老化試驗中溫度變化問題探討

馮 建，胡 波，邢宗鋒，羅 俊

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

隨著集成電路技術高度發展，其功能越來越強大，對可靠性試驗要求越來越高，試驗條件越來越嚴酷。在動態老化試驗中，其目的為了篩選或者剔除有缺陷和有潛在缺陷的元器件。這些缺陷大概有兩種[1]:一類是質量缺陷如芯片裂紋、表面粘附粒子等等；另一類是潛在的缺陷，如焊接空洞。為了讓潛在的缺陷及時的發現，需要對芯片施加應力在老化環境中進行測試。在動態老化試驗中，烘箱的溫度過低不足以暴露出器件的缺陷，溫度過高會使電路熱電應力失效。集成電路的溫度老化試驗模型服從下列公Arrhenius[2](阿倫尼烏斯) 方程:

式中R(T) 是溫度T(為絕對溫度K) 時的反應速率，A為一系數，Ea 為對應的反應激活能，k為玻爾茲曼常數[3]。溫度T越高，R(T) 越大，器件失效的越快，失效率越高，器件的工作時間也越短。因此研究烘箱內溫場變化使電路在控制溫度范圍內進行老化、壽命，避免電路在失控的溫度內進行老化、壽命，在實際工作中有著非常重要的意義。

本文通過對老化試驗工作中出現的試驗箱內溫場分布不均勻，局部溫度過高的現象進行分析，利用統計和試驗驗證方法找出了溫場變化的原因，并提出改進方案，使電路能正常進行老化、穩態壽命試驗。

1 烘箱溫場效應影響因素分析

試驗箱使用的是CS101-1EBN型電熱干燥箱，進行老化試驗的器件分為非功率器件和功率器件。

1.1 老化電路數量與溫度變化的分析

非功率器件，老化環境溫度為125℃，選取烘箱內部中心位置為測試溫度點，以50只為單位，逐步遞加觀察溫度變化情況。烘箱溫度數據變化如表1。

表1 非功率電路數量與溫度變化情況

表2 功率電路數量與溫度變化情況

小功率器件：溫度設置為81℃，試驗電路數量5只、12只、20只、22只，監測烘箱內部老化板上方中心位置溫度。電路數量與溫度數據變化情況見表2。

分析：非功率器件和小功率器件隨著電路數量的增加，烘箱內的溫度沒有明顯的變化。通過分析發現，當老化的電路在測試點上方即老化電路沒有在風道和測試點間形成阻隔時，溫度變化梯度較小，當電路的數量增多，測試點的吹風受到阻隔后，溫度梯度變化增大。

非功率器件由5 0 只增加到2 0 0 只，溫度變化了1.3℃，小功率器件由5只增加到22只，溫度變化了2.2℃，通過以上數據分析，同一烘箱中的電路數量的多少不是影響烘箱溫度變化的主要因素。

1.2 電路功率與溫度變化的關系

以功率器件DC/DC電源為試驗對象，溫度設置為80℃，試驗電路功率65W（1只）逐漸遞增到455W（7只），監測烘箱內部老化板上方中心位置溫度。通過一段時間的監控分析，大致可得到功率與烘箱內部溫度的變化趨勢關系如圖1。

根據對功率數據的分析統計，可以粗略的估算出，在不考慮其它因素的情況下，CS101-1EBN型電熱干燥箱的最大散熱能力見圖2。

以烘箱內電路功率達到455W比設定溫度高出6.2℃為基準推算，當總功率達到500W時，（模擬方法曲線覆蓋500W），超過國軍標的最大容差要求（8℃或8%）。

通過以上數據分析，功率器件在老化工作時，必然產生耗散功率，以熱能的形式輻射到環境中。如果烘箱沒有良好的散熱方式，必然老化烘箱內的環境溫度會隨功率增加而升高。當耗散功率的發熱量超過烘箱的散熱能力時，烘箱溫度將會出現急劇變化的情況。因此，同一烘箱中的電路加電功率的多少是影響烘箱溫度變化的主要因素之一。

1.3 烘箱內風速與溫度關系

為了測試烘箱內承載板和老化板對風速的影響。在烘箱內依次加入一、兩、三塊承載板和老化板，分別測試承載板和老化板上方外面、中間、里面的風速。通過測試，烘箱內擱置不同數量承載板和老化板后，各監控點風速變化情況如表3。

圖1 功率與烘箱內部溫度的變化趨勢關系

圖2 CS101-1EBN 型電熱干燥箱內部風向示意圖

表3 老化板數量與風速的關系（單位：m/s）

表4 溫度與風速的關系（風速單位：m/s，溫度：℃）

風口的風速：3.20m/s

烘箱內無任何遮擋時風速是一樣的，當加入承載板和老化板后，承載板和老化板猶如一個隔板，影響風速變化。從表中可以看出隨著老化板由下往上增加，烘箱內部的風速由下往上逐漸變小。

