CN108680802A - 一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法 - Google Patents

一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，步骤如下：一：测量所有高速光耦器件的传输延迟时间，完成器件初筛；二：将器件样品按不同贮存温度分为四组；三：开展高温贮存试验，间隔一周对样品测试，记录传输延迟时间及失效情况；四：高温贮存试验结束，根据传输延迟时间的退化轨迹对试验数据进行预处理；五：计算各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命；六：将各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命换算至25℃贮存的器件伪寿命；七：计算全体样品的平均伪寿命，可得总批次器件的伪寿命，用于评价该批次器件的贮存可靠性。通过以上步骤，可以利用传输延迟时间评价高速光耦的贮存可靠性；对传输延迟时间进行测试，可得到高速光耦的高温贮存退化模型与各样品、总批次伪寿命情况。

Description

一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法
(一)技术领域：
本发明涉及一种电子元器件的贮存可靠性评价方法，尤其涉及一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，属于电子元器件可靠性评价领域。
(二)背景技术
光电耦合器，简称光耦，是将发光元件、光接收元件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件，从而实现以“光”为媒介的电信号传输。其具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰性强等多种优点，可以用于隔离电路、开关电路、数模转换、长线传输、过流保护、高压控制、电平匹配、线性放大等众多场合。随着我国目前航空航天及武器装备的发展，对光耦的需求量越来越大，对参数指标的要求也越来越高，因此对光耦的可靠性方面的相关要求也越来越高。
高速光耦是一种特殊光耦，“高速”二字是形容光耦的信号传输速度，和通用光耦在结构上有着很大差异。电流传输比CTR(Current Transfer Ratio)在使用中出现退化,是光电耦合器常见的和主要的失效模式之一，因此可靠性工程中一般用CTR作为光电耦合器的可靠性表征参量。但CTR作为光耦的一项宏观电参数，若将其应用于贮存寿命的评价，这种方法没有涉及到器件内部缺陷的微观变化。
相比一般光耦，高速光耦最主要的特性参数是传输延迟时间，而并非电流传输比CTR，这与高速光耦的结构有密切关系。一般的非高速光耦与高速光耦的主要区别在于光接收部分和信号处理部分。一般光耦的光接收部分多采用光敏管，信号处理部分为三极管。高速光耦的CTR不太重要，这是因为高速光耦的光接收部分是集成高增益光检测器，对于信号有一个增益效果，这会导致最后输出的电流与实际CTR的理论值算法有较大偏差，因此测试结果意义不大。另外，高速光耦的输出是逻辑输出，CTR的一定退化不会影响到高速光耦的逻辑输出。因此，将传输延迟时间作为评价高速光耦性能的重要参数。
高速光耦在非工作条件下，温度应力对其贮存失效是主导因素。在较高的温度应力水平下，物理化学反应速率都会得到加速，常出现以下现象：杂质扩散、离子迁移，内部引线间生成化合物、材料中发生分子变化、蠕变及结晶变化导致结构重新排列等，这会使得加速高速光耦内晶体管加速退化。高速光耦产生的失效大部分情况下的确是单一应力条件主导，对其贮存可靠性而言，温度应力是主导性的应力，参数退化也更为常见。因此，研究在温度应力下，高速光耦的时间延迟参数的退化可评价其贮存可靠性。
目前电子技术的发展，光耦别类及其应用越来越多，其中高速光耦的相关评价技术较为缺失，亟须评价高速光耦的贮存可靠性的方法，对高速光耦的可靠性评价及寿命预测等相关问题进行完善。
(三)发明内容：
1.目的：
本发明的目的是为了提供一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性的评价方法，解决传统光耦的可靠性评价参数不能借鉴到高速光耦中的问题，对高速光耦的可靠性评价及寿命预测等相关问题进行完善。
2.技术方案：
本发明通过施加温度应力的贮存试验，使高速光耦加速退化，针对高速光耦的时间延迟参数进行检测、分析，计算各样品、总批次伪寿命，从而评价其贮存可靠性的方法。
本发明提出一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，它包括以下步骤：
