駐極體話筒專用場效應(yīng)管的品質(zhì)評

1、駐極體話筒專用場效應(yīng)管的品質(zhì)評價關(guān)于話筒專用管常見弊病成因的探討-郎啟華 -話筒專用管是駐極體話筒的 “心臟”，其品質(zhì)的好壞是所有駐極體話筒生產(chǎn)工廠工程技術(shù)人員最為關(guān)注 的，怎樣的話筒管才能成為話筒工程師們滿意的產(chǎn)品呢？您們的哪些要求，話筒管生產(chǎn)工廠可以做到，還 有哪些難以做到呢？結(jié)合參與話筒專用管芯片制造與封裝的實踐和長期接觸話筒廠工程師的經(jīng)歷，提出我 們的一些想法。一、理想狀態(tài)下的話筒專用管所具有的品質(zhì)特點我們用順口溜形式把多年來用戶對話筒專用管的要求歸納為 4 句 28 個字：靈敏度高對檔好，不“漂”不“跌”不“死”掉，阻抗達(dá)標(biāo)耐潮熱，能抗靜電噪聲小。是否可以具體表述為以下幾條：1.1

2、話筒管用于話筒裝配時，裝出來的話筒有較高的靈敏度，并且靈敏度的一致性好， dB 值都分布在 工藝方案限定的上下區(qū)間內(nèi)；1.2話筒管裝成的話筒無工作電流漂移，即Ids=Idss，話筒的低頻70Hz端的靈敏度與1000Hz中頻靈敏度相差不大于1dB，話筒交用戶使用時不會出現(xiàn)早期失效現(xiàn)象；1.3 按照各家整機廠提出的所謂 “阻抗”限制范圍，將萬用電表直流電阻檔上引出的表棒接至話筒的兩個 輸出端上，測試得到正向（有的還需要反向）直流電阻數(shù)值在規(guī)定值之內(nèi)；1.4經(jīng)可靠性特別是高溫、濕熱試驗，用專用管裝成的話筒無失效或靈敏度下降、工作電流Ids變大、低頻（70Hz）靈敏度值相比1000Hz中頻靈敏度出現(xiàn)差

3、值增大等弊病；1.5 話筒管具有較好的抵抗靜電破壞性能；1.6 話筒管裝成的話筒的等效噪聲級比較小，或者說信噪比比較大。二、目前國內(nèi)話筒專用管生產(chǎn)的設(shè)備與技術(shù)能夠滿足上述要求的可行性研究2.1 關(guān)于話筒管如何達(dá)到提高話筒靈敏度及其對檔率要求：2.1.2話筒管的放大作用，既是提高話筒靈敏度的主要因素，又取決于話筒管的主要參數(shù)跨導(dǎo)gm （或者說輸出電壓增益Gv）；從國內(nèi)現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備與技術(shù)水平來說，做出高跨導(dǎo)（gm=3.0mS以致更高）的話筒管來并非難事，只要在滿足話筒管外形封裝的前提下，適當(dāng)增加話筒管的芯片面積，從而在芯片結(jié)構(gòu)設(shè) 計時使得頂柵的 寬長比較大就可以了。但是我們在關(guān)心高跨導(dǎo)gm參數(shù)

4、的同時，還須注意輸入端泄漏電阻（Rg）對話筒靈敏度的影響，這個電阻的數(shù)值大，話筒靈敏度也相應(yīng)增大，當(dāng)然，這種影響只是第二位的， 比不上跨導(dǎo)（gm）。特別需要提出的是，在普通的晶體管特性測試儀上，我們看到的話筒管漏極特性，無法 將電阻對話筒管的放大作用顯示出來，所以人們往往注意不到電阻大小對話筒管的放大作用。在話筒專用 管原理介紹中，我們推介的話筒專用管模擬測試儀測得的傳輸系數(shù)，倒是綜合反映了話筒管的放大能力。 還有一點也要說明，我們以上所述，是在假定Idss電流為一固定值的條件之下的情形，跨導(dǎo)大，Idss電流也大，做出來的話筒，靈敏度自然也大。2.1.2既然話筒管的靈敏度主要由話筒管跨導(dǎo)（gm

