Présentation du banc de vieillissement RF-HTOL et prol de mission accéléré 129

4.3.1 Description du banc de vieillissement pulsed-RF-HTOL

Un banc de vieillissement en RF pulsé a été développé au laboratoire an de traiter la abilité de transistors LD-MOSFETS [59,168] ainsi que des transistors HEMT GaN Nitronex [96]. Ce banc a la capacité d'adresser la bande S : de 2 à 4 GHz. Le schéma constitutif du banc est présenté en gure4.1.

Ce banc est composé de trois sous-ensembles indépendants :  Une partie hyperfréquence de puissance

 Des réchaueurs utilisés pour xer la température de semelle de chaque amplicateur à tester

 Une partie de suivi/mesure géré par ordinateur (associé à des chassis BILT), permettant le pilotage du banc et l'enregistrement des données issues des organes de mesure.

G´en´erateur RF puls´e Att´enuateur variable Ordinateur+BILT Amplificateur 80W X6 Attenuateur 20dB 8 vers 1 switch RF switchs RF PREF Wattm`etre RF moyen 8 vers 1 Wattm`etre RF crˆete Tuner Attenuateur 40dB Coupleur 30dB DUT circulateur Synchronisation Voie 1 Voie 2

Figure 4.1  Schéma de montage du banc de vieillissement RF pulsé.

Le signal RF est fourni par un générateur modulé en impulsion via son entrée de dé-clenchement (trigger). Celui-ci est provoqué par la synchronisation issue des chassis BILT, destinés au pilotage du banc via le logiciel EasyStress. Le signal RF obtenu traverse ensuite un amplicateur capable de délivrer 80W de puissance saturée.

Ce signal est ensuite divisé en six an d'attaquer chaque voie de mesure. Ces voies sont identiques et permettent de faire vieillir les six amplicateurs simultanément. La gure 4.2

permet d'illustrer la mise en place physique des voies du banc de vieillissement.

A l'entrée de chaque voie, le signal RF attaque un atténuateur variable ainsi que la succession d'un coupleur 30dB et d'un circulateur reliés à deux wattmètres distincts (mesu-rant respectivement la puissance d'entrée et la puissance rééchie). Ces éléments permettent d'ajuster le niveau requis de puissance d'entrée de manière adéquate (précision de 0.1dB). La mesure de puissance incidente est eectuée par un wattmètre crête tandis que la puissance rééchie est donnée par une valeur moyenne. Ceci est corrigé dans la mesure par l'ajout d'un oset (donné par le rapport cyclique des impulsions). La mesure de puissance est eectuée sur chaque voie en utilisant des switchs RF 8 vers 1, permettant l'utilisation de seulement deux wattmètres (l'un des deux ayant deux voies).

Chaque amplicateur est placé sur un réchaueur an d'imposer une température de semelle. La température de jonction eective est ensuite calculée à partir de la résistance thermique du composant ainsi que la puissance dissipée pendant les tests. Le signal de sortie traverse ensuite un tuner load-pull permettant la désadaptation éventuelle en sortie (non

Figure 4.2  Présentation du banc de vieillissement RF pulsé au laboratoire.

utilisé dans notre étude). Ce signal est enn atténué de 40dB avant d'être mesuré par un wattmètre crête.

Le générateur RF, les chassis BILT et les wattmètres sont placés sur onduleurs an d'évi-ter la casse de composants si une coupure de courant ind'évi-tervient sur le réseau. L'amplicateur RF est quant à lui sciemment laissé sur le secteur : sa consommation électrique est relati-vement importante et réduirait la tenue des onduleurs en cas de coupure. Le vieillissement se retrouvera ainsi seulement stoppé en cas de panne de courant (l'alimentation DC et la température asservie restant allumés).

4.3.2 Calibration du banc

Avant toute campagne de vieillissement, il est nécessaire de calibrer le banc. Il s'agit de faire correspondre les niveaux de puissance lus dans le logiciel avec ceux qui sont observés à l'aide d'un wattmètre externe. Les pertes dans les câbles sont ainsi compensées, ainsi que les mesures moyennes de puissance rééchie et les atténuations dans la chaîne à l'aide d'osets. La méthode générale est répétée pour chaque voie. An d'obtenir la meilleure précision, la calibration est eectuée à une puissance proche des niveaux à mesurer pendant le vieillis-sement (35 dBm dans notre cas). Ceci permet d'éviter tout éventuel eet non linéaire dans les éléments de la chaîne.

La séquence de calibration est la suivante :  Calibration des deux wattmètres.

 Calibration de la puissance d'entrée : Un wattmètre extérieur étalonné à notre fré-quence de travail couplé à une sonde 2W permet de mesurer la puissance dans le plan correspondant à l'entrée du DUT (on ajoute un atténuateur préalablement vérié an

de protéger la sonde). La puissance lue sur le logiciel EasyStress doit correspondre avec la valeur mesurée sur le wattmètre extérieur.

