原创可靠性第010篇一种功率MOSFET寿命预计方法

 2024-4-20 11:17  1057 7 4 分类: 测试测量文集: 2 可靠性设计

[初次发表 24-04-20 最后编辑：24-04-23]

功率器件的使用寿命（MTTF，Mean Time to Fail）制约着执行器的整机寿命。功率MOSFET承受的电气应力、热应力甚至机械应力是普通电子器件不可比的，有着一些特殊的失效机理。当前，在功率MOSFET的失效机理研究领域已经有比较多的文献，JEDEC、JEITA等行业组织都针对性地发布了功率器件的可靠性测试标准。

怎样定量地估计功率MOSFET的使用寿命（Operation Life）呢？

据我了解，目前用的是一种和普通电子元器件相同的两步法——寿命实验，基于卡方（Chi-Square）分布模型推算。

寿命实验通常选择下面两种：

1. HTRB，Hight Temperature Reverse Bias，高温反向偏置实验。参考标准是JEDEC JESD22-A108和JEITA ED-4701。

2. HTOL，Hight Temperature Operation Life，高温工作寿命实验。参考标准是JEDEC JESD22-A108和JEITA ED-4701。

汽车行业在这个两步法基础上增加了要求：

3. PC，Power Cycle，功率循环实验。

寿命实验的理论依据是Arrhenius Equation，一般译作阿累尼乌斯公式，有的也称为阿伦尼乌斯公式。这是一个经验公式，它反映的是化学反应速率与温度的关系。公式有两个前提：1. 活化能和温度无关；2. 实验对象各个部位温度均匀。由于活化能本身并非与温度无关，功率器件本身由于热传递的梯度总会存在所谓热区、热点，所以，这个公式是存在固有误差的。

寿命实验需要定义6个参数：

a. 实验温度。这个是首要参数，为了缩短实验时间、减少费用，在HTRB测试中，通常会让器件的环境温度等于最高结温，例如175摄氏度。这种情况会加快器件的老化，提前诱发隐藏的缺陷，因此被称为“加速”。

b. 电应力。这是重要参数，在HTRB测试中，通常是器件的最高反向耐压。HTRB测试本身是为PN结设计的，适用于检验材料中的活性离子移动、天然缺陷发展的速度。

c. 样本量，行业常见做法是按LTPD抽样表，选择 77个/批，3批，共231个。新产品需要根据企业的经验增加测试数量。

d. 允许的失效品个数，通常选 0

e. 实验持续时长，单位是小时，一般是1000h。

f. 实际使用温度。这就是实际使用器件时的环境温度。

通过这些参数和Arrhenius Equation，可以计算出实验温度下的加速因子。

MTTF的推算方法是固定的，使用卡方分布。根据大量实践观察，器件在偶发失效区——失效率曲线（浴盆曲线）中部——和卡方分布有较好的吻合。

推算需要补充定义1个参数：

g. 置信度（CL，Confidence Level），经验上取 60%或90%，这个值越大，计算出的失效率越高。

参数给定之后，就可以推算出 MTTF 和 FR（Failure Rate，失效率）。注意，结果是在实际使用温度下，有一定置信度的 MTTF 和 FR。将MTTF取倒数，并乘以10的9次方，就得到了 FIT。