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电子元器件加速寿命试验方法的比较
刘婧,吕长志,李志国,郭春生,冯士维
(北京工业大学 电子信息与控制工程学院可靠性实验室,北京 100022)
1 引言
加速寿命试验分为恒定应力、步进应力和序进应力加速寿命试验。将一定数量的样品分成几组,对每组施加一个高于额定值的固定不变的应力,在达到规定失效数或规定失效时间后停止,称为恒定应力加速寿命试验(以下简称恒加试验);应力随时间分段增强的试验称步进应力加速寿命试验(以下简称步加试验);应力随时间连续增强的试验称为序进应力加速寿命试验(以下简称序加试验)。序加试验可以看作步进应力的阶梯取很小的极限情况。
加速寿命试验常用的模型有阿伦尼斯(Arrhenius)模型、爱伦(Eyring)模型以及以电应力为加速变量的加速模型。实际中Arrhenius模型应用最为广泛,本文主要介绍基于这种模型的试验。
Arrhenius模型反映电子元器件的寿命与温度之间的关系,这种关系本质上为化学变化的过程。方程表达式为
式中:为化学反应速率;E为激活能量(eV); k为波尔兹曼常数0.8617×10-4 eV/K;A为常数;T为绝对温度(K)。式⑴可化为
式中:式中:F0为累计失效概率; t(F0)为产品达到某一累计失效概率 F(t)所用的时间。算出b后,则
式⑵是以Arrhenius方程为基础的反映器件寿命与绝对温度T之间的关系式,是以温度T为加速变量的加速方程,它是元器件可靠性预测的基础。
2 试验方法
2.1 恒定应力加速寿命试验
目前应用最广的加速寿命试验是恒加试验。恒定应力加速度寿命试验方法已被IEC标准采用[1] 。其中3.10加速试验程序包括对样品周期测试的要求、热加速电耐久性测试的试验程序等,可操作性较强。恒加方法造成的失效因素较为单一,准确度较高。国外已经对不同材料的异质结双极晶体管(HBT)、CRT阴极射线管、赝式高电子迁移率晶体管开关(PHEMT switch)、多层陶瓷芯片电容等电子元器件做了相关研究。
Y.C.Chou等人对GaAs 和InP PHEMT单片微波集成电路(MMIC)放大器进行了恒加试验 [2]。下面仅对GaAs PHEMT进行介绍,InP PHEMT同前。对于GaAs PHEMT MMIC共抽取试验样品84只,分为三组,每组28只,环境温度分别为 T1= 255 ℃,T2=270 ℃,T3=285 ℃,所有参数均在室温下测量。失效判据为44GHz时,|Δ S21|1.0 dB。三个组的试验结果如表1所示,试验数据服从对数正态分布。表中累计失效百分比、中位寿命、对数标准差(σ)均由试验数据求得。其中累计失效百分比=每组失效数/(每组样品总数+1);中位寿命为失效率为50%时的寿命,可在对数正态概率纸上画寿命-累计失效百分比图得出: σ≈lgt(0.84)-lgt(0.5)。
由表1根据恒定应力加速寿命试验结果使用 Origin软件可画出图1。图中直线是根据已知的三个数据点用最小2乘法拟合而成,表示成 y=a+bx。经计算
y=-12.414+8.8355x,
?
代入沟道温度T0 =125 ℃,求其对应的x0,
x0=1000/(273+125)=2.512562
MTTF=lg-1y(x 0)=6.1×109h
拟合后直线的斜率b为8.8355×10 3,则激活能
Ea=2.303bk ≈1.7 eV
因此,沟道温度为125 ℃时,估计GaAs的MTT大于1×108 h,激活能为1.7 eV。
2.2 步进应力加速寿命试验步加试验时,先对样品施加一接近正常值的应力,到达规定时间或失效数后,再将应力提高一级,重复刚才的试验,一般至少做三个应力级。步进应力测试条件见表2。
Frank Gao和Peter Ersland对SAGFET进行了步加试验[3]。温度从150~270 ℃划为六级,每70 h升高25 ℃;沟道温度约比环境温度高30 ℃。总试验时间约400 h。根据Arrhenius模型[4]
式⑶可化为
将式⑷看作
y=a+bx,
式中:,则根据试验数据做温度的倒数——某参数改变量(本试验选取Idss,Ron 等),即关系。拟合后,斜率b可直接读出,乘以 k可得激活能。本文估算出Ea=1.4 eV,再由
MTTF(T0)=MTTF(T1)×exp[Ea(T1- T0)/kT1T 0]
由试验得到某一高温时器件的MTTF( T1),进而可得到样品在125 ℃时的寿命大于107 h。这个结果和常应力测试结果相吻合。
2.3 序进应力加速寿命试验序加试验的加速效率是最高的,但是由于其统计分析非常复杂且试验设备较昂贵,限制了其应用。这方面的报道也较少。
北京工业大学李志国教授报道了微电子器件多失效机理
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