CN108388694B - 一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，它有以下七个步骤：一、确定敏感参数；二、明确物理加速模型；三、确定保持失效机理不变的温度应力；四、开展加速寿命试验；五、试验数据预处理；六、估计物理模型中参数值；七、计算贮存应力下，塑封光耦的寿命。本发明构思新颖，程序简约，可计算贮存状态下塑封光耦的寿命，反应失效机理，可节约成本，解决传统寿命预测不能保证失效机理一致的问题，它在元器件贮存寿命评价领域有广阔的应用前景。

Description

一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法

(一)技术领域

本发明提供一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，属于贮存寿命预测技术领域。

(二)背景技术

塑封光电耦合器(简称塑封光耦)，它包含了光发射器和光探测器单元，以光为媒介通过“电-光-电”转换传递信号，输入端采用红外发光二极管，输出端通常采用三极管。塑封光耦的隔离电压高、单向传输、抗电磁干扰能力强等特点，广泛应用于武器装备中，塑封光耦的寿命直接影响着武器装备可靠性。塑封光耦器件安装在电路板上后，并不会立即投入使用，尤其是战略性的武器装备，更多的时间是放在库房贮存。贮存寿命占寿命周期的重要部分，贮存环境中热应力作用在光耦器件上，短时间内可能引起的变化小，但随着贮存年限的增长，会造成器件的性能参数发生退化，一旦超过允许值，塑封光耦的功能就会发生失效。因此，对于需要长期贮存的塑封光耦，研究其贮存寿命评价方法是十分必要的。

贮存环境中的高温、水汽、盐雾、辐射等都会对元器件的性能造成影响，随着贮存年限的增长，器件内部的结构、材料都会发生变化，待元器件投入使用时，已不能实现原有的功能特性。因此，元器件的贮存寿命是一项非常重要的指标。目前元器件的贮存寿命可以通过两种方法获得，第一种是现场贮存试验，由于元器件可靠性高，贮存年限长，很难在短时间内获得失效数据。第二种是开展加速寿命试验，通过加大试验应力，加快失效的速率，以高应力下的失效数据来预测正常应力下寿命。加速寿命试验持续时间短，经济成本低，是获取元器件贮存寿命常用的方法。而目前对于塑封光耦的贮存寿命的研究并不多，相关的现场贮存试验数据很少，如何对塑封光耦进行寿命预测是一个难题。

塑封光耦的功能是由其性能参数表征的，通过敏感参数失效时间可以对寿命进行预测，在选择敏感参数时应该考虑以下几个方面：第一个是敏感参数应该在器件性能参数中，并且容易测量。第二个敏感参数需要有明显退化趋势，能反映器件贮存状态，而且试验中，敏感参数退化量超过某个值时器件失效。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是为解决上述问题，提供一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，它是基于加速物理模型预测的一种方法，可以解决传统寿命预测失效机理一致性无法保证的问题，与传统试验方法相比，采用本发明的寿命预测方法，保持试验中失效机理一致，可缩短试验时间，解约试验成本。

2、技术方案：

本发明一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，它包括以下几个步骤：

步骤一、确定敏感参数；为了确定塑封光耦的敏感参数，首先开展步进应力预试验；选取塑封光耦试验样品，在开展试验前，测量性能参数的初始值，之后放入高温试验箱进行高温存储；设定初始温度，每隔一段时间取出来再测试一次电性能参数，如果器件没有失效，温度升高15℃，继续进行试验，直到器件失效为止，从而确定敏感参数；

步骤二、明确物理加速模型，由于单个三极管的寿命服从对数正态分布，由多个三级管组成的塑封光耦寿命服从威布尔分布，物理加速模型为lnη＝α+β/T；

步骤三、确定保持失效机理不变的温度应力，加速应力不可以过小，应力过小加速周期长，费用成本高，也不宜过大，应力过大会激发出器件潜在失效机理，改变器件失效的原因，由此得到的失效数据也不能用于计算器件的贮存寿命，所以找到保持器件失效机理不变的温度应力是开展加速寿命试验必不可少的环节；

