基于POF的溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性研究

（中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071）

基于POF的溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性研究

鄭志騰，董澍，徐丹君，蔡健平，伍招沖

（中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071）

目的通過失效物理手段得到溫度加速壽命試驗(yàn)的失效機(jī)理突變點(diǎn)，節(jié)省試驗(yàn)樣本，并為加速壽命試驗(yàn)的有效性提供保障。方法利用電子產(chǎn)品典型失效物理模型，在求解MOSFET器件激活能的基礎(chǔ)上確定失效機(jī)理突變點(diǎn)，并開展失效物理分析，從微觀分析的角度驗(yàn)證失效機(jī)理一致性判定方法的理論正確性和工程適用性。結(jié)果MOSFET器件在溫度低于240 ℃時，失效機(jī)理沒有發(fā)生改變；溫度高于240 ℃時，失效機(jī)理發(fā)生了改變，與前述失效機(jī)理不一致。結(jié)論基于失效物理的方法可以確定器件機(jī)理發(fā)生變化的溫度應(yīng)力點(diǎn)，所需樣本量小。

加速試驗(yàn)；失效物理；失效機(jī)理一致性

加速試驗(yàn)是在保證失效機(jī)理不變的前提下，提高試驗(yàn)應(yīng)力水平，使產(chǎn)品加速失效，以便在短時間內(nèi)獲得失效數(shù)據(jù)，從而評估產(chǎn)品正常應(yīng)力水平下的可靠性或壽命指標(biāo)[1—3]。然而，由于加速條件下試驗(yàn)應(yīng)力水平高，產(chǎn)品潛在的失效機(jī)理可能被激發(fā)出來，成為主要失效機(jī)理，從而使得加速條件下失效機(jī)理發(fā)生改變，導(dǎo)致由加速試驗(yàn)獲得的器件壽命不能代表器件的真實(shí)壽命，造成無效加速時間，產(chǎn)生巨大的浪費(fèi)，所以進(jìn)行加速試驗(yàn)失效機(jī)理的一致性判定是非常有必要的。

目前，國內(nèi)外判定電子類產(chǎn)品加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性的方法一般是基于統(tǒng)計(jì)的傳統(tǒng)驗(yàn)證方法，開展驗(yàn)證工作需要大量的樣本，往往不能滿足航天產(chǎn)品小子樣的需求。失效物理（POF，Physics of Failure）方法以產(chǎn)品失效為核心，關(guān)注產(chǎn)品的失效機(jī)理或失效的根本原因，強(qiáng)調(diào)對失效的物理、化學(xué)過程的定量分析和描述，為長壽命、高可靠、小樣本航天電子產(chǎn)品加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性驗(yàn)證提供了新的技術(shù)途徑[4—6]。文中在借鑒已有電子產(chǎn)品典型失效機(jī)理和失效物理模型的基礎(chǔ)上，提出了基于失效物理分析的溫度加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性判別方法，并選取星上二次電源中的關(guān)鍵功率器件——MOSFET管為典型產(chǎn)品開展工程驗(yàn)證，為小子樣、高可靠航天電子產(chǎn)品溫度加速試驗(yàn)的有效性提供技術(shù)保證。

1 加速模型分類

研究加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性，首先要了解加速模型及其物理意義，才能使失效機(jī)理一致性判定更具有針對性。加速模型按其提出時基于的方法可以分為三類，即物理加速模型、經(jīng)驗(yàn)加速模型和統(tǒng)計(jì)加速模型[7—14]，如圖1所示。

圖1 加速模型分類Fig.1 The classification for accelerated model

物理加速模型是基于對產(chǎn)品失效過程的物理化學(xué)解釋而提出的。典型的物理加速模型有Arrhenius模型和艾林模型等，描述了產(chǎn)品壽命和溫度應(yīng)力之間的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)加速模型是基于工程師對產(chǎn)品壽命受應(yīng)力影響的長期觀察總結(jié)而提出的，如線性累積損傷模型、Coffin-Manson模型等。統(tǒng)計(jì)加速模型是基于統(tǒng)計(jì)方法給出的，又可分為參數(shù)模型和非參數(shù)模型。由于三種類型的加速模型中只有物理加速模型是基于產(chǎn)品失效的物理、化學(xué)而建立的加速模型，所以文中基于失效物理的加速試驗(yàn)失效機(jī)理一致性研究方法只適用于物理加速模型。

