基于Arrhenius模型的二極管加速壽命試驗研究及應用

羅云峰 陳曉麗

（1.珠海煌榮集成電路科技有限公司 廣東珠海 519015；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

基于Arrhenius模型的二極管加速壽命試驗研究及應用

羅云峰1陳曉麗2

（1.珠海煌榮集成電路科技有限公司 廣東珠海 519015；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文基于Arrhenius模型，通過試驗方法來探討二極管在不同溫度條件下其漏電流等參數的變化情況和失效分析，得出一種加速二極管壽命試驗的有效方法，大大縮短了二極管壽命試驗周期，節省了試驗成本；而且對二極管的失效進行了詳細分析，得出的結論對二極管的設計選型有一定的指導意義。

二極管；加速壽命；二極管失效；二極管選型和應用

1 引言

二極管是最常用最重要的電子元器件之一，其應用非常廣泛，隨著半導體可靠性技術的提高，二極管的使用壽命已大大延長，已不可能通過正常應力下的壽命試驗來驗證。如何通過加速壽命試驗對二極管的壽命進行預測，成為學術和產業界共同關心的問題。因此，進行相應的加速壽命試驗研究，并根據試驗后的各項指標來估計二極管的壽命，提高其可靠性，延長其使用壽命就顯得非常重要，且具有重大的現實意義。

2 加速壽命試驗和Arrhenius模型

2.1 加速壽命試驗簡介

加速壽命試驗一般指的是用加大試驗應力（諸如熱應力、電應力、機械應力等）的方法，激發產品在短時間內產生跟正常工作應力水平下相同的失效，縮短試驗周期，然后運用試驗數據分析建立模型，評估產品在正常工作應力下的可靠性特征。加速壽命試驗的核心問題是計算出加速因子。所謂加速因子，是指器件在正常工作應力下的壽命與加速環境下的壽命之比，也就說是一小時試驗相當于正常使用的時間是多少。

目前常用的加速壽命試驗方法有以下三種：恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗、序進應力加速壽命試驗等，其中恒定應力加速壽命試驗方法對試驗設備的要求不高，失效因素單一，準確度高，是最具有可操作性和實用性的，因此本文采用恒定應力加速壽命試驗研究方法。

需要注意的是，電子元器件在實際使用過程中的失效機理是十分復雜的，其壽命和可靠性往

往受很多綜合因素的影響，在試驗室條件下是不可能用一種模型來模擬的。但是可以考慮一些主要的影響因素，建立簡化模型，然后通過實際驗證來探討加速其失效的試驗方法。

2.2 Arrhenius模型（溫度加速）

恒定應力加速壽命試驗的常用模型有Arrhenius模型（溫度加速）、Eyring模型（電壓加速）、Hallberg和Peak模型（濕度加速）、Coffin-Mason模型（溫度變化加速）等，其中最典型的為Arrhenius模型。Arrhenius模型（阿倫尼斯模型）考慮的環境應力因素為溫度，通過提高溫度來加速壽命試驗，同時這個模型也是目前應用最為廣泛的模型。適用于大多數的電子元器件。

在加速壽命試驗中，用溫度作為加速應力是常見的，因為溫度使產品（如電子器件、絕緣材料等）內部加快化學反映，促使產品提前失效。阿倫尼斯在1880年研究了這類化學反應，在大量數據的基礎上，提出加速模型。

其中：

L——某壽命特征（中位壽命、平均壽命）；

A——是個常數，且(也稱頻數因子)，A＞0；

E——激活能，與材料有關，單位是電子伏特，以eV表示；

K——波爾茲曼常數，8.617×10-4eV/K，E/K的單位為溫度，又稱激活溫度；

T——絕對溫度，等于攝氏溫度加273。

這種模型表明，壽命特征隨著溫度上升而指數下降。對上式兩邊取對數：

a和b都是待定參數。其壽命特征的對數是溫度倒數的線性函數。

假設在標準應力下的產品壽命為L0，在加大應力狀態下，產品壽命縮短為L，L＜L0，則加速壽命試驗的加速系數(正常應力下某種壽命特征與加速應力相應壽命特征的比值)為：

