紀(jì)新峰，李宏民，胡 丹，張紅旗，張好軍

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽 471009； 2.中國電子科技集團第十三研究所， 石家莊 050002)

靜電以其普遍性、隨機性、隱蔽性、潛在性和復(fù)雜性，成為多個行業(yè)不可忽視的問題，特別是對于砷化鎵器件，其危害更是巨大[1-5]。

GaAs相關(guān)多放由GaAsMESFET高速模擬開關(guān)和帶通濾波器兩部分組成，它的可靠性直接影響到雷達(dá)接收機和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。GaAs開關(guān)有優(yōu)異的速度性能，由于GaAs材料本身擊穿電壓低，抗靜電能力較差，因此該器件是靜電敏感器件，其是雷達(dá)接收機抗靜電的薄弱環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)過程中，靜電放電(ESD)是導(dǎo)致GaAs開關(guān)失效的主要原因之一，在器件的裝配、測試、運輸?shù)冗^程中極易受到靜電放電的損傷[4-5]。在某重點型號導(dǎo)彈的研制和生產(chǎn)中已發(fā)生多例靜電損傷的故障，因此需要在芯片外圍引入抗靜電保護電路，在不影響GaAs開關(guān)速度和系統(tǒng)性能指標(biāo)的情況下，提高器件的抗靜電能力，提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

本文對GaAs相關(guān)多放靜電敏感端口設(shè)計了硅(Si)隔離和雙二極管網(wǎng)絡(luò)的靜電放電保護電路，實現(xiàn)了高抗靜電能力下的納秒脈沖相關(guān)信號處理，靜電試驗驗證表明，器件的抗靜電能力從200 V提高到了1 400 V，產(chǎn)品有良好的線性、與TTL電平兼容和高隔離度，滿足雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。

1 GaAs相關(guān)多放原理和GaAsMESFET器件靜電失效機理

1.1 GaAs相關(guān)多放的原理

GaAs相關(guān)多放的電路如圖1所示，它由GaAs開關(guān)和運放LMH6645構(gòu)成的有源帶通濾波器兩部分組成。GaAs開關(guān)為GaAsMESFET串并組合的形式，其具有優(yōu)異的速度性能，開關(guān)選通前后沿均小于5 ns，開關(guān)延遲不大于10 ns，控制信號泄露不大于40 mV，開關(guān)輸出幅度不小于1 V，滿足整機性能要求。

圖1 抗靜電改進(jìn)前相關(guān)多放電路框圖

GaAs高速開關(guān)完成相關(guān)信號的選通功能，設(shè)計開關(guān)的控制脈沖與導(dǎo)彈回波脈沖相關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)控制脈沖與回波脈沖之間的延時，就可以提取多普勒窄脈沖信號。開關(guān)選取的信號，通過后級的帶通運算放大器濾波和放大后，提取出多普勒正弦信號?？轨o電能力是相關(guān)多放性能的一個重要指標(biāo)，經(jīng)過端口測試，GaAs高速開關(guān)由于GaAs材料本身擊穿電壓低，其中控制柵極最為薄弱[4]，端口的抗靜電能力僅為200 V；帶通濾波器用運放選用的是LMH6645，其為Si材料單片，抗靜電能力較強(大于2 000 V)，因此，抗靜電能力提升前，相關(guān)多放的抗靜電能力僅為200 V。GaAs高速開關(guān)制約了相關(guān)多放的抗靜電能力，因此，抗靜電能力提升的關(guān)鍵是提高GaAs開關(guān)的抗靜電能力。

1.2 GaAsMESFET器件靜電失效機理

GaAsMESFET柵條金屬下部有一個肖特基勢壘，沒有靜電時勢壘很薄如圖2(a)所示。當(dāng)柵條帶有大量負(fù)電荷，由于靜電感應(yīng)勢壘附近的n-GaAs內(nèi)負(fù)電荷被排斥到遠(yuǎn)處，肖特基勢壘附近就增加了正電荷，又G-S、G-D間距很小，當(dāng)柵條下部肖特基勢壘變厚時，靠近柵條的源及漏邊緣也帶有正電荷，如圖2(b)所示[3-4]。

