基于Arrhenius模型的二极管加速寿命试验研究及应用

罗云峰 陈晓丽

（1.珠海煌荣集成电路科技有限公司 广东珠海 519015；2.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

基于Arrhenius模型的二极管加速寿命试验研究及应用

罗云峰1陈晓丽2

（1.珠海煌荣集成电路科技有限公司 广东珠海 519015；2.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

本文基于Arrhenius模型，通过试验方法来探讨二极管在不同温度条件下其漏电流等参数的变化情况和失效分析，得出一种加速二极管寿命试验的有效方法，大大缩短了二极管寿命试验周期，节省了试验成本；而且对二极管的失效进行了详细分析，得出的结论对二极管的设计选型有一定的指导意义。

二极管；加速寿命；二极管失效；二极管选型和应用

1 引言

二极管是最常用最重要的电子元器件之一，其应用非常广泛，随着半导体可靠性技术的提高，二极管的使用寿命已大大延长，已不可能通过正常应力下的寿命试验来验证。如何通过加速寿命试验对二极管的寿命进行预测，成为学术和产业界共同关心的问题。因此，进行相应的加速寿命试验研究，并根据试验后的各项指标来估计二极管的寿命，提高其可靠性，延长其使用寿命就显得非常重要，且具有重大的现实意义。

2 加速寿命试验和Arrhenius模型

2.1 加速寿命试验简介

加速寿命试验一般指的是用加大试验应力（诸如热应力、电应力、机械应力等）的方法，激发产品在短时间内产生跟正常工作应力水平下相同的失效，缩短试验周期，然后运用试验数据分析建立模型，评估产品在正常工作应力下的可靠性特征。加速寿命试验的核心问题是计算出加速因子。所谓加速因子，是指器件在正常工作应力下的寿命与加速环境下的寿命之比，也就说是一小时试验相当于正常使用的时间是多少。

目前常用的加速寿命试验方法有以下三种：恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验等，其中恒定应力加速寿命试验方法对试验设备的要求不高，失效因素单一，准确度高，是最具有可操作性和实用性的，因此本文采用恒定应力加速寿命试验研究方法。

需要注意的是，电子元器件在实际使用过程中的失效机理是十分复杂的，其寿命和可靠性往

往受很多综合因素的影响，在试验室条件下是不可能用一种模型来模拟的。但是可以考虑一些主要的影响因素，建立简化模型，然后通过实际验证来探讨加速其失效的试验方法。

2.2 Arrhenius模型（温度加速）

恒定应力加速寿命试验的常用模型有Arrhenius模型（温度加速）、Eyring模型（电压加速）、Hallberg和Peak模型（湿度加速）、Coffin-Mason模型（温度变化加速）等，其中最典型的为Arrhenius模型。Arrhenius模型（阿伦尼斯模型）考虑的环境应力因素为温度，通过提高温度来加速寿命试验，同时这个模型也是目前应用最为广泛的模型。适用于大多数的电子元器件。

在加速寿命试验中，用温度作为加速应力是常见的，因为温度使产品（如电子器件、绝缘材料等）内部加快化学反映，促使产品提前失效。阿伦尼斯在1880年研究了这类化学反应，在大量数据的基础上，提出加速模型。

其中：

L——某寿命特征（中位寿命、平均寿命）；

A——是个常数，且(也称频数因子)，A＞0；

E——激活能，与材料有关，单位是电子伏特，以eV表示；

K——波尔兹曼常数，8.617×10-4eV/K，E/K的单位为温度，又称激活温度；

T——绝对温度，等于摄氏温度加273。

这种模型表明，寿命特征随着温度上升而指数下降。对上式两边取对数：

a和b都是待定参数。其寿命特征的对数是温度倒数的线性函数。

假设在标准应力下的产品寿命为L0，在加大应力状态下，产品寿命缩短为L，L＜L0，则加速寿命试验的加速系数(正常应力下某种寿命特征与加速应力相应寿命特征的比值)为：

一般来说，温度上升10℃，电子元件退化的经验数据表明，使平均寿命缩短1/3～1/2，这个经验数据称为10℃法则。

3 二极管的加速寿命试验方法研究

从二极管本身的构成机理来看，影响二极管的耐久性寿命的因素有很多，但温度是影响其寿命的最主要因素（温度影响PN结反向电流），特别是随着的温度的升高，其寿命的缩减趋势很明显。通过对温度的操作来研究二极管的加速失效是完全可行的。所以，本文采用Arrhenius模型，以温度为恒定加速应力来研究二极管的寿命。

3.1 试验方案

试验样品的选取：二极管根据正向电流大小，分别选用了0.5A、15A、20A、30A共4种型号。

① 二极管1N4007(1000V/0.5A) ；

② 二极管15ETH06FP (600V/15A) ；

③ 二极管FMD4206S (600V/20A) ；

④ 二极管FMN-4306S (600V/30A) 。

试验方案：试验先从150℃，施加最高反向工作电压开始，如果样品失效比较高，逐渐降低试验温度和电压；如果试验没发现失效，逐渐提高试验温度。

以三个关键参数为基准：漏电流、正向电压、最高反向电压，通过具体试验来分析在不同温度条件下其性能参数的衰减情况，经过对比分析，从而得到其加速条件下和常规条件下的等效规律。

