CN111487513B - 一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法 - Google Patents

Abstract

一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，包括以下步骤：抽选样品进行预试验，确定具体器件在驱动功率下达到试验要求的结温变化量的升温时间，记录结温降至初始温度的时间；采用预试验测定的升温时间作为循环周期的升温周期，在升温周期中持续施加恒定驱动功率，升温周期结束后，使用窄脉冲激励测量器件终点结温，以预试验测定的降温时间作为降温周期，使器件降温。在降温周期结束后，如果结温未达到初始温度，则继续进行二次降温周期；下一个循环周期等于上一循环周期的降温周期和二次降温周期的时间之和。本发明能够更加严格地模拟元器件间歇工作状态，更加准确地达到间歇寿命试验要求。

Description

一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法

技术领域

本发明属于半导体可靠性试验领域，具体涉及一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法。

背景技术

间歇寿命试验是保证半导体分立器件质量可靠性的重要试验项目，通过重复给器件通电和断电，有规律、间断地给器件施加应力来考察器件的可靠性。目前，多数厂家在实际执行间歇寿命试验时，通过测量器件壳温以监测试验要求的结温变化。由于监测手段以及标准的差异，不同的散热环境以及不同封装形式器件的结温-壳温的温差可能较大，监测壳温不能准确地反映结温的变化。而个别厂家以壳温作为试验监控温度，以时控方式进行试验，凭经验确定器件的升温功率、升温时间和降温时间等控制参数，在试验过程中保持不变。随着试验循环次数的增加，器件的电参数出现退化，相同驱动条件下的发热量随着增加，热量的积累使散热效率降低，导致试验温度的准确性降低甚至损坏器件。目前，间歇寿命试验尚且没有基于结温测量\时控的反馈控制，也无法严格地模拟元器件的间歇工作状态。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中间歇寿命试验准确性不足的问题，提供一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，通过结温测量替代壳温测量，从而提高结温测量值的准确性；在试验过程中，通过引入反馈，根据结温变化，修正试验中的降温时间，能够更合理的考察器件的可靠性以及试验条件同国军标要求的符合性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，包括以下步骤：

1)抽选样品进行预试验，确定受试器件升温过程施加的驱动功率，施加功率使器件结温升高，升温期间施加采样窄脉冲，监测器件的结温变化，确定具体器件在驱动功率下达到试验要求的结温变化量的升温时间；达到试验要求的结温变化量后停止施加驱动功率，强迫器件降温，降温期间施加采样窄脉冲，监测器件的结温变化，记录结温降至初始温度的时间；

2)在试验进程中采用预试验测定的升温时间作为循环周期的升温周期，在升温周期中持续施加恒定驱动功率，使器件结温上升；升温周期结束后，停止施加驱动功率，使用窄脉冲激励测量器件终点结温，以预试验测定的降温时间作为降温周期，使器件降温；

3)在降温周期结束后，使用窄脉冲激励测量结温，如果结温达到初始温度，开始下一次功率循环；如果结温未达到初始温度，则继续进行二次降温周期；在二次降温周期中，施加采样窄脉冲，监测器件的结温变化，结温降至初始温度时结束二次降温周期，下一个循环周期等于上一循环周期的降温周期和二次降温周期的时间之和，开始下一次功率循环。

试验初始状态下，环境温度、壳温、结温达到热平衡，外部测量壳温作为试验初始温度。

器件降温的方式为施加风冷。

通过监测温敏电参数的变化间接测量器件的结温。

确定器件温敏电参数与结温的关系时，在试验开始前在试验涉及的温度范围内，施加测试激励，对相应的温敏电参数进行多次测量，经过插值拟合建立对应的统计数学模型。

通过计算K系数、测量器件体内二极管压降V_F实现结温测量，具体的：

使用温度可调可控的油浴箱作为试验环境，将器件放置在油浴箱里并连接好试验线路；开始试验时先将油浴环境加热到125℃，间隔5℃，设置温度控制点，在各个温度点通过对器件PN结施加正向电流对器件的V_F进行测量，由于该电流对器件结温影响较油浴环境对器件结温影响小，忽略之后器件结温等同于油浴环境温度，即T_J＝T_A；根据不同温度控制点的V_F测量值和T_A值计算出K系数，确认K系数后，根据不同T_J下的V_F测量值得出T_J值；