圖2 肖特基勢壘區(qū)的電荷分布示意圖

GaAsMESFET帶靜電瞬間(<200 ns)電荷重新分布，柵條及其下部n-GaAs內(nèi)產(chǎn)生瞬時大電流。與此同時，G-S間形成很高的電位差，根據(jù)E=U(v/d)(U為與電極形狀和勢壘形狀有關(guān)的系數(shù)，U≥1)，較小的靜電壓在G-S極間會產(chǎn)生很強的靜電場。若柵條邊緣不整齊或有毛刺，則靜電更加高度集中，而毛刺又使G-S(或G-D)間距更小，使電場更強。在瞬間大電流和靜電高電壓作用下，器件便發(fā)生靜電損傷失效，靜電損傷失效可以分為功率型大電流失效和電壓型強電場失效。另外，由于材料缺陷，表面清洗不干凈或在柵挖槽時不均勻，局部深陷，則柵金屬縱向形成針狀尖端，同樣會靜電集中造成損傷和破壞。

2 靜電放電的人體模型(HBM)

靜電模型包括人體模型(HBM)、人體-金屬模型(BMM)、帶電器件模型(CDM)、帶電芯片模型(CCM)、場感應(yīng)模型(FICDM)、機器模型(MM)、家具模型及場增強型模型[6]。電容器串聯(lián)一電阻是較為合理的人體電氣模型，GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》方法3015采用了人體模型模擬帶電人體指尖與接地物體指尖產(chǎn)生的靜電放電[7]，該模型的靜電放電敏感度測試原理圖如圖3所示，其中，C1為模型中人體的電容值，C1取100 pF±10%；R2為模型中人體的電阻，R2取1 500 Ω±1%；R1為106～107Ω，100 pF-1 500 Ω的人體模型是合理的元器件ESD敏感度標(biāo)準(zhǔn)試驗電路。

從圖3所示的電路中，用100 pF的電容串聯(lián)1 500 Ω的電阻來模擬人體放電，人體放電的電流瞬時值近似為[6-7]

圖3 ESD分級試驗電路(人體模型)圖

(1)

式中：U0為高壓源模擬施加的人體電壓；R2為人體電阻；C1為人體對地電容。靜電放電的電流波形如圖4所示，其中，上升時間tr小于10 ns，衰減時間td為150±20 ns;Ip為峰值電流；Ir為振蕩電流(瞬擾)。

圖4 人體模型ESD的電流波形

3 相關(guān)多放的抗靜電設(shè)計

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)GaAs開關(guān)電路結(jié)構(gòu)和GaAs材料靜電失效機理可知，GaAs開關(guān)對外端口是控制端、開關(guān)輸入端和輸出端，因此需要在控制端、輸入端和輸出端引入外圍保護電路以提高器件的抗靜電能力。

3.1 Si隔離型抗靜電設(shè)計

正如1.2節(jié)所述，無論是功率型大電流失效，還是電壓型強電場失效，其根源都是高壓靜電的作用下柵條上產(chǎn)生了高密度的電荷?？刂茤艠O是GaAsMESFET抗靜電的最薄弱環(huán)節(jié)，可以采取耐靜電能力高的器件，緩沖隔離敏感端口控制柵極和外界的端口接觸[8-9]，同時要求該隔離器件延時小，不影響開關(guān)控制信號的脈沖幅度和脈沖前后沿。

