老化试验中温度变化问题探讨

冯 建，胡 波，邢宗锋，罗 俊

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

引言

随着集成电路技术高度发展，其功能越来越强大，对可靠性试验要求越来越高，试验条件越来越严酷。在动态老化试验中，其目的为了筛选或者剔除有缺陷和有潜在缺陷的元器件。这些缺陷大概有两种[1]:一类是质量缺陷如芯片裂纹、表面粘附粒子等等；另一类是潜在的缺陷，如焊接空洞。为了让潜在的缺陷及时的发现，需要对芯片施加应力在老化环境中进行测试。在动态老化试验中，烘箱的温度过低不足以暴露出器件的缺陷，温度过高会使电路热电应力失效。集成电路的温度老化试验模型服从下列公Arrhenius[2](阿伦尼乌斯) 方程:

式中R(T) 是温度T(为绝对温度K) 时的反应速率，A为一系数，Ea 为对应的反应激活能，k为玻尔兹曼常数[3]。温度T越高，R(T) 越大，器件失效的越快，失效率越高，器件的工作时间也越短。因此研究烘箱内温场变化使电路在控制温度范围内进行老化、寿命，避免电路在失控的温度内进行老化、寿命，在实际工作中有着非常重要的意义。

本文通过对老化试验工作中出现的试验箱内温场分布不均匀，局部温度过高的现象进行分析，利用统计和试验验证方法找出了温场变化的原因，并提出改进方案，使电路能正常进行老化、稳态寿命试验。

1 烘箱温场效应影响因素分析

试验箱使用的是CS101-1EBN型电热干燥箱，进行老化试验的器件分为非功率器件和功率器件。

1.1 老化电路数量与温度变化的分析

非功率器件，老化环境温度为125℃，选取烘箱内部中心位置为测试温度点，以50只为单位，逐步递加观察温度变化情况。烘箱温度数据变化如表1。

表1 非功率电路数量与温度变化情况

表2 功率电路数量与温度变化情况

小功率器件：温度设置为81℃，试验电路数量5只、12只、20只、22只，监测烘箱内部老化板上方中心位置温度。电路数量与温度数据变化情况见表2。

分析：非功率器件和小功率器件随着电路数量的增加，烘箱内的温度没有明显的变化。通过分析发现，当老化的电路在测试点上方即老化电路没有在风道和测试点间形成阻隔时，温度变化梯度较小，当电路的数量增多，测试点的吹风受到阻隔后，温度梯度变化增大。

非功率器件由5 0 只增加到2 0 0 只，温度变化了1.3℃，小功率器件由5只增加到22只，温度变化了2.2℃，通过以上数据分析，同一烘箱中的电路数量的多少不是影响烘箱温度变化的主要因素。

1.2 电路功率与温度变化的关系

以功率器件DC/DC电源为试验对象，温度设置为80℃，试验电路功率65W（1只）逐渐递增到455W（7只），监测烘箱内部老化板上方中心位置温度。通过一段时间的监控分析，大致可得到功率与烘箱内部温度的变化趋势关系如图1。

根据对功率数据的分析统计，可以粗略的估算出，在不考虑其它因素的情况下，CS101-1EBN型电热干燥箱的最大散热能力见图2。

以烘箱内电路功率达到455W比设定温度高出6.2℃为基准推算，当总功率达到500W时，（模拟方法曲线覆盖500W），超过国军标的最大容差要求（8℃或8%）。

通过以上数据分析，功率器件在老化工作时，必然产生耗散功率，以热能的形式辐射到环境中。如果烘箱没有良好的散热方式，必然老化烘箱内的环境温度会随功率增加而升高。当耗散功率的发热量超过烘箱的散热能力时，烘箱温度将会出现急剧变化的情况。因此，同一烘箱中的电路加电功率的多少是影响烘箱温度变化的主要因素之一。

1.3 烘箱内风速与温度关系

为了测试烘箱内承载板和老化板对风速的影响。在烘箱内依次加入一、两、三块承载板和老化板，分别测试承载板和老化板上方外面、中间、里面的风速。通过测试，烘箱内搁置不同数量承载板和老化板后，各监控点风速变化情况如表3。

图1 功率与烘箱内部温度的变化趋势关系

图2 CS101-1EBN 型电热干燥箱内部风向示意图

表3 老化板数量与风速的关系（单位：m/s）

表4 温度与风速的关系（风速单位：m/s，温度：℃）

风口的风速：3.20m/s

烘箱内无任何遮挡时风速是一样的，当加入承载板和老化板后，承载板和老化板犹如一个隔板，影响风速变化。从表中可以看出随着老化板由下往上增加，烘箱内部的风速由下往上逐渐变小。

