電子元器件加速壽命試驗(yàn)方法的比較.doc

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1、.電子元器件加速壽命試驗(yàn)方法的比較劉婧，呂長(zhǎng)志，李志國(guó)，郭春生，馮士維（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院可靠性實(shí)驗(yàn)室，北京100022）1引言加速壽命試驗(yàn)分為恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。將一定數(shù)量的樣品分成幾組，對(duì)每組施加一個(gè)高于額定值的固定不變的應(yīng)力，在達(dá)到規(guī)定失效數(shù)或規(guī)定失效時(shí)間后停止，稱為恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱恒加試驗(yàn)）；應(yīng)力隨時(shí)間分段增強(qiáng)的試驗(yàn)稱步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱步加試驗(yàn)）；應(yīng)力隨時(shí)間連續(xù)增強(qiáng)的試驗(yàn)稱為序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱序加試驗(yàn)）。序加試驗(yàn)可以看作步進(jìn)應(yīng)力的階梯取很小的極限情況。加速壽命試驗(yàn)常用的模型有阿倫尼斯

2、（Arrhenius）模型、愛倫（Eyring）模型以及以電應(yīng)力為加速變量的加速模型。實(shí)際中Arrhenius模型應(yīng)用最為廣泛，本文主要介紹基于這種模型的試驗(yàn)。Arrhenius模型反映電子元器件的壽命與溫度之間的關(guān)系，這種關(guān)系本質(zhì)上為化學(xué)變化的過(guò)程。方程表達(dá)式為式中：為化學(xué)反應(yīng)速率；E為激活能量（eV）；k為波爾茲曼常數(shù)0.8617×10-4eV/K；A為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度（K）。式⑴可化為式中：式中：F0為累計(jì)失效概率；t(F0)為產(chǎn)品達(dá)到某一累計(jì)失效概率F(t)所用的時(shí)間。算出b后，則式⑵..是以Arrhenius方程為基礎(chǔ)的反映器件壽命與絕對(duì)溫度T之間的關(guān)系

3、式，是以溫度T為加速變量的加速方程，它是元器件可靠性預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。2試驗(yàn)方法2.1恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)?zāi)壳皯?yīng)用最廣的加速壽命試驗(yàn)是恒加試驗(yàn)。恒定應(yīng)力加速度壽命試驗(yàn)方法已被IEC標(biāo)準(zhǔn)采用[1]。其中3.10加速試驗(yàn)程序包括對(duì)樣品周期測(cè)試的要求、熱加速電耐久性測(cè)試的試驗(yàn)程序等，可操作性較強(qiáng)。恒加方法造成的失效因素較為單一，準(zhǔn)確度較高。國(guó)外已經(jīng)對(duì)不同材料的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）、CRT陰極射線管、贗式高電子遷移率晶體管開關(guān)（PHEMTswitch）、多層陶瓷芯片電容等電子元器件做了相關(guān)研究。Y.C.Chou等人對(duì)GaAs和InPPHEMT單片微波集成電路（MMIC）放大

4、器進(jìn)行了恒加試驗(yàn)[2]。下面僅對(duì)GaAsPHEMT進(jìn)行介紹，InPPHEMT同前。對(duì)于GaAsPHEMTMMIC共抽取試驗(yàn)樣品84只，分為三組，每組28只，環(huán)境溫度分別為T1=255℃，T2=270℃，T3＝285℃，所有參數(shù)均在室溫下測(cè)量。失效判據(jù)為44GHz時(shí)，

5、ΔS21

6、>1.0dB。三個(gè)組的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。表中累計(jì)失效百分比、中位壽命、對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差（σ）均由試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得。其中累計(jì)失效百分比＝每組失效數(shù)/（每組樣品總數(shù)＋1）；中位壽命為失效率為50%時(shí)的壽命，可在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上畫壽命-累計(jì)失效百分比圖得出：σ≈lgt（0.84）-

7、lgt（0.5）。由表1根據(jù)恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)結(jié)果使用Origin軟件可畫出圖1。圖中直線是根據(jù)已知的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)用最小2乘法擬合而成，表示成y=a+bx。經(jīng)計(jì)算y＝-12.414+8.8355x，?..代入溝道溫度T0＝125℃，求其對(duì)應(yīng)的x0，x0=1000/（273+125）=2.512562MTTF=lg-1y（x0）=6.1×109h擬合后直線的斜率b為8.8355×103，則激活能Ea=2.303bk≈1.7eV因此，溝道溫度為125℃時(shí)，估計(jì)GaAs的MTT大于1×108h，激活能為1.7eV。2.2步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)步加試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)樣品施加一接近正

8、常值的應(yīng)力，到達(dá)規(guī)定時(shí)間或失效數(shù)后，再將應(yīng)力提高一級(jí)，重復(fù)剛才的試驗(yàn)，一般至少做三個(gè)應(yīng)力級(jí)。步進(jìn)應(yīng)力測(cè)試條件見表2。FrankGao和PeterErsland對(duì)SAGFET進(jìn)行了步加試驗(yàn)[3]。溫度從150～270℃劃為六級(jí)，每70h升高25..℃；溝道溫度約比環(huán)境溫度高30℃?？傇囼?yàn)時(shí)間約400h。根據(jù)Arrhenius模型[4]式⑶可化為將式⑷看作y=a+bx，式中：，則根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做溫度的倒數(shù)——某參數(shù)改變量（本試驗(yàn)選取Idss，Ron等），即關(guān)系。擬合后，斜率b可直接讀出，乘以k可得激活能。本文估算出Ea=1.4eV，再由MTTF（T0）=MTTF（T1）×

9、exp[Ea（T1-T0）/kT1T0]由試驗(yàn)得到某一高溫時(shí)器件的MTTF（T1），進(jìn)而可得到樣品在125℃時(shí)的壽命大于107h。這個(gè)結(jié)果和常應(yīng)力測(cè)試結(jié)果相吻合。2.3序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)序加試驗(yàn)的加速效率是最高的，但是由于其統(tǒng)計(jì)分析非常復(fù)雜且試驗(yàn)設(shè)備較昂貴，限制了其應(yīng)用。這方面的報(bào)道也較少。北京工業(yè)大學(xué)李志國(guó)教授報(bào)道了微電子器件多失效機(jī)理可靠性壽命外推模型[5]，他的學(xué)生李杰等人報(bào)道了快速確定微電子器件失效激活能及壽命試驗(yàn)的新方法[6]。試驗(yàn)中對(duì)器件施加按一定速率β上升的斜坡溫度，保持電流密度j和電壓V不變。做ln（T-2ΔP/P0）與1/T曲線，找出曲線的線