电子元器件加速寿命试验方法的比较介绍

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 ，T3285 ，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（）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： 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150270 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式可化为  将式看作 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）×expEa（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 上升的斜坡温度，保持电流密度j和电压V不变。做ln（ T-2P/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=1 K/8 h，t时刻的结温为T=T0+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。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 -2hFE/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 左右。 式经数学处理可变为     代入T=585 K，求得372#=1.2×10 7 h，这个结果与经验数据1.92×107 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. C4 W: H$ # _# k6 9 D/ R(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7 I0 f! N4 3 h4 c2 v4 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。9 . # ?! Z$ i     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20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 o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、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。) K8 O0 . x# , z2 t: J     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- : D            k=A*exp(-Ea/R*T)1 M+ R: T' r7 A3 V6 x" S, D1 N# J* s$ U% z. Q    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7 G* B* E# t3 , 9 +             G=C*exp(E/BT), p- V8 8 k! i! s$ c: ?  ! h3 - N# Y9 8 Y6 Z% IG 為化學反應的反應速率- I8 e c% , _& h2 " qC 為加速因子常數% b  p- K0 e( n! oE 為化學反應時所需之“ 活化能量(activation energy) “單位為(電子伏特：eV)6 " B) u4 % M$ QB 為波氏(Boltzman)常數( 0.00008623 eV/K ), Z7 |5 b  u2 y# |) |$ k1 k4 VT 為某加速條件下的絕對溫度; Z  H! A5 B! B0 " Z     假設能找出某一性質Q，和產品的壽命之間的某種關係，則該產品的化學反應速率和產品之壽命乘積應該相等於Q，即) $ c6 k' z;   y( P            - Q( l2 A3 I" & a               C= Q , f+ ( h: f  4 _0 m             = Q/C* exp(E/BT) z- 5 T, o7 $ Z) D, X B& E  v* o/ 3 l5 ! i2 |此處Q 和C，都為常數將上式兩式取對數，可得知     ln()= U+ E/BT; U= ln(Q/C)% t" J  F" U" PT 為絕對溫度，單位為Kelven，此即為Arrhenius 加速圖紙的由來12。% S' b" v6 ; J'   C" 5 L    在工業實際的應用上，是將各項資料點繪在特殊的設計的圖表上，可利用圖解的方式，很快且容易地求出縱座標是以ln() 為單位，而橫座標單位為1/T，將其各點繪置在特殊設計的圖紙之上，找出一條適合的直線，此種圖解法也可用在加速壽命測試之中。* i" r. M2 X3 D1 I" n$ , w7 s5 _* 若於嚴苛應力下進行加速壽命試驗，可得2 組數據， 則Arrhenius. : F8 2 x0 |, R' Q模型成立時的加速率為. n5 3 f9 i( ?/ D    AF=(G1/G2)=(2/1)= Exp(E/B)(1/T2-1/T1)/ t# K' u7 o9 d% j7 m, oAF為加速率即加速因子(accelerated factor), q/ ; B1 z. x5 $ F! i; 1 l1 I8 P% ( p/ |! |# u0 P: s      所以只要知道兩種試驗的條件溫度(T1 、T2 )，即可得知加速因子A，其中有關於活化能E 是分子於發生化學反應作用中，所需具備的最小能量，單位為電子伏特eV(Electron- Volts)。當試驗的溫度差度差距範圍不大時，則活化能E 值均可設定為常數11，其數值的大小，可利用實驗，將其失效數據繪入 Arrhenius 加速壽命圖紙中可求得。! i$ R: |8 S8 N