功率MOSFET寿命预测技术研究

康锡娥

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

功率MOSFET寿命预测技术研究

康锡娥

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

电子元器件是电子设备的基础，是不能再进行分割的基本单元，因此电子元器件的寿命在一定程度上决定了电子设备的使用寿命。功率MOSFET是所有元器件中使用最广泛的品种之一，数据统计表明，功率MOSFET是电子设备中失效率最高的元器件，整个寿命周期以性能退化失效为主。以MOSFET器件为例，模拟器件的使用环境、电压、电流，同时不断对试验过程中的器件进行测试，通过对测试数据进行分析，确定器件的敏感参数，建立以敏感参数为主的退化模型，从而估算元器件的寿命。

功率MOSFET；寿命预测；敏感参数；退化模型

1 引 言

电子元器件是整个电子设备和系统的基础，是不能再进行分割的基本单元，因此其可靠性对系统可靠性影响较大。其可靠性被定义为[1]：电子元器件在特定使用条件和环境条件下，在其寿命周期内，达到设计要求的技术指标，且工作过程稳定。但是，各个电子元器件的使用条件和环境条件与他们构成的电子系统的环境条件相同。例如航天中使用的功率MOSFET，它的环境条件和它的应用条件相同，可能需要经历热循环、各种辐射源的辐射、高速转动等，同时这个器件也可能只是在常温的环境下工作。这就意味着相同的产品在使用中可能要面对不同的使用环境，这对器件来说它的使用寿命会存在着很大的差异。因此分析电子元器件的可靠性问题，不仅要分析器件本身性能指标，还要将它周围环境因素，使用条件等关键因素考虑进去。

2 功率MOSFET可靠性总体研究思路

随着工艺水平的不断提高，功率器件的可靠性和寿命不断增加。由于需要较长的试验时间和较大的试验样本，基于概率统计理论的传统可靠性试验已经不再适用。在保证失效机理不变的前提下，通常采用加速寿命试验的方法研究电子元器件可靠性。首先要确定敏感参数，在加入温度、电压、电流等应力的同时，根据MOSFET摸底试验，通过MOSFET测试平台的测试，确定退化过程中的敏感参数，制定加速退化试验方案。通过对测试数据的归纳、整理、分析，总结出经过加速退化试验之后，敏感参数的发展趋势，从而预测器件的寿命。（如图1所示）

图1 MOSFET可靠性总体研究框图

2.1 参数漂移失效模式

参数漂移是功率MOSFET正常使用过程中最常见的失效模式，包括阈值电压及沟道电阻参数漂移、跨导下降、噪声系数增大、欧姆退化等。每种失效模式可能对应多种失效机理，具体见表1。

2.2 功率MOSFET性能退化参数确定

表1 功率MOSFET参数漂移失效模式与主要失效机理[2]

通常有两种原因能够导致电子元器件出现失效[3]。一是器件出现短路或开路，使得短时间内功率等级远高于器件额定功率等级；二是器件长时间工作于环境应力及电应力的条件下，产生不可恢复的积累性损伤。第一种情况一般发生在电子系统刚开始工作或系统进行调整的时候，第二种情况主要发生在器件的长期使用过程中，是由器件敏感参数的漂移引起的。因此按照第二种失效情况进行模拟，在不同环境条件下，对某型号器件连续进行两个月的试验。选取20只IR公司某型号的功率MOSFET器件，其主要特性参数如表2所示。

表2 主要特性参数

选取20只样本，按照GJB548B-2005中对温度循环试验的要求进行考核试验[4]，选取的试验温度变化范围是-55～125℃，变换时间与保持时间均为1.5小时，试验结束后样品在常温下恢复1～2小时，再进行表2中的参数测试，使用3193分立器件测试系统连续测试30天。由于测试数据量大，因此在表3中只显示试验前数据和试验结束后的测试数据。

表3 试验前后数据对比

从前后试验数据比对可以看出，部分参数发生明显变化，而阈值电压变化幅度最大。试验前后功率MOSFET输出特性曲线的变化如图2所示，从图中可以看出，由于阈值电压和沟道电阻的增大，试验后输出特性曲线整体下移。

