaN 固态功放的寿命评估研究具有重要意义。

对于电子产品的长寿命评估，加速寿命试验是最常用的方法。对于普通元器件来说，其失效模式单一，加速寿命试验的加速应力和激活能的确定较为简单。但对于如星载大功率GaN 固态功放这样的单机级电子产品，其包含的元器件种类复杂，导致其失效机理和失效模式多样，因此其加速寿命试验的加速应力和激活能的确定较为困难。另一方面，固态功放产品的寿命主要由其核心器件决定，并非各器件寿命的简单累加，对固态功放独立进行加速寿命试验能够直接考核产品各器件和材料的工作状态，并对产品进行寿命评估，其意义是器件级加速寿命试验所无法取代的；但是单机级加速寿命试验面临产品成本高昂、样本数少的困难。一些文献[3-7]已探讨过固态功放的加速寿命试验问题，但未涉及新型星载大功率GaN 固态功放或其寿命评估结果无实际在轨工作数据验证，因此，本文将探索适用于大功率GaN 固态功放的加速寿命试验方法和寿命评估方法，以期为该产品的工程应用提供实际支撑。

影响固态功放长期可靠性的除了材料、工艺等内在因素外，还有电压、温度、振动、冲击、水汽、辐照等很多外在因素，开展加速寿命试验首先要确定哪种因素是关键因素，继而确定加速应力。本文通过对星载大功率GaN 固态功放进行故障模式、机理及影响分析（FMMEA），找到其薄弱环节及失效机理；然后，基于阿仑尼乌斯（Arrhenius）模型确定适用于该产品的激活能和加速应力取值，并对产品开展加速寿命试验；最后，对产品的加速寿命试验数据和在轨累计工作数据进行综合分析，给出寿命评估结果。

1 加速寿命试验方案

1.1 失效机理

基于固态放大器的FMMEA 找到影响产品可靠性的关键元器件和关键装配工艺，并进行失效机理分析。固态功放的装配工艺属于较成熟的微波工艺，已在多个卫星平台使用，有大量的可靠性数据，故本项目主要针对关键器件进行分析。固态功放的关键器件主要是各种半导体器件，其中末级GaN微波功率管由于其功率密度大、技术成熟度低，成为固态功放可靠性的最薄弱环节。

GaN 器件的失效分为早期失效、中期失效和后期失效，其寿命周期曲线呈现典型的浴盆形状，如图1 所示。GaN 器件工程应用前的生命期又叫早期失效期（I 段），早期失效主要由器件的工艺和材料缺陷引起，可通过筛选试验来剔除，属于偶然失效；器件工程应用期（II 段）又叫中期失效期，中期失效主要由材料和工艺特性决定，呈现一个基本不变的失效率，无法通过筛选试验剔除；器件的超期应用期又叫后期失效期（III 段），其起始点决定了器件的使用寿命，由器件多种失效模式确定，如欧姆接触退化、栅退化、材料退化、电迁移等，且这些失效模式都与温度强相关。固态功放的寿命评估主要是评估产品工程应用期的时间，经过FMMEA 可确定，影响固态功放可靠性的关键元器件是末级GaN 微波功率管，且失效机理分析结果显示温度是该器件在产品工程应用期的关键失效因素。

图1 GaN 器件寿命周期曲线Fig. 1 Bathtub curve of the life cycle of the GaN device

1.2 加速寿命试验模型

根据失效机理分析，温度是固态功放的关键失效因素。因此，加速寿命试验以恒定高温为加速应力，基于Arrhenius 模型的加速寿命试验进行寿命评估[8-11]。

加速寿命试验的加速系数Fa可定义为正常应力T0作用下器件寿命L0与加速应力T1条件下器件寿命L1之比，

式中：下标β为置信度；γ为失效数，试验中一般为0；t*为试验累积时间。

置信度的取值根据总体要求和样本数等条件综合考虑，本项目置信度取值为60%，则

加速寿命试验的实际时间L1满足

将式(1)～式(5)联立得到，置信度60%下，保证器件正常工作寿命达到平均寿命的加速寿命试验样本零失效时间为

1.3 激活能和加速应力的确定

激活能对应着产品某种失效模式下的加速系数，对GaN 器件而言，通常对应金属原子扩散、固-固反应等物理过程所需的能量，其取值直接关系到寿命评估的结果[12-13]。元器件激活能通常采用三温加速寿命试验获得。但固态功放中包含多种元器件，每种元器件的失效机理和模式不同，激活能也不同，且三温加速寿命试验的试验应力极大，很多外围电路不能承受此高温。

