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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
Arrheni
us
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；<
/p>
T
为绝对温度（
K
）。式⑴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⑵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<
/p>
[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
< br>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。
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
< br>
T1= 255 ℃，T2=270
℃，
T3
＝285 ℃，所有参数均
在
室温下测量。失效判据为
44GHz
时，
|
Δ
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（
σ
）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：
σ
≈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=100
0/
（
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
GaA
s
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
150
～270
℃
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<
/p>
Arrhenius
模型
[4]
式⑶可化为
将式⑷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
）×exp[E
a（
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
β
上升的斜坡温度，保持电流密度
j
和电压
V
不变。做
ln
（
T-2
Δ
P/P
0
）
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
β
=1
K/8
h
，
t
时刻的结温为
T=T0+
β
t
+
Δ
T<
/p>
。
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：
h
FE
的漂移量
Δ
hFE/hFE≥±20%。
372 #
样品的试验数据如图<
/p>
2
所示。
<
/p>
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
（<
/p>
T
-2
Δ
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
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