塑封光耦寿命服从威布尔分布，特征寿命η可以表示为：

由于失效时间与退化率为逆关系，则器件的退化速率与加速应力的关系可以表示为：

式中：其中dM为敏感参数的退化量；

对式(2)两边求对数：

其中为步进应力下，等时间间隔测得敏感参数变化值：

其中i＝2，3，4…，N，根据式(3)画出的关系图，根据式(3)可知失效机理一致时与成线性关系，失效机理改变时与连线发生转折，因此根据敏感参数的退化速率与温度的负倒数是否成线性关系判断失效机理改变的转折点；

步骤四、开展加速寿命试验，选取塑封光耦器件，测量敏感参数的初始值，以确定试验样品中无失效器件；根据步骤三，确定失效机理不发生改变的温度应力值，在此应力下开展加速寿命试验；

步骤五、试验数据预处理，多次测量的样本误差具有同方差性，且服从正态分布，可以用统计的方式剔除测量过程中出现的异常数据；区间估计是参数估计的一种，从总体中抽取样本，根据一定的正确度与精确度的要求，构造出适当的区间，以作为总体的分布参数(或参数的函数)的真值所在范围的估计；

记y_i为第i个样本的测量值，假设x_i为第i个样本的真值，e_i为测量过程中引入的随机误差，对同一组样本重复测量，测量数据服从正态分布，假设y_i服从于均值为μ，方差为σ²的正态分布，记为y_i～N(μ，σ²)，样本的采样值为{y₁，y₂，…，y_n}；

y_i＝x_i+e_i (5)

样本的均值为：

式中：为样本的均值；

样本的方差:

式中：s²为样本的方差；

根据期望与方差的点估计理论，是μ的最小方差无偏估计，S²是σ²的无偏估计，构造t统计量：

式中：是μ的最小方差无偏估计，S²是σ²的无偏估计；

选取作为枢轴变量，对于给定的α(0＜α＜1)，由t分布的分位定义有：

式中：α为置信度；

因而μ的置信水平为1-α的置信区间为 数据落在该区间之外的概率很小，属于小概率事件，在正常的测量过程中不会发生，因此取为临界值，如果则可判定y_i为异常数据；

步骤六、估计物理模型中参数值，基于极大似然法估计威布尔分布中的参数，利用样本中所包含的信息来推断总体中的未知参数值，但是它要求样本量不能低于5个，而且样本数据越多，估计得到的模型参数越准确；采用的是完全样本量，对n个样本进行加速寿命试验，得到样本失效时间{t_i}，根观测的顺序统计量为t₁≤t₂≤…≤t_n，其似然函数可以写为：

式中：L(m，η)为似然函数；

为了求得m，η得最佳估计值，对参数m，η求偏导数得到似然方程：

式中：为似然函数对m求偏导数，为似然函数对η求偏导数；

可由式(11)计算得到形状参数m，特征寿命η的估计值以此来计算塑封光耦的贮存寿命；

步骤七、计算贮存应力下，塑封光耦的寿命，采用最小二乘法拟合，拟合计算物理加速模型，拟合决定系数越接近1，说明拟合程度越好，根据GB2689《寿命试验和加速寿命试验方法》加速寿命试验中失效机理不发生改变时，形状参数m值可以用计算；最后计算贮存环境应力下的贮存寿命。

通过以上步骤，可以预测贮存环境下塑封光耦的寿命，它是基于加速物理模型预测的一种方法，达到了缩短试验时间，解约试验成本的效果，可以解决传统寿命预测失效机理一致性无法保证的问题。

