功率MOSFET壽命預測技術研究

康錫娥

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

功率MOSFET壽命預測技術研究

康錫娥

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

電子元器件是電子設備的基礎，是不能再進行分割的基本單元，因此電子元器件的壽命在一定程度上決定了電子設備的使用壽命。功率MOSFET是所有元器件中使用最廣泛的品種之一，數據統計表明，功率MOSFET是電子設備中失效率最高的元器件，整個壽命周期以性能退化失效為主。以MOSFET器件為例，模擬器件的使用環境、電壓、電流，同時不斷對試驗過程中的器件進行測試，通過對測試數據進行分析，確定器件的敏感參數，建立以敏感參數為主的退化模型，從而估算元器件的壽命。

功率MOSFET；壽命預測；敏感參數；退化模型

1 引 言

電子元器件是整個電子設備和系統的基礎，是不能再進行分割的基本單元，因此其可靠性對系統可靠性影響較大。其可靠性被定義為[1]：電子元器件在特定使用條件和環境條件下，在其壽命周期內，達到設計要求的技術指標，且工作過程穩定。但是，各個電子元器件的使用條件和環境條件與他們構成的電子系統的環境條件相同。例如航天中使用的功率MOSFET，它的環境條件和它的應用條件相同，可能需要經歷熱循環、各種輻射源的輻射、高速轉動等，同時這個器件也可能只是在常溫的環境下工作。這就意味著相同的產品在使用中可能要面對不同的使用環境，這對器件來說它的使用壽命會存在著很大的差異。因此分析電子元器件的可靠性問題，不僅要分析器件本身性能指標，還要將它周圍環境因素，使用條件等關鍵因素考慮進去。

2 功率MOSFET可靠性總體研究思路

隨著工藝水平的不斷提高，功率器件的可靠性和壽命不斷增加。由于需要較長的試驗時間和較大的試驗樣本，基于概率統計理論的傳統可靠性試驗已經不再適用。在保證失效機理不變的前提下，通常采用加速壽命試驗的方法研究電子元器件可靠性。首先要確定敏感參數，在加入溫度、電壓、電流等應力的同時，根據MOSFET摸底試驗，通過MOSFET測試平臺的測試，確定退化過程中的敏感參數，制定加速退化試驗方案。通過對測試數據的歸納、整理、分析，總結出經過加速退化試驗之后，敏感參數的發展趨勢，從而預測器件的壽命。（如圖1所示）

圖1 MOSFET可靠性總體研究框圖

2.1 參數漂移失效模式

參數漂移是功率MOSFET正常使用過程中最常見的失效模式，包括閾值電壓及溝道電阻參數漂移、跨導下降、噪聲系數增大、歐姆退化等。每種失效模式可能對應多種失效機理，具體見表1。

2.2 功率MOSFET性能退化參數確定

表1 功率MOSFET參數漂移失效模式與主要失效機理[2]

通常有兩種原因能夠導致電子元器件出現失效[3]。一是器件出現短路或開路，使得短時間內功率等級遠高于器件額定功率等級；二是器件長時間工作于環境應力及電應力的條件下，產生不可恢復的積累性損傷。第一種情況一般發生在電子系統剛開始工作或系統進行調整的時候，第二種情況主要發生在器件的長期使用過程中，是由器件敏感參數的漂移引起的。因此按照第二種失效情況進行模擬，在不同環境條件下，對某型號器件連續進行兩個月的試驗。選取20只IR公司某型號的功率MOSFET器件，其主要特性參數如表2所示。

表2 主要特性參數

選取20只樣本，按照GJB548B-2005中對溫度循環試驗的要求進行考核試驗[4]，選取的試驗溫度變化范圍是-55～125℃，變換時間與保持時間均為1.5小時，試驗結束后樣品在常溫下恢復1～2小時，再進行表2中的參數測試，使用3193分立器件測試系統連續測試30天。由于測試數據量大，因此在表3中只顯示試驗前數據和試驗結束后的測試數據。

表3 試驗前后數據對比

從前后試驗數據比對可以看出，部分參數發生明顯變化，而閾值電壓變化幅度最大。試驗前后功率MOSFET輸出特性曲線的變化如圖2所示，從圖中可以看出，由于閾值電壓和溝道電阻的增大，試驗后輸出特性曲線整體下移。