2 基于POF的失效機(jī)理溫度突變點(diǎn)確定

2.1 電子產(chǎn)品溫度失效物理模型及工程驗(yàn)證研究

2.1.1 失效物理理論模型研究

根據(jù)文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]，電子器件在溫度應(yīng)力作用下發(fā)生退化是由器件表面和內(nèi)部金屬化系統(tǒng)發(fā)生物理化學(xué)變化引起的，其主要失效機(jī)理為電遷移、熱載流子注入和介質(zhì)擊穿三種，影響其失效的主要參數(shù)為電流、電壓、溫度等，可以得到描述產(chǎn)品在溫度應(yīng)力下失效時間的統(tǒng)一物理模型：

式中：tf為失效前時間；A0為與材料/工藝相關(guān)的系數(shù)；n為電流冪指數(shù)；m為電壓冪指數(shù)；T為試驗(yàn)中器件的結(jié)溫；Ea為失效激活能；kB為波爾茲曼常數(shù)。

由于失效時間與退化率為逆關(guān)系，則器件的退化速率與施加在器件上的加速應(yīng)力所滿足的關(guān)系為：

式中：A為常數(shù)；M為失效敏感參數(shù)；dM/dt為器件失效敏感參數(shù)退化速率。

對于電子產(chǎn)品，一般選用溫度應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，對器件施加按一定速率β上升的環(huán)境溫度應(yīng)力，則t時刻器件的結(jié)溫可以表示為[15]：

式中：T0為初始溫度；β為升溫速率；ΔT為器件加電后由焦耳熱產(chǎn)生的自升溫[16]。由式（3）可得：

將式（4）代入式（2）可得：

對式（5）在某一溫度段1T到2T內(nèi)進(jìn)行積分，可得：

即

其中2TMΔ 和1TMΔ 分別為2T和1T溫度下對應(yīng)的敏感參數(shù)有效退化量。

對式（7）在另一段時間3T到4T內(nèi)積分，可得：

式（7）和（8）兩式相比，可得：

式(9）中，只有Ea為未知量，從而可在失效機(jī)理一致性的范圍內(nèi)計(jì)算失效激活能。若在某一溫度段內(nèi)計(jì)算出的激活能發(fā)生了改變，則可認(rèn)為器件的失效機(jī)理發(fā)生了改變，即可得出失效機(jī)理保持一致的溫度范圍，以及失效機(jī)理發(fā)生改變的溫度點(diǎn)。

2.1.2 工程驗(yàn)證

選取某型星上二次電源關(guān)鍵功率器件 N溝道MOSFET管，設(shè)計(jì)并開展溫度試驗(yàn)，測量MOSFET管的失效敏感參數(shù)—閾值電壓Vth隨溫度的變化數(shù)值，如圖2所示。可以看出，隨著溫度應(yīng)力的不斷增大，此MOSFET器件的閾值電壓Vth不斷減小，呈穩(wěn)定下降趨勢。

圖2 不同溫度下閾值電壓數(shù)據(jù)Fig.2 The threshhold voltage at different temperature

根據(jù)失效物理模型公式（9）求得各個溫度下對應(yīng)的激活能數(shù)據(jù)如圖3所示，激活能在整個試驗(yàn)溫度內(nèi)表現(xiàn)為三段區(qū)域，在拐點(diǎn)處失效機(jī)理發(fā)生了改變，失效機(jī)理發(fā)生改變的溫度約為240 ℃。在失效機(jī)理發(fā)生改變的區(qū)域和未改變的區(qū)域存在一個警告區(qū)域，經(jīng)過計(jì)算區(qū)域的值為224～236 ℃。在設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)時，應(yīng)盡量避開此區(qū)域，以保證加速試驗(yàn)的有效性。

