康錫娥

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

功率MOSFET壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究

康錫娥

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

電子元器件是電子設(shè)備的基礎(chǔ)，是不能再進(jìn)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(shè)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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，功率MOSFET是電子設(shè)備中失效率最高的元器件，整個(gè)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(huán)境、電壓、電流，同時(shí)不斷對(duì)試驗(yàn)過程中的器件進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定器件的敏感參數(shù)，建立以敏感參數(shù)為主的退化模型，從而估算元器件的壽命。

功率MOSFET；壽命預(yù)測(cè)；敏感參數(shù)；退化模型

1 引 言

電子元器件是整個(gè)電子設(shè)備和系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是不能再進(jìn)行分割的基本單元，因此其可靠性對(duì)系統(tǒng)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(huán)境條件下，在其壽命周期內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)，且工作過程穩(wěn)定。但是，各個(gè)電子元器件的使用條件和環(huán)境條件與他們構(gòu)成的電子系統(tǒng)的環(huán)境條件相同。例如航天中使用的功率MOSFET，它的環(huán)境條件和它的應(yīng)用條件相同，可能需要經(jīng)歷熱循環(huán)、各種輻射源的輻射、高速轉(zhuǎn)動(dòng)等，同時(shí)這個(gè)器件也可能只是在常溫的環(huán)境下工作。這就意味著相同的產(chǎn)品在使用中可能要面對(duì)不同的使用環(huán)境，這對(duì)器件來說它的使用壽命會(huì)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(biāo)，還要將它周圍環(huán)境因素，使用條件等關(guān)鍵因素考慮進(jìn)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(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間和較大的試驗(yàn)樣本，基于概率統(tǒng)計(jì)理論的傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)已經(jīng)不再適用。在保證失效機(jī)理不變的前提下，通常采用加速壽命試驗(yàn)的方法研究電子元器件可靠性。首先要確定敏感參數(shù)，在加入溫度、電壓、電流等應(yīng)力的同時(shí)，根據(jù)MOSFET摸底試驗(yàn)，通過MOSFET測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試，確定退化過程中的敏感參數(shù)，制定加速退化試驗(yàn)方案。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的歸納、整理、分析，總結(jié)出經(jīng)過加速退化試驗(yàn)之后，敏感參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從而預(yù)測(cè)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(shù)漂移失效模式

參數(shù)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(shù)漂移、跨導(dǎo)下降、噪聲系數(shù)增大、歐姆退化等。每種失效模式可能對(duì)應(yīng)多種失效機(jī)理，具體見表1。

2.2 功率MOSFET性能退化參數(shù)確定

表1 功率MOSFET參數(shù)漂移失效模式與主要失效機(jī)理[2]

通常有兩種原因能夠?qū)е码娮釉骷霈F(xiàn)失效[3]。一是器件出現(xiàn)短路或開路，使得短時(shí)間內(nèi)功率等級(jí)遠(yuǎn)高于器件額定功率等級(jí)；二是器件長(zhǎng)時(shí)間工作于環(huán)境應(yīng)力及電應(yīng)力的條件下，產(chǎn)生不可恢復(fù)的積累性損傷。第一種情況一般發(fā)生在電子系統(tǒng)剛開始工作或系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候，第二種情況主要發(fā)生在器件的長(zhǎng)期使用過程中，是由器件敏感參數(shù)的漂移引起的。因此按照第二種失效情況進(jìn)行模擬，在不同環(huán)境條件下，對(duì)某型號(hào)器件連續(xù)進(jìn)行兩個(gè)月的試驗(yàn)。選取20只IR公司某型號(hào)的功率MOSFET器件，其主要特性參數(shù)如表2所示。

表2 主要特性參數(shù)

選取20只樣本，按照GJB548B-2005中對(duì)溫度循環(huán)試驗(yàn)的要求進(jìn)行考核試驗(yàn)[4]，選取的試驗(yàn)溫度變化范圍是-55～125℃，變換時(shí)間與保持時(shí)間均為1.5小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后樣品在常溫下恢復(fù)1～2小時(shí)，再進(jìn)行表2中的參數(shù)測(cè)試，使用3193分立器件測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)測(cè)試30天。由于測(cè)試數(shù)據(jù)量大，因此在表3中只顯示試驗(yàn)前數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)束后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

從前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)可以看出，部分參數(shù)發(fā)生明顯變化，而閾值電壓變化幅度最大。試驗(yàn)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(yàn)后輸出特性曲線整體下移。

圖2 輸出特性曲線

試驗(yàn)結(jié)束后，閾值電壓、導(dǎo)通電阻可以作為退化過程中的敏感參數(shù)。其中閾值電壓直接影響轉(zhuǎn)移特性曲線位置，而跨導(dǎo)的測(cè)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(yù)測(cè)

通過表3的數(shù)據(jù)總結(jié)出，閾值電壓在試驗(yàn)前后變化是最明顯的，以閾值電壓退化模型為例進(jìn)行建模。由于常規(guī)條件下器件壽命較長(zhǎng)且退化量很小，因此，需要加大應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。加速退化試驗(yàn)是可靠性研究中最常用的一種試驗(yàn)方法。本次試驗(yàn)?zāi)M器件實(shí)際工作中的環(huán)境（溫度）、工作條件（電壓、電流），具體參數(shù)如表4所示。同時(shí)，不斷的對(duì)器件的敏感參數(shù)閾值電壓進(jìn)行測(cè)量，記錄參數(shù)的變化情況。根據(jù)與時(shí)間相關(guān)的power-law模型，與溫度相關(guān)的阿倫尼烏斯模型，與電應(yīng)力相關(guān)的艾琳模型，總結(jié)出綜合應(yīng)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(chǎng)強(qiáng)度

φf為溝道電勢(shì)

ε0εrq及c為常數(shù)

對(duì)公式（1）兩邊取對(duì)數(shù)得到：

從公式（2）可以看出，當(dāng) Vgs、Id、T 等相應(yīng)條件確定時(shí)，上式可以寫成

經(jīng)過大量的試驗(yàn)和理論分析，得知power-law時(shí)間系數(shù)與器件工作的溫度、電應(yīng)力以及溫度和最大額定電壓電流的比值相關(guān)。由本試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，求得n值需要2組數(shù)據(jù)。由于閾值電壓測(cè)量值受到溫度影響，因此需要將不同溫度條件下的測(cè)量值進(jìn)行歸一化處理。采用歸一化公式，將120℃及140℃條件下的數(shù)據(jù)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(duì)閾值電壓參數(shù)退化影響最大。而電壓的影響較小。常數(shù)C為t=1時(shí)刻閾值電壓的變化量。

試驗(yàn)后，任何規(guī)定的終點(diǎn)測(cè)量或檢查不合格，外殼或引線的缺陷或損壞跡象，或標(biāo)志模糊，均視為失效。采用國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC62373-2006中對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電特性的規(guī)范，只要閾值電壓Vth的變化超出初始值的±10%即認(rèn)為失效[6]。例如在140℃、30V、0.4A條件下，得到本試驗(yàn)中失效閾值為0.2V。根據(jù)公式（7）計(jì)算得到t=12444小時(shí)，約為518天。

表4 加速試驗(yàn)條件

4 結(jié)束語

通過上述試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電子元器件的某些敏感特性參數(shù)會(huì)隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生某種有規(guī)律的變化，同時(shí)，批量電子元器件退化特征也滿足某種統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，因此，通過分析性能退化數(shù)據(jù)，可以得到電子元器件或電子系統(tǒng)在整個(gè)壽命周期的可靠性信息，進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)及預(yù)計(jì)[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(cè)試。