CN110568337A - 基于隐退化的金属封装功率mosfet贮存可靠性检测技术 - Google Patents

Abstract

基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其步骤如下：1.确定金属封装功率MOSFET温度循环加速贮存试验方案；2.建立金属封装功率MOSFET隐退化模型；3.估计金属封装功率MOSFET隐退化模型参数；4.评估温度循环加速贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存可靠性及贮存寿命；5.评估实际贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命。本发明为金属封装功率MOSFET提供一种贮存可靠性及贮存寿命的无损检测技术，可推广至其它气密封装产品的贮存可靠性检测，提高了气密封装产品的贮存可靠性检测水平。

Description

基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术

一、技术领域

本发明提供一种基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，属于可靠性工程技术领域。

二、背景技术

金属封装功率MOSFET是一种典型的气密封装器件，具有电阻低、驱动耗散功率小等特点，其高频特性更是满足了逆变器的需求，在电力电子装置中占据重要地位。功率MOSFET的老化失效会恶化电力电子装置的输出电能质量，甚至危害整个系统的安全运行。

功率MOSFET在贮存过程中的失效可分为封装结构失效和参数漂移失效。封装结构失效是指器件在制造过程中受外界环境(温度、湿度等)、制作原材料的影响造成器件内部结构的缺陷(如黏结层空洞、引线根部裂纹)，该缺陷在器件贮存或使用过程中逐渐恶化，导致功率MOSFET的电参数发生漂移(如阈值电压、导通电阻)，最终导致功率MOSFET 发生失效。

对于金属封装功率MOSFET器件，其内部结构退化参数(如黏结层塑性应变幅值、引线根部弯曲应力)难以直接测量，且每一次测量都会对器件造成破坏。虽然其内部结构退化参数的测量存在困难，但在其运行或试验过程中可以测量到与其内部结构参数相关的电性能数据，称这些与内部结构参数相关的电性能参数为协变量参数(如阈值电压、导通电阻)，而这些难以测量的内部结构参数称为隐退化参数。由于两种数据具有相关性，协变量参数中同样包含产品的可靠性信息，因此结合协变量参数可开展基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测。针对金属封装功率MOSFET特性，本发明研究并提供了金属封装功率MOSFET贮存可靠性及贮存寿命的无损检测技术，可推广至其它气密封装产品的贮存可靠性检测。

三、发明内容

(一)目的

本发明的目的是提供一种基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，它是针对金属封装功率MOSFET的特性以及现有贮存可靠性检测技术的不足，在开展温度循环加速贮存试验的基础上，从隐退化模型的建立、模型参数的估计、贮存可靠性的评估、贮存寿命的评估等方面进行研究，提供一种金属封装功率MOSFET贮存可靠性及贮存寿命的无损检测技术，可为其它气密封装产品的贮存可靠性检测提供解决方法。

(二)技术方案

本发明基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，以金属封装功率MOSFET的基本信息为前提，这些基本信息包括功率MOSFET型号信息、失效机理分析信息。

本发明基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其步骤如下：

步骤1，确定金属封装功率MOSFET温度循环加速贮存试验方案：按照国军标GJB548B-2005中对“温度循环试验”的要求，选取温度变化范围，设定高低温转换时间、高温保温时间、低温保温时间，并设置电性能参数检测时间点，建立温度循环应力剖面，确定并记录检测的电性能参数项。

步骤2，建立金属封装功率MOSFET隐退化模型：针对金属封装功率MOSFET器件，在试验过程中，无法对其内部结构退化参数进行测量，但可对其电性能参数进行测量，则可以将电性能参数作为协变量参数，再结合与隐退化参数的相关性，建立二元退化随机过程模型，并获得对数似然函数模型。

步骤3，估计金属封装功率MOSFET隐退化模型参数：根据步骤2得到的金属封装功率MOSFET隐退化模型，采用两步法估计模型参数。第一步，利用试验过程中检测的电性能参数数据，估计与协变量相关的模型参数；第二步，再根据隐退化模型及隐退化参数的失效阈值，估计与隐退化参数相关的模型参数，以及隐退化参数与协变量参数的相关系数。

