基于金剛石氮-空位色心的微波磁場成像技術的可靠性研究

唐雨桐，葉 安，付鼎元，李曉林，張 超

（1.華東理工大學 物理學院，上海 200237； 2.北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

自20 世紀60 年代以來，以微帶線[1]為代表的微波與毫米波混合集成電路（microwave integrated circuits, MIC）以其結構緊湊、體積小、重量輕、造價低以及便于同有源器件相連等優點而得到迅速發展；繼而隨著新型集成介質傳輸線、介質波導以及諧振器/諧振腔在MIC 的使用[2]以及MIC 加工工藝的進一步成熟，出現了將大量有源器件和無源器件/組件或模塊集成于一塊集成電路（integrated circuit,IC）[3]的單片微波集成電路（monolithic microwave integrated circuit, MMIC）[4]。如今，MMIC 技術已在高科技領域得到廣泛應用[5-8]，它不僅使系統的體積進一步減小，加工成本降低[9]，而且令系統的功能性和可靠性得到提升[6]。芯片作為MMIC 的重要部件之一，其測試是芯片設計生產過程的最后一個環節，在保證芯片的功能正常性與性能指標的準確性方面起著非常重要的作用[10]。但是現有的芯片測試與失效分析技術無法同時滿足非侵入式熱態測量、直接測量和寬場測量需求，例如：探針式測試只能測量直流特征；微波探頭測試雖然可以實現直接測量，但其侵入式測量的特點使熱態參數偏移，單點效率低。

磁成像是探測生物和物理系統的強有力工具。對于MMIC 的熱態失效模式、熱態參數、可靠性評估和故障診斷的研究，相較現有技術，利用基于金剛石氮-空位（nitrogen-vacancy, NV）色心的微波磁場成像有顯著優勢：1）直接測量微波場幅度，可以實現直接測量，并且測量帶寬大，可從DC 到100 GHz量級，刷新率可達300 kHz；2）金剛石NV 色心作為一種微波窗口材料，對微波電磁場的影響忽略不計，可以實現非侵入式測量；3）金剛石NV 色心分布間隔在nm 量級，同時金剛石NV 色心片尺寸在cm 量級，足夠對芯片進行大范圍的寬場測量；4）金剛石NV 色心可高溫（1000 K 以下）工作，滿足高溫可靠性測試的實驗需求；5）磁場與光學、溫度復合成像，可以進行矢量磁場測量。利用金剛石NV 色心可實現對二維矢量磁場的高空間分辨率、高靈敏度快速測量和重建[11]；進一步對微波芯片內部的信息進行反演重建，可實現芯片內部故障點的精確定位診斷、潛在故障點排除；還可以為芯片設計、制備工藝、檢測工藝提供優化所必須的診斷數據[12]。因此，開發該種全新的芯片表面微波磁場矢量測量技術至關重要。

本文首先介紹基于NV 色心的高空間分辨率的二維磁場成像原理，并對基于NV 色心磁成像技術的應用以及通過磁成像技術反演電流分布的技術進展進行了調研；繼而對基于NV 色心系綜微波磁場成像技術的MMIC 熱態可靠性進行研究，給出其總體方案，并概述NV 色心方案較其他方案在芯片失效分析、可靠性評估、熱態參數測試及故障診斷方面的優勢。

1 基于NV 色心的高空間分辨率的二維磁場成像原理與進展

1.1 NV 色心簡介

如圖1 所示，NV 色心是金剛石中的一種晶格缺陷，由一個替代碳原子的氮原子（N）和一個鄰近的空位（V）組成[13]。迄今為止，發現了NV 色心有兩種不同狀態：中性態NV0和負電荷態NV-，只有負電荷態的NV-缺陷可以應用于微波測量。

圖1 金剛石色心晶體結構示意Fig.1 Schematic diagram of the crystal structure of diamond color center