一般來說，溫度上升10℃，電子元件退化的經驗數據表明，使平均壽命縮短1/3～1/2，這個經驗數據稱為10℃法則。

3 二極管的加速壽命試驗方法研究

從二極管本身的構成機理來看，影響二極管的耐久性壽命的因素有很多，但溫度是影響其壽命的最主要因素（溫度影響PN結反向電流），特別是隨著的溫度的升高，其壽命的縮減趨勢很明顯。通過對溫度的操作來研究二極管的加速失效是完全可行的。所以，本文采用Arrhenius模型，以溫度為恒定加速應力來研究二極管的壽命。

3.1 試驗方案

試驗樣品的選取：二極管根據正向電流大小，分別選用了0.5A、15A、20A、30A共4種型號。

① 二極管1N4007(1000V/0.5A) ；

② 二極管15ETH06FP (600V/15A) ；

③ 二極管FMD4206S (600V/20A) ；

④ 二極管FMN-4306S (600V/30A) 。

試驗方案：試驗先從150℃，施加最高反向工作電壓開始，如果樣品失效比較高，逐漸降低試驗溫度和電壓；如果試驗沒發現失效，逐漸提高試驗溫度。

以三個關鍵參數為基準：漏電流、正向電壓、最高反向電壓，通過具體試驗來分析在不同溫度條件下其性能參數的衰減情況，經過對比分析，從而得到其加速條件下和常規條件下的等效規律。

圖1 二極管1N4007 漏電流-溫度特性曲線

表1 二極管1N4007不同溫度下的漏電流值、消耗功率和溫升

3.2 數據記錄與分析

試驗數據較多，本文不一一列出，僅列舉幾例，下面以二極管1N4007(1000V/0.5A)為例進行記錄和分析。

（a）第一組：150℃條件下，施加最高反向工作電壓1000V。

試驗4h后發現1pcs失效，主要表現為擊穿，失效樣品漏電流無窮大。檢出不良樣品再次試

驗，0.5h發現1pcs失效，也是擊穿失效。但不失效的二極管試驗前后參數幾乎保持不變。

（b）第二組：120℃，施加最高反向工作電壓1000V。

試驗36h后發現1pcs失效，主要表現為擊穿，失效樣品漏電流無窮大。但不失效的二極管試驗前后參數幾乎保持不變。

漏電流—溫度曲線見圖1。

從以上的測試和數據，可分析得出：

（1）當環境溫度達到130℃時，施加最高反向工作電壓時，漏電流隨著施加時間逐漸增大。

（2）根據最大正向電流和正向壓降，可以估算二極管1N4007的PN結耗散功率為3.3×0.5=1.65W，在室溫條件下使用，根據PN結溫度不能超過最大結溫，溫升應該小于150-25=125K，可以推算熱阻抗Rth(j-a)＜125/1.65=75.75K/W，取熱阻抗75.75，可以算出120℃的溫升為2.4K，150℃的溫升為9.7K，溫升都比較大。可見在高溫條件下，漏電流較大，功耗較大，PN結溫度上升，導致漏電流進一步加劇，如此不斷循環，二極管很快出現失效。二極管1N4007不同溫度下的漏電流值、消耗功率和溫升見表1。

3.3 加速因子的推算

試驗前，測試二極管在145℃環境條件下的反向電流值，根據反向電流和施加的電壓計算耗損功率，根據熱阻算出二極管的溫升，如果溫升較小（≤0.5K），可以判斷該型號二極管可以采用上述加速方案。

