电子元器件加速寿命试验方法比较.doc电子元器件加速寿命试验方法的比较刘婧，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 前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必定数量的样品分红几组，对每组施加一个高于额定值的固定不变的应力，在达到规定无效数或规定无效时间后停止，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）序加试验能够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质中Arrhenius模型应用最为宽泛，本文主要介绍鉴于这种模型的试验Arrhenius模型反应电子元器件的寿命与温度之间的关系，这种关系实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0.8617×10-4eV/K；A为常数；T为绝对温度（K）式⑴可化为式中：式中：F0为累计无效概率；t(F0)为产品达到某一累计无效概率F(t)所用的时间。
算出b后，则式⑵是以Arrhenius方程为基础的反应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，它是元器件可靠性展望的基础2 试验方法2.1恒定应力加速寿命试验当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、热加速电长远性测试的试验程序等，可操作性较强恒加方法造成的无效因素较为单调，正确度较高外国已经对不一样样资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（PHEMTswitch）、多层陶瓷芯片电容等电子元器件做了有关研究Y.C.Chou等人对GaAs和InPPHEMT单片微波集成电路（MMIC）放大器进行了恒加试验[2]下面仅对GaAsPHEMT进行介绍，InPPHEMT同前关于GaAsPHEMTMMIC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℃，T3＝285℃，所有参数均在室温下测量无效判据为44GHz时，|S21|>1.0dB三个组的试验结果如表1所示，试验数据遵从对数正态分布表中累计无效百分比、中位寿命、对数标准差（σ）均由试验数据求得。
其中累计无效百分比＝每组无效数/（每组样品总数＋1）；中位寿命为无效率为50%时的寿命，可在对数正态概率纸上画寿命-累计无效百分比图得出：σ≈lgt（0.84）-lgt（0.5）由表1依照恒定应力加速寿命试验结果使用Origin软件可画出图1图中直线是依照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）=2.512562MTTF=lg-1y（x0）=6.1×109h拟合后直线的斜率b为8.8355×103，则激活能Ea=2.303bk≈1.7eV因此，沟道温度为125℃时，估计GaAs的MTT大于1×108h，激活能为1.7eV2.2步进应力加速寿命试验步加试验时，先对样品施加一凑近正常值的应力，抵达规准时间或无效数后，再将应力提高一级，重复刚才的试验，一般最少做三个应力级步进应力测试条件见表2FrankGao和PeterErsland对SAGFET进行了步加试验[3]温度从150～270℃划为六级，每70h升高25℃；沟道温度约比环境温度高30℃总试验时间约400h。
依照Arrhenius模型[4]式⑶可化为将式⑷看作y=a+bx，式中：，则依照试验数据做温度的倒数——某参数改变量（本试验采用Idss，Ron等），即关系拟合后，斜率b可直接读出，乘以k可得激活能本文估计出Ea=1.4eV，再由MTTF（T0）=MTTF（T1）×exp[Ea（T1-T0）/kT1T0]由试验获取某一高温时器件的MTTF（T1），从而可获取样品在125℃时的寿命大于107h这个结果和常应力测试结果相符合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，可是由于其统计分析特别复杂且试验设施较昂贵，限制了其应用这方面的报导也较少北京工业大学李志国教授报导了微电子器件多无效机理可靠性寿命外推模型[5]，他的学生李杰等人报导了迅速确定微电子器件无效激活能及寿命试验的新方法[6]试验中对器件施加按必定速率β上涨的斜坡温度，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，并经线性拟合获取向来线，设直线的斜率为S，则器件的无效激活能E=-kS得出激活能E后，就能够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pnp3CG120C双极型晶体管做了序加试验。
初始温度T为443K，升温速率β=1K/8h，t时辰的结温为T=T0+βt+ΔT电应力：VCE=-27V，IC=18.5mA；测试条件：VCE=-10V，IC=30mA，室温下测量；无效判据：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最凑近使用温度，能最好地反应正常工作条件下的无效机理，因此选择a段数据用Excel软件做出ln（T-2hFE/hFE）与1/T曲线，并做线性拟合获取向来线，其斜率为S，则器件的失效激活能E=-kS=0.7eV由图2a段外推出样品的hFE退化20%所需的试验时间如图3所示依照GJB/Z299C-200x表可计算出，样品正常使用时的结温为60℃左右式⑸经数学办理可变为代入T=585K，求得τ372#=1.2×107h，这个结果与经验数据1.92×107h是能够比较的3 试验方法的比较3.1加速寿命试验的实行恒加试验一般需要约1000h，总合要取上百个样品，要求应力水平数好多于3个每个应力下的样品数好多于10个，特别产品好多于5只每一应力下的样品数可相等或不等，高应力能够多安排一些样品步加试验只要1组样品，最好最少安排4个等级的应力，每级应力的无效数好多于3个，这样才能保证数据分析的合理性。
其他，JamesA.McLinn提出了在步加试验中详细操作的一些有价值的建议[7]比方试验应力的初步点选在元器件正常工作的上限周边，应力最高点的选择应参照以前的试验经验或是已知的元器件无效模式来设定，将应力初步点到最高点之间分红3～6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还没有明确的规定步加、序加试验只要几百小时，取几十个样品甚至更少且只要一组样品就能够达成试验当前应用最广的是恒加试验，但其试验时间相对较长，样品数相对多一些比较之下，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常常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，今后再进行恒加试验，防范了在恒加试验中出现正常使用时不会出现的无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联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，而且实行序加试验需要有供应符合要求应力以及及时记录样品无效的设施。
比方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供应序进电压，电容测量和漏电流测量分别采用HP企业的4274A和414型漏电流测量仪，无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满的试验系统，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Agilent4155C半导体参数测试仪和QT16晶体管特色图示仪达成4 结语此刻，电子产品的更新速度越来越快，而既迅速又正确的加速寿命测试方法是研究人员热切希望相信这一梦想定会早日实现。