原创 可靠性第010篇 一种功率MOSFET寿命预计方法

2024-4-20 11:17 648 3 3 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。

    这种预计方法有以下不足之处,在使用预计结果时,务必引起注意。
        1. 公式本身的固有误差。
        2. 未考虑湿度。对于塑封形式的非气密性封装,湿度+时间其实是一个不可忽视的失效因素。
        3. 抽样方案。从测试技术第003篇可知,LTPD本身是用来检验来料合格率的,并不适用于施加时间应力的实验。况且,不同的芯片设计、晶圆工艺、封装形式,在时间应力面前,需要的抽样数量需要积累、调整。
    

作者: 电子知识打边炉, 来源:面包板社区

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