當二極管試驗溫度由100℃增加到145℃時，根據Arrhenius（阿倫尼斯）模型：

AF=7.46；試驗時間可以由1000h縮短到128h，建議：選用國標規定的336h，試驗周期縮短了2/3。

4 結論

另外3個二極管的測試數據及結果和二極管1N4007的基本一致，綜合分析4個二極管的加速壽命試驗情況，可得出以下結論：

（1）如果試驗出現失效，在試驗早期（時間短則上電幾個小時則發現失效，時間長也不會超過168h）就可以發現失效，而且在高溫下進行反偏電耐久性試驗失效都是熱擊穿。

（2）如果試驗過程不出現失效，經過1000多小時試驗前后二極管參數變化也很微小。

（3）根據二極管漏電流-溫度特性曲線圖，當環境溫度較低時（75℃以下），漏電流隨環境溫度變化不明顯，隨著溫度上升（75℃以上），漏電流隨環境溫度上升成4次方或5次方的速度上升，漏電流變化非常明顯。在開發設計時，可以測試器件高溫的漏電流，要注意考慮周圍環境溫度因素對二極管可靠性的影響。特別對于面接觸性的PN結器件，更要重視溫度因素的影響。

（4）根據高溫條件下進行反偏試驗結果和漏電流-溫度特性曲線圖，可分析得出：當環境溫度上升，漏電流逐漸增大，在高溫消耗的功率也增大，根據功耗和熱阻抗可以計算出溫升，結溫上升導致漏電流進一步加大，如此循環，當漏電流和反向電壓的乘積超過PN結容許的耗散功率，二極管很快就出現擊穿。

如果在高溫下漏電流比較小，理論計算出高溫下的功耗也很小，溫升變化不明顯，再試驗1000h也不會出現擊穿，試驗前后數據變化也很小，基本保持不變。

（5）根據PN結特性，當PN結反向電壓增加時，空間電荷區中的電場隨著增強。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結就發生雪崩擊穿。雪崩擊穿過程是可逆的，所以經過1000h試驗前后參數幾乎保持不變。但它有一個前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去而使PN結溫度上升，直到過熱而燒毀，這種現象就是熱擊穿。所以如果樣品失效，測試發現都是短路。

5 二極管加速壽命試驗研究的意見及推廣

通過以上一系列的試驗研究和驗證，對于可以采用加速方案的二極管，施加最大反向電壓，提高試驗溫度至145℃后，可以將試驗時間由1000h縮短為336h，大大縮短了試驗時間，極大地提高了效率，節省了試驗成本，具有重大的實用價值。

另一方面，以上加速壽命試驗方案和研究得出的結論可推廣到其他半導體器件（如：三極管等），同樣適用于三極管的加速壽命研究。

最后，對二極管類半導體器件的設計選型也有一定的指導作用，設計開發時必須注意：

（1）由于隨著溫度上升（75℃以上），漏電流隨環境溫度上升成4次方或5次方的速度上升，漏電流變化非常明顯。所以，在開發設計時，可以測試器件高溫的漏電流，要注意考慮周圍環境溫度因素對二極管可靠性的影響。特別對于面接觸性的PN結器件，更要重視溫度因素的影響。

（2）肖特基二極管高溫下的反向電流比其他二極管增速更明顯，使用時要注意肖特基二極管需要降額使用。

[1] 付桂翠等. 電子元器件可靠性技術教程 [M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2] 黃兆軍等. 電解電容加速壽命試驗的研究與應用探討.《日用電器》 2013年08月.

Research and application on the accelerated life test of the diode based on the Arrhenius model

LUO Yunfeng1CHEN Xiaoli2
(1.Kingwin International Limited ZhuHai 519015; 2. GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai ZhuHai 519070)

This paper is based on the Arrhenius model, through the experiment method to investigate the change of leakage current or other parameters of the diode under different temperature conditions, and failure analysis. Put forward an effective method for accelerated life test of the diode, greatly shorten the life of the diode test cycle, saving the cost of the test, and a detailed analysis of the diode failure, have a certain guiding significance to the conclusion of the diode design and selection.

Diode; Accelerated life; Diode failure; Model selection and application