控制柵極的隔離器件設(shè)計如圖5所示，該隔離器件為Si開關(guān)驅(qū)動器，其由Si雙非門(N1與N2)、Si穩(wěn)壓管和一個電阻組成，作為開關(guān)控制信號產(chǎn)生電路。其中，非門N1代替圖1中所示開關(guān)管GaAsMESFET T5，非門N1的輸出控制GaAs串聯(lián)開關(guān)的柵極；非門N2的輸出控制GaAs并聯(lián)開關(guān)的柵極。當(dāng)開關(guān)驅(qū)動器的控制端TTL高電平時，GaAs串聯(lián)開關(guān)的控制信號為低電平，串聯(lián)開關(guān)關(guān)斷，控制并聯(lián)開關(guān)的信號為高電平，并聯(lián)開關(guān)導(dǎo)通，這時開關(guān)組合為關(guān)斷態(tài)。相反，當(dāng)驅(qū)動器的控制端為低電平時，開關(guān)組合為導(dǎo)通態(tài)。

同時，在隔離器件的輸入端口增加電阻泄放通道R6和R7，如圖5所示，電阻在電路中可以起到分流分壓的作用，其優(yōu)點是成本低，具備雙向(正負(fù)脈沖)保護作用，電阻的ESD保護效果和電阻的阻值相關(guān)，可以通過試驗進(jìn)行不斷的調(diào)試。經(jīng)對比分析，R6取1 kΩ，R7取300 Ω，既有效避免了靜電損傷又最大限度減小了GaAs開關(guān)電性能的惡化。

圖5 抗靜電改進(jìn)后相關(guān)多放電路框圖

Si高速非門實現(xiàn)了GaAsMESFET的控制柵極與外部數(shù)字信號的緩沖隔離，同時，減少一個MESFET開關(guān)管T5。改進(jìn)后，Si高速非門耐電沖擊能力比改進(jìn)前GaAs器件大得多，具有很好的電磁兼容性能，所以有很好的抗電沖擊能力。

3.2 雙二極管網(wǎng)絡(luò)型抗靜電設(shè)計

二極管的鉗位電壓低，對小信號下電路的電特性影響小，其廣泛應(yīng)用于電子電路的抗靜電設(shè)計[8-10]。其缺點是在功率較大時會對信號產(chǎn)生衰減，并且隨著信號增強衰減越大，產(chǎn)生限幅的作用。GaAs開關(guān)的輸入為經(jīng)過視頻放大器和視頻分路器后的小信號，二極管對輸入信號的影響很小。在輸入/輸出端口采用雙二極管網(wǎng)絡(luò)靜電防護電路，其中，正向二極管作為正脈沖靜電的保護通路，反向偏置二極管作為負(fù)脈沖靜電的保護通路。

GaAs相關(guān)多放雙二極管網(wǎng)絡(luò)靜電保護電路如圖5所示，在GaAs開關(guān)輸入端添加兩個二極管L1和L2，輸出端添加兩個二極管L3和L4。

L1、L2和L3、L4是分別接在輸入端口和輸出端口的限幅二極管，利用其正向特性，可使ESD嵌位并泄放靜電。設(shè)限幅二極管正向電阻為Rd，GaAs開關(guān)輸入端/輸出端的安全電壓為Vin，靜電源內(nèi)阻為Rp，增加二極管后能承受的電壓為Vp，加上嵌位二極管后，GaAs輸入/輸出端口能承受的電壓近似為[11-12]

(2)

一般情況下，二極管正向電阻Rd很小，因此，采用兩個二極管有很大的保護范圍。抗靜電設(shè)計中選擇SKYWORKS公司的兩個CLA4602-000作為正向和反向二極管，其結(jié)電容為0.2 pF，導(dǎo)通電阻為2 Ω，恢復(fù)時間不大于5 ns，靜電源電阻Rp近似為人體電阻1 500 Ω，GaAs開關(guān)輸入端/輸出端的安全電壓約為3 V，代入式(2)后可得，輸入/輸出端口能承受的電壓約為2 250 V。