器件体内二极管压降V_F与结温的线性关系如下式：

式中，T_Jn为试验进行到第n时刻的结温；V_BEn为试验进行到第n时刻的正向压降；T_J0为参考点的结温，通常选试验启始时刻，温度为常温；V_BE0为参考点的正向压降。

通过实时测量V_F而得到T_J，选择在器件每个循环的起始低结温点以及结束高结温点分别测量V_F，短暂断开器件工作状态，给器件PN结快速施加正向电流，正向电流的大小不影响器件结温，并检测PN结的V_F，后继续器件保持工作状态，依次循环；

根据所确认的器件K系数，结合器件起始低结温点以及结束高结温点分别测量得到的V_F，推导出器件工作前后的低结温和高结温，并计算出结温的变化量。

参考点选择试验启始时刻，此时器件的壳温T_C、结温T_J与环境温度T_A一致，设备通过试验初始时对器件强制风冷30s，通过试验母板上的热电偶测得此时的初始温度T_J0，给受试器件体内二极管施加测量电流10mA，测得受试晶体管发射结的V_BE0；末点选择在Δ温度上升到规定温度的加热结束时刻，此时器件的结温T_J与明显高于壳温T_C和环境温度T_A，加热结束断开的时刻，立即给受试器件体内二极管施加测量电流I_M，测得受试晶体管试验进行到第n时刻的正向压降V_BEn。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：本发明根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法是通过在生产上的不断实践优化得出的，通过该方法能够更加准确地、严格地执行间歇试验要求。在间歇寿命试验中，如果直接采用结温变化量控制循环周期，随着器件性能的退化，循环周期会越来越短，无法有效地反映实际使用条件下的工作寿命。使用固定的升温周期，可以将器件的退化引入循环周期，条件更加严格，也更能有效反映器件的工作寿命。随着试验循环次数的增加，器件的性能出现退化，导通电阻增加，恒定功率驱动下的发热功率增大，升温周期的终点结温升高，采用固定的风冷降温周期无法使器件充分降温至初始温度。本发明在试验过程中，通过引入反馈，根据结温变化，修正试验中的降温时间，可以更合理的考察器件的可靠性以及试验条件同国军标要求的符合性。本发明的试验方法能够更加严格地模拟元器件间歇工作状态，更加准确地达到间歇寿命试验要求。

附图说明

图1本发明根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明试验过程中结温监测的实现方法包括以下内容：

本方法需要在试验过程中在线测量结温，结温的测量对试验进程的影响应当尽量降低。与壳温测量相比，结温测量无法通过热电偶等外部手段直接进行，在本发明的实施过程中，需要使用通过监测温敏电参数的变化间接测量结温。

对于具体器件温敏电参数与结温的关系，需要在试验开始前在试验涉及的温度范围内，施加一定的电应力对相应的电参数进行多次测量，经过插值拟合建立对应的统计数学模型。

在试验进程中，通过以窄脉冲的形式施加测试激励，监测温敏电参数的变化，通过对应的数学模型，间接测量受试器件的结温变化。测试激励使用的窄脉冲，在时间上要尽可能的短，功率上尽可能的小，降低测量过程引入的额外温度变化。

在具体实施中，可以通过计算K系数、测量V_F实现结温测量。

使用温度可调可控的油浴箱作为试验环境，将器件放置在油浴箱里并连接好试验线路。开始试验时先将油浴环境加热到125℃，间隔5℃，设置温度控制点，在各个温度点通过对器件PN结施加正向电流(小电流)对器件V_F进行测量，由于该小电流对器件结温影响较油浴环境对器件结温影响小，基本可以忽略，所以器件结温等同于油浴环境温度，即T_J＝T_A。

