王才菀，陳荻云，鄭南飛，陳逢榮，張少鋒,2*

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點試驗室，廣州 511370）

引言

功率三級管在航空電子裝備中應用廣泛，其主要作用是在各種電器、電子儀器的開關、放大電路中作開關及放大用。目前元器件的環(huán)境適應性工作主要集中在實驗室腐蝕試驗[1-2]和失效機理研究[3-6]，隨著裝備在國內多嚴酷地域服役的需求，對裝備用材料和元器件的環(huán)境適應性提出較大挑戰(zhàn)，如熱帶海洋環(huán)境-寒冷環(huán)境時序作用下的電子元件環(huán)境適應性試驗及評價工作，目前鮮有報道。整體情況來看，元器件的腐蝕試驗主要以實驗室環(huán)境試驗為主，自然環(huán)境試驗工作開展較少。為了掌握功率三級管熱帶海洋環(huán)境-寒冷環(huán)境時序服役下的環(huán)境效應問題，本研究依托具有熱帶海洋和寒冷大氣環(huán)境特征的自然環(huán)境試驗站，以功率三極管為研究對象，設計試驗方案，開展試驗并收集環(huán)境效應數(shù)據(jù)，分析外觀及功能性能的變化規(guī)律，并探究其成因，研究其失效機理，提取其影響因素等。本研究針對上述問題開展相關研究工作。

1 試驗部分

1.1 試驗樣件

選取了航空發(fā)動機電子控制器典型電路中使用的功率三級管為試驗對象，該產品采用金屬-陶瓷氣密封裝，具有體積小、重量輕、密封性好和可靠性高等特點，產品宏觀形貌如圖1 所示。

圖1 試驗用功率三級管照片

1.2 試驗方法

考慮到航空發(fā)動機電子控制器的使用環(huán)境一般在發(fā)動機短艙內，為了模擬發(fā)動機電子控制器用功率三級管的實際服役環(huán)境特點，采用棚下機箱內開展試驗。

在熱帶海洋-寒冷環(huán)境時序試驗中，為了快速獲得產品的環(huán)境適應性問題，1 年試驗期內，考慮在各站點嚴酷環(huán)境時間段開展試驗工作，熱帶海洋環(huán)境試驗站點選擇永興島大氣試驗站，寒冷環(huán)境試驗站點選擇漠河北極村試驗站，同時考慮在低溫時間段冬季和春季開展寒冷環(huán)境試驗（11～3 月），在高溫、高濕和鹽霧量值較高的夏季和秋季開展熱帶海洋環(huán)境試驗（5～10 月），樣件在試驗期間的投試照片見圖2。

圖2 功率三級管自然環(huán)境試驗投試圖

1.2.3 功能性能測試

為了進一步表征功率三級管在熱帶海洋-寒冷環(huán)境時序作用下的宏微觀形貌變化、功能性能變化情況等，對試驗前后的產品進行功能性能檢測，功能性能檢測儀器主要包括半導體曲線圖示儀；失效分析涉及儀器包括3D 立體顯微鏡、X 射線檢測系統(tǒng)和掃描電子顯微鏡等。

2 試驗結果

2.1 外觀形貌變化情況

宏觀來看，試驗件未出現(xiàn)目視可見的腐蝕；進一步利用3D 立體顯微鏡對自然環(huán)境試驗1 年后的功率三級管進行外觀檢查，檢查結果如圖3 所示，從圖中可以看出，試驗后元器件的表面發(fā)生了明顯變化，其中正面有少量的腐蝕斑點產生，背面在管腳邊緣處出現(xiàn)了的綠色異物，該綠色異物在管腳邊緣呈零星分布狀態(tài)。

圖3 功率三級管試驗1 年后外觀形貌

2.2 功能性能變化規(guī)律

選取功率三級管的兩個關鍵功能性能參數(shù)ICBO（集電極-基極截止電流）和ICEO（集電極-發(fā)射極截止電流）進行檢測，測試結果如圖4 所示，測試結果顯示ICBO 在50 V 值為31 nA，明顯大于規(guī)范值10 nA；ICEO在50 V 值為913 nA，明顯大于規(guī)范值30 nA，ICBO 和ICEO 測試值超標，表明元器件出現(xiàn)失效。

圖4 功率三級管試驗后ICBO 和ICEO 測試結果

2.3 內部損傷分析

進一步通過X 射線損傷探測方法對自然環(huán)境試驗后的功率三級管進行損傷表征，功率三級管的正面X 影像和側面影像圖如圖5 所示，從圖中可以看出，自然環(huán)境試驗后，元器件內部未見異常，表明內部為出現(xiàn)明顯損傷。