1.2 NV 色心測磁原理

量子自旋態的制備和相干控制是基于金剛石NV 色心體系進行測量的物理基礎，對金剛石NV 色心施加連續的微波和激光來實現自旋操控。NV 色心的基態具有自旋三重態，表示為|ms=0＞、|ms=-1＞、|ms=1＞，|ms＞代表電子自旋狀態。當微波的頻率與基態的塞曼分裂能級差匹配時，自旋態為|ms=±1＞的電子布居度將達到最大。當外部磁場發生變化時，|ms=0＞和|ms=±1＞之間的能級差也會隨之改變；微波的頻率與基態塞曼分裂能級差開始出現不匹配，這種不匹配的程度稱為偏共振。隨著偏共振程度的增加，|ms=±1＞的布居度最終會接近于零。金剛石NV 色心基態的電子布居度變化會導致熒光強度的變化，在掃描微波頻率時，可以觀測到洛倫茲線型的吸收譜曲線。在測量微波磁場強度時，微波信號以脈沖形式發送，將微波頻率定于吸收譜線的共振點處，掃描微波脈沖寬度，金剛石NV 色心在|ms=0＞和|ms=±1＞兩種自旋態之間的布居數呈現衰減的正弦拉比振蕩，在物理形式上表現為熒光強度的變化[14]，即

式中：V為載波頻率處的熒光強度；V0為邊帶頻率處的熒光強度[15]；V1為調制頻率處的熒光強度；h為普朗克常數；ΩR為拉比（Rabi）頻率；t為微波脈沖時間；τ為拉比振蕩的退相干時間。當式(1)滿足t→0+的條件時，可近似為

此時，V與ΩR成線性關系，hΩR=2πγBMW，其中：γ為NV 色心的旋磁比；BMW為微波磁場強度[16]?？芍?，BMW與ΩR成線性關系，

當時間遠小于1 個振蕩周期時，可近似為線性，如果固定微波脈寬，則微波磁場強度在一定范圍內與熒光強度成線性關系，通過測量熒光強度即可測量微波磁場強度[17]。

1.3 NV 色心二維磁場高分辨成像方法

利用高敏感相機測量金剛石色心表面的熒光分布變化，在微波脈沖時間很短的條件下，熒光強度和微波磁場成線性關系[14]。通過每一次測量待測樣品不同位置的拉比振蕩，可以推出其位置上的微波磁場強度，因此只需選取合適的微波脈沖時間，通過測量熒光分布的變化，即可一次性得到待測樣品表面所有區域的微波磁場分布情況，并對應得到各點的微波磁場幅值，實現將微波磁場幅值轉換為相機拍攝的像素點光強讀數的功能。

1.4 矢量電磁場計算與重構

如圖2[18]所示，金剛石NV 色心有4 種不同的晶向[19]，每種晶向對應不同的微波共振頻率。在實際測量中，要盡可能保證所施加的微波頻率與基態能級的共振頻率一致[20]。通過調整偏置磁場的大小，可以使4 種不同晶向的NV 色心分別達到共振狀態，實施拉比振蕩。測量得到的磁場是被測磁場在各個晶體軸上形成的矢量投影。如果建立一個笛卡 爾 坐 標 系，NV1、NV2、NV3和NV4分 別 代 表NV 色心的4 種不同晶向的軸。每兩個NV 色心軸之間的夾角是109.47°，NV1軸向為[111]；NV2軸向為 [1ˉ11] ； NV3軸向為 [11ˉ1] ； NV4軸向為 [1ˉ1ˉ1]，如圖3 所示。選擇系綜金剛石表面作為坐標系的xy平面，z軸和金剛石表面垂直。通過幾何運算，可以得到4 個軸的矢量表達式。在這種情況下，磁感應強度的各軸向分量分別可以表示為[21]

圖2 金剛石中NV 色心的4 種晶體取向[18]Fig.2 Four crystal orientations of NV color centers in diamond[18]

圖3 用菱形晶格向量定義的NV 對稱軸和實驗室坐標系方向 x? 、 y?和z?[21]Fig.3 NV symmetry axis defined by rhombic lattice vectors and lab frame directions of x? 、 y? and z?[21]