 Calibration de la puissance rééchie : le plan d'entrée du DUT est mis en circuit ouvert. La totalité de la puissance d'entrée est donc censée se retrouver dans l'onde rééchie (vérié en observant la valeur donnée par EasyStress).

 Calibration de la puissance de sortie : Les deux parties de la branche sont reliées sans le DUT. La totalité de la puissance d'entrée doit être lue à la sortie de la branche (vérication et correction de l'oset avec le logiciel).

A chaque étape de la calibration, le facteur de correction (oset) entré dans le logiciel de pilotage est vérié an de correspondre au plus proche de la somme des pertes des atténua-teurs, des câbles, des commutateurs etc...

4.3.3 Suivi du vieillissement

Pendant le vieillissement, un certain nombre de paramètres sont suivis en fonction du temps :

 Les valeurs de puissance (PIN, POU T, PREF)

 Les tensions/courants d'alimentation DC de chaque composant (VGS0, IGSmoyen, VDS0,

IDSmoyen). La précision des chassis BILT ne permet cependant pas la mesure très précise du courant de grille moyen : celle-ci est de l'ordre de quelques dizaines de µA.

 Les valeurs de température de semelle et de consommation des éléments chauant. Cette valeur de consommation peut se trouver utile dans certains cas, tel que l'échauement important du composant à un moment donné, nécessitant une compensation de TC. Ces mesures de températures et de tension/courant sont gérées directement par les cartes électroniques insérées dans les chassis BILT (conception modulaire). L'évolution de ces pa-ramètres "externes" résulte de variations de papa-ramètres intrinsèques du composant (gm, VP,

RDSon, Φb, etc...). Il est donc indispensable d'eectuer des mesures électriques avant et après vieillissement an de caractériser l'état du transistor.

4.3.4 Mesures de reprise mises en ÷uvre et prol de mission accéléré

Une population de six composant a été vieillie en conditions RF pulsé (25 µs de pulse, rapport cyclique de 10%) pendant une durée de 3500h. Le prol de mission accéléré a été déni en fonction des polarisations maximum admissibles sur notre composant. La température de jonction a été xée à 185 °C, de manière à eectuer un vieillissement sous conditions peu agressives en température. Le choix de la classe de fonctionnement du transistor s'est orienté vers la classe B (IDS0= 200mA < IDSS

10 ). En eet, celle-ci a été choisie de manière à permettre un échauement du composant hors du pulse RF (courant de repos non nul) tout en permettant d'obtenir un rendement appréciable. Cet auto-échauement est utile pour augmenter la température de jonction moyenne au sein du composant, ce qui évite de trop gros écarts entre la température de semelle et la température de jonction maximum (en n de pulse RF). La puissance d'entrée des amplicateurs est xée à 35 dBm, ce qui correspond à une compression entre 3 et 5 dB sur chaque amplicateur.

A partir de ces données, deux prols de mission accélérés diérents ont été mis en place (3 composants pour chaque prol), tout en présentant la même température de jonction : Un prol n°1 à VDS0 = 50V ainsi qu'un prol n°2 à VDS0 = 60V. Ces deux conditions de vieillissement permettent de dissocier les eets thermiques des eets électriques : Bien que la diérence de tension de drain au repos soit relativement faible (10V), les excursions de tension seront nettement plus importantes. Ces deux prols permettent l'obtention d'un vieillissement en conditions relativement peu stressantes pour le composant (prol n°1) ainsi qu'un second placé au maximum rating sur la tension de drain. Il sera donc possible d'avoir une première idée de la marge possible sur cette tension d'alimentation.

En reprenant nos données issues des caractéristiques PIN-POU T présentées au chapitre 2, nous pouvons calculer la température de jonction comme suit :

P_DISS = P_DC+ P_IN− POU T (4.1)

Les puissances étant calculées en prenant en compte le rapport cyclique des impulsions. Nous pouvons ensuite calculer la température de jonction moyenne pendant le vieillissement à l'aide de la résistance thermique mesurée précédemment (voir gure2.42) :

T_J = P_DISS∗ RT H+ T_C (4.2)

Les températures de jonction moyennes se retrouvent donc relativement proches (nous compensons l'écart de puissance en DC par la température de semelle) et sont égales à 185°C (respectivement 185 et 182°C pour les prols n°1 et n°2).

Bien évidemment, la faible population de composants mise en jeu ne permettra pas d'ob-tenir une estimation able d'un MTTF. Ce type de vieillissement nécessite en eet de longues étapes de caractérisation, en particulier lors des mesures de reprise. C'est pourquoi nous allons nous intéresser dans cette étude aux potentielles dérives de paramètres apparaissant pendant de le vieillissement du GH50 ainsi que leur causes possibles. Ce travail permettra d'apporter un socle d'informations pour une future étude comportant une population de composants bien plus importante.