其中，在步骤一中所述的“敏感参数”，是指能表征塑封寿命特征的参数，有明显退化趋势，容易测量，并且能反应器件贮存状态；

其中，在步骤二中所述的“物理加速模型”，是指从物理化学方面描述器件的寿命与应力之间的关系；

3、本发明的优点是：它解决了传统寿命预测失效机理一致性无法保证的问题，与传统寿命试验相比，采用本发明的寿命预测方法，可以缩短试验时间，节约试验成本。

(四)附图说明

图1是本发明所述预测方法流程图。

图2是实施例1暗电流退化曲线。

图3是实施例1反向电流退化曲线。

图4是实施例1输出电压退化曲线。

图5是实施例1直线拟合。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例1对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，该方法具体实施流程如图1所示，通过如下步骤实现：

步骤一：确定敏感参数；

选取型号为TLP250塑封光耦样品两只，编号预试验1#，预试验2#。在开展试验前，测量TLP20性能参数(I_CEO、V_OH、I_R)的初始值，之后将两只器件放入高温试验箱进行高温存储。步进的初始温度设为125℃，每隔48小时取出来在测试基台上测一次电性能参数(I_CEO、V_OH、I_R)，如果器件没有失效，温度升高15℃，继续进行试验，直到器件失效为止。

从图2～4中可以看出，暗电流I_CEO的值波动变化，但试验前后基本变化不大，反向电流I_R和输出电压V_OH都发生了明显退化。根据数据手册，反向电流阈值为10μA，预试验中，出现最大退化量为210nA，还没超过阈值范围。输出电压失效阈值为11V，当温度升高到200℃时，输出电压已经小于阈值，当温度升高到215℃，器件完全失效，所以将输出电压V_OH作为加速寿命试验的敏感参数。

步骤二、明确物理加速模型；

本发明中，由于单个三极管的寿命服从对数正态分布，由多个三级管组成的塑封光耦寿命服从威布尔分布。

步骤三、确定保持失效机理不变的温度应力；

本发明中塑封光耦寿命服从威布尔分布，特征寿命η可以表示为：

由于失效时间与退化率为逆关系，则器件的退化速率与加速应力的关系可以表示为：

其中dM为敏感参数V_OH的退化量，对式(2)两边求对数：

其中为步进应力下，等时间间隔测得输出电压V_OH变化值：

其中i＝2，3，4…，N，为了判定失效机理发生改变的转折点，画出的关系图如图5所示，根据式(3)可知失效机理一致时与成线性关系，因此根据输出电压的退化速率与温度的负倒数是否成线性关系判断失效机理改变的转折点，从图5可知，温度为125℃～200℃时，两只器件的成线性关系，温度215℃时，失效机理发生改变，因此塑封光耦进行加速寿命试验的温度应力应该≤200℃。

步骤四、开展加速寿命试验，选取40只TLP250塑封光耦平均分成4组，测量每只器件输出电压V_OH的初始值，以确定试验样品中无失效器件。在200℃以内，失效机理不发生改变，确定加速寿命试验的四个温度梯度为125℃，150℃，175℃，200℃，直到所有器件失效为止，试验一共持续88天。

表1器件进行加速寿命试验的失效时间

温度应力	t<sub>1(h)</sub>	t<sub>2(h)</sub>	t<sub>3(h)</sub>	t<sub>4(h)</sub>	t<sub>5(h)</sub>	t<sub>6(h)</sub>	t<sub>7(h)</sub>	t<sub>8(h)</sub>	t<sub>9(h)</sub>	t<sub>10(h)</sub>
											T1(125℃)	1932	2100	1926	1950	1926	1884	1956	1938	1944	1938
T2(150℃)	1398	1392	1380	1392	1410	1398	1386	1404	1392	1410
											T3(175℃)	1080	1080	1098	1086	1098	1080	1086	1098	1086	1080
T4(200℃)	840	882	852	812	858	864	894	882	894	840

步骤五、试验数据预处理，多次测量的样本误差具有同方差性，且服从正态分布，可以用统计的方式剔除测量过程中出现的异常数据。区间估计是参数估计的一种，从总体中抽取样本，根据一定的正确度与精确度的要求，构造出适当的区间，以作为总体的分布参数(或参数的函数)的真值所在范围的估计，本发明采用区间估计来对加速寿命试验中的数据进行预处理。

