电子元器件加速寿命试验方法的比较介绍

1、电子元器件加速寿命试验方法的比较介绍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

2、应用最为广泛，本文主要介绍基于这种模 型的试验。Arrhe nius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（1/d.U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 X 10-4eV/K; A为常数；T为绝对温度（K）。式可化为式中: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= Ait/lg6=2. 303bk式是以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

3、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、贋式高电子迁移率晶体管开关(PHEMTwitch )、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GaAsPHEM进行介绍, InP PHEMT同前。对于 GaAs PHEMT MM

4、共抽取试验样品84只，分为三组，每 组28只，环境温度分别为 T仁255 C, T2=270 C, T3= 285 C,所有参数均 在室温下测量。失效判据为44GHz时，| 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(c)均由试验数据求得。其中累计失效百分比二每组失效数 / (每组样 品总数+ 1);中位寿命为失效率为50%寸的寿命，可在对数正态概率纸上画寿 命-累计失效百分比图得出：c 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

5、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，表10.1 j m GaAs PHEMT删IC三温度点寿命测试参数环境諏/匕戲听样品 数试验倉计黄效 百分比/膏5W/h对故标 准事a)255300281056 6592Sa 362703152886432496a M285 133028 |19272157a 56图 1 0. I um InP PHEMT 庶丄和 0.【umGaAs 幡IIC 的 Arrhenius 图代入沟道温度 T0 = 125 C，求其对应的 x0，x0=1000/ (273+125) =2.512562 MTTF=

6、lg-1y (x 0 ) =6.1 X 109h拟合后直线的斜率b为8.8355 X 10 3，则激活能Ea=2.303bk1.7 eV 因此，沟道温度为125 C时，估计 GaAs的MTT大于 1X 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。表2步逊应力浏试条件应力會阶:1H334环垸温麼f15017520022525027020623-22502$ 1305应力河編/h4070 70 :7070702019171717

7、16Frank Gao和 Peter Ersland 对 SAGFE进行了步加试验3。温度从 150270 C 划为六级，每70 h升高25 C；沟道温度约比环境温度高 30 C。总试验时间约400 h。根据 Arrhenius 模型4屮 P - exp | kT I式可化为Inr in * 口 m In y.；“ 二 ； x = 将式看作y=a+bx，式中：，贝肪艮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)，即丄加朋亍-下关系。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)x expEa (T1

8、- T0) /kT仃 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 C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B上升的斜坡温度，保持电流密度j和电压V不变。做In ( T-2 P/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

9、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 pnp 3CG120C双极型晶体管做了序加试 验。初始温度T为443 K,升温速率B =1 K/8 h, t时刻的结温为T=T0+B t + T。电应力：VCE=-27 V IC=18.5 mA;测试条件：VCE=-10 V IC=30 mA 室温下测 量；失效判据：hFE的漂移量 hFE/hFE 20% 372 #样品的试验数据如图2 所示。国2 3T2样品hFE的试藝值与温度杓时间的关系鉴于图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，

10、所以选择a段数据用Excel软件做出In ( T -2 hFE/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=0.7 eV。由图2 a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 C左右时间八O25680十66866433473513553温度/K图3站呼样品寿命外推结果式经数学处理可变为代入T=585K,求得t 372#=1.2 X 10 7 h,这个结果与经验数据 1.92 X 107 h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

11、试验一般需要约1000 h，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，James A. 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 36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

12、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

13、 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

14、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 Agilent 4155C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加速寿命实验之加速因子加速壽命試驗的成敗關鍵是如何掌握加速壽命試驗之加速因子(Accelerated Factor) ，該加速因子可表示為將高低應力分別施於產品上，其產品失效結果的加速程度，再應用其結果去預估第3 種應力試驗下之壽命。一般標準的電子零件其加速壽命參數及可靠度模式，可由美軍軍方標準手冊(MIL-HDBK-217F) 及其相

