CN103777098A

CN103777098A - 一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法

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Publication number: CN103777098A
Application number: CN201410031208.XA
Authority: CN
Inventors: 高成; 王宇飞; 黄姣英; 孙悦
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beijing Tianhang Changying Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: CN103777098B

Abstract

一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其步骤如下：一、根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器；二、测量光耦初始的低频噪声；三、根据低频噪声对样本进行分类；四、确定加速寿命试验的温度并将样本分类进行加速寿命试验；五、确定退化趋势的函数；六、通过高温贮存下的结果，外推常温下光耦的贮存寿命。该发明将统一批次的光耦分级并分别进行寿命评价，提供了一种在加速寿命试验之前就可以对其寿命进行排序分类的思路，对目前在半导体电路贮存寿命评价方面的研究开辟了有效的途径，有效的将寿命相近的光耦分为一类，从而提高了光耦寿命评价的精度。

Description

一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法

技术领域

本发明提供一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，本方法是通过低频噪声将光耦分成三类，并分别对三类光耦进行寿命评价。利用低频噪声能反应出光耦本身缺陷这一特性，将光耦分成缺陷程度不同的三类，并分别观察不同缺陷程度的光耦在不同温度下CTR（CurrentTransfer Ratio为光耦的电流传输比）的退化数据。通过退化数据的拟合得到三类器件的寿命，发现同温度下同类器件寿命较接近，且同温度下缺陷程度越大寿命越短。

背景技术

光电耦合器是以光-电方式进行耦合的器件的总称，由发光器件与光敏器件组成，其结构是光发射器（红外发光二极管）和光敏器（硅光电探测敏感器件）的芯片被封装在同一外壳内，并用透明树脂灌封充填作光传递介质。光耦是实现数字信号、脉冲信号和模拟信号隔离传输功能的光电传输器件，具有隔离性能好、使用方便、性能稳定可靠和适应范围广的特点。

光耦的电流传输比（CTR）是光电耦合器的一个主要和重要参数之一，定义为输出电压为规定值时，输出电流与发光二极管正向电流之比，表示为：CTR=I_C/I_F×100%。导致光耦性能退化的主要因素是光耦的电流传输比(CTR)的降低，而引起CTR降低的直接原因是材料中产生能够俘获载流子的陷阱数目增多，致使载流子数目减少。陷阱的来源主要包括材料本身存在的缺陷或杂质电学应力及环境等因素诱生的缺陷。

最近的研究结果表明，器件产生的过激低频噪声与半导体器件的表面及内部缺陷有关。器件本身的缺陷会引起器件1/f噪声和产生-复合噪声(g-r噪声)的增加，同时也会使器件发生参数衰竭及使用寿命缩短。虽然每个器件均存在热噪声、散弹噪声及1/f噪声，但当器件存在包括晶格位错、pn结附近重金属杂质凝集、器件表面的气体吸附、Si-SiO2层中的正电子、杂质陷阱等缺陷时，实际噪声将会有所增加。前者一般称为基本噪声，即一般硅半导体器件普遍具有的噪声；而后者则称为过激噪声。这种过激噪声的主要形式为1/f噪声及g-r噪声，当g-r噪声严重时会出现爆裂噪声。因此只要能测得器件的过激低频噪声(包括过激1/f噪声、过激g-r噪声)，就有可能分析器件的内部缺陷性质，评估其质量等级，并预测器件的可靠性。

发明内容

1、目的：本发明的是目的是提供一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，它可以把同一批次的光耦分级并分别进行寿命评价的方法，该方法可以把同一批次的光耦分为三个等级。同等级的光耦得到的寿命预测值都比较接近，进而可以更精确的估算光耦的寿命。直接验证了初始低频噪声和寿命之间的关系，为进一步开展基于低频噪声的光耦贮存寿命评价方法研究工作做铺垫。

