基于POF的塑封光电耦合器贮存寿命评价方法研究

高成，熊园园，杨达明

（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京，100191）

0 引言

塑封光电耦合器一般是由光发射器和光探测器两部分组合而成，以光为媒介实现电-光-电的转换。塑封光耦随着贮存年限的增加，器件会发生封装材料的退化、芯片的腐蚀、导光胶老化一系列的问题，影响器件的正常使用，因此其贮存寿命是一项非常重要的指标。失效物理（Physics Of Failure,POF）是从物理、化学角度解释元器件受外界环境应力发生失效的原因、机理的学科。基于失效物理的寿命建模，需要分析元器件的失效机理，研究器件的失效过程，建立失效过程中物理退化模型，然后对器件的寿命做统计推断，目前，已经有很多学者开始基于失效物理的建模的研究。

本文通过对光耦隧道击穿机理建立寿命模型，对贮存环境中光耦的寿命进行评价。本文的研究成果也可以推广到其他高可靠、长寿命的元器件中，为其器件的贮存寿命评价提供参考。

1 基于隧道击穿的贮存寿命模型研究

对某次在贮存环境下失效的光耦器件进行失效分析时，发现光耦的三极管芯片上发生了击穿现象，分析由于光探测器中三极管基区薄，在高温贮存下容易发生隧道击穿失效。由于热应力的影响，将束缚在P区电子的直接激发到导带，在势垒区形成大量的电子-空穴对，通过漂移运动，形成较大的反向电流，产生隧道击穿。隧道击穿是由于少数载流子漂移运动形成的，假设在P区处于价带的电子总数为N，在势能的推动下，每个电子从价带跃迁进入导带的概率是相等的，当有K个或者K个以上的电子发生跃迁时，三极管发生结击穿。由文献[1]可知，t时刻电子跃迁数X服从对数正态分布，。在t时刻，由于跃迁的电子数的变化引起的击穿电压的变化为：

λ-比例系数，当 X0= 0 时，∆ Vt= λ Xt，t时刻三极管击穿电压退化量的概率密度函数可以表示为：

激发的电子数均值与时间的关系符合抛物线增长规律，即：

ω表示激发速率常数，ω与环境温度有关，与温度的关系可以用阿伦尼乌斯方程表示：

将式(4)代入式(3)，可得：

在贮存的过程中，假设击穿电压小于阈值VS时，即可认为三极管失效，则三极管发生失效的概率为

经式(1)-式(6)，三极管的寿命分布函数为对数正态分布，假设光电耦合器光探测中有N个三极管芯片，只要有一个三极管发生击穿，则认为整个光耦失效，输出电压失效，记录每个三极管击穿电压退化失效时间为 Ti( i = 1 ,2,3… ,N )，塑封光电耦合器在时间t发生输出失效的概率为(至少一个三极管发生击穿)：

已有Bury.Kar l等研究学者证明，假设Ff(t)服从对数正态分布，服从双参数的威布尔分布[2]。

它是含有两个参数的寿命分布，记为 W ( m ,η)，其中：

η＞0，尺度参数，m＞ 0，形状参数，与温度无关。

综上所述，在贮存的温度应力下，光电耦合器的贮存寿命服从双参数的威布尔分布，塑封光耦寿命模型如下所示：

其中 Γ (x )为伽马分布，η0为贮存环境下的特征寿命。

2 基于寿命模型的光电耦合器寿命评价

贮存寿命评价是根据器件在贮存过程中的相关可靠性信息，运用一定的手段来评估可靠性指标，加速实验是指在保证失效机理不变的前提下，提高实验应力水平，使器件加速失效, 以便在短时间内获得失效数据, 从而评估器件正常应力水平下的可靠性或寿命指标。

对选取的40只TLP250塑封光耦在125℃、150℃、175℃、200℃下开展为期88天的加速寿命试验，统计失效时间如表1所示。

表1 器件进行加速寿命试验的失效时间

由于塑封光电耦合器的寿命服从威布尔分布，通过极大似然法估计形状参数m、特征寿命η的估计值，将4组恒定应力下的数据点(1 /ti, lnηi) (i=1,2,3,4)采用最小二乘拟合,拟合决定系数R2=0.9825，接近1，拟合程度很好，求解出式(10)的参数 α =-6 .201，β = 5 508.6，得到物理加速模型 ：

3 结论

长期以来，塑封光电耦合器的寿命评价都依靠大量数据拟合推导，没有建立寿命评价模型，本文在分析失效机理的基础上，建立光耦的贮存寿命模型，并对型号为TLP250塑封光耦进行寿命评价，25℃下的贮存寿命是23.67年。本文的研究成果也可以推广到其他高可靠、长寿命的元器件中，为其器件的贮存寿命评价提供参考。

Azhar A T S, Nab ila A T A, Nu rshuhaila M S, et a l.Electrom igration o f Con tam inated Soil by Electro-Biorem ediation Technique[J].2016,136(1)： 012023.

[2]W ang Y, Cai H, Naviner L A D B, et al. Com pact Model of Dielectric Breakdown in Spin-Transfer Torque Magnetic Tunnel Junction[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2016,63(4) ： 1762-1767.