大功率晶体管的步进应力加速寿命试验

大功率晶体管的步进应力加速寿命试验 刘婧，吕长志，李志国，郭春生，冯士维，孙静莹 (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) 摘要：加速寿命试验广泛地用于在短时间内预测元器件的寿命。本文介绍用步进应力加速寿 命试验估计大功率晶体管的激活能和寿命。本试验采用温度斜坡模型，试验结果在和经验数 据做比较后认为是合理的。 关键词：可靠性，步进应力加速寿命试验，恒定电应力温度斜坡法，大功率晶体管 1. 引言 多年来，电子产品的可靠性一直是人们关注的问题。加速寿命试验的一般是恒定应 力加速寿命试验。这种试验的数据较为精确但需要较长的时间和较多的样品。因而相关人员 也一直在研究步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。本文介绍了大功率晶体管的 步进应力加速寿命试验。试验说明了恒定电应力温度斜坡法可以粗略地用于步进应力加速寿 命试验的数据处理。 2. 恒定电应力温度斜坡法 试验中使用恒定电应力温度斜坡模型[1]，根据Arrhenius方程 dM/dt = Aexp[-E/kT] (1) 其中 dM/dt 为微电子器件的参数失效率；A 为频数因子，E 为失效激活能；k 为玻尔兹曼常 数；T 为绝对温度。考虑到电流电压对器件退化的影响，建立如下模型 d A exp( )exp( )exp( ) d k n mM Ej V t T −= (2) 其中n为电流密度幂指数；m为电压幂指数； j是电流密度；V是电压。(2)式两边同时除以器 件特征参数初始值M0，可得 0 d A exp( )exp( )exp( )d k n mM Ej V M T t−′= (3) 其中A’=A/M0, M0为器件的初始特性参数。对样品施加按斜率β上升的温度，则t时刻的结温 为： T(t)=T0+βt+ΔT (4) 其中T0为初始环境温度；β 为温度上升速率； ΔT 为微电子器件在施加电应力后产生的焦 耳热引起的温升。由(4)式可得， dT=βdt (5) 代入(3) 式，得到： 0 d A exp( )exp( )exp( / )dn mM j V E kT M β T ′= − (6) 对(6)式两边积分，可得 0 00 1 A exp( )d exp( )d M Tn m M T j V EM T M kβ ′ + −=∫ ∫ T (7) 一般情况下，E/kT>>1, 所以 0 00 k exp( )d [ exp( ) - exp( )] k k T 2 2 T -E -E -E T = T T T E T T ∫ k (8) 在试验中温度的变化范围通常会大于 100K，所以 T2exp(-E/kT)>>T02exp(-E/kT0)[2] (9) 则(7)式的积分结果可简化为： 2 0 kA exp( ) exp( ) k n mM j V T E M E Tβ ′Δ += − (10) 上式两边同时取对数，得： -2 0 ) Δ 1 ln( ) = lnC + (- kM M E T T (11) 其中 n mkA exp( + ) C = j V βE ′ (12) 试验中电流密度和电压保持不变。画ln(T -2ΔM/M0)—1/T的关系曲线，找出其中的线性部分， 数据拟合后直线的斜率为S，样品的失效激活能即为 E=-kS (13) 设在试验过程中，由t1时刻到t2时刻，器件的特征参数退化到失效判据所引起的器件退化能 量积累为： 2 1 exp( )d t n m t EQ j V kT −= ∫ t (14) 而产品正常使用时的温度应力为T0，此时器件退化的能量积累Q’为 2 1 0 0 0 0 0 0 ' exp( )d exp( ) t n m n m t E EQ j V t j V kT kT τ ′ ′ − −= =∫ (15) 其中τ为测试器件的寿命, J0和V0为正常工作时的电流密度和电压。