步骤4，评估温度循环加速贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存可靠性及贮存寿命：根据步骤2建立的金属封装功率MOSFET隐退化模型及步骤3估计的模型参数，获得金属封装功率MOSFET的贮存可靠度函数，并进一步得到典型贮存可靠度下金属封装功率MOSFET的贮存可靠寿命。

步骤5，评估实际贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命：根据 Norris-Landzberg模型，获取温度循环加速因子，在设定的实际贮存条件下计算金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命。

其中，所述的“基本信息”，是指本发明所述的方法是在下列基本信息基础上进行的，该基本信息包括有：

(1)功率MOSFET型号信息：是描述功率MOSFET的基本参数，包括型号、封装形式、典型阈值电压、典型导通电阻、工作温度范围；

(2)失效机理分析信息：用于描述金属封装功率MOSFET内部结构失效机理，并分析其与电性能参数的相关性。

其中，在步骤1中所述的国军标GJB548B-2005是指“GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序”，电性能参数检测时间点设置可根据电性能参数变化情况进行调整。

其中，在步骤2中所述的二元退化随机过程模型：是指利用二元Wiener过程建立一个不可观测的内部结构退化参数和一个可观测的电性能参数的退化模型。具体情况如下：

记X(t)为功率MOSFET内部结构退化过程(隐退化参数)，Y(t)为功率MOSFET 电性能参数退化过程(协变量参数)。对任一功率MOSFET在其退化过程中的任一时刻t， {X(t),Y(t)}服从二维正态分布，即(X(t),Y(t))′～N(tμ,tΣ)。

其中，μ＝(μ_x,μ_y)，μ_x、σ_x为时刻t， x(t)的期望和标准差，μ_y、σ_y为时刻τ，y(t)的期望和标准差，ρ为相关系数。

由二元Wiener过程的性质，在给定X(t)＝x(t)的条件下Y(t)服从一维正态分布

Y(t)_X(t)＝x(t)～N(μ_y.x(t),σ_yy.xt)

其中，σ_xy＝ρσ_xσ_y。

记试验时间为t，则已知时刻t隐退化参数X(τ)＝x条件下协变量参数的条件概率密度记为

h(y|x)＝P{Y(t)＝y|X(t)＝x}

仅考虑隐退化参数X(t)时，X(t)是一元Wiener过程，则已知时刻t功率 MOSFET仍未失效的条件下隐退化参数X(t)的分布为

其中，ω为隐退化参数X(t)的失效阈值。

已知功率MOSFET在试验时间t内未失效，在这一条件下试验结束时刻协变量参数和隐退化参数的联合分布为

P{Y(t)＝y,X(t)＝x}＝P{Y(t)＝y|X(t)＝x}P{X(t)＝x}＝h(y|x)g(x)

则已知功率MOSFET未失效条件下试验结束时刻协变量参数Y(t)的分布为

其中Φ(·)是标准正态分布的分布函数，q₁(y)是Y(t)的概率密度函数，即是均值为μ_yt，方差为的正态分布概率密度函数，q₂(y)也是正态分布的概率密度函数，其均值为方差为此外

μ_x.*(t)＝μ_x.y+2ω(1-ρ²)

假设共有n个功率MOSFET进行试验，对协变量参数进行m次测量，测量时间为t_j，记录协变量参数的测量值为y_ij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，则相应的对数似然函数为

其中，在步骤3所述的模型参数两步法估计方法第一步具体如下：

仅考虑协变量参数，Y(t)是一元Wiener过程，由Wiener过程的性质可知则可以采用极大似然方法得到参数μ_y，进行估计

其中，在步骤3所述的模型参数两步法估计方法第二步是指将和代入对数似然函数模型中，采用极大似然估计方法获取μ_x，和ρ的估计值。

其中，在步骤4所述的金属封装功率MOSFET的贮存可靠度函数：是指根据一元Wiener过程的性质，功率MOSFET的贮存寿命T服从逆高斯分布，即

则贮存可靠度函数为

进一步，根据贮存可靠度函数可计算在温度循环加速贮存条件下一定可靠度r对应的功率MOSFET的可靠寿命如下：

t_A＝R^-1(r)