步骤一：测量所有高速光耦器件的传输延迟时间，完成器件初筛；由该型号高速光耦的产品手册中读取低电平输出传输延迟时间tPHL与高电平输出传输延迟时间tPLH的额定值与最大值，对所有器件进行传输延迟时间测试，记录tPHL与tPLH，令(tPHL-tPLH)＝tP，计算tP；若tPHL＞(tPHL)最大或tPLH＞(tPLH)最大或tP＞0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定]，则该器件已失效并剔除；
步骤二：将器件样品按不同贮存温度分为四组；由该型号高速光耦的产品手册中读取正常贮存温度范围TS1-TS2和最高贮存温度TSmax，选取4个温度值T1、T2、T3、T4(T2＝TS2、T4＝TSmax、T3＝0.5(T2+T4)、T1＝2T2-T3)；在已初筛的器件中取20只作为样本，分为4组，每组5只，分别对应四个温度值；
步骤三：开展高温贮存试验，间隔一周对样品测试，记录传输延迟时间及失效情况；将各组器件在对应温度下进行高温贮存试验，间隔一周对样品进行传输延迟时间测试，记录tPHL与tPLH，令(tPHL-tPLH)＝tP，计算tP；若tPHL＞(tPHL)最大或tPLH＞(tPLH)最大或tP＞0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定]，则该器件失效，将其余未失效器件放回试验箱继续试验；
步骤四：高温贮存试验结束，根据传输延迟时间的退化轨迹对试验数据进行预处理；重复步骤三，直到全部器件失效，或大部分器件出现明显退化(即tP数值增大)，停止高温贮存试验；初步分析全部传输延迟时间数据和失效情况，剔除直接失效没有退化轨迹的试验组数据；
步骤五：计算各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命；将试验数据以指数函数拟合y(传输延时时间，即tP)与x(试验时间)，即
y＝axb
计算a、b，拟合每个样品器件贮存试验的试验时间与传输延迟时间之间随着光耦功能退化的变化关系；计算x(y＝0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定])，可得出该样品器件在高温贮存试验中的预期寿命；
步骤六：将各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命换算至25℃贮存的器件伪寿命；根据Arrhenius模型，选取T1与T2组的试验数据，分别带入
注意，T是该组的K氏温度，a、b是步骤五计算出该组的a、b的均值，K是玻尔兹曼常数，联立两个等式，约去InA，得出活化能E；将E与每组试验数据分别带入
注意T1是该组的试验温度对应的K氏温度，T2是300K，K是玻尔兹曼常数，计算出Ac，称为加速因子；令M1＝x(y＝(0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定])，计算M2＝Ac*M1，可得出每个样品器件的伪寿命；
步骤七：计算全体样品的平均伪寿命，可得总批次器件的伪寿命，用于评价该批次器件的贮存可靠性；
其中，在步骤一中所述的“传输延迟时间测试”，是指在高速光耦的输入端加方波信号激励、输入输出端接上示波器，示波器波形如图2传输延迟波形图所示，从输入脉冲上升沿的50％到对应输出脉冲下降沿的响应所需时间为低电平输出传输延迟时间tPHL，从输入脉冲下降沿的50％到对应输出脉冲上升沿响应所需时间为高电平输出传输延迟时间tPLH。注意，方波信号激励需使用高精度信号源，保证其上升下降时间为不超过5ns。
其中，在步骤三中所述的“传输延迟时间测试”与步骤一所述的“传输延迟时间测试”一致。
其中，在步骤三中所述的“开展高温贮存试验”，是指按照步骤二的分组，将对应数量的样品器件分别放置在温度设置为T1、T2、T3、T4的高温试验箱中进行贮存，在完成规定的贮存时间后，取出试验样品冷却至室温。
通过以上步骤，利用传输延迟时间评价高速光耦的贮存可靠性；通过施加温度应力的贮存试验，加速高速光耦退化、失效，掌握两个传输延迟时间数据的变化特性，将双因变量变为单一因变量，减小数据处理的难度和计算误差；本发明提供对高速光耦的贮存可靠性的一种定量评价方法，得到了高速光耦的贮存退化模型与各样品、总批次伪寿命情况。
3.优点及功效：
本发明提供一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，该发明的优点是：
(1)解决传统通用光耦的可靠性评价参数不能借鉴到高速光耦中的问题，引入传输延迟时间参数；
(2)提供了对高速光耦的贮存可靠性的一种定量评价方法，得出各样品、总批次的伪寿命；
(3)处理传输延迟时间数据，掌握两个边沿数据的变化特性，将双因变量变为单一因变量，使得数据处理的难度和引入计算误差的概率均减小；