根据Nelson积累损伤模型 [3]， Q=Q’ (16) 则 τ 可以外推得到： t2 t1 j0 - exp( )d k - exp( ) k E t Tτ E T ∫ ＝ (17) 其中试验条件应和器件的实际工作条件一致，即j=j0, V=V0；Tj0为器件正常工作时的结温。 (17)式可以简化为 2 1 j0 t t 1 - exp( )d k - exp( ) k E t β T τ E T ∫ ＝ (18) 考虑到式(5)和(8)，式(18)可简化为 2 2 1 j0 j0 1 - -exp( )d k exp( ) k k= - exp( ) exp( ) k k T T E - ET T β T Tτ E E βE T T ∫ ＝ (19) 其中T1，T2是与t1，t2对应的结温。根据此式即可预测受测器件的寿命。 3. 试验条件和试验数据 试验样品为 3 支 3DD153Si双极大功率晶体管。样品首先在 250℃下退火 10 小时。然后， 在室温及 100℃至 250℃（每升温 25℃测一次，每个温度台阶保持 24 小时）对样品进行测 试。随后，给样品施加电应力，电路图如图 1 所示：VCE =12.5V，VBE=2.7V，电源由hp6031A 和北京工业大学电子厂生产的晶体管稳压电源提供；IC =0.75A，通过手动调节基极电阻保 持 IC为常数。 图 1 试验电路图 在 100℃至 250℃（每升温 25℃测一次，每个温度台阶保持 24 小时）在线测量器件的 典型参数，即电流增益△IC/△IB、IB CEO, ICBO, VCES 和 VBES以监控器件是否失效。测试仪器 为Agilent4155C半导体参数分析仪。3DD153 的热阻和功率分别为 10℃/W 和 3.75W。因而 由于自加热产生的温升约为 40℃。根据测试结果，ICEO为主要失效参数。ICEO的特性曲线如 图 2 所示。 图 2(a) 1#样品ICEO－T的关系曲线 图 2(b) 2#样品ICEO－T的关系曲线 图 2(c) 3#样品ICEO－T的关系曲线 由图 2 知，ICEO1 在 175℃时超过Agilent4155C最大测量值 1A，ICEO2 和ICEO3表现出相似 的特性。 4. 试验数据处理 数据处理采用前面介绍的模型。将步进应力近似看作序进应力处理，温度斜率β为 25/24 ℃/h。参数ICEO和 ICEO0分别为样品在不同温度下加电和不加电时的测量值。由于样品在 100 ℃至 150℃之间与正常工作状态最为接近，我们选择第一段数据区间来拟合。拟合曲线如图 3 所示。 图 3(a) 1#样品的ln(T-2ΔICEO / ICEO 0)－1/T的关系曲 线及拟合曲线 ln (T -2 Δ I C EO / I C EO 0 ) ln (T -2 Δ I C EO / I C EO 0 ) 图 3(b) 2#样品的ln(T-2ΔICEO / ICEO 0)－1/T的关系曲 线及拟合曲线 ln (T -2 Δ I C EO / I C EO 0 ) 图 3(c) 3#样品的ln(T-2ΔICEO / ICEO 0)－1/T的关系曲线及拟合曲线 1#, 2# and 3#样品的拟合直线的斜率为S1=-14463, S2=-16021, S3=-14813。由式(13)得它们 的激活能分别为E1=1.25eV, E2=1.38eV, E3=1.28eV。由式(19)，三个样品的寿命分别为t1=1.48 ×106，t2=4.62×106，t3=1.91×106。根据有关的经验数据，Si功率晶体管的寿命为 5.29×106[4]， 所以试验结果是可以接受的。 5. 失效机理分析 ICEO具有正温度系数，在高温下将会影响器件的可靠性。在试验中，器件的ICEO比正常 工作时高了几个数量级。试验完毕后，回到室温下的测量值较试验前高 2 个数量级。ICEO中 表面漏电流所占比重最大。表面漏电流的主要失效机制是表面正电荷和界面态的影响。表面 正电荷由SiO2中碱金属离子(如Na+, K+等)引起，界面态由结构缺陷、氧化造成的缺陷及辐射 导致的键裂引起。 因此，为了改善器件性能，就需要尽可能减少缺陷。