式中BNVi(i=1, 2, 3, 4)為磁場在4 種不同晶軸的投影。利用色心的多軸分布特性，通過時分復用，多次測量可得到不同方向微波磁場的幅值投影，經過計算和重構可以得到二維探測平面上磁場的全部矢量信息。

1.5 其他基于NV 色心的量子傳感方案

基于NV 色心的磁力計大致分為兩類：一是使用單個NV 色心作為掃描探針單元；二是使用系綜NV 色心進行磁場傳感和成像。它們提供了不同的空間分辨率和磁場靈敏度，并應用在材料科學、生物學和量子技術的不同研究領域。

1.5.1 基于單個金剛石NV 色心的量子傳感

基于單個金剛石NV 色心的量子傳感方案是將單個金剛石NV 色心集成到原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）的尖端。將共聚焦顯微鏡、毫瓦天線和AFM 系統結合起來，用于記錄NV 色心的獨立光致發光（photoluminescence,PL）。在這種方法中，AFM 的針尖和共聚焦顯微鏡放置在樣品的相對側（采用倒置配置），或者使用具有長工作距離的顯微鏡物鏡放置在樣品的同側。這種布置可以研究透明和不透明的磁性結構。通過納米定位儀器和毫瓦激光的結合，NV 色心的電子自旋可以在環境條件下作為無擾動的原子尺寸掃描探針磁強計。當探針接近目標時，可以感知樣品發出的任何局部磁場的存在，從而引起相關的電子自旋共振（electron spin resonance, ESR）移位，從而可定量測量沿著NV 色心量化軸的磁場投影[22]。

實現掃描磁傳感器的工程設計主要有兩種方式。其中一種直接的方式是將帶有單個NV 色心的金剛石納米晶體使用UV 固化黏合劑或帶有正電的聚合物（如聚賴氨酸[23]）固定在AFM 尖端的頂端[24]。在施加固定微波頻率的情況下，通過記錄NV 缺陷的光致發光強度對磁性納米結構周圍的磁場輪廓成像，當電子自旋躍遷與施加的微波頻率共振時，光致發光圖像會變暗。盡管將金剛石納米晶體接枝到AFM 尖端在實驗中簡單且可靠，但精確控制AFM 尖端上的納米金剛石位置比較困難，這限制了磁傳感器與目標樣品之間的最小可實現距離。

為了充分發揮基于金剛石NV 色心的磁強計的潛力，所選用的金剛石NV 色心應具有長時間的自旋相干并且能夠進行掃描，以便有效地讀取和掃描目標樣品。為此，Grinolds 提出了一種方法：使用全金剛石掃描探針尖端，它包含單個NV 色心，這些尖端是由高純度氣相化學沉積（chemical vapor deposition，CVD）制造的金剛石樣品制成的[25]。這種單片掃描NV 色心傳感器采用金剛石納米柱作為掃描探針，通過在柱端大約10 nm 處注入離子來人工創建單個NV 色心；金剛石納米柱的典型直徑為200 nm，長度為1 μm，并制造在幾μm 大小的金剛石平臺上，這些平臺單獨連接到AFM 尖端用于掃描。上述器件均由高純度單晶塊狀金剛石制成，以確保NV 色心具有長自旋相干時間；此外，金剛石納米柱作為NV 色心熒光的有效波導，顯著提高了光信號的收集效率。這種方法下的NV 色心靠近樣品表面，因此具有較高的探測靈敏度。

1.5.2 基于系綜NV 色心的光纖磁強計磁場探測

雖然共聚焦顯微鏡方案已成功實現了基于NV 色心的高靈敏度磁場傳感和梯度測量，但在某些情況下，比如在生物系統中測量磁場和溫度時，通常需要將基于NV 色心的傳感器與光纖接口結合使用。一種常見的方法是在光纖的一端附加一小塊金剛石，從而形成一個小巧且具有高積分電位的實用磁強計探頭[26]。在光纖平臺上對金剛石NV 色心產生的光探測磁共振（optical detected magnetic resonance, ODMR）進行光學檢測，為室溫磁場成像、磁梯度測量以及單個生物細胞的測溫提供了一種輕便且強大的固態量子測量平臺。

