【導(dǎo)讀】模擬技術(shù)要求元件的電性能達(dá)到一定精度和使用期間可能出現(xiàn)的變化的良好預(yù)測(cè)。本文介紹一種用于預(yù)測(cè)元件老化引起的電參數(shù)變化的方法。
電子模擬應(yīng)用的工藝質(zhì)量和可靠性主要取決于所用電子元件的四個(gè)參數(shù)或性能：
·電參數(shù)的穩(wěn)定性及特征，亦即沒(méi)有由于老化或退化而引起的不可逆漂移；
·低而穩(wěn)定的溫度系數(shù)（TC），亦即在應(yīng)用溫度范圍內(nèi)的低可逆漂移；
·穩(wěn)定和低水平的噪聲；
·穩(wěn)定和低水平的非線性度。
元件使用期間主要電性能（如電阻器的阻值）的漂移可能引起其他重要性能（如噪聲、TCR、非線性度）的變化或漂移。高溫高濕環(huán)境條件對(duì)許多電子元件的可靠性依然是個(gè)挑戰(zhàn)。更好的理解其老化和退化加速的因素。
薄膜電阻器在電子行業(yè)使用廣泛，我們的研究選用它們作為以下元件設(shè)計(jì)的良好普遍代表：在基礎(chǔ)材料之上由有機(jī)涂層防止其老化或退化。這是許多被動(dòng)和主動(dòng)電子元件的基本設(shè)計(jì)。有關(guān)薄膜電阻器在干熱和偏濕度環(huán)境中的行為的長(zhǎng)期研究已成為一種新開(kāi)發(fā)的通用模型的基礎(chǔ)，該模型涵蓋整個(gè)溫度-濕度-時(shí)間域中的所有老化條件、系統(tǒng)特征鑒定以及元件健康預(yù)測(cè)（具有退化功能層的噴漆或模制元件）。
研究結(jié)果在 2014 年的 CARTS（電容器和電阻器技術(shù)會(huì)議）和 AEC-RW（汽車(chē)電子協(xié)會(huì)可靠性研討會(huì)）上報(bào)告，并在同行評(píng)審論文中公布 [1]。
針對(duì)強(qiáng)化研究的測(cè)試方案
我們的測(cè)試計(jì)劃考慮了以下幾點(diǎn)：
•使用靈敏的薄膜電阻器值（同一批，直至在所有被測(cè)變體上進(jìn)行激光微調(diào)）；
•偏壓濕度 85 °C / 85 % RH 測(cè)試與 40 °C / 93 % RH 測(cè)試結(jié)果比較；
•引入新的中間測(cè)試條件：70 °C / 90 % RH 和 90 °C / 40 % RH；
•測(cè)試或暴露時(shí)間延長(zhǎng)至 4000 小時(shí)（10000 小時(shí)）；
•使用兩種不同的電絕緣漆變體；
•在每種變體上施加兩個(gè)電壓/荷載（來(lái)源于額定電壓的 10 % 和 30 %）；
•比較偏濕度測(cè)試與 HAST 130（高度加速應(yīng)力測(cè)試：這里偏濕度測(cè)試條件為130 °C 和 85 % RH，相同批次和電氣條件）結(jié)果。
結(jié)果和結(jié)論
偏濕度對(duì)許多元件具有破壞性（具體取決于相對(duì)濕度和溫度）已是共識(shí)。本研究第一個(gè)令人感興趣的發(fā)現(xiàn)是，我們必須徹底區(qū)分氧化/鈍化效應(yīng)與腐蝕機(jī)制。由此顯現(xiàn)出兩種不同退化機(jī)制：老化（呈指數(shù)飽和 40°C / 93 % RH，70°C / 90 % RH）和破壞性（呈指數(shù)增加 85°C / 85 % RH）腐蝕條件。
圖 1：測(cè)試結(jié)果（40°C / 93 % RH、70°C / 90 % RH 和 85°C / 85 % RH）
圖 1 顯示了暴露 4000 小時(shí)后的漂移特征。即使在漂移低至 ΔR/R < 0.5 % 時(shí)，差異也很明顯。為了能夠比較各種特征，我們提出了按照相等暴露時(shí)間對(duì) R 漂移進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的做法。例如，如果將該標(biāo)準(zhǔn)化漂移設(shè)置在雖然低但仍然顯著的 ΔR/R = 0.2 % 水平，則可估計(jì)為幾乎沒(méi)有破壞性。利用這種方法，現(xiàn)在有可能直接比較所有偏濕度測(cè)試數(shù)據(jù)（包括 HAST 130 結(jié)果等）。
影響元件退化/老化的參數(shù)
我們明顯看到溫度和濕度濃度是促使漂移或元件功能層老化/退化的參數(shù)。因此，我們的第二個(gè)建議是使用實(shí)際蒸汽壓力 pvapor 代替相對(duì)濕度 RH。