4 測試結(jié)果和驗證

綜上所述，采用3.1節(jié)Si開關(guān)驅(qū)動器隔離及電阻泄放通路和3.2節(jié)雙二極管網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)多放的GaAs開關(guān)控制端、輸入端和輸出端進(jìn)行抗靜電保護，分別加工制作4只未加抗靜電保護電路的模塊和4只加抗靜電保護的模塊，驗證相關(guān)多放的抗靜電能力和對雷達(dá)接收機性能的影響程度。

4.1 抗靜電能力驗證

基于GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》方法3015的靜電放電人體模型，如圖3所示，采用ESD模擬器ESS-200AX對加抗靜電保護電路和未加抗靜電保護電路的8只相關(guān)多放的GaAs開關(guān)對外引腳進(jìn)行靜電放電試驗。GaAs開關(guān)部分的對外引腳主要有4個：開關(guān)控制端、開關(guān)輸入端、開關(guān)輸出端、地，分別對這4個引腳兩兩組合進(jìn)行試驗(正反各3次)。試驗前后分別測試GaAs開關(guān)的控制信號泄露、開關(guān)選通前后沿、開關(guān)延遲和開關(guān)輸出幅度。通常情況下，器件受到的靜電電壓超過其能承受能力后，其電性能會變化。考慮GaAs開關(guān)未加靜電保護電路前抗靜電能力為200 V，故對4只未加抗靜電保護電路的GaAs開關(guān)部分施加300 V的靜電進(jìn)行試驗，試驗前后GaAs開關(guān)的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 300 V靜電放電試驗前后測試結(jié)果

由表1可知：未加靜電保護的相關(guān)多放施加300 V的靜電后，開關(guān)性能急劇惡化，控制信號泄露很小，開關(guān)輸出波形畸變嚴(yán)重，輸出幅度衰減大。

將電性能指標(biāo)異常的相關(guān)多放GaAs開關(guān)拆下，用顯微鏡進(jìn)行放大檢查，GaAs開關(guān)內(nèi)部燒毀情況如圖6所示。編號1～4中，標(biāo)號1處為并聯(lián)開關(guān)控制柵處燒毀，標(biāo)號2處為串聯(lián)開關(guān)控制柵處燒毀，且均呈濺射狀，從內(nèi)部形貌來看，說明其在短時間內(nèi)經(jīng)受了瞬間高電壓，從形貌上判斷屬于靜電放電損傷所致，因此，樣品是由于靜電放電分別引起4只GaAs開關(guān)控制柵極處擊穿，從而導(dǎo)致其工作異常而失效。試驗結(jié)果進(jìn)一步說明，抗靜電能力改進(jìn)前控制柵極是GaAs開關(guān)抗靜電能力的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 相關(guān)多放GaAs開關(guān)損傷圖

對加抗靜電保護電路的相關(guān)多放開關(guān)部分施加1 400 V的靜電進(jìn)行試驗，試驗前后GaAs開關(guān)的主要性能參數(shù)如表2所示。加過靜電保護電路的GaAs開關(guān)經(jīng)過1 400 V的靜電放電試驗后，控制信號泄露、開關(guān)選通前后沿、開關(guān)延遲基本不變，開關(guān)輸出幅度衰減略微增大，但在指標(biāo)合格范圍內(nèi)。

表2 1 400 V靜電放電試驗前后測試結(jié)果

為了進(jìn)一步對抗靜電改進(jìn)后相關(guān)多放的靜電承受能力進(jìn)行摸底，對4只抗靜電改進(jìn)后的模塊繼續(xù)施加1 500 V的靜電進(jìn)行試驗，試驗前后GaAs開關(guān)的主要性能參數(shù)如表3所示。由表3可知，加靜電保護的相關(guān)多放模塊施加 1 500 V 的靜電后，與未加靜電防護的相關(guān)多放模塊施加300 V的靜電測試結(jié)果一樣，開關(guān)性能急劇惡化，控制信號泄露很小，開關(guān)輸出波形畸變嚴(yán)重，輸出幅度衰減大，其屬于靜電放電損傷所致。