记y_i为第i个样本的测量值，假设x_i为第i个样本的真值，e_i为测量过程中引入的随机误差，对同一组样本重复测量，测量数据服从正态分布，假设y_i服从于均值为μ，方差为σ²的正态分布，记为y_i～N(μ，σ²)，样本的采样值为{y₁，y₂，…，y_n}。

y_i＝x_i+e_i (5)

样本的均值为：

样本的方差:

根据期望与方差的点估计理论，是μ的最小方差无偏估计，S²是σ²的无偏估计，构造t统计量：

选取作为枢轴变量，对于给定的α(0＜α＜1)，由t分布的分位定义有：

因而μ的置信水平为1-α的置信区间为 数据落在该区间之外的概率很小，属于小概率事件，在正常的测量过程中不会发生，因此取为临界值，如果则可判定y_i为异常数据。

置信区间越短表示估计的精度越高，置信区间越宽表示估计的精度越低，在样本容量一定的前提下，提高置信水平，也势必会导致置信区间变宽。本发明中取显著水平α＝0.2，查表计算塑封光耦失效数据的置信区间。

表2是同温度应力下的置信区间

将4组应力下塑封光耦的失效数据与表2计算得到的置信区间做比较，第一组中3#的失效时间为1926，不在置信区间[1934.2,1962.2]内，第四组32#的失效时间为822，不在置信区间[839.8,866.6]内，进行寿命预测时应该剔除掉这两个样本数据值。

步骤六、估计物理模型中参数值；

极大似然估计利用样本中所包含的信息来推断总体中的未知参数值，但是它要求样本量不能低于5个，而且样本数据越多,估计得到的模型参数越准确。

采用的是完全样本量，对n个样本进行加速寿命试验，得到样本失效时间{t_i}，观测的顺序统计量为t₁≤t₂≤…≤t_n，其似然函数可以写为：

为了求得m，η得最佳估计值，对参数m，η求偏导数得到似然方程：

可由式(11)计算得到形状参数m，特征寿命η的估计值以此来计算塑封光耦的贮存寿命，分别计算125℃、150℃、175℃和200℃下的的估计值。

表3是不同温度应力下的和

步骤七、计算贮存应力下，塑封光耦的寿命，采用最小二乘法拟合，拟合计算物理加速模型，拟合决定系数R²＝0.9825，得到物理加速模型：

计算贮存温度为25℃，T＝298K时塑封光耦的贮存寿命，根据式(12)计算得到特征寿命根据GB2689《寿命试验和加速寿命试验方法》加速寿命试验中失效机理不发生改变时，形状参数m值可以用计算。根据表3中的数据，计算得到查表

因此，通过塑封光耦寿命模型计算得到的25℃下贮存寿命为：

塑封光耦长期处于贮存状态，贮存环境中的热应力作用在器件上，短时间内可能引起的变化小，但随着贮存年限的增长，经过长期积累芯片缓慢发生形变，也会发生性能参数退化甚至失效，当贮存环境为25℃时，通过加速模型预测塑封光耦的贮存寿命为23.67年。

Claims (3)

1.一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，具体的方法步骤如下：

步骤一、确定敏感参数，为了确定塑封光耦的敏感参数，首先开展步进应力预试验；选取塑封光耦试验样品，在开展试验前，测量性能参数的初始值，之后放入高温试验箱进行高温存储；设定初始温度，每隔一段时间取出来再测试一次电性能参数，如果器件没有失效，温度升高15℃，继续进行试验，直到器件失效为止，从而确定敏感参数；

步骤二、明确物理加速模型，由于单个三极管的寿命服从对数正态分布，由多个三级管组成的塑封光耦寿命服从威布尔分布，物理加速模型为lnη＝α+β/T；

步骤三、确定保持失效机理不变的温度应力，加速应力不可以过小，应力过小加速周期长，费用成本高，也不宜过大，应力过大会激发出器件潜在失效机理，改变器件失效的原因，由此得到的失效数据也不能用于计算器件的贮存寿命，所以找到保持器件失效机理不变的温度应力是开展加速寿命试验必不可少的环节；