圖3 不同溫度下激活能數(shù)據(jù)Fig.3 The activation energy at different temperature

2.2 MOSFET器件失效物理分析研究

2.2.1 加速壽命試驗(yàn)實(shí)施

由以上分析可知，MOSFET器件的失效機(jī)理在240 ℃左右發(fā)生了改變。為了更好地驗(yàn)證失效物理模型求解的正確性，結(jié)合失效物理分析手段開展失效機(jī)理突變點(diǎn)的研究。選取4個MOSFET器件，分別在180，200，220，240 ℃條件下開展恒溫加速壽命試驗(yàn)，待產(chǎn)品失效后，進(jìn)行失效物理分析工作。

為了避免溫度升高過快對MOSFET器件可能造成的意外影響，試驗(yàn)開始時，應(yīng)緩慢升高溫度，50 ℃溫度應(yīng)力下保持24 h。根據(jù)GJB 150.3A，以＜3 /min℃ 的升溫速率將溫度升高至相應(yīng)的溫度（底板溫度）?？紤]到高溫下產(chǎn)品輸出參數(shù)可能出現(xiàn)溫度漂移，產(chǎn)品失效判據(jù)定為：輸出參數(shù)超出產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后輸出參數(shù)量值的35%范圍。最后對四個不同溫度應(yīng)力下的樣品開展失效物理分析，研究其失效機(jī)理的差異性。

2.2.2 失效物理分析研究

試驗(yàn)后失效樣品如圖4所示。

對不同溫度下的樣品用等離子刻蝕方法開封后的樣品進(jìn)行低倍掃描分析，其形貌如圖5所示。可以看出，180，200，220 ℃三個溫度應(yīng)力下，樣品的芯片與基體貼合較為緊密，240 ℃溫度下的樣品的芯片與基體發(fā)生了脫落現(xiàn)象。

圖4 試驗(yàn)失效樣品Fig.4 Thefailure samplee s

圖5 不同溫度應(yīng)力下失效樣品低倍微觀形貌Fig.5 The SEEM morphologgy of failure saamples at different tempperature

由電-熱耦合仿真分析（如圖6所示）可知，MOOSFET器件承受應(yīng)力量級的最高點(diǎn)為芯片和鍵合引線的連接處，所以對芯片和鍵合引線處進(jìn)行高倍顯微鏡掃描分析，對比不同溫度下表面微觀形貌的差異性，從而研究不同溫度下失效機(jī)理的異同。

圖6 電-熱耦合仿真應(yīng)力分布FF ig.6 The strr ess distributioon of electricaland thermal coupling simulation

芯片和鍵合引線的高倍形貌如圖77所示，可以看出180，200，220 ℃三個溫度應(yīng)力下，樣品的鍵合引線處較為平滑，240 ℃溫度下的樣品鍵合引線處由圓球形的顆粒狀物質(zhì)（圖7c箭頭所示）。由于溫度過高，導(dǎo)致鍵合引線處的元素發(fā)生氧化反應(yīng)，從而形成了白色顆粒狀物質(zhì)，導(dǎo)致失效機(jī)理發(fā)生了改變。

對四個樣品進(jìn)行成分分析，取三種主要元素Ag，Cu，O的含量進(jìn)行測試，得到界面元素含量見表1?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，界面中Ag，Cu元素的含量不斷升高，說明在加電狀態(tài)下，由于溫度的作用使得Ag，Cu等金屬元素向界面發(fā)生了遷移，使得其含量越來越高。180，200，220 ℃三個溫度應(yīng)力下，界面中O元素含量為微量，240 ℃條件下O元素含量升高，說明界面的金屬元素發(fā)生了氧化作用，從而導(dǎo)致失效機(jī)理的突變。

表1 不同溫度下主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Content analysis for main elements at different temperature

綜上所述，通過失效物理分析，可以驗(yàn)證器件在240 ℃失效機(jī)理發(fā)生變化的原因，也證實(shí)了基于物理模型求解激活能方法的正確性?；谑锢淼氖C(jī)理一致性驗(yàn)證方法的求解和分析過程較為復(fù)雜，但只需較少的樣本量就可以求解失效機(jī)理發(fā)生變化的溫度應(yīng)力點(diǎn)，對于小子樣航天產(chǎn)品開展加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有切實(shí)的工程意義。