使用集成了金剛石NV 色心和數值孔徑（numerical aperture, NA）較高的光子晶體光纖（photonic crystal fiber, PCF）的磁力計，可以在不影響光纖探頭耐久性的情況下進一步提高光纖磁場成像的空間分辨率。這種成像技術的空間分辨率受NV 色心晶體尺寸和NV 色心附著在光纖芯上的直徑影響。通過減小NV 色心和光纖芯的尺寸，可以獲得更高的空間分辨率。但是，這種空間分辨率的提高是以光纖捕獲的低PL 信號為代價的，會導致磁場測量的靈敏度較低。因此，光纖的數值孔徑成為影響空間分辨率、PL 信號和靈敏度水平的關鍵參數。

Duan 等提出了一種改進方案，例如在末端增加一面鏡子，以提升熒光的收集效率和空間分辨率[27]。通過使用合適的微凹反射鏡，將散射的激發激光聚焦到位于反射鏡焦點的金剛石上；同時，為避免來自金剛石晶體的與光纖相反方向的熒光在到達檢測器時丟失，鏡面將這部分熒光重新聚焦到接收光錐區的光纖中。相較于不使用鏡子的情況，采用微凹反射鏡可以將熒光收集率提高約25 倍，從而有助于獲得高信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）的光檢測磁共振信號。此外，通過在光學系統中采用1×2 光纖耦合器替代光路中一些笨重的光學元件，能夠簡化NV 傳感器系統，使系統的復雜性降低，同時有效地從含有微晶金剛石NV 色心中獲得激發和熒光收集[27]。

Duan 等提出了其他方案，即內窺鏡型配置的錐形光纖（tapered optical fiber, TOF），以提高激發和熒光收集效率[28]。在構建基于NV 色心的內窺鏡型傳感器時，利用光纖激發金剛石中的NV 色心并收集其熒光是至關重要的。因為單個NV 色心的熒光相對較弱，容易被綠色激光激發的光纖芯氧化缺陷的熒光所掩蓋，所以在構建內窺鏡型傳感器時，在光纖頂端固定一個微米級大小的含有高密度NV 色心的金剛石相較于納米級金剛石含有單個或多個NV 色心是更為可行的選擇。

然而，大多數光纖的數值孔徑較小，這限制了熒光收集效率，進而影響了基于NV 色心的內窺鏡型傳感器的靈敏度和空間分辨率。實驗結果顯示，TOF 針尖的激發效率可達非TOF 光纖針尖的7 倍以上，而熒光收集效率甚至可高達15 倍以上。這說明錐形光纖尖端具有較高的數值孔徑，因此具備更高的NV 色心激發和熒光收集效率，有望潛在提升基于NV 色心的內窺鏡型傳感器的靈敏度和空間分辨率。

1.6 NV 色心磁力計磁成像技術應用

基于金剛石NV 色心的微波磁場成像技術是一種基于固態電子自旋的全新磁場傳感技術[11]。金剛石色心因其原子級的缺陷尺寸、優異的溫度適應能力、穩定的發光特性、良好的自旋相干性能、可操控的能級結構以及對環境場的高度敏感[29]，在傳感領域尤其在微波場傳感方面具備廣泛的應用潛力。

