大功率晶體管高溫功率老煉方法探究

李忠麗

摘要：提出了針對大功率晶體管，控制環(huán)境溫度的功率老煉篩選方法，并介紹了如何進行老煉篩選應力的確定和控制， 通過理論分析和試驗證明，這種方法是切實可行的，能達到老煉篩選的預期目標。

關鍵詞：大功率;晶體管;老煉篩選

一、引言

大功率晶體管是很多高精密設備和系統(tǒng)的關鍵器件，廣泛應用于航空、航天、武器裝備等高科技領域，有很高的可靠性要求。因此，在晶體管的設計、研制、生產(chǎn)、試驗、篩選及驗收等各個過程，均制定了嚴格的要求、詳細的技術規(guī)范和試驗方法，通過執(zhí)行這些要求和方法保證電子器件滿足系統(tǒng)使用的技術要求，并在壽命周期內(nèi)獲得高的可靠性。其中晶體管老化篩選，就是保證晶體管可靠性的重要試驗篩選項目之一。

二、高溫功率老煉方法的確定

1、現(xiàn)行大功率晶體管的老化篩選方法

國內(nèi)對大功率晶體管現(xiàn)行的老煉篩選方法，大都按照技術標準中規(guī)定的方法執(zhí)行，即采用保持殼溫恒定的試驗方法：通過加散熱器，保持殼溫在規(guī)定的溫度下給晶體管施加與該溫度相應得最大額定功率并使之在規(guī)定的時間內(nèi)連續(xù)工作的可靠性試驗項目。根據(jù)GJB128A-97的要求，所加的功率應使晶體管的結溫滿足T=T+0 -25℃。因此，晶體管進行功率老煉篩選時，是按在施加最大額定功率P并在最高允許結溫T下連續(xù)工作。由于試驗過程中晶體管的結溫T不能直接被測量和控制，目前功率晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗大都采用施加最大額定功率和控制殼溫的方法進行，試驗過程中通過監(jiān)測和控制殼溫，使結溫T穩(wěn)定在要求取值。

晶體管的結溫T與對應結溫的耗散功率P在一定溫度內(nèi)滿足以下的線性關系：

T=P*R+T?????????????? （1）

式中， R為晶體管結-殼熱阻;T為晶體管殼溫;耗散功率P即為所加的老化功率。

晶體管的熱阻與材料有關，是其固有性質(zhì)（不變），維持T恒定，令T=T，代入其熱阻值，即可算出所需施加的老煉功率P

2、高溫功率老煉方法原理

高溫功率老煉方法與通常的維持殼溫恒定的老煉方法不同，是通過控制一定的環(huán)境溫度，施加相應的最大額定功率，使晶體管達到最高結溫老化的方法。所用公式如下：

T=P*R+T?????????????? （2）

式中，R為晶體管結-環(huán)境熱阻;T為環(huán)境溫度;P為對應環(huán)境溫度下的最大耗散功率，等于晶體管的老煉功率。

類似式（1），可同樣算出對應環(huán)境溫度T下，使結溫T達到最高結溫T所需施加的功率P。

3、高溫功率老煉的實際意義

比較公式（1）和公式（2）可知，兩個公式都表現(xiàn)了結溫Tj對耗散功率P的線性關系，而且因子都是熱阻，但是R遠大于R（通常大10倍以上）。因此，T與T差別不大時，公式（2）中的P遠小于公式（1）中的P。使用高溫功率老煉所加的額定功率比傳統(tǒng)的維持殼溫恒定的方法需要的功率要小很多。

三、高溫功率老煉試驗條件的確定

大功率晶體管高溫老煉篩選的條件包含老煉功率P，環(huán)境溫度T和老煉時間t。

1、老煉功率P和環(huán)境溫度T的確定

由公式（2）可知老煉功率P為對應環(huán)境溫度T下的晶體管的最大耗散功率P，通常規(guī)定T≤25℃時P= P，T>25℃時，P隨T增大而減小，并且呈線性關系。公式（2）中，代入T=T， T=25℃以及熱阻R的值即可算出P的值。通常在提高環(huán)境溫度，降額功率老煉時，要求老煉功率P≥0.75 P，由此可以規(guī)定老煉功率P為0.75 P或略大于0.75 P，聯(lián)系圖2 的降額曲線，即可得到對應的環(huán)境溫度T取50℃。

2、老煉時間的確定

按半導體分立器件試驗方法 （GJB128A-97）的要求，晶體管的老煉時間至少為 168h。晶體管在高溫連續(xù)運行的功率管老煉中，不易散熱或局部散熱不均，實際老煉環(huán)境要較單管老煉的環(huán)境惡劣，所以考慮采用標準的低線時間——168h。

四、高溫功率老煉試驗

取某型號大功率晶體管100只，測試電參數(shù)合格后，置于高溫功率老煉設備中進行168h的功率老煉，該晶體管TA=25℃時的最大耗散功率為5W，老煉時施加電壓20V，電流190mA（功率為3.8W），溫度設定為50℃。老煉過程中做好環(huán)境溫度、電壓和電流的實時監(jiān)控，所有樣管在老煉過程中均正常。功率老煉結束后，對樣管特性參數(shù)進行測試，5只樣管不合格。該5只不合格樣管失效參數(shù)的功率老煉前后測試數(shù)據(jù)如表1所示：

由上表可知，41號飽和壓降V失效，2號、15號、72號和76號經(jīng)功率老煉后放大倍數(shù)h失效。

五、試驗結果分析

對于該大功率晶體管樣管，在50℃的高溫環(huán)境下連續(xù)運行168h，共失效 5只。根據(jù)以往同型號產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，晶體管在老煉后的正常失效比率約為 2%，與本試驗結果吻合，基本達到了預期的目標。

六、結束語

生產(chǎn)工藝一直是公司發(fā)展的瓶頸，改進工藝說起來很難，但卻可以從小問題開始，一點一點慢慢的進行，我相信只要通過廣大技術員工的不懈努力，不放過任何一個小問題，一定可以提高公司的工藝水平，使公司不斷發(fā)展壯大。

參考文獻：

[1]張俊德，曹紅等，改善晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命 試驗方法的技術措施，電子質(zhì)量，1999年11期

[2]趙歡軍，結溫可控的晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗方法研究，中國電子科技集團公司第三十八研究所

[3]GJB128A-97，半導體分立器件試驗方法