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1、电子元器件加速寿命实验措施的比较刘婧,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 加速寿命实验分为恒定应力、步进应力和序进应力加速寿命实验。将一定数量的样品提成几组,对每组施加一种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实验（如下简称恒加实验);应力随时间分段增强的实验称步进应力加速寿命实验(如下简称步加实验）；应力随时间持续增强的实验称为序进应力加速寿命实验（如下简称序加实验）。序加实验可以看作步进应力的阶梯取很小的极限状况。加速寿命实验常用的模型有阿伦尼斯（Ahnius)模型、爱
2、伦(Eyrng）模型以及以电应力为加速变量的加速模型。实际中Arhenius模型应用最为广泛,本文重要简介基于这种模型的实验。rheius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。方程体现式为式中:为化学反映速率；E为激活能量（eV）； k为波尔兹曼常数086171-4 eV/K；为常数；T为绝对温度（K)。式可化为式中:式中:F0为合计失效概率；(F0）为产品达到某一合计失效概率 F(t)所用的时间。算出b后,则 式是以Arens方程为基本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本。2 实验措施 2.1
3、恒定应力加速寿命实验 目前应用最广的加速寿命实验是恒加实验。恒定应力加速度寿命实验措施已被E原则采用 。其中3.10加速实验程序涉及对样品周期测试的规定、热加速电耐久性测试的实验程序等，可操作性较强。恒加措施导致的失效因素较为单一,精确度较高。国外已经对不同材料的异质结双极晶体管（BT)、RT阴极射线管、赝式高电子迁移率晶体管开关（PHEM swith）、多层陶瓷芯片电容等电子元器件做了有关研究。 YC.ou等人对GaAs 和IP M单片微波集成电路(MMIC)放大器进行了恒加实验2。下面仅对aAs PHEMT进行简介,P PHE同前。对于Gas PHET MMIC共抽取实验样品84只，分为三
4、组，每组28只,环境温度分别为 T 255 ，T2=27,285 ，所有参数均在室温下测量。失效判据为44Gz时，|S1|. dB。三个组的实验成果如表1所示，实验数据服从对数正态分布。表中合计失效比例、中位寿命、对数原则差()均由实验数据求得。其中合计失效比例每组失效数/（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合计失效比例图得出: gt(0.84)-t（0.5）。 由表1根据恒定应力加速寿命实验成果使用 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乘法拟合而成,表达到 y=a+b。经计算 -2.41+8835x，代入沟道温度0=12
5、5 ，求其相应的x0, x0=000/(273+12)=2.52562 MTTF=lg-y(x 0)6.1109h拟合后直线的斜率b为8.85103,则激活能 Ea=2.303bk 1. e 因此,沟道温度为125 时,估计GAs的MTT不小于108，激活能为1.7 eV。 步进应力加速寿命实验步加实验时，先对样品施加一接近正常值的应力，达到规定期间或失效数后，再将应力提高一级，反复刚刚的实验，一般至少做三个应力级。步进应力测试条件见表2。FrankGao和PetrErsnd对GFET进行了步加实验3。温度从1270 划为六级,每70h升高2 ；沟道温度约比环境温度高30 。总实验时间约400
6、h。根据Arhenis模型4式可化为 将式看作 ya+bx, 式中:,则根据实验数据做温度的倒数某参数变化量(本实验选用Idss,Ron 等）,即关系。拟合后，斜率可直接读出,乘以 k可得激活能。本文估算出a=1.4 e，再由 TT（T0）MTF（T1）expEa(T1- 0)kT1T0 由实验得到某一高温时器件的MTTF( T1），进而可得到样品在15 时的寿命不小于07 h。这个成果和常应力测试成果相吻合。23 序进应力加速寿命实验序加实验的加速效率是最高的，但是由于其记录分析非常复杂且实验设备较昂贵,限制了其应用。这方面的报道也较少。 北京工业大学李志国专家报道了微电子器件多失效机理可靠
7、性寿命外推模型5，她的学生李杰等人报道了迅速拟定微电子器件失效激活能及寿命实验的新措施 6。 实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-2/P)与1/曲线,找出曲线的线性段，并经线性拟合得到始终线，设直线的斜率为S,则器件的失效激活能E=-kS。得出激活能 后,就可以外推某一使用条件下的元器件寿命 李志国教师和她的学生采用上面措施对pnp 3CG120C双极型晶体管做了序加实验。初始温度T为443,升温速率=1 K/8 h,t时刻的结温为=T0+t T。电应力：VC=-7V,C8.5 mA；测试条件:VCE=10 V，IC30 A，室温下测量；失效判据
8、：hFE的漂移量hFEhE20。37 #样品的实验数据如图2所示。鉴于图2中曲线段a最接近使用温度,能最佳地反映正常工作条件下的失效机理，因此选择a段数据用Exce软件做出n( T -2FE/hFE ）与1T曲线,并做线性拟合得到始终线,其斜率为 S,则器件的失效激活能E=-k=0 eV。由图2 段外推出样品的hFE退化20%所需的实验时间如图3所示。根据B/Z299C200x表5.1.1-5c可计算出,样品正常使用时的结温为0左右。 式经数学解决可变为 代入T=85 K,求得32#.210 h，这个成果与经验数据1.2107 h是可以比拟的。3 实验措施的比较 3加速寿命实验的实行 恒加实验
9、一般需要约100 h，总共要取上百个样品，规定应力水平数不少于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,高应力可以多安排某些样品。步加实验只需1组样品,最佳至少安排4个级别的应力,每级应力的失效数不少于个，这样才干保证数据分析的合理性。此外,ames A. Mcinn提出了在步加实验中具体操作的某些有价值的建议 7。例如实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照之前的实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提成36段；实验前需拟定应力步长的的最小和最大值。 序加实验的样品数尚无明确的规定。步加、序
10、加实验只需几百小时,取几十个样品甚至更少且只需一组样品就可以完毕实验。 目前应用最广的是恒加实验，但其实验时间相对较长,样品数相对多某些。相比之下，步加、序加实验在这方面要占优势。当样品很昂贵、数量有限或只有一种加热装置时,步加、序加实验无疑是最佳的选择。 2 加速寿命实验的应用 恒加实验已经成熟地应用于涉及航空、机械、电子等多种领域。 步加实验往往作为恒定应力加速寿命实验的预备实验，用于拟定器件承受应力的极大值。如金玲8 在Gs红外发光二极管加速寿命实验中，用步加实验拟定器件所能承受的最高温度,而后再进行恒加实验,避免了在恒加实验中浮现正常使用时不会浮现的失效机理。步加实验也可应用于缩短实验
11、时间。已有将恒加实验结合步加实验以缩短实验时间的做法9。 序加实验的长处是时间短，但其精度不高,并且实行序加实验需要有提供符合规定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实验中采用自行研制的J1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7A和41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专家等人在做高频小功率晶体管序加实验中也搭建了一套完整的实验系统，系统由控温仪、热电偶、样品加热平台构成温度应力控制系统；由偏置电源、万用表、加载电路板构成电应力偏置系统；测试采用Ailnt 455C 半导体参数测试仪和Q16晶体管特性图示仪完毕。 结语 当今,电子产品的更新速度越来越快，而既迅速又精确的加速寿命测试措施是研究人员热切盼望。相信这一愿望定会早日实现