2017 年，墨爾本大學利用系綜金剛石NV 色心構建的量子傳感器陣列，映射了矢量磁場，并對石墨烯的幾何結構上的矢量電流密度進行了重建，對電流的投影靈敏度小至1 mA，空間分辨率＜1 μm（如圖4[30]所示）；同時，使用測量得到的磁場信號對石墨烯表面電流進行了反演，圖5 展示了與亞微米級物理缺陷相對應的明顯空間變化[30]。2018 年，巴塞爾大學基于系綜金剛石NV 色心的磁場測量成果，研制了一款擁有mm 級的視場和μm 級的空間分辨率的寬場微波顯微鏡。該顯微鏡的微波強度靈敏度為動態范圍為48dB，時間分辨率為1 ms；并利用該顯微鏡對微波電路元件上方幾μm 范圍內2.77 GHz 的微波場進行了成像[31]。2020 年，麻省理工學院利用納米金剛石NV 色心實現了溫度和磁場的同時成像測量，磁場靈敏度達到量級，同時溫度測量靈敏度也達到量級[32]。2021 年，斯圖加特大學采用外差方式探測微波場，在對4 GHz 微波信號進行測量時，獲得了低于1 Hz 的光譜分辨率[33]。

圖4 石墨烯缺陷附近的電流圖像[30]Fig.4 Current image near graphene defects[30]

利用磁場反演得到的電流可以進行芯片故障分析。1989 年，美國物理研究所提出了一種基于Biot-Savart 定律的算法，通過測量磁場來獲取二維電流分布的圖像[34]；2017 年，魏茨曼科學研究所凝聚態物理研究部為解決使用該方法產生的過度平滑問題，開發了一種直接的磁場反演程序，并引入了一種反射程序，允許重建穿過測量窗口邊界的電流[35]。2020 年，墨爾本大學研究發現，相比基于平面外場Bz的電流密度重建方法，同時測量兩個平面內分量（Bx和By）的重建結果更為理想[36]。同年，哈佛大學對具有多個電流平面的情況且電流被限制為僅具有Jx或Jy分量的電流源進行了重建，結果表明梯度測量可增強附近所關注的電流源的可識別性[37]。2021 年，康奈爾大學使用NV 色心探測多層IC 中電流產生的磁場，并展示了室溫下對電流密度的三維分量Jx、Jy、Jz的重建，如圖6 和圖7所示[38]，其中圖7[38]中箭頭的厚度和顏色均與總電流密度大小成比例；該研究表明，空間分辨率達到亞微米級，并且通過電流在不同層中的局部化，可以觀察到電子芯片中的異常電流。這一突破性研究為nm 級電子芯片三維電流映射奠定了基礎[38]。

圖6 電流密度三維分量Jx、Jy、Jz 的圖像[38]Fig.6 Images of the three-dimensional components of Jx, Jy,Jz of current density[38]

圖7 IC 外層的三維表示[38]Fig.7 Three-dimensional representation of the outer layer of IC[38]

2 基于NV 色心系綜微波磁場成像技術的MMIC 熱態可靠性研究

2.1 總體方案

如圖8 所示，532 nm 激光器利用聲光調制器產生光脈沖，通過放在顯微物鏡前約200 mm、焦距f=250 mm 的柱透鏡創建片狀激光。由于圓柱形透鏡的反射會造成約100 mW 的激光功率損失，所以將透鏡由垂直激光入射口方向傾斜約60°，以達到所需的片狀激光厚度。假設無進一步損失，鉆石上面積為14 μm×1.5 mm 的光斑的強度為3 kW/mm2。使用顯微鏡物鏡后面的兩個鏡子來引導激光束入射到鉆石邊緣。鉆石邊緣的激光束由于其路徑與垂直方向有一定的角度，故光束路徑彎曲的角度＜90°。這個入射光的一部分作為水平片狀激光光片被耦合到鉆石（側面需打磨成光學面）中，形成均勻照射，實現色心態制備和探測。色心金剛石與待測器件緊貼，外加的微波信號通過開關和功放形成微波脈沖作用于色心金剛石，其拉比振蕩頻率與微波磁場幅度成正比。對于μm 尺寸的微波輻射結構，寬場成像技術是其探測的常用技術手段，不僅可以得到較高的空間分辨率，更重要的是可以快速分辨出不同位置的微波輻射強弱[39]。色心金剛石發出的熒光通過物鏡和透鏡，成像到sCMOS 相機；通過寬場成像模式，得到熒光二維平面分布；雙色鏡和長通濾光片濾除雜散的532 nm 激光提高信噪比。通過對sCMOS 相機采集圖像數據的處理，可重構出色心金剛石表面附近待測微波芯片的矢量磁場幅值和相位信息。待測芯片安裝于三維納米促動調節平臺上，移動待測芯片掃描測量位置，可獲得芯片矢量磁場分布全貌。