塑封光耦寿命服从威布尔分布，特征寿命η表示为：

由于失效时间与退化率为逆关系，则器件的退化速率与加速应力的关系表示为：

式中：其中dM为敏感参数的退化量；

对式(2)两边求对数：

其中为步进应力下，等时间间隔测得敏感参数变化值：

其中i＝2，3，4…，N，根据式(3)画出的关系图，根据式(3)能知失效机理一致时与成线性关系，失效机理改变时与连线发生转折，因此根据敏感参数的退化速率与温度的负倒数是否成线性关系判断失效机理改变的转折点；

步骤四：开展加速寿命试验，选取塑封光耦器件，测量敏感参数的初始值，以确定试验样品中无失效器件；根据步骤三，确定失效机理不发生改变的温度应力值，在此应力下开展加速寿命试验；

步骤五：试验数据预处理，多次测量的样本误差具有同方差性，且服从正态分布，用统计的方式剔除测量过程中出现的异常数据；区间估计是参数估计的一种，从总体中抽取样本，根据一定的正确度与精确度的要求，构造出一区间，以作为总体的分布参数及参数的函数的真值所在范围的估计；

记y_i为第i个样本的测量值，假设x_i为第i个样本的真值，e_i为测量过程中引入的随机误差，对同一组样本重复测量，测量数据服从正态分布，假设y_i服从于均值为μ，方差为σ²的正态分布，记为y_i～N(μ，σ²)，样本的采样值为{y₁，y₂，…，y_n}；

y_i＝x_i+e_i (5)

样本的均值为：

式中：为样本的均值；

样本的方差:

式中：s²为样本的方差；

根据期望与方差的点估计理论，构造t统计量：

式中：是μ的最小方差无偏估计，S²是σ²的无偏估计；

选取作为枢轴变量，对于给定的α(0＜α＜1)，由t分布的分位定义有：

式中：α为置信度；

因而μ的置信水平为1-α的置信区间为 数据落在该区间之外的概率很小，属于小概率事件，在正常的测量过程中不会发生，因此取为临界值，如果则能判定y_i为异常数据；

步骤六、估计物理模型中参数值，基于极大似然法估计威布尔分布中的参数，利用样本中所包含的信息来推断总体中的未知参数值，但是它要求样本量不能低于5个，而且样本数据越多，估计得到的模型参数越准确；采用的是完全样本量，对n个样本进行加速寿命试验，得到样本失效时间{t_i}，根观测的顺序统计量为t₁≤t₂≤…≤t_n，其似然函数写为：

式中：L(m，η)为似然函数；

为了求得m，η得最佳估计值，对参数m，η求偏导数得到似然方程：

式中：为似然函数对m求偏导数，为似然函数对η求偏导数；

由式(11)计算得到形状参数m，特征寿命η的估计值 以此来计算塑封光耦的贮存寿命；

步骤七、计算贮存应力下，塑封光耦的寿命，采用最小二乘法拟合，拟合计算物理加速模型，拟合决定系数越接近1，说明拟合程度越好，根据GB2689《寿命试验和加速寿命试验方法》加速寿命试验中失效机理不发生改变时，形状参数m值用计算，最后计算贮存环境应力下的贮存寿命；

通过以上步骤，能预测贮存环境下塑封光耦的寿命，它是基于加速物理模型预测的一种方法，达到了缩短试验时间，解约试验成本的效果，能解决传统寿命预测失效机理一致性无法保证的问题。

2.根据权利要求1所述的一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“敏感参数”，是指能表征塑封寿命特征的参数，有明显退化趋势，容易测量，并且能反应器件贮存状态。

3.根据权利要求1所述的一种塑封光电耦合器贮存寿命预测方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“物理加速模型”，是指从物理化学方面描述器件的寿命与应力之间的关系。