基于POF的溫度應力加速試驗失效機理一致性研究

（中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071）

基于POF的溫度應力加速試驗失效機理一致性研究

鄭志騰，董澍，徐丹君，蔡健平，伍招沖

（中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071）

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

加速試驗；失效物理；失效機理一致性

加速試驗是在保證失效機理不變的前提下，提高試驗應力水平，使產品加速失效，以便在短時間內獲得失效數據，從而評估產品正常應力水平下的可靠性或壽命指標[1—3]。然而，由于加速條件下試驗應力水平高，產品潛在的失效機理可能被激發出來，成為主要失效機理，從而使得加速條件下失效機理發生改變，導致由加速試驗獲得的器件壽命不能代表器件的真實壽命，造成無效加速時間，產生巨大的浪費，所以進行加速試驗失效機理的一致性判定是非常有必要的。

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

1 加速模型分類

研究加速試驗失效機理一致性，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、經驗加速模型和統計加速模型[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品失效過程的物理化學解釋而提出的。典型的物理加速模型有Arrhenius模型和艾林模型等，描述了產品壽命和溫度應力之間的關系。經驗加速模型是基于工程師對產品壽命受應力影響的長期觀察總結而提出的，如線性累積損傷模型、Coffin-Manson模型等。統計加速模型是基于統計方法給出的，又可分為參數模型和非參數模型。由于三種類型的加速模型中只有物理加速模型是基于產品失效的物理、化學而建立的加速模型，所以文中基于失效物理的加速試驗失效機理一致性研究方法只適用于物理加速模型。

2 基于POF的失效機理溫度突變點確定

2.1 電子產品溫度失效物理模型及工程驗證研究

2.1.1 失效物理理論模型研究

根據文獻[4]和文獻[5]，電子器件在溫度應力作用下發生退化是由器件表面和內部金屬化系統發生物理化學變化引起的，其主要失效機理為電遷移、熱載流子注入和介質擊穿三種，影響其失效的主要參數為電流、電壓、溫度等，可以得到描述產品在溫度應力下失效時間的統一物理模型：

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

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

式中：A為常數；M為失效敏感參數；dM/dt為器件失效敏感參數退化速率。

對于電子產品，一般選用溫度應力進行加速壽命試驗，對器件施加按一定速率β上升的環境溫度應力，則t時刻器件的結溫可以表示為[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內進行積分，可得：

即

其中2TMΔ 和1TMΔ 分別為2T和1T溫度下對應的敏感參數有效退化量。

對式（7）在另一段時間3T到4T內積分，可得：

式（7）和（8）兩式相比，可得：

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

2.1.2 工程驗證

選取某型星上二次電源關鍵功率器件 N溝道MOSFET管，設計并開展溫度試驗，測量MOSFET管的失效敏感參數—閾值電壓Vth隨溫度的變化數值，如圖2所示。可以看出，隨著溫度應力的不斷增大，此MOSFET器件的閾值電壓Vth不斷減小，呈穩定下降趨勢。

圖2 不同溫度下閾值電壓數據Fig.2 The threshhold voltage at different temperature

根據失效物理模型公式（9）求得各個溫度下對應的激活能數據如圖3所示，激活能在整個試驗溫度內表現為三段區域，在拐點處失效機理發生了改變，失效機理發生改變的溫度約為240 ℃。在失效機理發生改變的區域和未改變的區域存在一個警告區域，經過計算區域的值為224～236 ℃。在設計加速壽命試驗時，應盡量避開此區域，以保證加速試驗的有效性。

圖3 不同溫度下激活能數據Fig.3 The activation energy at different temperature

2.2 MOSFET器件失效物理分析研究

2.2.1 加速壽命試驗實施

由以上分析可知，MOSFET器件的失效機理在240 ℃左右發生了改變。為了更好地驗證失效物理模型求解的正確性，結合失效物理分析手段開展失效機理突變點的研究。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，待產品失效后，進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，試驗開始時，應緩慢升高溫度，50 ℃溫度應力下保持24 h。根據GJB 150.3A，以＜3 /min℃ 的升溫速率將溫度升高至相應的溫度（底板溫度）。考慮到高溫下產品輸出參數可能出現溫度漂移，產品失效判據定為：輸出參數超出產品達到穩定狀態后輸出參數量值的35%范圍。最后對四個不同溫度應力下的樣品開展失效物理分析，研究其失效機理的差異性。

2.2.2 失效物理分析研究

試驗后失效樣品如圖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生了脫落現象。

圖4 試驗失效樣品Fig.4 Thefailure samplee s

圖5 不同溫度應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器件承受應力量級的最高點為芯片和鍵合引線的連接處，所以對芯片和鍵合引線處進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理的異同。

圖6 電-熱耦合仿真應力分布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（圖7c箭頭所示）。由于溫度過高，導致鍵合引線處的元素發生氧化反應，從而形成了白色顆粒狀物質，導致失效機理發生了改變。

對四個樣品進行成分分析，取三種主要元素Ag，Cu，O的含量進行測試，得到界面元素含量見表1。可以看出，隨著溫度的升高，界面中Ag，Cu元素的含量不斷升高，說明在加電狀態下，由于溫度的作用使得Ag，Cu等金屬元素向界面發生了遷移，使得其含量越來越高。180，200，220 ℃三個溫度應力下，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生了氧化作用，從而導致失效機理的突變。

表1 不同溫度下主要元素質量分數Table 1 Content analysis for main elements at different temperature

綜上所述，通過失效物理分析，可以驗證器件在240 ℃失效機理發生變化的原因，也證實了基于物理模型求解激活能方法的正確性。基于失效物理的失效機理一致性驗證方法的求解和分析過程較為復雜，但只需較少的樣本量就可以求解失效機理發生變化的溫度應力點，對于小子樣航天產品開展加速壽命試驗設計具有切實的工程意義。

3 結論

利用失效物理方法得到了電子器件溫度應力的失效機理突變點，得到如下結論。

1）通過溫度應力物理加速模型求解激活能，若激活能在某一溫度范圍內發生了變化，失效機理隨之發生改變。文中所選航天MOSFET器件的失效機理發生改變的溫度為240 ℃左右，在設計加速壽命試驗時，應力水平應小于此溫度，以保證加速試驗的有效性。

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

3）在推導得到電子產品失效物理模型的基礎上，只需測試一個MOSFET器件的失效敏感參數隨時間的變化規律即可求得不同溫度下的激活能，從而進行失效機理突變點的判定，達到節省試驗樣本的目的。

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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”科工局技術基礎科研項目(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, 主要從事航天產品可靠性試驗、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.