电子元器件加速寿命试验方法的比较

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0.8617×10-4eV/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（PHEMTswitch）、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InPPHEMT单片微波集成电路（MMIC）放大器进行了恒加试验[2]。下面仅对GaAsPHEMT进行介绍，InPPHEMT同前。对于GaAsPHEMTMMIC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，|ΔS21|1.0dB。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）=2.512562MTTF=lg-1y（x0）=6.1×109h拟合后直线的斜率b为8.8355×103，则激活能Ea=2.303bk≈1.7eV因此，沟道温度为125℃时，估计GaAs的MTT大于1×108h，激活能为1.7eV。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。FrankGao和PeterErsland对SAGFET进行了步加试验[3]。温度从150～270℃划为六级，每70h升高25℃；沟道温度约比环境温度高30℃。总试验时间约400h。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=1.4eV，再由MTTF（T0）=MTTF（T1）×exp[Ea（T1-T0）/kT1T0]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107h。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可靠性寿命外推模型[5]，他的学生李杰等人报道了快速确定微电子器件失效激活能及寿命试验的新方法[6]。试验中对器件施加按一定速率β上升的斜坡温度，保持电流密度j和电压V不变。做ln（T-2ΔP/P0）与1/T曲线，找出曲线的线性段，并经线性拟合得到一直线，设直线的斜率为S，则器件的失效激活能E=-kS。得出激活能E后，就可以外推某一使用条件下的元器件寿命李志国老师和他的学生采用上面方法对pnp3CG120C双极型晶体管做了序加试验。初始温度T为443K，升温速率β=1K/8h，t时刻的结温为T=T0+βt+ΔT。电应力：VCE=-27V，IC=18.5mA；测试条件：VCE=-10V，IC=30mA，室温下测量；失效判据：hFE的漂移量ΔhFE/hFE≥±20%。372#样品的试验数据如图2所示。鉴于图2中曲线段a最接近使用温度，能最好地反映正常工作条件下的失效机理，所以选择a段数据用Excel软件做出ln（T-2ΔhFE/hFE）与1/T曲线，并做线性拟合得到一直线，其斜率为S，则器件的失效激活能E=-kS=0.7eV。由图2a段外推出样品的hFE退化20%所需的试验时间如图3所示。根据GJB/Z299C-200x表5.1.1-5c可计算出，样品正常使用时的结温为60℃左右。式⑸经数学处理可变为代入T=585K，求得τ372#=1.2×107h，这个结果与经验数据1.92×107h是可以比拟的。3试验方法的比较3.1加速寿命试验的实施恒加试验一般需要约1000h，总共要取上百个样品，要求应力水平数不少于3个。每个应力下的样品数不少于10个，特殊产品不少于5只。每一应力下的样品数可相等或不等，高应力可以多安排一些样品。步加试验只需1组样品，最好至少安排4个等级的应力，每级应力的失效数不少于3个，这样才能保证数据分析的合理性。另外，JamesA.McLinn提出了在步加试验中具体操作的一些有价值的建议[7]。例如试验应力的起始点选在元器件正常工作的上限附近，应力最高点的选择应参考之前的试验经验或是已知的元器件失效模式来设定，将应力起始点到最高点之间分成3～6段；试验前需确定应力步长的的最小和最大值。序加试验的样品数尚无明确的规定。步加、序加试验只需几百小时，取几十个样品甚至更少且只需一组样品就可以完成试验。目前应用最广的是恒加试验，但其试验时间相对较长，样品数相对多一些。相比之下，步加、序加试验在这方面要占优势。当样品很昂贵、数量有限或只有一个加热装置时，步加、序加试验无疑是最好的选择。3.2加速寿命试验的应用恒加试验已经成熟地应用于包括航空、机械、电子等多个领域。步加试验往往作为恒定应力加速寿命试验的预备试验，用于确定器件承受应力的极大值。如金玲[8]在GaAs红外发光二极管加速寿命试验中，用步加试验确定器件所能承受的最高温度，而后再进行恒加试验，避免了在恒加试验中出现正常使用时不会出现的失效机理。步加试验也可应用于缩短试验时间。已经有将恒加试验结合步加试验以缩短试验时间的做法[9]。序加试验的优点是时间短，但其精度不高，而且实施序加试验需要有提供符合要求应力以及实时记录样品失效的设备。例如冷时铭等人在固体钽电容加速寿命试验中采用自行研制的JJ-1渐近电压发生器控制直流稳压电源提供序进电压，电容测量和漏电流测量分别采用HP公司的4274A和414型漏电流测量仪，失效时间用可靠性数据采集系统记录。又如，北京工业大学李志国教授等人在做高频小功率晶体管序加试验中也搭建了一套完整的试验系统，系统由控温仪、热电偶、样品加热平台组成温度应力控制系统；由偏置电源、万用表、加载电路板组成电应力偏置系统；测试采用Agilent4155C半导体参数测试仪和QT16晶体管特性图示仪完成。4结语当今，电子产品的更新速度越来越快，而既快速又准确的加速寿命测试方法是研究人员热切期望。相信这一愿望定会早日实现