3 結(jié)論

利用失效物理方法得到了電子器件溫度應(yīng)力的失效機(jī)理突變點(diǎn)，得到如下結(jié)論。

1）通過溫度應(yīng)力物理加速模型求解激活能，若激活能在某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生了變化，失效機(jī)理隨之發(fā)生改變。文中所選航天MOSFET器件的失效機(jī)理發(fā)生改變的溫度為240 ℃左右，在設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)時，應(yīng)力水平應(yīng)小于此溫度，以保證加速試驗(yàn)的有效性。

2）對不同溫度條件下失效后的樣品進(jìn)行失效物理分析，240 ℃時器件鍵合引線處的形貌和元素含量發(fā)生變化，由于高溫作用使得失效機(jī)理發(fā)生了改變，也驗(yàn)證了模型求解激活能判定失效機(jī)理一致性的合理性。

3）在推導(dǎo)得到電子產(chǎn)品失效物理模型的基礎(chǔ)上，只需測試一個MOSFET器件的失效敏感參數(shù)隨時間的變化規(guī)律即可求得不同溫度下的激活能，從而進(jìn)行失效機(jī)理突變點(diǎn)的判定，達(dá)到節(jié)省試驗(yàn)樣本的目的。

[1] 姜同敏, 王曉紅, 袁宏杰, 等. 可靠性試驗(yàn)技術(shù)[J]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2012: 185. JIANG Tong-min, WANG Xiao-hong, YUAN Hong-jie, et al. Reliability Test Technology[J]. Beijing: Beihang University Press, 2012: 185.

[2] 陳循, 張春華. 加速試驗(yàn)技術(shù)的研究、應(yīng)用與發(fā)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2009(8): 130—136. CHEN Xun, ZHANG Chun-hua. Research, Application and Development of Accelerated Testing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009(8): 130—136.

[3] 王召斌, 任萬濱, 翟國富. 加速退化試驗(yàn)與加速壽命試驗(yàn)技術(shù)綜述[J]. 低壓電器, 2010(9): 1—6. WANG Zhao-bin, REN Wan-bin, ZHAI Guo-fu. Review of Accelerated Degradation Testing and Accelerated Life Testing[J]. Low Voltage Apparatus, 2010(9): 1—6.

[4] 郭春生, 萬寧, 馬衛(wèi)東, 等. 恒定溫度應(yīng)力加速實(shí)驗(yàn)失效機(jī)理一致性快速判別方法[J]. 物理學(xué)報, 2013(17): 17—22. GUO Chun-sheng, WAN Ning, MA Wei-dong, et al. Rapid Identification Method of the Consistency of Failure Mechanism in Constant Temperature Stress Accelerated Testing[J]. Acta Phys, 2013(17): 17—22.

[5] 郭春生, 謝雪松, 馬衛(wèi)東. 快速評價半導(dǎo)體器件失效激活能的方法[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2006 (2): 122—126. GUO Chun-sheng, XIE Xue-song, MA Wei-dong. Rapid Evaluation Method of Activation Energy for Semiconductor Device[J]. Semiconductor Technology, 2006(2): 122—126.

[6] 麥克弗森 J W. 可靠性物理與工程—失效時間模型[M].北京: 科學(xué)出版社, 2013: 56—78. MF J W. Reliability Physics and Engineering: Time-to-Failure Moldeling[M]. Beijing: Science Press, 2013: 56—78.

[7] KIM Jung-woo, YOON Dongcheol, JEON Minseok, et al. Degradation Behaviors and Failure Analysis of Ni-BaTi03 Base-metal Electrode Multilayer Ceramic Capacitors under Highly Accelerated Life Test[J]. Current Applied Physics, 2010(3): 157—158.

[8] 陳文霞, 謝文殊, 曾聲奎. 功能分析與失效物理結(jié)合的可靠性預(yù)計(jì)方法[J]. 航空學(xué)報, 2008(5): 1133—1138. CHEN Wen-xia, XIE Wen-shu, ZENG Sheng-kui. Functional Analysis and Physics of Failure Associated Reliability Prediction[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2008(5): 1133—1138.