5、）與泄漏電阻（Rg）來決定，那么，靈敏度的對檔率也與這兩者有關(guān)。從現(xiàn)有的芯片制造設(shè)備來看，采用投影曝光設(shè)備的半導(dǎo)體光刻工序的工廠，其加工出來 的芯片線條的均勻性、 一致性肯定會優(yōu)于采用接觸曝光設(shè)備光刻的工廠； 做出來的話筒管對檔率也就高些。 國內(nèi)有的工廠，雖然設(shè)備不如國外公司，但通過話筒管Idss電流過細(xì)分檔的方法，提高話筒管的一致性，使得用管單位裝制的話筒靈敏度對檔率提升，雖然增加了話筒管的測試量，但也是一個很好的方法。2.2關(guān)于話筒管怎樣才能滿足話筒頻響合格與工作電流I DS穩(wěn)定的要求：由話筒專用管的原理中，我們已經(jīng)了解了泄漏電阻在整個話筒管中的作用，這個電阻的阻值做不好， 就會造成話筒的

6、 “漂”與“跌”問題。2.2.1如果這個電阻過小，使得輸入阻抗降低到一定程度，則將引起輸入電容（Ciss ）與包括泄漏電阻（Rg）在內(nèi)的整個輸入阻抗（Zin）在輸入端信號電壓分配方面的比例失調(diào)，話筒管柵極分到的信號減少從 而使得輸出端電壓降低，低頻狀態(tài)下這種情況尤其突出，造成話筒在70Hz頻率點上的靈敏度大大低于1000Hz頻率點上的靈敏度；而這個電阻過大，則使得話筒管柵極因空穴過多造成的正柵壓被開啟（此時Vgs大于0），從而使得話筒管的工作電流Ids大于Idss，形成我們通常所稱的 漂移”，導(dǎo)致工作點進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。 這種狀態(tài)勢必引起話筒管的各種參數(shù)如輸出電壓增益Gv、等效噪聲Vno等的變化

7、，以致造成話筒管的早期失效。2.2.2泄漏電阻（Rg）的過大或過小，主要是芯片加工過程技術(shù)不過關(guān)引起的。由于這個電阻高達(dá)1G?，不同于一般的半導(dǎo)體電阻的加工，在元素?fù)诫s過程中的量化控制要求極高；只有突破了這個難關(guān)，才能作 出合格的話筒管來。 因此話筒管的 “漂”與“跌”（尤其是批量出現(xiàn) “漂”、“跌”的話筒管） 主要還是芯片不過關(guān)。 當(dāng)然，封裝中偶爾發(fā)生的電阻疏形線條受損會造成低頻不良、共晶粘片時柵極與引線框架接觸電阻過大會 引起Ids大于Idss等問題，也不可忽視。然而，嚴(yán)格控制芯片的電阻值范圍，進(jìn)行準(zhǔn)確的在線測試，是確保 芯片與話筒管品質(zhì)的關(guān)鍵。2.2.3 話筒工程師最為關(guān)心的是，買來的話

8、筒管是不 “漂”不“跌”的； “漂”與“跌”的話筒管應(yīng)該由話筒管 生產(chǎn)工廠先檢出來而不流入話筒廠。為何現(xiàn)在有的話筒管廠銷售出來的話筒管還或多或少地混有一些 “漂”跌“”不良品呢？這需要了解一下國內(nèi)的晶體管測試設(shè)備：由于大批量的晶體管測試，都是在高速、自 動的機械運行中完成的，直流測試信號有時還會受干擾，還得采取許多抗干擾措施；而話筒管工作通過的 是頻率比較低的音頻信號，與之相關(guān)的IDS電流屬于交流信號，若在自動機械上通入音頻信號測試話筒管的話，外界的干擾信號大大超過了被測信號，所以自動機械上是無法測得Ids的數(shù)值的。只有我們推介的話筒專用管模擬測試儀才能在設(shè)有屏蔽盒的前提下準(zhǔn)確地測得IDS的數(shù)