圖2 輸出特性曲線

試驗結束后，閾值電壓、導通電阻可以作為退化過程中的敏感參數。其中閾值電壓直接影響轉移特性曲線位置，而跨導的測試需要給定柵源電壓或漏源電流，受閾值電壓影響較大。

3 基于退化模型的壽命預測

通過表3的數據總結出，閾值電壓在試驗前后變化是最明顯的，以閾值電壓退化模型為例進行建模。由于常規條件下器件壽命較長且退化量很小，因此，需要加大應力進行試驗。加速退化試驗是可靠性研究中最常用的一種試驗方法。本次試驗模擬器件實際工作中的環境（溫度）、工作條件（電壓、電流），具體參數如表4所示。同時，不斷的對器件的敏感參數閾值電壓進行測量，記錄參數的變化情況。根據與時間相關的power-law模型，與溫度相關的阿倫尼烏斯模型，與電應力相關的艾琳模型，總結出綜合應力模型[4]：

Cox為柵氧化電容

NA為溝道摻雜濃度

Ea為T=1條件下電場強度

φf為溝道電勢

ε0εrq及c為常數

對公式（1）兩邊取對數得到：

從公式（2）可以看出，當 Vgs、Id、T 等相應條件確定時，上式可以寫成

經過大量的試驗和理論分析，得知power-law時間系數與器件工作的溫度、電應力以及溫度和最大額定電壓電流的比值相關。由本試驗中器件的最大額定電壓電流可以得到

通過公式（5）可以看出，要想獲得m的值，需要4組試驗數據，求得n值需要2組數據。由于閾值電壓測量值受到溫度影響，因此需要將不同溫度條件下的測量值進行歸一化處理。采用歸一化公式，將120℃及140℃條件下的數據歸算到100℃條件下。求得m值為

采用插值法獲得n值：

因此公式（1）可以寫成

從公式（7）中可以看出溫度和電流大小對閾值電壓參數退化影響最大。而電壓的影響較小。常數C為t=1時刻閾值電壓的變化量。

試驗后，任何規定的終點測量或檢查不合格，外殼或引線的缺陷或損壞跡象，或標志模糊，均視為失效。采用國際電工委員會標準IEC62373-2006中對場效應晶體管電特性的規范，只要閾值電壓Vth的變化超出初始值的±10%即認為失效[6]。例如在140℃、30V、0.4A條件下，得到本試驗中失效閾值為0.2V。根據公式（7）計算得到t=12444小時，約為518天。

表4 加速試驗條件

4 結束語

通過上述試驗過程可以發現，在產品正常使用的過程中，電子元器件退化失效是其失效的最主要原因[7]。統計數據表明，電子元器件的某些敏感特性參數會隨著工作時間的延長而產生某種有規律的變化，同時，批量電子元器件退化特征也滿足某種統計學分布，因此，通過分析性能退化數據，可以得到電子元器件或電子系統在整個壽命周期的可靠性信息，進行可靠性評價及預計[8]。

[1]Reliabulity Maintainability Terms GB3187-94[S].1996.

[2]Wang Yunhui.Electronic Components Reliability Design[M]Beijing:Science Press,2007.

[3]Chen Shijie.Research of Degradation Model and Lifetime Prognosis Method for Power MOSFET[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2013.

[4]Test Method and Procedure of Microelectronic Device GJB548B-2005[S].1996.

[5]A.Grall Berenguer,L.dieulle.A Condition-based Maintenance Policy for Stochastically Deteriorating Systems[M].Reliability Engineering and Systerm Safety,2002.

[6]Jay Lee,Jun Ni,Dragan Djurdjanovic.Intelligent Prognostics Tools and Emaintenance[M].Computers in Industry，2006.

[7]Li Qiuyang.Research on Power MOSFET Model for Reliability Analysis[D]Harbin：Harbin Institute of Technology，2012.

[8]Meng Juqing Liu Haibo.Semiconductor Device Physics[M].Beijing：Science Press 2005.

Research on Power MOSFET Lifetime Prediction Technology

Kang Xi'e
(The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China)

Electronic component is the foundation of electronic equipment,which being the basic unit,cannot be further divided.Therefore,to a certain extent,the lifetime of electronic components determines the service life of electronic equipments.Power MOSFET is one of the most widely used varieties in all components,according to the statistics,the power MOSFET is of the highest failure rate of components in electronic equipments,and its main failure form is with performance degradation.Taking MOSFET devices as an example,the use environment,voltage and current of the components are simulated,and at the same time,by keeping doing the tests during the experiment,analyzing the test data,determining the sensitive parameters of the components,and establishing the degradation model mainly with sensitive parameters,the lifetime of components is thus estimated.

Power MOSFET;Life prediction;Sensitive parameter;Degradation model

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.002

TN3

A

1002-2279-（2017）05-0004-04

康錫娥（1980—），女，河北省唐山市人，工程師，主研方向：元器件測試。