15、關規範中查得。也可利用熱應力如溫度來做為產品之嚴苛負苛或環境來加速獲得失效數據 ，其分析的方式則可採 Arrhenius 模式； 如為非熱應力如電壓等， 則使用反乘幕法則 (Inverse Power Law) 模式；如為複合應力模式 (Combination Model) 則可利用 Eyring 加速壽命試驗模式來估計壽命與加速 環境應力間之關係；除此之外，也可利用使用者對產品使用累積之經驗，建立零件所適用之加速壽命之模式，其中加速壽命試驗的方法 可分為頻率加速，即增多間歇動作的反覆次數，或成連續動作而謀求頻率加速的有效性，另一方面則是加重動作應力或環境應力，短時間內使製品強製故障的方法，又

16、稱強製劣化試驗。在所施加之嚴苛應力中，通常施加一定應力，但也。f 有使用應力隨時間變化的逐步加嚴應力試驗。應力加速法須慎選應力的種類、大小等。所施予嚴苛應力中包含有環境溫度、濕度、產品 所承受之應力、電壓及其增多間歇動作的反覆次數等。所以加速壽命試驗是在物理與時間上，加速產品的劣化速度，以較短的時間試驗， 獲取必要之壽命分佈數據，進而予以推估產品在正常使用狀態的壽命或失效率。 ?0 M3 s. a% d6 l7 q U; w一般所使用的加速測試方式， 有 2 種模式，其一為物理模式，其二為統計模式。在物理模式中是對於產品施予較嚴苛應力，再依其 失效情況來推估正常使用應力下之壽命分佈，在所施予嚴

17、苛應力中可分為熱應力、非熱應力與複合應力等。其二為統計模式，其中若對於產品若已有了一些使用經驗，或是已知產品失效分佈相關公式，則可採用貝氏法則(Bayser)，另一方面則是找尋常態應力和嚴苛應力條件二者累積失機率函數 (Cumulative Distribution Function ；簡稱為 CDF) 之間的關係，稱為時間轉換式 M j7 |! f! k . m 在電子業常用的加速壽命試驗中，最常使用的便就是熱應力負載 19 ， 一般電子工業就是對其組件採提高溫度的測試法，來加速隨機失效的發生，也可當作不良製品的早夭加速壽命測試，一般許多的化學反應諸如金屬的生鏽、潤滑劑的失效或半導體物質 2

18、0 的擴散都符合阿忍尼斯定律 (Arrhenius Law) 。; f+ # p/ S. 8 v u$ * g根據最原始的阿忍尼斯定律，當一個物質經由化學反應而變成另一個新物質時，化學家所感興趣的是：新物質的性質與原來物質的性質有何不同、反應發生的速率有多快、以及控制這速率的因素有那些。有關這方面的探討均屬於化學動力學 (Chemical kinetics 、或稱反應動力學， Reaction kinetics) 的領域。 一般而言，影響反應速率的因素有四個，即：反應物的本性、催化劑、反應物* U4 h, J1 i6 v/ 7 U3 S8之濃度及溫度；在工業上實驗部分通常都可控制了反應物本性、

19、催化劑及溫度等變因，探討反應速率的濃度效應，在電子元件產業的可 靠度實驗部分，則控制反應物本性、催化劑及濃度，觀察環境溫度對反應速率的影響。當產品對於使用溫度的改變有著明顯的加速率時， Arrhenius 模式可用來探討產品反應速度和溫度間的關係， 在文獻中也用此方式 來討論各種化學變化與溫度的關係。其中溫度變化對於電子產品壽命影響，有著十分密切的關係，因為電子元件內部的化學變化是隨著 溫度變化速度不同而有所改變，例如電解電容內部的電解液會隨溫度增加而導致化學反應速率的增加，化學變化的發生是導致元件快速 產生失效的主因，故這種關係在化學上稱做阿忍尼斯方程式 (Arrhenius Equation) 其反應速率與溫度間最初的關係可表示成下式:0 S6 r* V. x6 P- : Dk=A*exp(-Ea/R*T)k 為化學反應發生時的反應速率係數(rate coefficient) ，A 為常數 , Ea 為活化能 (activation energy) ，單位為仟焦耳 (Kilo-Joule) ，R 理想氣體常數(universal gas constant), T 為絕對溫度值 (in degrees Kelvin)。R 值常為 8.314 x 10-3 kJoule mole-1K-1。所以方程式可表示成G=C*exp(E/BT)G 為化學反應的反應速率C 為加