圖5 器件內部X 射線探傷結果

2.4 密封性檢查

依據(jù)GJB 548B-2015 方法中1014.2，對自然環(huán)境試驗后的樣品進行密封性測試，采用細檢漏和粗檢漏2 種方法檢查器件密封性情況，密封性測試結果如表1 所示，從試驗結果來看，器件經自然環(huán)境試驗后，密封性符合標準要求。

表1 自然環(huán)境試驗1 年功率三級管密封性檢查結果

2.5 SEM 及能譜分析

為了進一步分析腐蝕區(qū)域的微觀形貌及元素組成情況，利用含能譜掃描電鏡對樣品腐蝕區(qū)域進行分析，首先對管腳B 區(qū)域附近的腐蝕形貌進行觀察，相關分析結果如圖6 所示，對腐蝕區(qū)域進行放大觀察，觀察到腐蝕產物呈現(xiàn)出皸裂狀，進一步對該腐蝕區(qū)域進行能譜分析，主要元素包括C、O、Cl、Ni 和Cu 元素，上述元素的質量百分比分別為7.87 %、33.27 %、11.76 %、20.13 %和12.02 %。從以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，Cl 元素含量相對較高，是導致腐蝕的主要因素。通過腐蝕產物的顏色以及含量對比，腐蝕產物可能是NiO 或CuCl2。

圖6 管腳B 區(qū)域附近的腐蝕形貌圖

進一步對管腳E 附近的腐蝕區(qū)域進行掃描電鏡和能譜元素分析，從圖7 中可以看出，腐蝕產物的形貌和管腳B 腐蝕產物基本一致，從能譜分析結果來看，腐蝕產物包括的主要元素及其含量與管腳B 處也基本一致，可以推斷兩處的腐蝕產物基本一樣。

2.6 清洗后對樣品進行功能性能測試

對樣品表面腐蝕產物進行清洗，清洗后再進行ICBO和ICEO 測試，數(shù)據(jù)結果滿足規(guī)范值要求。

3 討論

樣品在自然環(huán)境時序試驗過程中，經歷寒冷氣候和濕熱海洋氣候，其中寒冷氣候的主要影響因素為低溫，濕熱海洋環(huán)境的影響因素包括高溫、高濕和高鹽霧沉降率，從試驗結果來看，經漠河試驗5 個月后，其功能性能測試正常，表明功率三級管具有良好的耐低溫特性。進一步轉至濕熱海洋環(huán)境繼續(xù)試驗5 個月后，樣品功能性能檢測參數(shù)ICBO 和ICEO 超差，對超差的元器件進行失效分析，發(fā)現(xiàn)與初始狀態(tài)相比，器件內部無損傷，主要變化為管腳局部出現(xiàn)綠色腐蝕產物，經能譜分析該產物為Cu 或Ni 的氧化物，同時在腐蝕產物中探測到Cl 元素，可以推斷導致其腐蝕的主要原因為Cl 離子的作用。

功率三級管的外電級燒結完成后，進一步鍍Ni、鍍金，然后通過銀銅焊料與陶瓷燒焊在一起。為了模擬元器件的實際服役環(huán)境，選擇在棚下機柜內對器件進行自然貯存試驗，在試驗過程中，濕氣擴散至機柜內，進一步沉積到元器件表面，由于濕氣中含有大量Cl 離子，在管腳處出現(xiàn)聚集，在潮濕空氣的作用下發(fā)生氧化反應，生成的氧化產物，導致引腳間漏電，清洗管殼后，進一步測試ICBO 和ICEO 參數(shù)，符合規(guī)范值要求，說明漏電通道位于管殼表面。

4 結論

本研究通過對功率三極管開展寒冷氣候-濕熱海洋氣候時序自然環(huán)境試驗，收集器件的環(huán)境效應數(shù)據(jù)主要包括宏微觀形貌、局部成分分析、內部損傷情況和功能性能參數(shù)等，并對ICBO 和ICEO 超差的樣品進行了失效分析，結論如下：

1）樣品經寒冷氣候試驗5 個月未出現(xiàn)性能退化現(xiàn)象，進一步在濕熱海洋環(huán)境試驗5 個月后，出現(xiàn)部分功能性能參數(shù)超差，推斷出對功率三級管的環(huán)境效應數(shù)據(jù)影響較大的為濕熱海洋環(huán)境；

2）樣品經5 個月寒冷氣候和5 個月熱帶海洋氣候自然環(huán)境試驗后，樣品的損傷模式為腐蝕損傷，發(fā)生區(qū)域為管腳局部，樣品內部基本無損傷；

3）推斷功率三極管ICBO 和ICEO 超差的主要原因為Cl 離子污染下引起Cu 和Ni 氧化，氧化產物導致管殼表面出現(xiàn)漏電失效。