(4)得到高速光耦贮存退化模型，为高速光耦可靠性评价提供依据，完善高速光耦的寿命预测等问题。
(三)附图说明：
图1本发明所述方法流程图。
图2传输延迟波形图。
(四)具体实施方式：
本发明选择的高速光电耦合器为HCPL-2630型号光耦。HCPL-2630型号光耦为双通道的高共模抑制TTL兼容高速光耦，共计20个样品，并将样品编号为1～20#。结合具体的实际案例，对本发明所述的一种基于传输延时的高速光电耦合器贮存可靠性评价方法进行详细说明。
本发明一种基于传输延时的高速光电耦合器贮存可靠性评价方法，其流程图如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤一：测量所有高速光耦器件的传输延迟时间，完成器件初筛；由该型号高速光耦的产品手册中读取低电平输出传输延迟时间tPHL与高电平输出传输延迟时间tPLH的额定值与最大值，对所有器件进行传输延迟时间测试，记录tPHL与tPLH，令(tPHL-tPLH)＝tP，计算tP；若tPHL＞(tPHL)最大或tPLH＞(tPLH)最大或tP＞0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定]，则该器件已失效并剔除。由HCPL-2630型号光耦的产品手册得：(tPHL)额定＝45ns、(tPLH)额定＝45ns、(tPHL)最大＝75ns、(tPLH)最大＝75ns；得失效判据为：tPHL＞75ns或tPLH＞75ns或tP＞45ns。
步骤二：将器件样品按不同贮存温度分为四组；由该型号高速光耦的产品手册中读取正常贮存温度范围TS1-TS2和最高贮存温度TSmax，选取4个温度值T1、T2、T3、T4(T2＝TS2、T4＝TSmax、T3＝0.5(T2+T4)、T1＝2T2-T3)；在已初筛的器件中取20只作为样本，分为4组，每组5只，分别对应四个温度值。由HCPL-2630型号光耦的产品手册可得：正常贮存温度范围-55～125℃和最高贮存温度175℃，则T1＝100℃、T2＝125℃、T3＝150℃、T4＝175℃。
表1试验条件设置
步骤三：开展高温贮存试验，间隔一周对样品测试，记录传输延迟时间及失效情况；将各组器件在对应温度下进行高温贮存试验，间隔一周对样品进行传输延迟时间测试，记录tPHL与tPLH，令(tPHL-tPLH)＝tP，计算tP；若tPHL＞(tPHL)最大或tPLH＞(tPLH)最大或tP＞0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定]，则该器件失效，将其余未失效器件放回试验箱继续试验。每周对样品器件进行测试，每个器件两个通道，tP的计算结果参见下2。
表2变量tP的值
步骤四：高温贮存试验结束，根据传输延迟时间的退化轨迹对试验数据进行预处理；重复步骤三，直到全部器件失效，或大部分器件出现明显退化(即tP数值增大)，停止高温贮存试验；初步分析全部传输延迟时间数据和失效情况，剔除直接失效没有退化轨迹的试验组数据。试验结束于16周，试验各组均有不同程度的传输延迟时间tP数值变大现象，而16#A，16#B，17#A，17#B，19#B，20#B无退化现象直接失效则数据剔除。
步骤五：计算各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命；将试验数据以指数函数拟合y(传输延时时间，即tP)与x(试验时间)，即
y＝axb
计算a、b，拟合每个样品器件贮存试验的试验时间与传输延迟时间之间随着光耦功能退化的变化关系；计算x(y＝0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定])，可得出该样品器件在高温贮存试验中的预期寿命。剔除六组数据后，计算剩下34组数据，试验预计寿命计算结果见下表3。
表3试验预计寿命计算结果
步骤六：将各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命换算至25℃贮存的器件伪寿命；根据Arrhenius模型，选取T1与T2组的试验数据，分别带入
注意，T是该组的K氏温度，a、b是步骤五计算出该组的a、b的均值，K是玻尔兹曼常数，联立两个等式，约去InA，得出活化能E；将E与每组试验数据分别带入
注意T1是该组的试验温度对应的K氏温度，T2是300K，K是玻尔兹曼常数，计算出Ac，称为加速因子；令M1＝x(y＝(0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定])，计算M2＝Ac*M1，可得出每个样品器件的伪寿命。加速因子与实际寿命换算见表4。
表4加速因子与实际寿命换算
