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、試驗、篩選及驗收等各個過程，均制定了嚴格的要求、詳細的技術規范和試驗方法，通過執行這些要求和方法保證電子器件滿足系統使用的技術要求，并在壽命周期內獲得高的可靠性。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、現行大功率晶體管的老化篩選方法

國內對大功率晶體管現行的老煉篩選方法，大都按照技術標準中規定的方法執行，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定的時間內連續工作的可靠性試驗項目。根據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，目前功率晶體管穩態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，試驗過程中通過監測和控制殼溫，使結溫T穩定在要求取值。

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（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-環境熱阻;T為環境溫度;P為對應環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，環境溫度T和老煉時間t。

1、老煉功率P和環境溫度T的確定

由公式（2）可知老煉功率P為對應環境溫度T下的晶體管的最大耗散功率P，通常規定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，由此可以規定老煉功率P為0.75 P或略大于0.75 P，聯系圖2 的降額曲線，即可得到對應的環境溫度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，實際老煉環境要較單管老煉的環境惡劣，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℃。老煉過程中做好環境溫度、電壓和電流的實時監控，所有樣管在老煉過程中均正常。功率老煉結束后，對樣管特性參數進行測試，5只樣管不合格。該5只不合格樣管失效參數的功率老煉前后測試數據如表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號經功率老煉后放大倍數h失效。

五、試驗結果分析

對于該大功率晶體管樣管，在50℃的高溫環境下連續運行168h，共失效 5只。根據以往同型號產品的數據，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

生產工藝一直是公司發展的瓶頸，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，使公司不斷發展壯大。

參考文獻：

[1]張俊德，曹紅等，改善晶體管穩態工作壽命 試驗方法的技術措施，電子質量，1999年11期

[2]趙歡軍，結溫可控的晶體管穩態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