李立，李曉潮

（重慶光電技術研究所，重慶 400060）

一種CCD工作壽命預計方法

李立，李曉潮

（重慶光電技術研究所，重慶 400060）

介紹了一種適用于電荷耦合器件 （CCD）的工作壽命預計方法。對CCD的失效模型進行了分析，并進行加速壽命試驗，試驗結果與理論分析結果較好地吻合。試驗結果表明，對于一款成熟應用的CCD，其工作壽命值與其質量等級有直接的關系；質量等級越高的器件，其工作壽命值也越長。

電荷耦合器件；工作壽命；預計

0 引言

電子產品的壽命預計是在設計階段，根據設計中所選用的電路程式、元器件、可靠性結構模式、工作環(huán)境、工作應力等統(tǒng)計數(shù)據，可以推測產品可能達到的壽命水平。

工作壽命預計作為一種設計工具，主要目的在于檢查產品研制方案的合理性。預計可從可靠度、性能、重量、費用和研制周期等條件來選擇最佳的設計方案，用于了解設計中的薄弱環(huán)節(jié)，有助于設計人員及時改進。

通過對工作壽命預計，設計人員可以推測產品能否達到規(guī)定的可靠性要求，并且壽命預計結果不僅用于指導設計，還可以為轉階段決策提供信息，為可靠性試驗制定維修計劃、保障性分析、安全性分析和生存性評價等提供信息，幫助提出和確定可靠性實施計劃，并為可靠性指標的分配和可靠性保障設計提供依據。

對于電荷耦合器件 （CCD）來說，由于是半導體光電成像器件，相對于其它半導體器件來說，在考慮光電參數(shù)的同時，還對成像質量有嚴格的要求，如漏光、殘像等[1]，而CCD的通用規(guī)范中只規(guī)定了2 000 h的穩(wěn)態(tài)壽命試驗[2]。因此，對CCD的工作壽命預計應考慮到器件的特點來制定相應的方法。

1 CCD工作壽命預計理論計算

對CCD的工作壽命預計采用的是GJB/Z 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》中的方法[3]，確定其中可以改進的薄弱環(huán)節(jié)，在設計與制造流程當中不僅要予以特別注意，而且要選擇適當?shù)姆椒ㄟM行改進，以提高整個器件的工作壽命。

本文選取一款1 024×1 024全幀轉移CCD作為試驗對象，根據GJB/Z 299C-2006標準的規(guī)定，CCD屬于半導體單片集成電路中的存儲器類器件，其工作失效率預計模型表示為：

式 （1）中：λp——器件工作失效率，10-6/h；

πQ——質量系數(shù)；

πT——溫度應力系數(shù)；

πV——電壓應力系數(shù)；

πE——環(huán)境系數(shù) ；

πL——成熟系數(shù)；

C1及C2——電路復雜度失效率；

C3——封裝復雜度失效率。

通過具體的應用環(huán)境、設計工藝水平等條件來確定式 （1）中的各個參數(shù)。

環(huán)境系數(shù)πE選定為地面良好GB，故可得πE＝1.0。

在GJB/Z 299C-2006中，規(guī)定質量系數(shù)πQ與器件的質量等級相關，而質量等級主要分為A、B、C 3級，該器件的質量等級為A4級，則質量系數(shù)πQ取0.25。

在GJB/Z 299C-2006中規(guī)定的 “成熟系數(shù)”πL也分為3個等級，該器件作為穩(wěn)定生產的產品，因此質量系數(shù)πL取1。

溫度系數(shù)πT取決于器件的工藝和器件工作的結溫Tj，對應關系可在標準GJB/Z 299C-2006中查出。器件工作的結溫可由式 （2）表示：

式 （2）中：Tc——管殼溫度，℃；

Rth（j-c）——結到管殼的熱阻，℃/W；

P——器件的工作時的最大功率。

按照GJB/Z 299C-2006的規(guī)定，在地面良好條件下TC取35℃，器件的封裝形式為PGA，則Rth(j-c)取38，器件工作時的最大功率P為1.5W，可以得到器件工作時的結溫Tj＝35+38×1.5=92℃，由GJB/Z 299C-2006標準中表5.2.2-12可得當Tj=92℃時πT取4.83。

由于本器件實際工作時的電源電壓為15 V，按GJB/Z 299C-2006中表5.2.2-14及5.2.2-15的規(guī)定，電壓應力系數(shù)πv＝1.81。

本器件的規(guī)模為1 024×1 024=1 048 576，按照GJB/Z 299C-2006的規(guī)定，電路復雜系數(shù)C1＝2.304 0，C2＝0.224 0，封裝形式為PGA非氣密性封裝，引出端數(shù)為68，則封裝復雜度失效率C3＝0.639 6。

將以上數(shù)值帶入，最后可以計算出失效率

可得到器件壽命為1/λp=188 870 h。

2 加速壽命試驗

壽命試驗是壽命預計的一個重要內容，通過這種試驗，借助壽命-應力關系模型[4]，可以了解產品的壽命特征、失效規(guī)律，計算出產品的失效率和平均壽命等可靠性特征量，以驗證理論計算的合理性。