图1 二极管1N4007 漏电流-温度特性曲线

表1 二极管1N4007不同温度下的漏电流值、消耗功率和温升

3.2 数据记录与分析

试验数据较多，本文不一一列出，仅列举几例，下面以二极管1N4007(1000V/0.5A)为例进行记录和分析。

（a）第一组：150℃条件下，施加最高反向工作电压1000V。

试验4h后发现1pcs失效，主要表现为击穿，失效样品漏电流无穷大。检出不良样品再次试

验，0.5h发现1pcs失效，也是击穿失效。但不失效的二极管试验前后参数几乎保持不变。

（b）第二组：120℃，施加最高反向工作电压1000V。

试验36h后发现1pcs失效，主要表现为击穿，失效样品漏电流无穷大。但不失效的二极管试验前后参数几乎保持不变。

漏电流—温度曲线见图1。

从以上的测试和数据，可分析得出：

（1）当环境温度达到130℃时，施加最高反向工作电压时，漏电流随着施加时间逐渐增大。

（2）根据最大正向电流和正向压降，可以估算二极管1N4007的PN结耗散功率为3.3×0.5=1.65W，在室温条件下使用，根据PN结温度不能超过最大结温，温升应该小于150-25=125K，可以推算热阻抗Rth(j-a)＜125/1.65=75.75K/W，取热阻抗75.75，可以算出120℃的温升为2.4K，150℃的温升为9.7K，温升都比较大。可见在高温条件下，漏电流较大，功耗较大，PN结温度上升，导致漏电流进一步加剧，如此不断循环，二极管很快出现失效。二极管1N4007不同温度下的漏电流值、消耗功率和温升见表1。

3.3 加速因子的推算

试验前，测试二极管在145℃环境条件下的反向电流值，根据反向电流和施加的电压计算耗损功率，根据热阻算出二极管的温升，如果温升较小（≤0.5K），可以判断该型号二极管可以采用上述加速方案。

当二极管试验温度由100℃增加到145℃时，根据Arrhenius（阿伦尼斯）模型：

AF=7.46；试验时间可以由1000h缩短到128h，建议：选用国标规定的336h，试验周期缩短了2/3。

4 结论

另外3个二极管的测试数据及结果和二极管1N4007的基本一致，综合分析4个二极管的加速寿命试验情况，可得出以下结论：

（1）如果试验出现失效，在试验早期（时间短则上电几个小时则发现失效，时间长也不会超过168h）就可以发现失效，而且在高温下进行反偏电耐久性试验失效都是热击穿。

（2）如果试验过程不出现失效，经过1000多小时试验前后二极管参数变化也很微小。

（3）根据二极管漏电流-温度特性曲线图，当环境温度较低时（75℃以下），漏电流随环境温度变化不明显，随着温度上升（75℃以上），漏电流随环境温度上升成4次方或5次方的速度上升，漏电流变化非常明显。在开发设计时，可以测试器件高温的漏电流，要注意考虑周围环境温度因素对二极管可靠性的影响。特别对于面接触性的PN结器件，更要重视温度因素的影响。

（4）根据高温条件下进行反偏试验结果和漏电流-温度特性曲线图，可分析得出：当环境温度上升，漏电流逐渐增大，在高温消耗的功率也增大，根据功耗和热阻抗可以计算出温升，结温上升导致漏电流进一步加大，如此循环，当漏电流和反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功率，二极管很快就出现击穿。

如果在高温下漏电流比较小，理论计算出高温下的功耗也很小，温升变化不明显，再试验1000h也不会出现击穿，试验前后数据变化也很小，基本保持不变。

（5）根据PN结特性，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。雪崩击穿过程是可逆的，所以经过1000h试验前后参数几乎保持不变。但它有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。所以如果样品失效，测试发现都是短路。

5 二极管加速寿命试验研究的意见及推广

通过以上一系列的试验研究和验证，对于可以采用加速方案的二极管，施加最大反向电压，提高试验温度至145℃后，可以将试验时间由1000h缩短为336h，大大缩短了试验时间，极大地提高了效率，节省了试验成本，具有重大的实用价值。

另一方面，以上加速寿命试验方案和研究得出的结论可推广到其他半导体器件（如：三极管等），同样适用于三极管的加速寿命研究。

最后，对二极管类半导体器件的设计选型也有一定的指导作用，设计开发时必须注意：

（1）由于随着温度上升（75℃以上），漏电流随环境温度上升成4次方或5次方的速度上升，漏电流变化非常明显。所以，在开发设计时，可以测试器件高温的漏电流，要注意考虑周围环境温度因素对二极管可靠性的影响。特别对于面接触性的PN结器件，更要重视温度因素的影响。

（2）肖特基二极管高温下的反向电流比其他二极管增速更明显，使用时要注意肖特基二极管需要降额使用。

[1] 付桂翠等. 电子元器件可靠性技术教程 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2] 黄兆军等. 电解电容加速寿命试验的研究与应用探讨.《日用电器》 2013年08月.

Research and application on the accelerated life test of the diode based on the Arrhenius model

LUO Yunfeng1CHEN Xiaoli2
(1.Kingwin International Limited ZhuHai 519015; 2. GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai ZhuHai 519070)

This paper is based on the Arrhenius model, through the experiment method to investigate the change of leakage current or other parameters of the diode under different temperature conditions, and failure analysis. Put forward an effective method for accelerated life test of the diode, greatly shorten the life of the diode test cycle, saving the cost of the test, and a detailed analysis of the diode failure, have a certain guiding significance to the conclusion of the diode design and selection.

Diode; Accelerated life; Diode failure; Model selection and application