圖8 系綜金剛石NV 色心微波磁場成像系統原理示意Fig.8 Principle of the integrated diamond NV color center microwave magnetic field imaging system

2.2 NV 色心磁成像技術應用于芯片熱態可靠性研究

金剛石色心體系具備直接測量微波幅度與相位信息的功能，屬于非侵入式測量，可在器件正常工作狀態下進行，且被測參數受到探頭的影響可忽略，因此測量結果更加接近原值，所提供的MMIC參數退化和可靠性信息更加準確。通過MMIC 芯片近場微波測量，可得到包括插入損耗、RF 小信號增益和增益壓縮為1 dB 時的輸出功率的參數退化測試結果。

2.2.1 失效分析

判斷失效的模式，查找失效原因和機理，提出預防再失效的對策的技術活動和管理活動稱為失效分析。失效分析是確定芯片失效機理的必要手段，為有效的故障診斷提供了信息，為生產測試提供補充，為驗證測試流程優化提供信息基礎[40]。

傳統的芯片失效分析方法有金屬球制作接觸式探針、顯微紅外熱成像、電流檢測等[19]。芯片微波近場測量一般利用金屬開放式波導，但金屬探頭會對待測微波磁場產生干擾，從而降低測量的準確性；且探頭本身尺寸相較于芯片的μm 級布線來說較大，難以進入器件內部，故無法滿足高分辨率、非破壞性的矢量微波近場測試要求[41]。顯微紅外熱成像方法是依據各種元器件失效導致的光輻射以熱效應體現出的原理，通過分析熱成像來進行失效分析，但對于無熱效應體現的元器件無效[17]。目前，失效分析工作使用最多的是電流檢測方法，但用于測試生成的算法設計過程復雜，測試生成要求較高[19]。

利用基于金剛石NV 色心的微波磁場成像對微波毫米波芯片的熱態失效模式進行研究，相較于上述方法，有顯著優勢：1）金剛石作為一種通用的微波窗口材料，對被測微波場影響可以忽略，具有非侵入性[11]；2）可以以ms 量級的速率檢測mm 量級尺寸的工作區域[12]，對一些變化較快的熱態參數可捕捉到實時數據；3）成像區域可動態調節，對于更小的成像區域可提供更快的成像速度。失效分析時，通過金剛石色心磁場成像，可反演出芯片內部微波場分布并得到射頻參數，研究與飽和漏電流變化的關系，可以解釋有源器件的失效機理；可反演出無源器件附近微波場分布，研究微波損耗和相位的含時變化，可以進行無源器件的失效分析。

2.2.2 熱態參數與可靠性評估

處于功率激勵條件下的熱態器件參數關系到器件的輸出功率和效率，以及工作穩定性等因素，因此該參數的獲取對微波設計有重要意義。

給定一個故障和失效準則，確定可靠性的最直接方法是將大量樣本在實際條件下使用，并隨時間推移對照故障準則監控其性能。但大多數產品的使用壽命較長，因此這種方法不切實際[10]。芯片等電子元件的可靠性評估有諸多方法，如星上單機級電子產品采用加速壽命試驗[42]方法、微波電子產品使用步進應力加速退化試驗（step stress accelerated degradation testing, SSADT）評估方法等。但這些可靠性評估方法只能用于批次產品，無法對實際使用的單個元件進行精確、無損的診斷。