Le tableau 4.1représente de manière concise ces deux conditions de vieillissement.

Paramètres Prol n°1 Prol n°2

T_J moyen 185 °C 185 °C (réelle : 182°C)

T_C 160 °C 150 °C

V_DS0 50 V (nominal) 60 V (maximum rating)

IDS0 200 mA (classe B) 200 mA (classe B)

PIN 35 dBm 35 dBm

An d'obtenir des informations sur les évolutions intrinsèques du composant, un éventail de mesures de reprise est eectué après un intervalle de temps à plusieurs reprise pendant le vieillissement. Les évolutions temporelles de paramètres électriques étant potentiellement d'ordre logarithmique [96], ces intervalles seront de plus en plus espacés dans le temps : La première mesure est eectuée à l'instant initial tandis que les suivantes sont eectuées après 24h, 48h, 132h, 500h, 1200h, 2000h et 3500h.

Ces mesures sont notamment constituées de plusieurs techniques utilisées dans le chapitre 2. L'ensemble des mesures de reprise est listé ci-dessous :

 Mesures IV pulsé à trois points de repos : (VGS0, VDS0) = (0V,0V), 7V,0V) et (-7V,50V) à 35°C. Ceci permettra de suivre les évolution de gm, VP et IDSS pendant le vieillissement.

 Mesures de diode à trois températures : 35°C, 50°C et 80°C. Les éléments chauants ne permettant pas de refroidir les amplicateurs, la température la plus basse est xée à 35°C. En eet, il est possible que la température de la salle dépasse 25°C, ce qui empêcherai une mesure à cette température.

 Mesure du courant de grille en fonction de PINà 3 GHz (IDS0=200mA, VDS0=50V). Les mesures de puissance PIN−POU T, de gain et de rendement étant relativement longues, celles-ci sont réservées pour une étude avant/après vieillissement. La mesure de courant de grille permet d'observer l'évolution de la compression pendant le vieillissement : Lorsque celle-ci est susamment importante, la grille devient passante. Les courants de grille mesurables par le banc de vieillissement sont de quelques µA à quelques mA. Avant et après le vieillissement, des mesures de puissances PIN−POU T, de gain, de rende-ment et éventuellerende-ment des mesures de pièges par A-DCTS sont eectuées an de comparer l'état initial et l'état nal de chaque composant.

4.3.5 Performance du circuit avant/après vieillissement

En observation directe, les circuits des amplicateurs ont été soumis à de fortes tempé-ratures. La couleur du substrat RF a notamment été modiée (gures 4.3 et 4.4). An de s'assurer que les évolutions de paramètres radiofréquences soient bien originaires du transis-tor et non d'une quelconque dégradation des circuits, des mesures de paramètres S ont été comparées entre un amplicateur vieilli et un amplicateur neuf. Ceci permettra de vérier que les impédances à 3 GHz présentées au transistor n'aient pas été modiées.

Les mesures ont été eectuées en réexion à la n du vieillissement et après les dernières mesures. Le paramètre S11 a été mesuré sur le demi-circuit de grille et le demi-circuit de drain, les deux pris séparément (le transistor étant désolidarisé de son amplicateur avant son analyse physique). Ces mesures étant délicates, il ne faut pas se er aux valeurs absolues données par le VNA (Vector Network Analyzer) mais plutôt à leurs diérences relatives. En eet, le kit de calibration mis à disposition se trouve en connectique N tandis que les amplicateurs présentent des connectiques SMA. La calibration de l'appareil n'a donc pas pris en compte l'eet de l'adapateur N/SMA utilisé (ajoutant du module et de la phase à

Figure 4.3  Image d'un amplica-teur neuf avec un composant ouvert.

Figure 4.4  Image d'un amplica-teur après vieillissement.

l'impédance mesurée).

Ses résultats nous conrment que les évolutions de gain et de rendement observées pro-viennent bien du transistor (gure 4.5). En eet, seul un changement des paramètres S est mesuré entre 1.3 et 1.6 GHz. Il n'y a donc pas de modication de l'adaptation d'impédance à 3 GHz. De la même manière, le circuit de drain ne montre lui-aussi aucune modication d'impédance présentée au transistor.

0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 -0,2j 0,2j -0,5j 0,5j -1,0j 1,0j -2,0j 2,0j -5,0j 5,0j 1,66 GHz 1,45 GHz 1,63 GHz

ampli neuf, circuit de grille ampli vieilli, circuit de grille 3 GHz

1,375 GHz

Figure 4.5  Impédance présentée au transistor sur un amplicateur neuf et un amplicateur vieilli (circuit de grille).