图2 输出特性曲线

试验结束后，阈值电压、导通电阻可以作为退化过程中的敏感参数。其中阈值电压直接影响转移特性曲线位置，而跨导的测试需要给定栅源电压或漏源电流，受阈值电压影响较大。

3 基于退化模型的寿命预测

通过表3的数据总结出，阈值电压在试验前后变化是最明显的，以阈值电压退化模型为例进行建模。由于常规条件下器件寿命较长且退化量很小，因此，需要加大应力进行试验。加速退化试验是可靠性研究中最常用的一种试验方法。本次试验模拟器件实际工作中的环境（温度）、工作条件（电压、电流），具体参数如表4所示。同时，不断的对器件的敏感参数阈值电压进行测量，记录参数的变化情况。根据与时间相关的power-law模型，与温度相关的阿伦尼乌斯模型，与电应力相关的艾琳模型，总结出综合应力模型[4]：

Cox为栅氧化电容

NA为沟道掺杂浓度

Ea为T=1条件下电场强度

φf为沟道电势

ε0εrq及c为常数

对公式（1）两边取对数得到：

从公式（2）可以看出，当 Vgs、Id、T 等相应条件确定时，上式可以写成

经过大量的试验和理论分析，得知power-law时间系数与器件工作的温度、电应力以及温度和最大额定电压电流的比值相关。由本试验中器件的最大额定电压电流可以得到

通过公式（5）可以看出，要想获得m的值，需要4组试验数据，求得n值需要2组数据。由于阈值电压测量值受到温度影响，因此需要将不同温度条件下的测量值进行归一化处理。采用归一化公式，将120℃及140℃条件下的数据归算到100℃条件下。求得m值为

采用插值法获得n值：

因此公式（1）可以写成

从公式（7）中可以看出温度和电流大小对阈值电压参数退化影响最大。而电压的影响较小。常数C为t=1时刻阈值电压的变化量。

试验后，任何规定的终点测量或检查不合格，外壳或引线的缺陷或损坏迹象，或标志模糊，均视为失效。采用国际电工委员会标准IEC62373-2006中对场效应晶体管电特性的规范，只要阈值电压Vth的变化超出初始值的±10%即认为失效[6]。例如在140℃、30V、0.4A条件下，得到本试验中失效阈值为0.2V。根据公式（7）计算得到t=12444小时，约为518天。

表4 加速试验条件

4 结束语

通过上述试验过程可以发现，在产品正常使用的过程中，电子元器件退化失效是其失效的最主要原因[7]。统计数据表明，电子元器件的某些敏感特性参数会随着工作时间的延长而产生某种有规律的变化，同时，批量电子元器件退化特征也满足某种统计学分布，因此，通过分析性能退化数据，可以得到电子元器件或电子系统在整个寿命周期的可靠性信息，进行可靠性评价及预计[8]。

[1]Reliabulity Maintainability Terms GB3187-94[S].1996.

[2]Wang Yunhui.Electronic Components Reliability Design[M]Beijing:Science Press,2007.

[3]Chen Shijie.Research of Degradation Model and Lifetime Prognosis Method for Power MOSFET[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2013.

[4]Test Method and Procedure of Microelectronic Device GJB548B-2005[S].1996.

[5]A.Grall Berenguer,L.dieulle.A Condition-based Maintenance Policy for Stochastically Deteriorating Systems[M].Reliability Engineering and Systerm Safety,2002.

[6]Jay Lee,Jun Ni,Dragan Djurdjanovic.Intelligent Prognostics Tools and Emaintenance[M].Computers in Industry，2006.

[7]Li Qiuyang.Research on Power MOSFET Model for Reliability Analysis[D]Harbin：Harbin Institute of Technology，2012.

[8]Meng Juqing Liu Haibo.Semiconductor Device Physics[M].Beijing：Science Press 2005.

Research on Power MOSFET Lifetime Prediction Technology

Kang Xi'e
(The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China)

Electronic component is the foundation of electronic equipment,which being the basic unit,cannot be further divided.Therefore,to a certain extent,the lifetime of electronic components determines the service life of electronic equipments.Power MOSFET is one of the most widely used varieties in all components,according to the statistics,the power MOSFET is of the highest failure rate of components in electronic equipments,and its main failure form is with performance degradation.Taking MOSFET devices as an example,the use environment,voltage and current of the components are simulated,and at the same time,by keeping doing the tests during the experiment,analyzing the test data,determining the sensitive parameters of the components,and establishing the degradation model mainly with sensitive parameters,the lifetime of components is thus estimated.

Power MOSFET;Life prediction;Sensitive parameter;Degradation model

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.002

TN3

A

1002-2279-（2017）05-0004-04

康锡娥（1980—），女，河北省唐山市人，工程师，主研方向：元器件测试。