金剛石NV 色心滿足高溫（1000 K 以下）可靠性測試的實驗需求[43]。為了在合理的時間內獲取MMIC 可靠性數據，可以采用“加速測試”技術。這種加速過程受應力-時間模型的控制，其中阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式已被半導體行業作為指導原則[44]。將實驗數據或者熱力學仿真結果通過阿倫尼烏斯公式處理，可獲得設備在正常工作溫度下的壽命和可靠度等。

對阿尼利烏斯公式進行改寫，可表示為

式中：t1、t2為失效時間；Eα為材料對應的活化能；k為斯忒藩-玻耳茲曼常量；T1、T2為絕對溫度。一般而言，電子元器件運行溫度每升高10 ℃，其壽命約縮短1/3 到1/2。

針對GaAs 器件耐高溫的特點，加速實驗選取的環境溫度范圍為150～300 ℃之間，每種器件需要進行以下測試：

1）室溫參數。該項測試參數包括器件的插入損耗、RF 小信號增益、增益壓縮為1 dB 時的輸出功率。

2）高溫參數。在實驗溫度范圍內每隔5 ℃取一個溫度點快速提取所需要的敏感參數，對所采集數據進行線性插值，得出該溫度段內每個溫度點所對應的參數值。

3）加速老化。在給定的溫度范圍內施加一定的升溫速率，同時對樣品施加恒定電應力加速樣品的退化；在與高溫參數相對應的各溫度點測量樣品的參數，提取各個溫度點下的敏感參數，達到所規定的失效標準時停止。

4）樣品恢復。老化實驗后對未損壞的樣品進行測試，提取與室溫下相對應的各參數。

基于NV 色心磁成像技術的可靠性評估的優勢有：1）通過簡單升級，即可添加磁場與溫度復合成像功能[45]，在進行可靠性測試的同時精確測量局域溫度，為可靠性加速老化實驗提供準確的溫度參數；2）可同時監測多個器件或芯片中的多個部位，從而更全面和系統性地開展可靠性研究；3）微波器件可以連接前級和負載進行熱態測試，能夠提供被測件在工作狀態下的匹配、穩定性評估，以及放大器級聯之間的影響等技術信息，方便進行熱態器件測量。

2.2.3 故障診斷

電子元器件的故障分析是指借助各種測試技術和分析方法明確元器件的失效過程，分辨失效模式或機理，從而確定其最終的失效原因[1]。故障樹分析法（fault tree analysis, FTA）[46]是故障分析常用的一種重要方法：先把所研究系統的最不希望發生的故障狀態作為分析目標；然后找出直接導致這一故障發生的全部因素；再找出造成下一級事件發生的全部直接因素，直到那些故障機理已知的基本因素為止。微波芯片的典型故障樹如圖9 所示。

圖9 微波芯片故障樹[46]Fig.9 Fault tree of microwave chips[46]

利用基于NV 色心的微波磁場成像，可同時獲得磁場成像與光學成像，使得定位失效故障器件位置更加方便。

3 結束語

MMIC 因其體積和質量小、生產成本低、一致性好等優點得到廣泛應用。如今，國外毫米波頻段的放大器、混頻器以及開關等都有MMIC 產品，而且武器裝備中的毫米波星載、彈載以及機載系統已經大量采用MMIC 技術，甚至一些毫米波多功能模塊，如接收/發射組件，也已經有大量單片成果。但芯片測試與失效分析技術的發展速度遠不及芯片設計與制造工藝發展的速度。芯片的可靠性研究可以保證芯片的功能正常性與性能指標的準確性，而黑盒測試、微波探頭測試和紅外成像等現有方案有缺陷，無法同時滿足微波芯片測試非侵入式熱態測量、直接測量、寬場測量的需求。目前已有許多基于NV 色心進行微波場傳感的應用，利用NV 色心系綜微波磁場成像技術可以滿足對微波毫米波核心芯片熱態參數測試、可靠性評估、故障診斷的表面電磁場測量快速重構，以及高精度表征的測試需求，可以應用于高功率微波武器、微波無線電能傳輸、戰術通信、微波遙感和雷達等相關微波芯片的設計和測試中。