半导体器件的寿命估算

加速试验

应力综合效果影响产品的寿命

产品在利用中受到应力

温度

湿度

电

气压

……

正常事情条件下，器件的事情寿命很长。
须要在较短的韶光内验证其事情寿命，怎么办？

加速试验

试验中引入综合应力，在加速试验中得到数据，估量正常利用状态下的寿命。

加速模型

Arrhenius模型

Eyring模型

Peck模型

Coffin-Manson模型

Arrhenius模型

阿伦纽斯Svante August Arrhenius（1859-1927）斯范特奥古斯特阿伦纽斯是近代化学史上的一位著名的化学家，又是一位物理学家和天文学家。
提出活化分子和活化能的观点，导出著名的反应速率公式，即阿伦纽斯方程。

阿伦纽斯方程

k——速率常数 R——摩尔气体常量 T——热力学温度 EA——为表不雅观活化能 A——指前因子

摩尔气体常量：R=8.314510 J/(molK) 阿伏伽德罗常数：NA=6.0221023

电子伏特与焦耳的换算：1eV=1e1V≈1.60210-19 CV=1.60210-9J

玻尔兹曼常数与摩尔气体常量的关系：k=R/NA=1.3810-23(J/K)=8.610-5(eV/K)

Arrhenius模型

只考虑温度应力的影响模型打算公式

式中：

AF(T)——温度加速因子（无单位）

EA——激活能，硅器件一样平常取0.7 （单位：eV）

k——玻尔兹曼常数（8.610-5eV/K）

T运用——器件实际运用时的温度（单位：K）

T试验——器件应力试验时的温度（单位：K）

Eyring模型

Arrhenius模型的扩展电和温度同时加速的试验项目。
打算式：

式中：

AF(T V)——温度电压加速因子

B——电压加速因子。
根据不同失落效机理取值，默认为1

V运用——器件实际运用时的电压（单位：V）

V试验——器件应力试验时的电压（单位：V）

Peck模型

Arrhenius模型的扩展湿度和温度同时加速的试验项目。
打算式：

式中：

AF(T RH)——温度、湿度加速因子

n——系数。
一样平常取值为3

RH运用——器件实际运用时的相对湿度（单位：%）

RH试验——器件应力试验时的相对湿度（单位：%）

Coffin-Manson模型

温度变革的加速的试验项目。
打算式：

式中：

AF(T)——温度变革加速因子

C——材料特性系数。
一样平常守旧估计取4

T运用——器件实际运用时的温度变革值（单位：K）

T试验——器件应力试验时的温度变革值（单位：K）

多应力综合加速模型

同时存在湿度、电压、温度应力，假设应力之间没有相互影响，则加速模型为：

常日在做寿命估算时，只按温度加速来进行。

失落效率及寿命打算

通过相应的加速试验，可根据试验详细条件、结果及置信度，选取得当的加速模型，打算器件的失落效率。

失落效率上限打算公式：

式中

CL——置信度 f——失落效数 2f+2——自由度 t——试验韶光 ss——样本数 AF——加速因子

关于置信度

例：九级元器件

置信度为60% → CL(p)=0.6

做2.02231109（器件小时）试验 → t = 2.02231109 h

许可1个样本失落效 → 自由度()= 2  f + 2 = 2 1 + 2 = 4

查表（GB4086.2 统计分布数值表 2分布）得：

GB4086.2 统计分布数值表 2分布

GB4086.2 统计分布数值表 2分布

关于置信度

举例（续）

根据公式打算

常日所说的元器件失落效率，不是大略的均匀失落效率，而因此其置信区间估计的上限。
不同的置信度有不同的失落效率。

JEDEC85标准先容

Methods for Calculating Failure Rates in Units of FITs（以菲特为单位的失落效率打算方法）

案例I

估算的假设条件

无试验间断(2000小时单次读值)

失落效机理未知

应力试验时施加额定电压

已知样本数和寿命试验终点测试的失落效数，试验仅施加应力温度，不对失落效进行分类或剖析确定失落效机制，因此假定所有失落效都是一个表不雅观激活能。

JEDEC85标准先容

试验数据

f=失落效数=15

ss=抽样数=500

TSTRESS = 应力试验温度 = 125C

TUSE = 利用温度 = 55C

EA(avg) = 表不雅观激活能 = 0.7 eV

在寿命试验时功耗非常低（极小的自加热）

表不雅观激活能可能是也可能不是均匀值。

JEDEC85标准先容

打算失落效率的置信上限

GB4086.2 统计分布数值表 2分

GB4086.2 统计分布数值表 2分

GB4086.2 统计分布数值表 2分布

GB4086.2 统计分布数值表 2分布

案例II

多种激活能的恒定失落效率分布打算

假设

无试验间断(2000小时单次读值)

失落效机理未知

应力试验时施加额定电压

数据

试验数据

f=失落效数=15

ss=抽样数=500

TSTRESS = 应力试验温度 = 125C

TUSE = 利用温度 = 55C

失落效机理#1导致失落效数为3，其EA = 0.5 eV

失落效机理#II导致失落效数为3，其EA = 0.7 eV

失落效机理#III导致失落效数为3，其EA = 1.0 eV

加速因子打算

按阿伦纽斯议程，打算各种激活能的加速因子：

AF(失落效机理#1) 0.5 eV = 22.6

AF(失落效机理#2) 0.7 eV = 78.6

AF(失落效机理#3) 1.0 eV = 510

各种激活能的失落效率打算

各种激活能的失落效率打算

总失落效率

打算失落效率的置信上限

注：已知试验中断的恒定失落效率分布（自学）