9、值，原先一些話筒管生產(chǎn)廠就是這樣測試的。但這種方式屬于人海戰(zhàn)術(shù)，且測試質(zhì)量因人而異，難以適應(yīng)高品質(zhì)與高質(zhì)量的現(xiàn)代化生產(chǎn)。我所5 年前摸索出一種最新的測試方法，將話筒管測試中原來必需的音頻信號以某幾個直流信號來替代，成功地將 “跌”的話筒管在大批量測試中全部消除；對于 “漂移 ”問題，我們在確保芯片不 “漂”的前提下，話筒管測試 時采取特殊的附加裝置，一些較小的話筒管在進(jìn)口自動機械上測試時已能全部剔出“漂移”管了，用 TO-92s封裝的 K596 型晶體管， 在國產(chǎn)測試機上測試， 由于機械的敏感度較差， 測試后話筒管的 “漂移”比例為 0.5% 左右。2.2.4從我們的從業(yè)經(jīng)驗來看，帶有漂移”特

10、性的話筒管，往往柵極電壓Vgs對漏極工作電流（Ids）的控制能力很弱，甚至還帶有其他弊病，極易早期失效。我國研究話筒專用管的著名過高級工程師、原新鄉(xiāng) 市半導(dǎo)體廠總工程師張鴻升先生 2005 年在揚聲器與傳聲器第 6期上載文傳聲器專用場效應(yīng)管的阻抗 變換作用中稱，泄漏電阻沒有做好的話筒管 “在外界環(huán)境溫度變化的作用下，以及自然存放時間加長，使得柵、源正柵壓升高到一定程度之后，這時的Ids要比通常注入空穴所形成的正柵壓還高，所以這種Ids滯后變大更為嚴(yán)重，不僅改變了原來的工作點，還會使其他一些電參數(shù)也跟著改變。如專用管的等效輸出電壓Gv、等效輸出噪聲Vno等都會隨之改變，超出規(guī)范值，甚至變成失效產(chǎn)

11、品”。這是很有見地的觀點，對于我們認(rèn)識話筒專用管的早期失效是有啟發(fā)的。此外，管芯面積過小，芯片設(shè)計布線不合理以及封裝密封性不好等，也是造成話筒管早期失效的重要 原因。2.3關(guān)于話筒專用管阻抗問題的幾點看法：2.3.1話筒專用管的輸入阻抗（Zin），有人認(rèn)為三洋公司說明書標(biāo)出的25M?不對；應(yīng)該在0.1-10G?之間而以1G?為中心；泄漏電阻Rg的阻值則為25M?。由于NEC的說明書上從不標(biāo)注話筒管的阻抗，所以便 有了種種疑問。在制造話筒管芯片的過程中，凡是照25M?來設(shè)計泄漏電阻Rg，沒有不失敗的。當(dāng)我們以1G?作為中心值來設(shè)計泄漏電阻 Rg后，話筒管的輸入端的各項參數(shù)就與三洋公司、NEC公司

12、產(chǎn)品的參數(shù)十分接近了。至于三洋說明書標(biāo)出的25M?為話筒專用管的輸入阻抗，與話筒管原理中關(guān)于?9.7極頭的阻抗值Zc（約為318M ?）也是不匹配的。因此只有實測的阻抗值才是準(zhǔn)確的。232話筒管的輸出阻抗（Zo），是目前話筒工程師們討論比較多的問題。有人認(rèn)為，可以話筒管的溝 道電阻來代替輸出阻抗 （Zo），從而引起許多話筒工程師用萬用表電阻檔測試話筒的漏源兩極間的直流電阻 值來限制話筒管 阻抗”于一定范圍內(nèi)的的做法。對此，我所專門做過一次實測比較，結(jié)果如下：日本三洋2SK596C上海聲晶 K596（260A 土 30卩A）電流|DSS（卩A）A1 A2B1 B2電流|DSS（卩A）A1 A2B