步骤七：计算全体样品的平均伪寿命，可得总批次器件的伪寿命，用于评价该批次器件的贮存可靠性。各不同温度组的平均伪寿命计算见表3，这批器件的平均伪寿命为221.7周。

Claims (3)

1.一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：测量所有高速光耦器件的传输延迟时间，完成器件初筛；由该型号高速光耦的产品手册中读取低电平输出传输延迟时间tPHL与高电平输出传输延迟时间tPLH的额定值与最大值，对所有器件进行传输延迟时间测试，记录tPHL与tPLH，令(tPHL-tPLH)＝tP，计算tP；若tPHL＞(tPHL)最大及tPLH＞(tPLH)最大及tP＞0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定]，则该器件已失效并剔除；
步骤二：将器件样品按不同贮存温度分为四组；由该型号高速光耦的产品手册中读取正常贮存温度范围TS1-TS2和最高贮存温度TSmax，选取4个温度值T1、T2、T3、T4(T2＝TS2、T4＝TSmax、T3＝0.5(T2+T4)、T1＝2T2-T3)；在已初筛的器件中取20只作为样本，分为4组，每组5只，分别对应四个温度值；
步骤三：开展高温贮存试验，间隔一周对样品测试，记录传输延迟时间及失效情况；将各组器件在对应温度下进行高温贮存试验，间隔一周对样品进行传输延迟时间测试，记录tPHL与tPLH，令(tPHL-tPLH)＝tP，计算tP；若tPHL＞(tPHL)最大及tPLH＞(tPLH)最大及tP＞0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定]，则该器件失效，将其余未失效器件放回试验箱继续试验；
步骤四：高温贮存试验结束，根据传输延迟时间的退化轨迹对试验数据进行预处理；重复步骤三，直到全部器件失效，及大部分器件出现明显退化即tP数值增大，停止高温贮存试验；初步分析全部传输延迟时间数据和失效情况，剔除直接失效没有退化轨迹的试验组数据；
步骤五：计算各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命；将试验数据以指数函数拟合y即传输延时时间，即tP与x即试验时间，即
y＝axb
计算a、b，拟合每个样品器件贮存试验的试验时间与传输延迟时间之间随着光耦功能退化的变化关系；计算x(y＝0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定])，得出该样品器件在高温贮存试验中的预期寿命；
步骤六：将各样品器件在高温贮存试验中的预期寿命换算至25℃贮存的器件伪寿命；根据Arrhenius模型，选取T1与T2组的试验数据，分别带入
注意，T是该组的K氏温度，a、b是步骤五计算出该组的a、b的均值，K是玻尔兹曼常数，联立两个等式，约去InA，得出活化能E；将E与每组试验数据分别带入
注意T1是该组的试验温度对应的K氏温度，T2是300K，K是玻尔兹曼常数，计算出Ac，称为加速因子；令M1＝x(y＝(0.5[(tPHL)额定+(tPLH)额定])，计算M2＝Ac*M1，得出每个样品器件的伪寿命；
步骤七：计算全体样品的平均伪寿命，能得总批次器件的伪寿命，用于评价该批次器件的贮存可靠性；
通过以上步骤，利用传输延迟时间评价高速光耦的贮存可靠性；通过施加温度应力的贮存试验，加速高速光耦退化、失效，掌握两个传输延迟时间数据的变化特性，将双因变量变为单一因变量，减小数据处理的难度和计算误差；本发明提供对高速光耦的贮存可靠性的一种定量评价方法，得到了高速光耦的贮存退化模型与各样品和总批次伪寿命情况。
2.根据权利要求1所述的一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“传输延迟时间测试”，是指在高速光耦的输入端加方波信号激励、输入输出端接上示波器；从输入脉冲上升沿的50％到对应输出脉冲下降沿的响应所需时间为低电平输出传输延迟时间tPHL，从输入脉冲下降沿的50％到对应输出脉冲上升沿响应所需时间为高电平输出传输延迟时间tPLH；注意，方波信号激励需使用高精度信号源，保证其上升下降时间为不超过5ns。
3.根据权利要求1所述的一种基于传输延迟的高速光耦贮存可靠性评价方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“开展高温贮存试验”，是指按照步骤二的分组，将对应数量的样品器件分别放置在温度设置为T1、T2、T3、T4的高温试验箱中进行贮存，在完成规定的贮存时间后，取出试验样品冷却至室温。
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