[9] 馬甜, 李傳日, 程祺, 等. 基于失效物理的微波組件貯存壽命加速試驗(yàn)及預(yù)測[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 10(4):30—33. MA Tian, LI Chuan-ri, CHENG Qi, et al. Microwave Components Accelerated Life Test and PredictionBased on the Failure Physics[J]. Equipment Environment Engineering, 2013, 10(4): 30—33.

[10] 范志峰, 齊杏林, 雷彬. 加速可靠性試驗(yàn)綜述[J]. 裝備環(huán)境工程, 2008, 5(2): 37—39. FAN Zhi-feng, QI Xing-lin, LEI Bin. Review of AcceleratedReliabilityTests[J]. Equipment Environment Engineering, 2008, 5(2): 37—39.

[11] 黃婷婷, 姜同敏. 加速壽命試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)加速模型綜述[J].裝備環(huán)境工程, 2010, 7(4): 57—62. HUANG Ting-ting, JIANG Tong-min. Review of Statistical Acceleration Models in Accelerated Life Testing[J]. Equipment Environment Engineering, 2010, 7(4): 57—62.

[12] 魏高樂, 陳志軍. 基于多應(yīng)力綜合加速模型的產(chǎn)品可靠性評估方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2016(2): 24—29. WEI Gao-le, CHEN Zhi-jun. A Product Reliability Evaluation Method Based on Multi-stress Comprehensive Acceleration Model[J]. Science Technology and Engineering, 2016(2): 24—29.

[13] 李海波, 張正平, 胡彥平. 加速壽命試驗(yàn)方法及其在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用[J] .強(qiáng)度與環(huán)境, 2007, 34(1): 2—10. LI Hai-bo, ZHANG Zheng-ping, HU Yan-ping. Accelerated Life Testing Method and Its Applications for Space Products[J]. Structure& Environment Engineering, 2007, 34(1): 2—10.

[14] 張秋菊, 劉承禹. 電子設(shè)備可靠性的加速試驗(yàn)[J]. 光電技 術(shù)應(yīng)用, 2011 (4): 81—85. ZHANG Qiu-ju, LIU Cheng-yu. Reliability Accelerated Testing(RAT)for Electronic Equipments[J]. Electro-optic Technology Opplication, 2011(4): 81—85.

[15] JIANG S T. Assessment of Semi-parametric Proportional Intensity Model Aliped to Recurrent Failure Data with Multiple Failure Types For Repairable System Reliability[D]. Norman: University of Oklahoma, 2014.

[16] ARZU O, PADGETTB W J. A Penalized Local D-optimality Approach to Design for Accelerated Test Models[J]. Journal of Statistical Planning and Inference, 2004, 119(2): 411—420.

Failure Mechanism Consistency of Accelerated Test for POF Based Temperature Stress

ZHENG Zhi-teng, DONG Shu, XU Dan-jun, CAI Jian-ping, WU Zhao-chong
(China Academy of Aerospace Standardization and Product Assurance, Beijing 100071, China)

ObjectiveTo save test sample and provide guarantee for efficiency of accelerated test by obtaining change point of failure mechanism in the POF-based accelerated life test.MethodsTypical physical model of failure was applied to determine the change point of failure mechanism based on calculating the activation energy of MOSFET. And failure physical analysis was implemented to verify the theoretical correctness and engineering applicability of judgment method on consistency of failure mechanism from the micro perspective.ResultsWhen temperature was below 240 ℃ , the failure mechanism did not change. And when the temperature was higher than 240 ℃ , the failure mechanism changed. It was inconsistent with the above mentioned failure mechanism.ConclusionThe POF method can confirm the temperature stress point of changed device mechanism and the required sample size is small.

accelerated life test; POF; consistency of failure mechanism

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.018

TN306

A

1672-9242(2016)06-0104-06

2016-07-09；

2016-08-05

Received：2016-07-09；Revised：2016-08-05

“十二五”科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(Z032014B001)

Fund：Suported by the "Twelfth Five-Year" Technology Basic Research Project. State Administration of Science, Technology, and Industry for National Defence(Z032014B001)

鄭志騰（1986—）,男，碩士，工程師, 主要從事航天產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)、評估等方面的研究。

Biography：ZHENG Zhi-teng (1986—), Male, Master, Engineer, Research focus:reliability test and assessment of aerospace products.