MTTF （Mean Time to Failure）平均失效时间，或称有效寿命，是半导体器件可靠性的基本参数，通常在最高工作结温下为1x106小时 (1百万小时=114年），MTTF有效寿命是行业内的常规可靠性考核指标。例如：现已成熟商用的硅（Si）或砷化镓（GaAs）半导体器件在结温（沟道温度）150℃~160℃时，MTTF值均都能满足一百万小时的有效寿命。

近年来，基于SiC衬底的GaN功率器件在RF功率放大领域的应用正逐渐被RF微波半导体行业所关注。氮化镓材料以它固有的物理特性：宽能带隙、高击穿电压、高功率密度和高增益以及支持更高的沟道温度使它优于先前的硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料器件正在被多数RF微波半导体公司所认可。 任何一种新的半导体技术在被广大客户所接受，并成为主流之前，其可靠性必须首先得到充分的认证和评估。 M/A-COM Technology Solutions作为一家全球性的半导体供应商非常清晰的理解此问题的重要性和影响性。我们选用了基于SiC衬底的栅宽0.5um的GaN功率管新品，全面地完成了对其可靠性和性能测试的评估。在本篇文章中，我们将详细描述我们的处理过程并总结我们的测试结果。

位于加利福利亚州洛杉矶的M/A-COM Tech RF功率管产线 （RF Power Products Group）自1970年初开始为全球的客户提供高质量、高可靠的RF功率解决方案以满足各种不同的商业和军事应用需求。其产品覆盖了HF，VHF，UHF，L波段和S波段的产品，广泛应用于商业通信系统、一次/二次雷达、交通管制雷达、航空电子设备、卫星数据链以及各种工业和医疗系统。所有的产品在应用到系统前都必须经过严苛的认证或可靠性筛选，作为关键部件的功率器件需要建立预计其使用寿命来满足这些高可靠的系统应用。M/A-COM Tech作为一家具有丰富的设计和测试经验的公司，其30多年积累已经成功地为不同的系统提供了长期的寿命维护和产品保障。

为了验证我们MAGX 系列的SiC衬底的GaN功率管，选择何种器件来准确的进行认证和可靠性测试是非常重要的问题。通常，选择更小晶胞（unit cell）机构的器件是一种通用的方式，但是，M/A-COM Tech倾向于采用一颗直接面向市场并具有更大、更高功率的产品(一颗无匹配的CW 30W的功率管)来验证。其内部结构见图1所示。这样的验证会更具代表性。一颗6mm的PHEMT晶胞（unit cell）用Au/Sn焊料粘贴到到陶瓷腔体中，晶胞和外围管腿之间用2mil的金丝键合相连。

图1 30W CW 功率管内部结构

整个认证过程和可靠性测试过程试验过程分为两个阶段，阶段一为功率管老化筛选测试试验（ Packaged Product testing &Screening ），其基于MIL-PRF-19500 Groups A，B和 C来完成筛选试验， 功率输出和高温的RF寿命测试是来关注GaN芯片本身的的可靠性。阶段二本征半导体的测试（RF HTOL）是本篇文章所讨论的重点。表1 列出我们可靠性筛选测试和评估的内容和步骤。

18片待测试的随机样品所采用的晶胞均来自不同时间出产的晶圆批号。其 HTOL试验条件为V_DS=50V，I_DQ＝250mA，RF_in＝2.5W(CW)@3GHz。栅极和漏极电压保持持续供电状态，每组功率管器件的结温 Tc分别控制在290℃ (5片)，305℃(5片)，320℃(8片)。样品在顺利通过阶段一的测试后，我们将18片分为三组的样品用 Quantum Focus Infrascope II 系统进行红外扫描去确定热阻特性，沟道温度可以通过下面的公式计算出：

T_CH=P_DISS×(2.932+0.01973T_SURFACE)+T_SURFACE （1）
T_CH为沟道温度， P_DISS=P_dc-P_out+P_in, T_SURFACE=法轮盘温度
 

经过红外扫描后，进行RF HTOL试验，我们判断功率管失效的准则是： 输出功率下降1dB或者漏极电流有20%的下降，存在两者之一现象，判为失效。

图2 RF HTOL 试验测试架

在整个试验过程中，定期测试长期高温导致的性能变化，所有DC和RF测试在各自独立测试架中完成（60℃）。测试RF输出数据结果，同时红外扫描实时地监控在测试中的沟道温度。部分器件累积收集工作时间约为16000多小时。 得出表2 中的RF寿命测试数据。

上述的试验结果适用于M/A-COM 所有GaN HEMET功率管产品。在硅高功率器件中，基本的失效原因是由于金属离子迁移（当然还有其他原因）。M/A-COM已经将其激活能Ea近似为1， 采用公认的Black理论用于预测的 Si BJT 晶体管的MTTF。M/A-COM 后续的步骤是详细的检测和分析导致GaN器件失效的具体诱因，所有得出的数据是为了认证M/-COM基于SiC衬底生产的GaN功率管在偏置条件和 RF功率同时叠加的基础上，得出的长期可靠性。

M/A-COM RF HTOL 加速应力试验严格参照美军标MIL密尔标准MIL-PRF-19500及JEDEC标准，所采用的加载满负荷射频功率输出的方式，有别于常规标准只有偏置不加RF功率的工作方式，加速应力试验标准通常为要求1000小时，而M/A-COM公司此次可靠性试验单一器件高达1600小时，所有试验器件累计时间16000小时，试验中采用最高结温高达320℃，上述试验，充分体现了M/A-COM 生产的 GaN功率管现行状态。试验数据表明其可靠性满足并大大超过行业大规模商用的基本要求， 其MTTF有效寿命达到5.3x106小时，超过5百万小时，高出行业保准的要求5倍之多。

目前GaN高功率管研发制造供应厂商只有M/A-COM公司一家是采用加载射频功率满负荷输出进行可靠性试验的，可靠性试验的严苛性为业内之最，且其可靠性结果（大于5百万小时有效寿命）也在业内领先。评估报告描述了RF HTOL测试结果。试验结果符合了M/A-COM 功率管产线40年一贯坚持的质量和可靠性的批量生产规范要求。

图 3 T50& TCH曲线图