從提高統(tǒng)計分析的準確度來說，最好是做到全部樣品失效才結束試驗，這就要求產品的數(shù)量要足夠多，試驗時間要足夠長，但從產品的研制角度來看一般很難滿足這兩點要求。但從統(tǒng)計分析的角度來看，只要有一部分試驗樣品失效就可以停止試驗，再采用一定的統(tǒng)計方法就可以計算出其壽命值而不必等到全部樣品都失效，這種方法被稱為截尾法，現(xiàn)在壽命試驗大部分采用的都是截尾法。

截尾法分為定時截尾和定數(shù)截尾。定時截尾法是在規(guī)定的時間內進行壽命試驗，在試驗結束后統(tǒng)計失效的器件概率來計算其壽命；而定數(shù)截尾則是先規(guī)定器件的失效率，在失效率達到規(guī)定值后停止試驗并計算其壽命。

本文對器件的壽命試驗采用的是定時截尾法。定時截尾法的優(yōu)點是由于預先規(guī)定好試驗時間，因此能夠控制試驗的時間進度，適合于時間節(jié)點要求比較緊的研制項目。同時為了進一步縮短試驗時間，還采用了加速壽命試驗的方案，選用的加速應力的溫度，具體的試驗條件如下：

a）試驗器件為8只1 024×1 024全幀轉移CCD。

b）壽命試驗時器件為正常工作狀態(tài)，工作頻率為10 MHz。

c）溫度加速應力為125℃。首先，125℃作為半導體器件的常用存儲溫度，不會存在因過大應力使器件迅速失效的現(xiàn)象；其次，125℃作為半導體器件性能的一種常用評價溫度，也可了解器件在經歷長時間該溫度水平的應力下的參數(shù)水平，對器件的高溫工作狀態(tài)具有一定的指導意義。

d）失效判據。針對該器件的特點，在壽命試驗中采取了如下的失效判據：

1）暗信號幅度：≥10 mV/s；

2）飽和電壓：≤450mV；

3）水平轉移效率：≤0.999 95；

4）圖像質量：有行缺陷或列缺陷出現(xiàn)，或新的點缺陷產生。

e）試驗時間。從理論上講，試驗時間越長，試驗的置信度就越高，所獲得的結果就越精確。本次壽命試驗的時間約定為4個月。

試驗前8只器件的參數(shù)如表1所示。

試驗結束后器件的參數(shù)如表2所示。

表1 壽命試驗前器件參數(shù)

表2 壽命試驗后器件參數(shù)

表3 分位數(shù)分布表

根據試驗前規(guī)定的失效判據，編號2和4兩只器件的飽和電壓低于450mV，故判定8只器件中有兩只出現(xiàn)失效。

根據上述試驗結果，可以計算出125℃下器件的壽命，如式 （3）所示：

式 （3）中：M——125℃下器件的壽命值；

T——試驗時間；

N——試驗器件數(shù)；

χ2(1-c，2r+2)為分位數(shù)分布表，如表3所示；其中c是置信水平，r是失效數(shù)。

將試驗條件及試驗結果帶入式 （3）：試驗時間T=3 264 h，試驗器件N=8只，失效只數(shù)r=2只；取置信度c=0.95。

可求得125℃下器件的壽命下限M=4 147 h。

下面再通過計算加速因子來推算器件在常溫下的壽命。依據阿倫斯方程：

對于CCD來說，激活能ΔE的選取范圍為0.4～1.4 eV，為了求取壽命下限，選取加速因子為0.4 eV。T1為正常工作溫度25℃，T2為加速試驗時的工作溫度125℃，k為波爾茲曼常量，通過計算得出加速因子大小為48。

常溫下器件工作時的壽命值=M*加速因子 = 199 056 h。

從試驗結果中可以看出，通過CCD壽命模型得到了壽命預計值與實際對器件進行加速試驗得到了壽命值能夠較好地吻合，說明了該CCD壽命預計模型的合理性以及對CCD的適用性。

3 結束語

通過以上分析及試驗可以看出，根據CCD壽命預計模型的原理，CCD的壽命與器件的質量等級、使用環(huán)境、電應力環(huán)境、結構規(guī)模、工作模式以及封裝方式的因素有關。通常一個成熟應用的產品，其使用環(huán)境、電應力環(huán)境、結構規(guī)模、工作模式以及封裝方式等參數(shù)都是固定的。在這種情況下，器件的壽命最主要是受質量等級的影響，質量等級越高，器件的壽命也越長。因此，對于一款成熟應用的CCD來說，若要獲得更長的使用壽命，則應選擇質量等級更高的器件。

[1]米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用 [M].北京：科學出版社，2006.

[2]GJB 5968-2007，電荷耦合成像器件通用規(guī)范 [S].

[3]GJB/Z 299C-2006，電子設備可靠性預計手冊 [S].

[4]羅雯.電子元器件可靠性試驗工程 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Prediction of the Operating Life for CCDs

LILi，LIXiao-chao
（Chongqing Optoelectronics Research Institute，Chongqing 400060，China）

In this paper,a prediction method for the operating life of CCDswas introduced.The failure mode of a CCD was analyzed and the accelerated life test was performed.The test results fit well with the theoretic prediction results.It is shown that for a mature CCD，its operating life is directly related to its quality level.The quality level is higher，the operating life is longer.

CCD；operating life；prediction

TN386.5

A

1672-5468（2012）03-0049-05

2011-12-16

2012-06-12

李立 （1981-），男，重慶人，重慶光電技術研究所工程師，碩士，從事CCD的設計及可靠性研究工作。