表3 1 500 V靜電放電試驗前后測試結(jié)果

綜上所述，加靜電保護電路后，GaAs相關(guān)多放的抗靜電能力從200 V提高到了1 400 V，開關(guān)性能指標(biāo)基本不變。

4.2 雷達(dá)接收機性能測試

為了驗證GaAs相關(guān)多放抗靜電改進(jìn)前后對雷達(dá)接收機性能的影響，選用未加靜電保護電路和加靜電保護電路的相關(guān)多放模塊進(jìn)行接收機輸出幅度和接收機動態(tài)噪聲特性測試。

雷達(dá)接收機由視頻放大器、視頻分路器和GaAs相關(guān)多放組成，接收收發(fā)組件的多普勒調(diào)制脈沖小信號進(jìn)行放大?？轨o電改進(jìn)前后，接收機輸出幅度隨不同輸入信號的變化曲線如圖7所示。

圖7 抗靜電改進(jìn)前后接收機輸出變化曲線

由圖7可知：當(dāng)輸入信號幅度達(dá)到5 mV左右時，接收機即進(jìn)入飽和狀態(tài)，砷化鎵開關(guān)輸入/輸出端鉗位二極管對信號的展寬和限幅效果未對接收機輸出信號幅度造成明顯影響，抗靜電改進(jìn)前后針對不同幅度輸入信號的輸出曲線基本一致，即增益基本一致。

噪聲測試分為靜態(tài)噪聲測試和動態(tài)噪聲測試。靜態(tài)噪聲是指產(chǎn)品輸入端開路(不加輸入信號)、只為產(chǎn)品加電的情況下，接收機的輸出噪聲；動態(tài)噪聲是指產(chǎn)品加電、輸入端加輸入信號，當(dāng)輸入信號與控制信號不相關(guān)時接收機的輸出噪聲。靜態(tài)噪聲測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 抗靜電改進(jìn)前后接收機靜態(tài)噪聲 mVpp

由表4可知：相關(guān)多放抗靜電改進(jìn)前后，靜態(tài)噪聲水平相當(dāng)，抗靜電改進(jìn)不影響產(chǎn)品的靜態(tài)噪聲。抗靜電改進(jìn)前后動態(tài)噪聲測試數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8測試結(jié)果可知，抗靜電改進(jìn)前后接收機動態(tài)噪聲基本一致。

圖8 抗靜電改進(jìn)前后接收機動態(tài)噪聲變化曲線

5 結(jié)論

根據(jù)GaAs器件的靜電失效機理和相關(guān)多放模塊的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計了硅(Si)隔離和雙二極管網(wǎng)絡(luò)的靜電保護電路，硅(Si)器件建立了敏感芯片核心區(qū)域和電壓及電流的緩沖隔離，雙向?qū)ΨQ導(dǎo)通的雙二極管網(wǎng)絡(luò)有利于泄放大電流。試驗驗證表明：GaAs相關(guān)多放的抗靜電能力從200 V提高到了1 400 V，開關(guān)選通前后沿均小于5 ns，開關(guān)延遲不大于10 ns，控制信號泄露不大于40 mV，開關(guān)輸出幅度不小于1 V，抗靜電改進(jìn)前后接收機輸出、靜態(tài)噪聲和動態(tài)噪聲基本一致，滿足雷達(dá)接收機系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)要求。GaAs相關(guān)多放抗靜電能力已達(dá)到國軍標(biāo)要求，已成熟應(yīng)用于我國某重點型號導(dǎo)彈工程，相對于改進(jìn)前的GaAs相關(guān)多放，該模塊的可靠性得到了很大的提高，靜電失效率大大降低，至今未出現(xiàn)靜電損傷失效質(zhì)量問題。