13、1 B2D+S- D-S+ D+S-D-S+D+S-D-S+ D+S- D-S+12351.8K 1.1K 1.6K1.1K12301.9K1.15K1.75K1.2K22401.7K1.1K1.55K1.1K22351.9K1.05K 1.75K 1.15K32401.7K 1.05K 1.6K1.1K32401.8K1.1K 1.75K1.15K42451.7K1.05K 1.55K1.1K42401.8K1.05K 1.65K1.1K52451.7K 1.05K1.55K1.1K52401.8K1.1K 1.75K1.15K62801.5K 1.0K 1.4K1.05K62601.7K1

14、.0K1.75K1.1K72801.6K 1.05K 1.4K1.05K72701.7K1.1K 1.65K 1.1K83101.4K 1.0K 1.3K1.0K82801.6K1.0K 1.5K1.05K 以上測試中,A為適用M500型指針式萬用表測得數(shù)值；B為適用數(shù)字式萬用表測得數(shù)值。 狀態(tài)1（A1或B1）是指萬用表中的電源正極接管芯的D，負(fù)極接管芯的 S,也被一些工廠俗稱為 正向電阻；狀態(tài)2（A2或B2）是指萬用表中的電源正極接管芯的S,負(fù)極接管芯的 D，俗稱為 反向電阻。從以上兩個表格中的數(shù)據(jù)來看，由于我所芯片與三洋公司芯片均采用全注入工藝制造，且設(shè)計管芯時主要參數(shù)都參照三洋話筒管實測

15、的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以，測試所得的正反向阻值也基本接近；雖然M500型萬用表與數(shù)字萬用表的電壓不同，前者1K?檔電壓為0.5V，后者2K?檔電壓為1.6V，但是測得的阻值卻都呈有規(guī)律變化；并有一種共有的特征：隨著話筒管的Idss電流值的增加而減小，這是在芯片設(shè)計參數(shù)時就決定了的。我們也不可能為個別話筒廠家的特殊要求更改設(shè)計。既然如此，只要基本確定了話筒漏源兩極 的電阻值所需數(shù)值，選擇相應(yīng)Idss電流范圍的話筒管就是了，何必花人工逐個用萬用表測試呢？2.3.3 不論以上測試是否有用，有一點是可以肯定的，這樣測試得到的絕對不是話筒管或話筒的輸出阻抗（Z0），按照電工理論，|Zo|=R+JX，即輸出阻抗Z

16、0是由輸出端的直流電阻 R與輸出端的交流阻抗 JX值 （此處主要由容抗構(gòu)成）取復(fù)數(shù)組成的。2.3.4 至于測試漏源間電阻值與話筒輸出是否失真之間的關(guān)系，該電阻值的大小會不會影響話筒或后級 負(fù)載的音質(zhì)，各位專家當(dāng)然可以討論。我以為兩者是沒有關(guān)系的。2.4 關(guān)于話筒管的耐高溫、高濕試驗的方法問題：2.4.1 高溫、高濕是話筒環(huán)境試驗指標(biāo)中最為重要的項目。話筒工程師們判斷話筒管是否通過高溫高濕 試驗，常用的辦法是把話筒管裝入話筒，試驗話筒后無問題即認(rèn)為話筒管也合格，這是一種捆綁式的做法， 有一定的道理，但容易將話筒的問題與話筒管的問題混在一起。正規(guī)的做法是按照國標(biāo)：晶體管試驗方法 去做；需要專門的試