2、技术方案：本发明一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器。本发明中选用的光耦HCPL-2530结构如图1所示。本发明采用的噪声测试仪内置15.6V电源，四档电流表，四档电压表以及一个高精度的输入接口。通过适配器将光耦的输出端连接到测试仪的输入端，光耦的供电端接电压表，光耦的输入端接电流表。图2所示为适配器的电路图。

步骤二：测量光耦初始的低频噪声。噪声测试仪的原理是，在光耦正常工作的条件下，对其输出电流和输出电流进行计算来得到其噪声。查技术手册得知光耦的典型工作条件：输入偏置电流If以及输出端偏置电压VCC。将光耦固定在适配器上以后，调节适配器上的滑动变阻器，使得噪声测试仪上的电压表示数为VCC，电流表示数为If。调节完成后，通过pc端软件测量该光耦该通道的噪声。

步骤三：根据低频噪声对样本进行分类。分类方法如下：噪声电压功率谱波形出现脉冲波形及不规则噪声幅度变化为爆裂噪声。10Hz与1Hz处噪声Sv比值r表征g-r噪声。爆裂噪声和g-r噪声显著的样本分入III类。本发明中的样本没有出现显著的爆裂噪声和g-r噪声，图3（a）、图3(b)为本发明中的噪声典型测量结果。余下的样本根据其1/f噪声的分布情况，选定合理的III类淘汰率。最终将样本分为I类、II类、III类。

表1α在三个不同取值下样本的分类情况

α	B1=μB-αδB	B2=μB+αδB	I类数量	II类数量	III类数量	III类淘汰率
							1.00	1.39	2.41	5	22	3	10.00%
0.67	1.56	2.24	9	14	7	23.33%
							0.50	1.65	2.16	11	8	11	36.67%

如表1所示为α在三个不同取值下样本的分类情况。取α=0.67，此时B1=1.56，B2=2.24。将30个样本分类统计，分类结果如下：

I类：#7，#14，#15，#17，#20，#21，#22，#23，#25；

II类：#2，#3，#4，#5，#6，#9，#10，#13，#16，#24，#26，#27，#28，#30；

III类：#1，#8，#11，#12，#18，#19，#29。

步骤四：确定加速寿命试验的温度并将样本分类进行加速寿命试验。确定试验温度方法如下：依据光耦的数据手册，找到该型光耦的正常贮存温度范围。参考数据手册上的正常贮存温度范围，结合该类光耦加速贮存经验，选取合适的温度作为应力，并把光耦样本均分在各温度。把光耦放入相应的温箱中，每隔一周测量一次各样本的CTR值。如表2所示为本发明中，光耦的加速寿命试验方案。

表2加速寿命试验方案

步骤五：确定退化趋势的函数。确定函数的方法如下：如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示为150℃下各类器件的CTR散点图根据数据退化轨迹呈现出的这一变化规律，分别选择指数函数模型、线性模型、幂函数模型以及对数函数模型，利用数据分析软件Origin9.0对样本退化数据进行最小二乘法数据拟合。通过比较R-Square来决定最终采用哪个函数来拟合退化轨迹，本发明中采用的是指数函数。

步骤六：通过高温贮存下的结果，外推常温下光耦的贮存寿命。参照参数退化模型与温度关系的推导方法，建立光耦正常应力下的退化模型，评价常温下光耦的贮存寿命。由光耦电流传输比退化模型函数

两边取对数，得：

\ln [y_{0} - t_{T_{i}} (t)] = \ln (- b_{i}) + \frac{- 1}{a_{t}} t

令

M_{T_{i}} = \ln [y_{0} - y_{T_{i}} (t)] = \ln (- b_{i}) + \frac{- 1}{a_{i}} t,

两边对时间t求导，则：

\frac{{&PartialD; M}_{T_{i}}}{&PartialD; t} = \frac{&PartialD; \ln [y_{0} - y_{T_{i}} (t)]}{&PartialD; t} = \frac{- 1}{a_{i}}