本项目中，固态功放的激活能取值方法是先分别找出关键元器件的激活能，然后以关键器件的激活能最低取值作为整机激活能的取值。元器件激活能的取值参考美军标MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性设计手册》[14]和欧空局标准文件ECSS-QHB-30-01A《最坏情况分析》[15]，以及固态功放的部分元器件进行三温加速寿命试验所得到的器件激活能值[16-17]见表1。最终经过综合评估，大功率GaN 固态功放加速寿命试验的激活能取值确定为1.0 eV。

表1 固态功放电子元器件激活能取值Table 1 Assigned values of activation energy of components in SSPA

加速应力值的选取与试验时间直接相关，固态功放内部除了微波功率管器件外，还有其他电阻、电容、导线等低温器件，试验温度过高将导致其他失效模式引起的固态功放损坏，无法达到寿命评估的目的。因此，试验应力值的确定应根据通常卫星平台固态功放鉴定试验温度，以及功率管结温和固态功放腔体温度的差，保证器件结温不超过可靠性允许的极限温度，同时避免失效机理发生变化[18]。

经过综合评估，大功率GaN 固态功放的加速应力值取为75 ℃，结合产品热分析和热平衡试验数据，此时GaN 器件沟道温度约为160 ℃，可在保持高温应力的条件下保证产品不会因过应力而产生其他失效模式。

1.4 加速寿命试验条件

为了验证固态功放在轨工作温度T0=45 ℃，在轨工作时间≥15 年的要求，考虑样本数量较少，L0取值为25 年，即219 000 h，Ea=1.0 eV，根据式(1)～式(6)进行加速寿命试验的参数推算：

L0≥219 000 h，故L1≥8700 h。

根据计算结果，固态功放加速寿命试验时间至少需8700 h，最终确定为10 000 h。根据Arrhenius模型，综合考虑航天样机数量成本和试验时间成本，决定采用1 件样本（含2 只末级GaN 功率管）进行加速寿命试验。加速寿命试验条件为：加速应力75 ℃；加速系数23.19；样本数1 件。试验终止判据（满足以下任何一个条件即终止试验）为：样本输出功率减小超过1 dB；试验时间达到10 000 h。

1.5 加速寿命试验方案

加速寿命试验架构如图2 所示。本项目采用的加速寿命试验样机与正样产品为同批次，采用抽样方式选取。加速寿命开始前，样机需完成所有验收试验。

图2 加速寿命试验架构Fig. 2 Configuration of the accelerated life test

固态功放在加速寿命试验前、后进行详细指标测试；在加速寿命试验过程中，进行输出功率、电流、电压、温度检测。

加速寿命试验需要产品处在高温75 ℃下，且时间较长，故需设置一块铝制散热板作为产品恒温平台，通过产品自身发热升温，风扇通风散热降温。试验过程中，通过散热板温度检测和风扇供电控制实现温度闭环控制。此平台结构简单可靠，利于长期工作。

2 加速寿命试验数据分析

2.1 中间测试

GaN 固态功放加速寿命试验过程中，共进行4 次中间测试：第1 次在试验前，第2 次在试验进行5000 h 后，第3 次在7500 h 后，第4 次在10 000 h后。测试结果见表2 所示，输出功率减小0.18 dB，功耗减小1.94%，杂散减小0.63 dB，二次谐波增加0.66 dB，三阶交调减小0.24 dB。试验中，GaN 固态功放的带内增益和群时延变化如图3、图4 所示，增益在各频点变化小于0.22 dB，群时延在各频点变化小于0.30 ns。可见，GaN 固态功放的各项指标在各阶段的测试结果均满足载荷要求以及本项目技术指标的要求。

