元器件老炼试验相关技术

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PCT

一、概念

试验使用设备为丹泊仪器研发生产的盐雾腐蚀试验箱、高低温试验箱、恒温恒湿试验箱、三综合四综合试验箱、高低温低气压试验箱、PCT老化箱等环境试验箱仪器设备。老炼试验也称“老化试验”,是指在一定的环境温度下、较长的时间内对元器件连续施加一定的电应力,通过电-热应力的综合作用来加速元器件内部的各种物理、化学反应过程,促使隐藏于元器件内部的各种潜在缺陷及早暴露,从而达到剔除早期失效产品的目的。


二、作用

1.对于工艺制造过程中可能存在的一系列缺陷,如表面沾污、引线焊接不良、沟道漏电、硅片裂纹、氧化层缺陷和局部发热点等都有较好的筛选效果。

2.对于无缺陷的元器件,老炼也可促使其电参数稳定。


三、半导体器件常用的老炼筛选方法

1.常温静态功率老炼

常温静态功率老炼就是使器件处在室温下老炼。半导体的PN结处于正偏导通状态,器件老炼所需要的热应力,是由器件本身所消耗的功率转换而来的。由于器件在老炼过程中受到电、热的综合作用,器件内部的各种物理、化学反应过程被加速,促使其潜在缺陷提前暴露,从而把有缺陷的器件剔除。这种老炼方法无需高温设备,操作也很简便,因此被普遍采用。在器件的安全范围内,适当加大老炼功率(提高器件结温)可以收到更好的老炼效果,并且可以缩短老炼时间。

为了使老炼取得满意的效果,应注意下面几点:

① 老炼设备应有良好的防自激振荡措施。

② 给器件施加电压时,要从零开始缓慢地增加,去电压时也要缓慢地减小,否则电源电压的突变所产生的瞬间脉冲可能会损伤器件。老炼后要在标准或规范规定的时间内及时测量,否则某些老炼时超差的参数会恢复到原来的数值。

③ 为保证晶体管能在最高结温下老炼,应准确测量晶体管热阻。

对于集成电路来说,由于其工作电压和工作电流都受到较大的限制,自身的结温温升很少,如不提高环境温度很难达到有效地老炼所需的温度。因此,常温静态功率老炼只在部分集成电路(线性电路和数字电路)中应用。

2.高温静态功率老炼

高温静态功率老炼的加电方式及试验电路形式均与常温静态功率老炼相同,区别在于前者在较高的环境温度下进行。由于器件处在较高的环境温度下进行老炼,集成电路的结温就可达到很高的温度。因此,一般说来,集成电路的高温静态功率老炼效果比常温静态功率老炼要好。

我国军用电子元器件标准中明确规定集成电路要进行高温静态功率老炼,具体条件是:在产品标准规定的额定电源电压、额定负载、信号及线路下进行老炼。老炼条件是:125±3 ℃,168 h(可根据需要确定)。老炼过程中至少每8 h监测一次。

3.高温反偏老炼

在高温反偏老炼中,器件的PN结被同时加上高温环境应力和反向偏压电应力,器件内部无电流或仅有微小的电流通过,几乎不消耗功率。这种老炼方法对剔除具有表面效应缺陷的早期失效器件特别有效,因而在一些反向应用的半导体器件老炼中得到广泛的应用。

4.高温动态老炼

高温动态老炼主要用于数字器件,这种老炼方法是在被老炼器件的输入端由脉冲信号驱动,使器件不停地处于翻转状态。这种老炼方法很接近器件的实际使用状态。

高温动态老炼有两种基本试验电路:串联开关和并联开关试验电路。

(1)串联开关试验电路又称“环形计数器”电路。其特点是:把全部受试器件的输出输入端串联起来,组成一个环形计数电路。由于前级的输出就是后一级的输入,即后一级就是前一级的负载,这就无须外加激励信号和外加负载,故设备简单,容易实现。缺点是任一被试器件失效,都会使整个环形系统停止工作,使试验中。直到换上新的试验电路或短接有问题的器件,试验才恢复正常。

(2)并联开关试验电路的特点是,被测器件与激励电源相并联,因此每个被试器件都能单独由外加的开关电压来驱动,每个被试器件的输出端均可接一模拟最大值的负载,从而克服了串联开关老炼的缺点。

高温动态老炼的试验条件一般是在最高额定工作温度和最高额定工作电压下老炼168~240 h。例如:民用器件通常为几小时,军用高可靠性器件可选择100~168 h,宇航级器件可选择240 h甚至更长的周期。


四、元件的老炼

1.电阻元件老炼试验一般按照规范的要求施加功率和温度环境,要特别注意的是老炼是否有散热的要求。

2.电容器老炼试验一般采用高温电压老炼。这种方法是:在电容器最高额定工作温度下施加额定电压,持续96~100 h,以剔除因介质有缺陷而造成击穿和短路的产品。例如,有机薄膜电容器介质中的针孔、疵点和导电微粒,在高温电压老炼中会导致电容器短路失效;有严重缺陷的液体钽电解电容器在高温电压老炼时,流经缺陷处的短路电流很大,使产品温度骤然升高。电解质与焊料迅速气化,使压力达到足以使产品遭到破坏的程度。

对于没有潜在缺陷的电容器,高温电压老炼能消除产品中的内应力,改善介质性能,提高电容器的容量稳定性。高温电压老炼能使介质有缺陷的金属化纸介(或塑料箔膜)电容器产生“自愈”,恢复其性能。


五、高温老炼注意事项

1.各种元器件的电应力选择要适当,可以等于或稍高于额定条件,但应注意高于额定条件不能引入新的失效机理。例如,有些元器件负荷瞬时超过最大额定值时会立即劣化或击穿,即使一些劣化的器件以后能暂时工作,其寿命也将会缩短。

2.经过高温老炼试验后要求壳温冷却到低于35 ℃时才允许给器件断电。由于在高温无电场作用下,可动离子能作无规则运动,使得器件已失效的性能恢复正常,从而可能会掩盖其曾经失效的现象。

3.老炼试验后的测试一般要求在试验结束后96 h内完成。


2018年11月28日 15:07
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