烘箱設置78℃，加滿三層老化板（無電路），測試烘箱內上中下層風速與溫度的變化關系。通過測試，烘箱內溫度與風速的關系，各監控點溫度和風速變化情況如表4。

從表4中可以看出，上層的風速小，溫度高，上層溫度比設定溫度高出0.8℃，因此烘箱內加滿老化板后影響了烘箱內溫場的熱交換能力，溫度分布受到風速的影響，烘箱溫場與風速成反比，即風速越小，散熱能力越差。

因此，烘箱內部溫場的變化直接與內部電路的發熱量（功率）和散熱能力（風速）相關。

2 烘箱溫場變化規律分析

由第2點的分析可知電路的發熱量（功率）和散熱能力（風速）是影響烘箱溫場變化的主要因素。綜合分析烘箱內功率、風速與溫場變化規律如圖3。

1） 以非功率器件為試驗樣品，360只電路，電路分配于三塊老化板，老化環境溫度要求為86℃，定點測試烘箱內部的三塊老化板上方中心位置溫度。通過一段時間的溫度監控分析，大致可得到圖4中的變化，功率與烘箱內部溫度的關系。

烘箱內每一板電路功率10.5W（15V/0.7A）三板電路總功率為31.5W（0.9W/只），烘箱內各層老化板附近風速（上層風速0.15米/秒，中層風速1.62米/秒，下層風速3.11米/秒），此時烘箱內溫度梯度變化（分別比設定溫度高出1.8℃、2.5℃、3.4℃）。由于非功率器件整體發熱量（耗散功率）小，雖然烘箱內部散熱能力（風速）不一致，但是烘箱內部溫場變化3.4℃，處于國軍標要求以內。

2） 以功率器件為試驗樣品，12只電路，電路分配于三塊老化板，老化環境溫度要求為82℃，定點測試烘箱內部三塊老化板上方的中心位置。通過一段時間的監控分析，大致可得到下圖的變化，功率與烘箱內部溫度的關系：

三板電路總功率達到392W（32.7W/只）。烘箱內三板老化電路，風速為上層風速0.14米/秒，中層風速1.63米/秒，下層風速3.14米/秒，溫度變化最大比設定值高6.4℃。

圖3 烘箱內功率、風速與溫場變化規律

圖4 功率與烘箱內部溫度的關系

從圖4中可以看出，在同樣的烘箱內，當耗散功率的發熱量增大時，在三層隔板上的同樣位置監測的溫度梯度明顯高于圖3非功率器件的溫度變化，并且隨著功率的增加烘箱各點的溫場變化是非線性。

3 結果

1）每種類型的試驗箱散熱能力是一定的，當烘箱內部所加電路的耗散功率超過一定范圍時，電路的發熱量就會積聚，影響試驗箱的內部溫場均勻。就本所使用的CS101-1EBN烘箱內所加功率器件的總功率不能超過500W。

2）烘箱內部溫場的變化直接影響因素為內部電路的發熱量（功率）和烘箱的散熱能力（風速）。

3）烘箱為非全密封狀態，因此烘箱內散熱能力（風速）在烘箱內擱置老化板時，各部分的風速大小會不同。當耗散功率較小時，烘箱內部溫場梯度變化較小，符合國軍標的容差要求；當耗散功率的發熱量較大時，烘箱內部溫場梯度變化大，并且隨著功率的增加烘箱各點的溫場變化是非線性。

4 改進措施

1）烘箱內的溫場變化受老化電路功率大小和烘箱散熱能力大小（風速）影響。烘箱內不僅控制所加電路的功率，還要改變烘箱內電路排列方式，下層可以盡量加滿電路，依次由下層往上層逐漸減少電路功率，烘箱內形成功率梯度，與烘箱風速相吻合，達到散熱目的。

2）試驗箱使用的是CS101-1EBN型電熱干燥箱，風源來自底部，由于烘箱承載板和老化板的原因，風速由下往上逐漸減小，根據烘箱風速的特點，可以將老化板放置方向與烘箱風向保持一致，增大通風面積，減少風速阻隔，增強烘箱的散熱功能。

3）根據改進措施結合以功率器件DC/DC電源為試驗對象，溫度設置為80℃，試驗電路功率65W（1只）逐漸遞增到520W（8只），烘箱內電路功率達到520W比設定溫度高出5.6℃，達到國軍標要求（8℃或8%），見表5。比改進前455W時溫度比設定高出6.2℃有明顯的改進。

表5 功率與烘箱實際溫度的變化趨勢關系

5 結束語

集成電路的高溫老化、壽命是考核產品質量的重要手段。烘箱內的溫場變化與電路耗散功率，烘箱自身吹風方式有關。知道了溫場變化影響因素，為我們今后的高溫老化、壽命工作提供有利的幫助。

[1]王魯寧. 集成電路老化溫度與功耗、頻率關系研究[J].艦船電子工程,2009,183（9）：172-174.

[2]莊弈琪. 微電子器件應用可靠性技術[M]. 北京:電子工業出版社,1996.

[3]盧昆祥. 電子設備可靠性試驗[M]. 北京: 電子工業出版社,1992.