此外，应采取使半导体性能更加稳 定的钝化方法。例如，现在广泛使用Al2O3、Si4N3作为钝化膜，阻挡Na+。又如，将芯片在 H2、N2气体中退火以减少固定电荷或界面态。 6. 结论 (1)试验结果和经验数据的比较证明了当所需精度不高时，步进应力加速寿命试验的数据处 理可以采用序进应力数据处理方法（恒定电应力温度斜坡模型）。实际上，序进应力是步进 应力的极限情况。上述方法可用于激活能和寿命的粗略估计。 (2)不同元器件对应的模型中的参数 M 不同，取决于失效敏感参数的不同。 (3)此次测试仅用了 8 天。如果想提高数据精度，可以使用更多的样品和更长的步进应力台 阶[5]。 参考文献 [1]李杰，郭春生，莫郁薇等.快速确定微电子器件失效激活能及寿命试验的新方法.半导体学 报，8，2005:1662. [2] Redhead P. A. Thermal desorption of gases, Vacuum, 1962. [3]Nelson W B. Accelerated life testing-step-stress models and data analysis. IEEE Trans Reliability, 29, 1980:2. [4] The Data Centre of National Information Net. The analysis for the reliability of the electronics products. Reliability and quality information, 2000:16 (in Chinese) [电子产品目前可靠性水平分 析. 国家网信息中心资料, 可靠性与质量信息, 2000:16]. [5] McLinn J. A. Ways to improve the analysis of step-stress testing. Reliability and Maintainability Symposium Proceeding, 1998:358-364. 作者简介 刘婧(1981-)，女，北京人，北京工业大学电子信息与控制工程学院可靠性实验室，在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 大 功 率 晶 体 管 的 可 靠 性 研 究 ， sliujing@emails.bjut.edu.cn，邮编 100022，010-67392125； 吕长志（1950-），男，北京人，研究员，博士生导师，北京工业大学电子信息与控制工 程学院可靠性实验室，主要研究方向为 GaN 基器件及半导体器件的可靠性 chzhlu@bjut.edu.cn，邮编 100022，010-67392125。 大功率晶体管的步进应力加速寿命试验 作者： 刘婧， 吕长志， 李志国， 郭春生， 冯士维， 孙静莹 作者单位： 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 相似文献(10条) 1.期刊论文 陈循.陶俊勇.张春华 可靠性强化试验与加速寿命试验综述 -国防科技大学学报2002,24(4) 介绍可靠性强化试验与加速寿命试验的基本概念,并进一步综述强化试验与加速寿命试验的国内外研究现状,最后对强化试验与加速寿命试验领域可能的研究方向进行归纳总结. 2.期刊论文 浦志勇.林克.PU Zhi-yong.LIN Ke 加速寿命试验与电能表的可靠性试验方法 -电测与仪表2008,45(12) 现行电能表相关对电能表的可靠性与寿命提出了相关要求,然而,相应的测试方法非常费时.本文在介绍了可靠性与加速寿命试验的一般理论基础上,结合电能表的应用环境 ,首次提出采用高温高湿环境实现加速寿命测试的方法用以评估电能表的可靠性,该方法在实验室中用10台样机进行10天左右的时间,可以验证电能表10年的平均寿命,从而大大可以减 少试验时间并在浙江正泰仪表公司内部开展了验证.在此基础上,本文还探讨影响电子式电能表寿命的LCD、电池和电容等元器件的寿命评定方法. 3.