17、驗設(shè)備，試驗時間往往得要幾百個小時；一般條件下話筒廠家（即使是較大的廠家） 也缺乏條件。在此介紹我們常用的一個簡便方法：在進(jìn)行測試、記錄數(shù)據(jù)后，將話筒管放入沸騰的水鍋中煮 2 小時后取出，用餐巾紙吸干，隨即用話筒專用管模擬測試儀逐一測試，每過15 分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，直至試驗話筒管的被測數(shù)據(jù)都達(dá)到試驗前的值，看參數(shù)恢復(fù)時間的長短，就可看出話筒管耐高溫高濕的能力 了。2.4.2 這是對話筒管最低的試驗要求，如果在試驗中有話筒管失效，就應(yīng)該考慮停用的措施了，不然就 會影響話筒的可靠性。2.4.3 話筒管耐高溫高濕的能力主要取決于話筒管封裝的好壞，封裝不嚴(yán)的話筒管極易受到潮熱的滲透。受潮氣進(jìn)入管體內(nèi)部

18、的影響，最容易畸變的就是泄漏電阻（RG）,畸變的結(jié)果是電阻值變小，從而出現(xiàn)低頻跌落，有時會同時產(chǎn)生 IDS 不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得話筒管即刻失效。2.4.4 當(dāng)然，原有的一些廠家限于自有生產(chǎn)設(shè)備條件 缺少離子注入機，在芯片中用兩個背靠背二極管 來代替多晶硅泄漏電阻，這種話筒管也容易在高溫高濕氣候出現(xiàn)時，形成早期失效。2.5 關(guān)于話筒專用管的抗靜電性能：2.5.1 目前國內(nèi)制造結(jié)型場效應(yīng)管的技術(shù)，對于話筒管必須具備的抗靜電要求還是可以滿足的，話筒管在用于管腳與話筒極板點焊、帶電烙鐵焊錫時的受損率都不太高；因其與MOS 類型的晶體管比較，輸入阻抗還是要低得多，在一般環(huán)境條件下被靜電擊穿的可能性也不會多。

19、我所提供的話筒管，使用工廠經(jīng)過 自做的靜電試驗，都認(rèn)為沒有什么大的問題。值得研究的是，據(jù)我們了解，現(xiàn)在話筒廠的抗靜電試驗，是 將話筒管裝成話筒后放在一個容器中，再接入靜電發(fā)生器進(jìn)行的一種靜電環(huán)境試驗；與一般的半導(dǎo)體器件 管腳直接連接靜電發(fā)生器連擊進(jìn)行試驗，是完全不同的方法，所以試驗參數(shù)和最低通過標(biāo)準(zhǔn)也無法一致。 我們希望與各廠的話筒工程師對此深入交流與溝通。2.5.2我們能夠準(zhǔn)確提供的信息是，2008年12月，我們將自己的產(chǎn)品與對外宣布過有抗靜電先進(jìn)技術(shù)工廠的產(chǎn)品一起，用半導(dǎo)體器件的靜電破壞試驗方法做過一次試驗，結(jié)果我們的話筒管的抗靜電能力略低 于此廠產(chǎn)品。但由于我們的管芯面積比該廠管芯面積大 20% ，受電面積也較大一些，所以抗靜電能力應(yīng)該 算還是及格的。至于外界傳言的管芯內(nèi)有一個壓敏電阻抗靜電的先進(jìn)設(shè)計，我們在解剖該同行產(chǎn)品時沒有 見到，見到的還只是一個話筒管結(jié)構(gòu)。2.6 關(guān)于話筒專用管的噪聲大?。?.6.1 半導(dǎo)體器件的噪聲，主要是由其芯片材料中的載流子無規(guī)則運動引起的。場效應(yīng)管作為一種單極晶體管，無多數(shù)雙極性晶體管常見的由少數(shù)載流子復(fù)合形成的噪聲源，本身就屬于一種低噪聲器件。話筒 管芯片的噪聲，與采用的半導(dǎo)體工藝方法有關(guān)