将式(40)两边取对数，与式(34)联立方程组如下：

\ln (\frac{{&PartialD; M}_{T_{i}}}{&PartialD; t}) = \ln (\frac{- 1}{a_{i}}) = p + \frac{q}{T_{i}} - - - (41)

对于各类样本数据，以I类为例，选取两组温度应力时的

与对应的开式温度Ti值联立方程组，求解即可获得加速模型参数：

p_I=2.68，q_I=-2203.43

由式（42），可获得I类样本的Arrhenius模型参数：

A = e^{p_{I}} = 14.59, - \frac{E}{K} = q_{I} = - 2203.43

结合加速因子表达式[54]，可得：

将正常贮存温度应力T0=298K、加速温度应力T2=423K及qI值代入，即可外推得I类光耦样本在正常贮存应力T0下的寿命：

同法可得II、III类样本正常贮存应力下平均贮存寿命

各类别子样本的在25℃贮存环境下的贮存寿命分别为：

其中，在步骤一中所述的“根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器”，其搭建过程如下：从HCPL2530的技术手册中得到该光耦的典型应用电路，按照典型应用电路制作电路板，电路板中光耦的位置焊接一个插座，光耦的输入端，输出端，供电端做成外接的插头。外接的插头与噪声测试仪的插座一致。

其中，在步骤二中所述的“测量光耦初始的低频噪声”，其测量方法如下：本方法中采用西安电子科技大学微电子学院提供的噪声测试仪，该测试仪有配套PC端软件。通过步骤一中的适配器连接光耦与测试仪，将所要测量的光耦放入适配器的插座中，调节测试仪电压表示数为5V，电流表示数为16mA。然后运行PC端的“频谱测量”与“时间序列测量”，噪声测试仪开始采集数据，并传到PC端。PC端可自动计算生成所需的低频噪声。

其中，在步骤四中所述的“确定加速寿命试验的温度并将样本分类进行加速寿命试验”，其加速寿命试验是，如将#1～#8、#14、#15放到125℃的恒温温箱中，将#9～#13、#16、#19、#20、#25放到150℃的恒温温箱中，将#18、#21～#24、#26～#30放到175℃的恒温温箱中。所有的器件均贮存40周，每周一取出，测量其CTR与低频噪声，测量完成后，当天放回温箱中。

其中，在步骤四中所述的“每隔一周测量一次各样本的CTR值”，用通用的分立器件测试仪，测得光耦在正常工作条件下的输出电路与输入电流。光耦的CTR=输出电流／输入电流×100%。

3、优点及效果：

本发明提供一种应用低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，该发明的优点是可以将统一批次的光耦分级并分别进行寿命评价，提供了一种在加速寿命试验之前就可以对其寿命进行排序分类的思路，对目前在半导体电路贮存寿命评价方面的研究进行了有效的研究。

在已开展的HCPL-2530型光耦加速寿命实验过程中，试验数据分析表明：在基于低频噪声将器件分成的三类中，同一温度下一类光耦的寿命大于二类光耦的寿命，二类光耦的寿命大于三类光耦的寿命。因此本发明提供的一种应用低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法可以有效的将寿命相近的光耦分为一类，从而提高了光耦寿命评价的精度。

附图说明

图1是典型光耦的内部结构图；

图2HCPL-2530噪声测试仪适配器电路图

图3（a）样本噪声电压功率谱密度图典型测试结果

图3（b）样本时间序列图典型测试结果

图4（a）150℃-I类器件CTR散点图

图4（b）150℃-II类器件CTR散点图

图4（c）150℃-III类器件CTR散点图

图5是本发明方法流程图。

图中符号、代号说明如下：

CTR（Current Transfer Ratio）为光耦的电流传输比，其值等于输出电流与输入电流的比值；Vcc：供电电压；GND：接地；Vf1：通道1的供电电压；Vf2：通道2的供电电压；Vo1：通道1的输出电压；Vo2：通道2的输出电压；Ω：电阻阻值单位；μF：电容容值单位；1/f噪声：功率谱密度与频率成反比的噪声；g-r噪声：半导体材料的杂质中心对载流子的随机的发射和俘获，引起导带电子或价带空穴的随机变化而产生的噪声。