学位论文 钱萍 航天电连接器综合应力加速寿命试验与统计分析的研究 2009 航天电连接器作为航天系统中电信号传输、电路连接和实现特定功能的重要配套元件，数量庞大、地位重要。任何一套电连接器的失效都将导致系统发生故障，因此其可靠性的 高低直接影响系统是否能可靠地工作。鉴于电连接器在实际工作中会遭受多种环境因素的影响，且目前仍然缺乏电连接器在工作环境应力下的可靠性指标，使得系统的可靠性设计难 以进行，造成系统的可靠性得不到保证，因此评估电连接器在工作环境综合应力作用下可靠性的相关技术成为重要的研究课题。本文以Y11X—1419圆形低频电连接器为研究对象，对 快速评估产品综合应力作用下可靠性水平的加速寿命试验相关技术进行了全面的研究。
　　 第一章阐述了课题的研究背景和重要意义，分析了加速寿命试验统计模型、加速寿命试验优化设计以及加速寿命试验数据的统计分析方法的国内外研究现状以及存在的问题，回顾 和总结了航天电连接器的可靠性研究现状及存在的问题，最后给出了论文的主要研究内容和框架结构。
　　 第二章从失效机理层面推导了航天电连接器在温度和振动应力综合作用下的可靠性统计模型。首先对航天电连接器接触失效进行分析，从导致接触件失效的内在原因——电连接器 接触件表面氧化物和磨损腐蚀物构成的绝缘膜层的增生出发，研究膜层的增长规律，并结合电连接器结构特点，利用渐近分布理论，导出航天电连接器的工作寿命服从二参数的威布 尔分布；同时基于化学反应论及微动磨损理论，得出电连接器在温度和振动应力作用下的失效物理方程为广义Eyring模型，从而建立了航天电连接器在温度和振动应力作用下的可靠 性统计模型。
　　 第三章建立了产品基于定时测试的综合应力加速寿命试验优化设计方法。依照产品的可靠性统计模型，利用均匀设计理论确定了综合试验应力的组合方式和试验次数，结合测 试时间等概率原则，建立了定时测试下的综合应力试验方案优化设计的数学模型。将优化的加速寿命试验方案与未经优化的一般试验方案进行比较，结果表明，在相同的样本量下 ，优化试验方案大大提高了试验的估计精度。同时对优化试验方案进行模型初值偏离的鲁棒性分析，为设计稳健性试验方案的初值选择提供了理论依据。
　　 第四章建立了定时测试综合应力加速寿命试验方案模拟方法。以产品在正常应力水平时中位寿命渐近方差的期望值和标准差作为加速寿命试验方案估计精度和稳定性的考核指 标，应用蒙特卡洛模拟方法，建立了定时测试综合应力加速寿命试验的模拟方法，利用定时测试极大似然估计理论，建立了定时测试综合应力加速寿命试验方案模拟评价的数学模型 ，并以随机抽样的渐近方差的均值和标准离差分别代替其期望值和标准差，提出了试验方案模拟评价的方法。对试验方案的模拟结果表明，所提出的定时测试综合应力加速寿命试验 方案的优化理论正确，方法可行。
　　 第五章应用估计性能优良的极大似然估计方法对分组试验数据进行统计分析，得到了电连接器的可靠性寿命特征量的估计值，定量评估了电连接器的工作可靠性水平。
　　 第六章建立了具有较高估计精度的综合应力加速寿命试验数据的置信区间估计方法。基于现有估计方法中的二步拟合回归方法，将基于大样本理论的Bootstrap方法引入到回归分析 方法中，再次利用Bootstrap思想对Bootstrap估计值进行纠偏处理，提出了小样本情况下产品可靠性特征量的Bootstrap回归置信区间估计方法。随机模拟的结果表明， Bootstrap回归区间估计精度均能基本满足给定置信度的要求。
　　 第七章提出了产品综合应力可靠性统计模型的验证方法。利用加速寿命试验数据，结合图分析和数值分析方法，验证了电连接器的寿命分布模型；从三维空间角度将失效物理方程 准确度的验证问题转化为空间数据点共面性的检验问题，从加速寿命数据的统计检验角度出发，通过对综合应力失效物理方程进行多元线性回归拟合，以表征空间数据点和拟合值的 垂直距离平方和与空间数据点本身的离差平方和相对大小的统计量作为检验指标，提出了定量评估失效物理方程准确度的多元线性回归拟合检验的验证方法，对电连接器的可靠性统 计模型验证结果表明，该模型能很好地描述电连接器特征寿命在温度和振动综合应力作用下的变化规律；进一步通过扫描电镜分析和能谱分析，证明了从失效机理层面建立可靠性统 计模型的合理性，为加速寿命试验方案的优化设计、模拟评价及试验数据的统计分析的正确性提供了有力的依据。