根据选择的不同温度控制点的V_F测量值和T_A值即可计算出K系数。

确认K系数后，即可根据不同T_J下的V_F测量值得出T_J值。

通过监测温敏电参数的变化间接测量结温的方法称为温敏参数法。在间歇工作寿命试验过程中，对器件结温的测量可以借助测量体内二极管电压降的变化实现，器件体内二极管压降V_F与结温的线性关系如式(1)，通过实时测量V_F得到T_J。可选择在器件每个循环的起始(低结温)和结束(高结温)时分别测量V_F。短暂断开器件工作状态，给器件PN结快速施加正向小电流(不会影响器件结温)，并检测PN结的V_F，后继续器件工作状态，依次循环。

根据确认的器件K系数，结合器件起始(低结温)和结束(高结温)时分别测量V_F，即可推导出器件工作前后的低结温和高结温，并计算出结温变化量。

式中，T_Jn为试验进行到第n时刻的结温；V_BEn为试验进行到第n时刻的正向压降；T_J0为参考点的结温，通常选试验启始时刻，温度为常温；V_BE0为参考点的正向压降；

K为发射结正向压降V_BE的温度系数，试验设备通过程序编辑输入该批器件的K系数(结温与VSD的一次函数图像，该图像的斜率的倒数(单位为℃/mV))。

参考点选择试验启始时刻，此时器件的T_C，T_J与T_A基本一致，设备通过试验初始时对器件强制风冷30s，通过试验母板上的热电偶测得此时的初始温度T_J0，给受试器件体内二极管施加测量电流10mA，即可测得受试晶体管发射结的V_BE0。末点选择在Δ温度上升到规定的温度的加热结束时刻，此时器件的T_J与明显高于T_C和T_A，加热结束断开的那一刻，立即给受试器件体内二极管施加测量电流I_M，即可测得受试晶体管发射结的V_BEn。

参见图1，本发明通过监测结温修正降温时间的控制方法包括以下步骤：

1)在间歇寿命试验中，若直接采用结温变化量控制循环周期，随着器件性能的退化，循环周期会越来越短，无法有效地反映实际使用条件下的工作寿命。使用固定的升温周期，可以将器件的退化引入循环周期，条件更加严格，也更能有效反映器件的工作寿命。

2)抽选样品进行预试验，确定受试器件升温过程施加的驱动功率，施加功率使器件结温升高，升温期间以一定频率施加采样窄脉冲，监测器结温变化，确定器件在驱动功率下达到试验要求结温变化量的升温时间。达到试验要求结温变化量后停止施加驱动功率，强迫风冷为器件降温，以一定频率施加采样窄脉冲，监测器结温变化，记录结温降至初始温度的时间。

3)初始状态下，环境温度、壳温、结温达到热平衡，外部测量壳温作为试验初始温度。

4)在试验进程中采用预试验测定的升温时间作为循环周期的升温周期，在升温周期中持续施加恒定驱动功率，使器件结温上升。升温周期结束后，停止施加驱动功率，使用窄脉冲激励测量器件终点结温，以预试验测定的降温时间作为降温周期，施加强迫风冷使器件降温。

5)随着试验循环次数的增加，器件的性能出现退化，导通电阻增加，恒定功率驱动下的发热功率增大，升温周期的终点结温升高，采用固定的风冷降温周期无法使器件充分降温至初始温度。在风冷降温周期结束后，使用窄脉冲激励测量结温，如果结温达到初始温度，开始下一次功率循环；如果结温未达到初始温度，则继续进行二次降温周期；在二次降温周期中，以一定频率施加采样窄脉冲，监测器结温变化，结温降至初始温度时结束二次降温周期。下一个循环周期以上一循环周期的降温周期和二次降温周期时间之和作为新的降温周期。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些显而易见的修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围。