電元件通常是在芯材上包裹靈敏的功能性金屬制成，通過(guò)絕緣體、漆和模件加以保護(hù)。如圖 2 所示，我們薄膜電阻器具有采用鋁的基礎(chǔ)或芯材料，基于鎳鉻合金的 R 層，并包裹一層電絕緣漆。在給定環(huán)境條件下，漆層界面與外界之間存在壓力差 Δp。
圖 2：蒸汽壓力導(dǎo)致水分?jǐn)U散現(xiàn)象
壓力的均衡趨向?qū)е滤窒蚱峄蛴袡C(jī)涂層擴(kuò)散。由于壓力擴(kuò)散效應(yīng)，交界區(qū)域的水濃度將會(huì)增加。在有水情況下，高溫和偏壓下會(huì)促進(jìn)氧化，并造成包鍍金屬的電化學(xué)腐蝕。在熱和偏壓條件下，更高的溫度將導(dǎo)致更大的破壞危險(xiǎn)。
建立模型
如 [1] 中詳細(xì)所示，我們可從教科書(shū)公式推出和調(diào)整水向涂層的擴(kuò)散結(jié)果。電子元件中的壓力擴(kuò)散系統(tǒng)可通過(guò)一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的公式描述：
圖 3：一般公式
這個(gè)一般描述可解釋為直線函數(shù) y = ax + b，其中 y 代表暴露時(shí)間 texp 的 ln√，x 代表 1/T（= 絕對(duì)溫度 T [開(kāi)爾文] 的倒數(shù)），如圖 3 所示。
系數(shù)“a”允許直接讀取和計(jì)算元件功能層的活化能 EA，常數(shù)“b”是其涂層的擴(kuò)散性能（D：擴(kuò)散系數(shù)，單位 µm2/h；xlacq：有機(jī)涂層厚度，單位 µm；k：玻爾茲曼常數(shù) = 8.62 x 10-5 eV/K）。
由于標(biāo)準(zhǔn)化的暴露時(shí)間 ln√texp 是溫度倒數(shù) 1/T 的直接函數(shù)，所以可用一個(gè)圖表，亦即用 ln√t – 1/T 圖描述和總結(jié)元件在整個(gè)溫度-濕度-時(shí)間域中的性能和健康預(yù)測(cè)，以及其系統(tǒng)特征鑒定：
圖 4 顯示了采用“漆 1”涂層的高阻值薄膜電阻器（MELF MMA0204，180 kΩ）的性能。
圖 4：薄膜電阻器的 ln√t – 1/T 圖
這個(gè)例子說(shuō)明，texp > 30 年的暴露時(shí)間和 ΔR/R < 0.2 % 的阻值漂移在任何實(shí)際相對(duì)濕度和 < 100 °C 的環(huán)境溫度條件下都是可能的，對(duì)這種非?？煽康碾娮杵黝?lèi)型沒(méi)有任何問(wèn)題（取決于功能性薄膜層的活化能和“漆1”涂層的擴(kuò)散性能）。
實(shí)際應(yīng)用
當(dāng) ln√t – 1/T 圖適用時(shí)，確定電子元件的可靠性和健康預(yù)測(cè)變得容易和經(jīng)濟(jì)。
此外，如圖 5 所示，對(duì)于所有實(shí)際應(yīng)用，在定義元件在整個(gè)相關(guān)溫度-濕度-時(shí)間域上的材料性能（漆/模件或功能層的活化能、擴(kuò)散系數(shù)、加速因子等）的漂移和退化（健康預(yù)測(cè)）時(shí)只需要五個(gè)可靠的相關(guān)測(cè)量點(diǎn)。
圖 5：五個(gè)測(cè)量點(diǎn)
要點(diǎn)：
•開(kāi)發(fā)和定義針對(duì)電子元件的一般（偏壓）濕度加速和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型，研究在靈敏薄膜電阻器上進(jìn)行。
•該模型綜合了溫度和濕度對(duì)退化的影響。在整個(gè)溫度-濕度-時(shí)間域中的預(yù)測(cè)因此成為可能。
•所定義的 ln√t – 1/T 圖包含所有信息，并可用于計(jì)算關(guān)于模件/漆以及關(guān)于所研究功能層的所有相關(guān)材料數(shù)據(jù)（活化能、濕度相關(guān)材料性能、偏壓加速效應(yīng)等）。
•老化/氧化與腐蝕之間的差異。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化的暴露時(shí)間代替參數(shù)漂移測(cè)量結(jié)果消除這些有沖突現(xiàn)象的不一致性。
•用實(shí)際蒸汽壓力代替（通常使用的）相對(duì)濕度 RH 作為明確的物理數(shù)據(jù)。
•確定電絕緣漆或模件各自的擴(kuò)散性質(zhì)，作為元件參數(shù)因溫度和濕度影響而退化的主關(guān)鍵詞。