具体实施方式

本发明以典型光耦为例，以低频噪声为样本分类判据，提出了一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其发明流程图如图5所示。首先，根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器；然后，通过适配器将光耦正常工作时的输出信号引入到噪声测试仪中，并通过pc端得计算得到光耦噪声的各项参数；对光耦的噪声进行分析、计算，挑出其中有显著爆裂噪声或显著g-r噪声的样本归入III类，其他的根据其1/f噪声分为I类、II类、III类；选择合理的应力水平对三类样本进行加速寿命试验，在不改变样本失效模式的基础上尽可能的加快其退化速率。

本发明的将样本分类的意义在于，各类中的样本寿命水平相近，预测得到的寿命值更精确。预测样本寿命，首先选择合理的函数拟合CTR的退化趋势，用各种函数拟合CTR值，选取R-Square最大的函数模型来；通过函数模型外推得到样本在高温贮存下的伪寿命，最终通过计算加速因子，确定光耦的寿命水平。

下面结合附图和实际寿命预测过程对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明为一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，该方法具体步骤如下（如图5）：

步骤一：根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器。本发明中选用的光耦HCPL-2530结构如图1所示。本发明采用的噪声测试仪内置15.6V电源，四档电流表，四档电压表以及一个高精度的输入接口。根据噪声测试仪的原理和技术手册相关参数设计光耦的低频噪声适配器。通过适配器将光耦的输出端连接到测试仪的输入端，光耦的供电端接电压表，光耦的输入端接电流表。图2所示为适配器的电路图。

步骤三：对低频噪声进行分析、计算，样本分类。噪声电压功率谱波形出现脉冲波形及不规则噪声幅度变化为爆裂噪声。10Hz与1Hz处噪声Sv比值r表征g-r噪声。爆裂噪声和g-r噪声显著的样本分入III类。本发明中的样本没有出现显著的爆裂噪声和g-r噪声，图3（a）、图3(b)为本发明中的噪声典型测量结果。余下的样本根据其1/f噪声的分布情况，选定合理的III类淘汰率。最终将样本分为I类、II类、III类。

表1α在三个不同取值下样本的分类情况

I类：#7，#14，#15，#17，#20，#21，#22，#23，#25；

III类：#1，#8，#11，#12，#18，#19，#29。

步骤四：确定加速寿命试验的温度并将样本分类进行加速寿命试验。依据光耦的数据手册，找到该型光耦的正常贮存温度范围。在不破坏光耦正常贮存退化机理的前提下，为了能够加速光耦的退化过程，缩短试验时间，希望选取尽可能高但又不会破坏其正常贮存失效机理的应力水平。参考数据手册上的正常贮存温度范围，结合该类光耦加速贮存经验，选取合适的温度作为应力，并把光耦样本均分在各温度。把光耦放入相应的温箱中，每隔一周测量一次各样本的CTR值。如表2所示为本发明中，光耦的加速寿命试验方案。

表2加速寿命试验方案

步骤五：对CTR数据进行拟合，确定退化趋势的函数。如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示为150℃下各类器件的CTR散点图根据数据退化轨迹呈现出的这一变化规律，结合数学经验模型，分别选择指数函数模型、线性模型、幂函数模型以及对数函数模型，利用数据分析软件Origin9.0对样本退化数据进行最小二乘法数据拟合。通过比较R-Square来决定最终采用哪个函数来拟合退化轨迹，本发明中采用的是指数函数，如表3所示为个函数的拟合效果相关系数比较。