表2 GaN 固态功放加速寿命试验中间测试结果Table 2 The intermediate results of accelerated life test of GaN SSPA

图3 GaN 固态功放的增益变化Fig. 3 Measured variation of gain vs frequency for GaN SSPA

图4 GaN 固态功放的群时延变化Fig. 4 Measured variation of group delay vs frequency for GaN SSPA

2.2 过程测试

GaN 固态功放加速寿命试验过程中的输出功率、电流、遥测电压变化如图5 和图6 所示。在试验开始的1000 h 内，固态功放的输出功率和电流有一个稳定期；在1000～10 000 h 过程中，输出功率和电流有较明显的退化趋势，输出功率减小0.20 dB，电流减小0.21 A（母线电压42 V），5、9、-3.3、28 V遥测电压基本不变。过程测试是不间断连续采样的测试结果，中间测试是每次产品中断加电后冷却到常温的测试数据，结果显示这2 种测试数据的功率变化和电流变化基本吻合。

图5 GaN 固态功放的输出功率、电流变化Fig. 5 The output power and current vs time for GaN SSPA

图6 GaN 固态功放的二次电源遥测电压变化Fig. 6 The telemetered voltage of EPC vs time for GaN SSPA

2.3 在轨工作数据

为了弥补大功率GaN 固态功放加速寿命试验样本较少的问题，对此型固态功放的在轨数据进行了分析统计。从2015 年开始，此型大功率GaN 固态功放相继在“北斗”导航系统的多颗卫星中应用；截至2021 年1 月，已累计上星达30 台，在轨累计稳定工作超过60 万h，详细数据见表3。因为每台固态功放中包含2 只GaN 器件，所以该型GaN 器件已上星60 只，累计稳定工作超过120 万h。

表3 3 台固态功放在轨工作时间统计Table 3 On-orbit working time of three SSPAs

固态功放的输出功率和电流能直接反映其工作状态和长期退化趋势，对某卫星GaN 固态功放在轨1 年多的输出功率、电流遥测数据进行统计，如图7 所示，该产品在轨工作温度最高为40 ℃，考虑寿命末期卫星温控平台能力退化，以在轨45 ℃进行寿命预计，结果表明：其输出功率变化小于0.2 dB，电流变化小于0.2 A，变化范围与预计相符，且没有明显的退化趋势。

图7 固态功放在轨输出功率和电流遥测数据Fig. 7 The telemetered output power and current of SSPAs in orbit

2.4 寿命评估

加速寿命试验中，固态功放在75 ℃下工作10 000 h 后输出功率减小0.18 dB，采用多项式对功率变化进行拟合，得到固态功放在75 ℃下工作约50 000 h 后输出功率将减小1.0 dB。以在轨工作温度45 ℃下输出功率减小1 dB 为失效判据，根据式(6)对星载大功率GaN 固态功放进行寿命评估，得到MTTF=1.26×106h。再根据式(2)可得星载大功率GaN 固态功放的失效率λ为7.93×10-7，15 年工作可靠度Rt=e-λt=0.901。

3 结论

本项目对星载大功率GaN 固态功放进行了可靠性薄弱环节和失效机理分析，并完成了1 台产品75 ℃条件下10 000 h 的射频加速寿命试验。通过试验数据和在轨遥测数据的综合分析和计算，可以得出如下结论：

1）GaN 固态功放的薄弱环节是末级GaN 微波功率管，产品可靠性与温度直接相关；

2）产品在75 ℃条件下10 000 h 的射频加速寿命试验后，输出功率退化小于0.2 dB；

3）根据加速寿命试验中的产品输出功率退化趋势，以输出功率退化1 dB 为判据，预计其在轨45 ℃条件下工作的 MTTF 为1.26×106h，失效率λ为7.93×10-7，15 年工作可靠度为0.901。