Claims (5)

1.一种根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)抽选样品进行预试验，确定受试器件升温过程施加的驱动功率，施加功率使器件结温升高，升温期间施加采样窄脉冲，监测器件的结温变化，确定具体器件在驱动功率下达到试验要求的结温变化量的升温时间；达到试验要求的结温变化量后停止施加驱动功率，强迫器件降温，降温期间施加采样窄脉冲，监测器件的结温变化，记录结温降至初始温度的时间；

2)在试验进程中采用预试验测定的升温时间作为循环周期的升温周期，在升温周期中持续施加恒定驱动功率，使器件结温上升；升温周期结束后，停止施加驱动功率，使用窄脉冲激励测量器件终点结温，以预试验测定的降温时间作为降温周期，使器件降温；

3)在降温周期结束后，使用窄脉冲激励测量结温，如果结温达到初始温度，开始下一次功率循环；如果结温未达到初始温度，则继续进行二次降温周期；在二次降温周期中，施加采样窄脉冲，监测器件的结温变化，结温降至初始温度时结束二次降温周期，下一个循环周期等于上一循环周期的降温周期和二次降温周期的时间之和，开始下一次功率循环；

试验初始状态下，环境温度、壳温、结温达到热平衡，外部测量壳温作为试验初始温度；

通过监测温敏电参数的变化间接测量器件的结温；

确定器件温敏电参数与结温的关系时，在试验开始前在试验涉及的温度范围内，施加测试激励，对相应的温敏电参数进行多次测量，经过插值拟合建立对应的统计数学模型。

2.根据权利要求1所述根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，其特征在于：

器件降温的方式为施加风冷。

3.根据权利要求1所述根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，其特征在于：

通过计算K系数、测量器件体内二极管压降V_F实现结温测量，具体的：

使用温度可调可控的油浴箱作为试验环境，将器件放置在油浴箱里并连接好试验线路；开始试验时先将油浴环境加热到125℃，间隔5℃，设置温度控制点，在各个温度点通过对器件PN结施加正向电流对器件的V_F进行测量，由于该电流对器件结温影响较油浴环境对器件结温影响小，忽略之后器件结温等同于油浴环境温度，即T_J＝T_A；根据不同温度控制点的V_F测量值和T_A值计算出K系数，确认K系数后，根据不同T_J下的V_F测量值得出T_J值；

器件体内二极管压降V_F与结温的线性关系如下式：

式中，T_Jn为试验进行到第n时刻的结温；V_BEn为试验进行到第n时刻的正向压降；T_J0为参考点的结温，通常选试验启始时刻，温度为常温；V_BE0为参考点的正向压降。

4.根据权利要求3所述根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，其特征在于：

通过实时测量V_F而得到T_J，选择在器件每个循环的起始低结温点以及结束高结温点分别测量V_F，短暂断开器件工作状态，给器件PN结快速施加正向电流，正向电流的大小不影响器件结温，并检测PN结的V_F，后继续器件保持工作状态，依次循环；

根据所确认的器件K系数，结合器件起始低结温点以及结束高结温点分别测量得到的V_F，推导出器件工作前后的低结温和高结温，并计算出结温的变化量。

5.根据权利要求3所述根据结温实时修正的时控间歇寿命试验方法，其特征在于：参考点选择试验启始时刻，此时器件的壳温T_C、结温T_J与环境温度T_A一致，设备通过试验初始时对器件强制风冷30s，通过试验母板上的热电偶测得此时的初始温度T_J0，给受试器件体内二极管施加测量电流10mA，测得受试晶体管发射结的V_BE0；末点选择在Δ温度上升到规定温度的加热结束时刻，此时器件的结温T_J明显高于壳温T_C和环境温度T_A，加热结束断开的时刻，立即给受试器件体内二极管施加测量电流I_M，测得受试晶体管试验进行到第n时刻的正向压降V_BEn。

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