表3各函数的拟合效果相关系数比较

选择

作为电流传输比退化模型，其中t代表试验时间，y代表电流传输比，y0为电流传输比的初始值，b和a为模型退化参数。采用Origin9.0进行数据分析，获得m、b和a的拟合结果，同时根据失效判据建立公式y(ξ)=1/2y₀，计算得到各类样本的伪寿命ξ，结果汇总如表4所示。

表4各类样本电流传输比退化轨迹拟合及伪寿命

步骤六：通过高温贮存下的结果，外推常温下光耦的贮存寿命。参照参数退化模型与温度关系的推导方法，建立光耦正常应力下的退化模型，评价常温下光耦的贮存寿命。由光耦电流传输比退化模型函数两边取对数，得：

\ln [y_{0} - t_{T_{i}} (t)] = \ln (- b_{i}) + \frac{- 1}{a_{t}} t

令

M_{T_{i}} = \ln [y_{0} - y_{T_{i}} (t)] = \ln (- b_{i}) + \frac{- 1}{a_{i}} t,

两边对时间t求导，则：

\frac{{&PartialD; M}_{T_{i}}}{&PartialD; t} = \frac{&PartialD; \ln [y_{0} - y_{T_{i}} (t)]}{&PartialD; t} = \frac{- 1}{a_{i}}

将式(40)两边取对数，与式(34)联立方程组如下：

\ln (\frac{{&PartialD; M}_{T_{i}}}{&PartialD; t}) = \ln (\frac{- 1}{a_{i}}) = p + \frac{q}{T_{i}} - - - (41)

对于各类样本数据，以I类为例，选取两组温度应力时的

与对应的开式温度T_i值联立方程组，求解即可获得加速模型参数：

p_I=2.68，q_I=-2203.43

由式（42），可获得I类样本的Arrhenius模型参数：

A = e^{p_{I}} = 14.59, - \frac{E}{K} = q_{I} = - 2203.43

结合加速因子表达式[54]，可得：

同法可得II、III类样本正常贮存应力下平均贮存寿命各类别子样本的在25℃贮存环境下的贮存寿命分别为：

Claims

1.一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器：选用光耦HCPL-2530结构，采用的噪声测试仪内置15.6V电源，四档电流表，四档电压表以及一个高精度的输入接口，通过适配器将光耦的输出端连接到测试仪的输入端，光耦的供电端接电压表，光耦的输入端接电流表；

步骤二：测量光耦初始的低频噪声：在光耦正常工作的条件下，对其输出电流和输出电流进行计算得到其噪声；查技术手册得知光耦的典型工作条件：输入偏置电流If以及输出端偏置电压VCC；将光耦固定在适配器上以后，调节适配器上的滑动变阻器，使得噪声测试仪上的电压表示数为VCC，电流表示数为If，调节完成后，通过pc端软件测量该光耦该通道的噪声；

步骤三：根据低频噪声对样本进行分类：分类方法如下：噪声电压功率谱波形出现脉冲波形及不规则噪声幅度变化为爆裂噪声；10Hz与1Hz处噪声Sv比值r表征g-r噪声；爆裂噪声和g-r噪声显著的样本分入III类；余下的样本根据其1/f噪声的分布情况，选定合理的III类淘汰率，最终将样本分为I类、II类、III类；

步骤四：确定加速寿命试验的温度并将样本分类进行加速寿命试验：确定试验温度方法如下：依据光耦的数据手册，找到该型光耦的正常贮存温度范围；参考数据手册上的正常贮存温度范围，结合该类光耦加速贮存经验，选取预定的温度作为应力，并把光耦样本均分在各温度；把光耦放入相应的温箱中，每隔一周测量一次各样本的CTR值；