烘箱设置78℃，加满三层老化板（无电路），测试烘箱内上中下层风速与温度的变化关系。通过测试，烘箱内温度与风速的关系，各监控点温度和风速变化情况如表4。

从表4中可以看出，上层的风速小，温度高，上层温度比设定温度高出0.8℃，因此烘箱内加满老化板后影响了烘箱内温场的热交换能力，温度分布受到风速的影响，烘箱温场与风速成反比，即风速越小，散热能力越差。

因此，烘箱内部温场的变化直接与内部电路的发热量（功率）和散热能力（风速）相关。

2 烘箱温场变化规律分析

由第2点的分析可知电路的发热量（功率）和散热能力（风速）是影响烘箱温场变化的主要因素。综合分析烘箱内功率、风速与温场变化规律如图3。

1） 以非功率器件为试验样品，360只电路，电路分配于三块老化板，老化环境温度要求为86℃，定点测试烘箱内部的三块老化板上方中心位置温度。通过一段时间的温度监控分析，大致可得到图4中的变化，功率与烘箱内部温度的关系。

烘箱内每一板电路功率10.5W（15V/0.7A）三板电路总功率为31.5W（0.9W/只），烘箱内各层老化板附近风速（上层风速0.15米/秒，中层风速1.62米/秒，下层风速3.11米/秒），此时烘箱内温度梯度变化（分别比设定温度高出1.8℃、2.5℃、3.4℃）。由于非功率器件整体发热量（耗散功率）小，虽然烘箱内部散热能力（风速）不一致，但是烘箱内部温场变化3.4℃，处于国军标要求以内。

2） 以功率器件为试验样品，12只电路，电路分配于三块老化板，老化环境温度要求为82℃，定点测试烘箱内部三块老化板上方的中心位置。通过一段时间的监控分析，大致可得到下图的变化，功率与烘箱内部温度的关系：

三板电路总功率达到392W（32.7W/只）。烘箱内三板老化电路，风速为上层风速0.14米/秒，中层风速1.63米/秒，下层风速3.14米/秒，温度变化最大比设定值高6.4℃。

图3 烘箱内功率、风速与温场变化规律

图4 功率与烘箱内部温度的关系

从图4中可以看出，在同样的烘箱内，当耗散功率的发热量增大时，在三层隔板上的同样位置监测的温度梯度明显高于图3非功率器件的温度变化，并且随着功率的增加烘箱各点的温场变化是非线性。

3 结果

1）每种类型的试验箱散热能力是一定的，当烘箱内部所加电路的耗散功率超过一定范围时，电路的发热量就会积聚，影响试验箱的内部温场均匀。就本所使用的CS101-1EBN烘箱内所加功率器件的总功率不能超过500W。

2）烘箱内部温场的变化直接影响因素为内部电路的发热量（功率）和烘箱的散热能力（风速）。

3）烘箱为非全密封状态，因此烘箱内散热能力（风速）在烘箱内搁置老化板时，各部分的风速大小会不同。当耗散功率较小时，烘箱内部温场梯度变化较小，符合国军标的容差要求；当耗散功率的发热量较大时，烘箱内部温场梯度变化大，并且随着功率的增加烘箱各点的温场变化是非线性。

4 改进措施

1）烘箱内的温场变化受老化电路功率大小和烘箱散热能力大小（风速）影响。烘箱内不仅控制所加电路的功率，还要改变烘箱内电路排列方式，下层可以尽量加满电路，依次由下层往上层逐渐减少电路功率，烘箱内形成功率梯度，与烘箱风速相吻合，达到散热目的。

2）试验箱使用的是CS101-1EBN型电热干燥箱，风源来自底部，由于烘箱承载板和老化板的原因，风速由下往上逐渐减小，根据烘箱风速的特点，可以将老化板放置方向与烘箱风向保持一致，增大通风面积，减少风速阻隔，增强烘箱的散热功能。

3）根据改进措施结合以功率器件DC/DC电源为试验对象，温度设置为80℃，试验电路功率65W（1只）逐渐递增到520W（8只），烘箱内电路功率达到520W比设定温度高出5.6℃，达到国军标要求（8℃或8%），见表5。比改进前455W时温度比设定高出6.2℃有明显的改进。

表5 功率与烘箱实际温度的变化趋势关系

5 结束语

集成电路的高温老化、寿命是考核产品质量的重要手段。烘箱内的温场变化与电路耗散功率，烘箱自身吹风方式有关。知道了温场变化影响因素，为我们今后的高温老化、寿命工作提供有利的帮助。

[1]王鲁宁. 集成电路老化温度与功耗、频率关系研究[J].舰船电子工程,2009,183（9）：172-174.

[2]庄弈琪. 微电子器件应用可靠性技术[M]. 北京:电子工业出版社,1996.

[3]卢昆祥. 电子设备可靠性试验[M]. 北京: 电子工业出版社,1992.