最后总结了全文的研究工作，并展望了进一步的研究工作。 4.期刊论文 吴曼林.唐其环.万军.WU Man-lin.TANG Qi-huan.WAN Jun 加速寿命试验与高加速寿命试验的比较分析 -装备环境工程 2007,4(2) 介绍了加速寿命试验、高加速寿命试验的基本概念、原理,从试验目的、试验方法、试验时间等方面对加速寿命试验和高加速寿命试验进行了比较,说明它们有不同的应用时机和 范围.加速寿命试验、高加速寿命试验都是卓越的加速环境试验技术,也是可靠性试验领域的两个主要发展方向. 5.会议论文 邹广瑞 航天器可靠性工程中的加速寿命试验 2002 本文概要论述了加速寿命试验的机理,指出加速寿命试验是物理、化学机理与统计方法相结合的试验,并对此进行了分析.对如何确定航天产品原材料、部件和系统的加速试验项 目和如何确定加速因子进行了讨论. 6.期刊论文 朱月伟.叶丽君.薛肇江.Zhu Yuewei.Ye Lijun.Xue Zhaojiang 基于加速寿命试验的产品可靠性试验方法 -汽车技术 2008,""(3) 建立了加速寿命试验的基础模型.针对某公司电喷燃油泵产品潜在的失效模式和机理,利用加速应力的方式来即加大电压和升高压力进行产品使用寿命试验.介绍了试验流程、试 验计划制定、试验数据的分析和处理等,并通过模型预测出了该产品在不同应力水平下的使用寿命. 7.学位论文 李奇志 综合应力作用下航天电连接器加速寿命试验的研究 2004 本文以Y11X-1419圆形电连接器为研究对象,在分析了电连接器在环境温度和振动应力作用下的失效机理和建立可靠性模型的基础上,对可靠性试验方法和试验数据进行了系统、 深入的研究和处理.首先,介绍了国内外可靠性研究的发展历史和现状,对可靠性试验方法和发展趋势,可靠性统计分析方法和存在的问题,航天电连接器可靠性研究的现状和存在的问 题,可靠性试验方案设计的现状等进行了回顾和评述.其次,通过研究环境温度和振动应力与电连接器接触寿命之间的影响关系,并结合概率统计理论,推断出失效物理方程,建立了可靠 性统计模型,为电连接器可靠性试验方案的制定和试验数据的统计分析奠定了基础.第三,提出并研究了电连接器在环境温度和振动应力综合作用下的加速寿命试验方案的优化设计模 型.依据此模型,在环境温度和振动应力综合作用下,结合均匀正交设计方法,对传统恒定应力加速寿命试验进行了优化,优化的结果表明,在估计精度保持不变的前提下,通过对试验方 案的优化,可减少试验的次数和投试的样本量,从而大大缩短试验的时间和降低试验的费用,为对产品的可靠性水平作出快速评价提供了手段.第四,提出并研究了加速寿命试验方案的 模拟评价方法,在对电连接器调整的最优试验方案和全面试验方案进行模拟评价比较的基础上,最终确定了调整的加速寿命试验方案作为电连接器可靠性试验的实施方案.第五,通过对 电连接器加速寿命试验数据的统计分析,验证了电连接器可靠性统计模型的正确性.并以试验数据的最小二乘估计值为初始值,应用估计性能优良的极大似然估计方法对试验数据进行 统计处理,得到了电连接器可靠性特征量的估计值.最后对全文的研究内容进行了总结,并指出了电连接器可靠性试验和数据统计分析研究中需要进一步研究的内容及本基金课题的下 一步工作方向. 8.会议论文 唐月英.王小捷 加速寿命试验下可靠性增长模型的参数估计 1995 9.会议论文 叶达文.许凤章.尚云山 一般压力表机芯机构加速寿命试验及可靠性指标 1988 10.会议论文 张皓.王锡清 威布尔分布恒定——步进应力加速寿命试验可靠性统计分析方法及软件包 1994 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6841439.aspx 授权使用：广东工业大学图馆(gdgydxtsg)，授权号：d38c5d23-4e8c-4915-b3b6-9e2b012a59de 下载时间：2010年11月11日