步骤五：确定退化趋势的函数；确定函数的方法如下：在150℃下各类器件的CTR散点图根据数据退化轨迹呈现出的这一变化规律，分别选择指数函数模型、线性模型、幂函数模型以及对数函数模型，利用数据分析软件Origin9.0对样本退化数据进行最小二乘法数据拟合，通过比较R-Square来决定最终采用哪个函数来拟合退化轨迹；在此我们采用指数函数来拟合退化轨迹；

步骤六：通过高温贮存下的结果，外推常温下光耦的贮存寿命；参照参数退化模型与温度关系的推导方法，建立光耦正常应力下的退化模型，评价常温下光耦的贮存寿命；由光耦电流传输比退化模型函数

两边取对数，得：

\ln [y_{0} - t_{T_{i}} (t)] = \ln (- b_{i}) + \frac{- 1}{a_{t}} t

令

M_{T_{i}} = \ln [y_{0} - y_{T_{i}} (t)] = \ln (- b_{i}) + \frac{- 1}{a_{i}} t,

两边对时间t求导，则：

\frac{{&PartialD; M}_{T_{i}}}{&PartialD; t} = \frac{&PartialD; \ln [y_{0} - y_{T_{i}} (t)]}{&PartialD; t} = \frac{- 1}{a_{i}}

将式(40)两边取对数，与式(34)联立方程组如下：

\ln (\frac{{&PartialD; M}_{T_{i}}}{&PartialD; t}) = \ln (\frac{- 1}{a_{i}}) = p + \frac{q}{T_{i}} - - - (41)

对于各类样本数据，以I类为例，选取两组温度应力时的与对应的开式温度T_i值联立方程组，求解即能获得加速模型参数：

p_I=2.68，q_I=-2203.43

由式（42），获得I类样本的Arrhenius模型参数：

A = e^{p_{I}} = 14.59, - \frac{E}{K} = q_{I} = - 2203.43

结合加速因子表达式[54]，得：

将正常贮存温度应力T0=298K、加速温度应力T2=423K及qI值代入，即能外推得I类光耦样本在正常贮存应力T0下的寿命：

同法能得II、III类样本正常贮存应力下平均贮存寿命

各类别子样本的在25℃贮存环境下的贮存寿命分别为：

2.根据权利要求1所述的一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其特征在于：在步骤一中所述的“根据光耦的内部结构搭建低频噪声适配器”，其搭建过程如下：从HCPL2530的技术手册中得到该光耦的典型应用电路，按照典型应用电路制作电路板，电路板中光耦的位置焊接一个插座，光耦的输入端，输出端，供电端做成外接的插头，外接的插头与噪声测试仪的插座一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其特征在于：在步骤二中所述的“测量光耦初始的低频噪声”，其测量方法如下：本方法中采用现有的噪声测试仪，该测试仪有配套PC端软件；通过步骤一中的适配器连接光耦与测试仪，将所要测量的光耦放入适配器的插座中，调节测试仪电压表示数为5V，电流表示数为16mA，然后运行PC端的“频谱测量”与“时间序列测量”，噪声测试仪开始采集数据，并传到PC端，PC端能自动计算生成所需的低频噪声。

4.根据权利要求1所述的一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其特征在于：在步骤四中所述的“确定加速寿命试验的温度并将样本分类进行加速寿命试验”，其加速寿命试验是指，如将样本#1～#8、#14、#15放到125℃的恒温温箱中，将样本#9～#13、#16、#19、#20、#25放到150℃的恒温温箱中，将样本#18、#21～#24、#26～#30放到175℃的恒温温箱中；所有的器件均贮存40周，每周一取出，测量其CTR与低频噪声，测量完成后，当天放回温箱中。

5.根据权利要求1所述的一种基于低频噪声分类的光耦贮存寿命评价方法，其特征在于：在步骤四中所述的“每隔一周测量一次各样本的CTR值”，用通用的分立器件测试仪，测得光耦在正常工作条件下的输出电路与输入电流，光耦的CTR=输出电流／输入电流×100%。