实际处理中，可利用数值逼近的方法获取。

其中，在步骤5所述的Norris-Landzberg模型具体如下：

其中，δ为材料常数，f为温度循环频率，ΔT为温度循环变化范围，T_max为温度循环的最大温度，E_a为激活能，k为玻尔兹曼常数，m、n是模型参数。

其中，在步骤5所述的加速因子具体如下：

其中，ΔT_U、ΔT_A分别为实际贮存应力和加速应力下的温度变化范围；f_U、 f_A分别为实际贮存应力和加速应力下的循环频率；T_maxU、T_maxA分别为实际贮存应力和加速应力下的最高温。

其中，在步骤5所述的在设定的实际贮存条件下计算金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命t_U的方法如下：

t_U＝A_F·t_A

(三)本发明的优点：

(1)本发明在针对金属封装功率MOSFET器件，给出了基于隐退化的贮存可靠性检测技术，克服了其内部结构退化量难以直接测量的困难，提供了基于协变量参数的贮存可靠性无损检测方法；

(2)本发明提供了隐退化量无法测量的情形下的金属封装功率MOSFET的二元Wiener隐退化过程模型，并给出了模型参数的估计方法，完善了金属封装功率MOSFET的贮存可靠性评估技术；

(3)本发明提供的基于隐退化的贮存可靠性检测技术，可推广至其它类型气密性封装产品，为解决气密性封装产品的贮存可靠性无损检测问题提供了一种科学、规范化的方法。

四、附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为温度循环加速贮存应力剖面图1；

图3为温度循环加速贮存应力剖面图2；

图4为导通电阻试验数据图；

图5为温度循环加速贮存条件下功率MOSFET贮存可靠度图。

五、具体实施方式

本发明基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术以金属封装功率MOSFET的基本信息为前提，这些基本信息为功率MOSFET型号信息、失效机理分析信息。各方面信息包含的内容具体如下：

(1)功率MOSFET型号信息描述功率MOSFET的基本参数；

(2)失效机理分析信息描述金属封装功率MOSFET内部结构失效机理，并分析其与电性能参数的相关性；

如图1所示，本发明基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其步骤如下：

步骤1，确定金属封装功率MOSFET温度循环加速贮存试验方案：按照国军标“GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序”中对“温度循环试验”的要求，选取温度变化范围，设定高低温转换时间、高温保温时间、低温保温时间，并设置电性能参数检测时间点，建立温度循环应力剖面，确定并记录检测的电性能参数项。

步骤2，建立金属封装功率MOSFET隐退化模型：根据确定的描述金属封装功率MOSFET性能退化的隐退化参数和协变量参数，建立基于二元随机退化过程模型，并获得对数似然函数模型。隐退化参数和协变量参数根据失效机理分析及温度循环加速贮存试验数据确定。二元退化过程模型采用基于二元Wiener过程的退化模型。对数似然函数根据隐退化模型构建的协变量分布的密度函数建立。

步骤3，估计金属封装功率MOSFET隐退化模型参数：根据步骤2得到的金属封装功率MOSFET隐退化模型，采用两步法估计模型参数。第一步，利用试验过程中检测的电性能参数数据，估计与协变量相关的模型参数；第二步，再根据隐退化模型及隐退化参数的失效阈值，估计与隐退化参数相关的模型参数，以及隐退化参数与协变量的相关系数。

步骤4，评估温度循环加速贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存可靠性及贮存寿命：根据步骤2建立的金属封装功率MOSFET隐退化模型及步骤3估计的模型参数，获得金属封装功率MOSFET的贮存可靠度函数，并进一步得到典型贮存可靠度下金属封装功率MOSFET的贮存可靠寿命。

步骤5，评估实际贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存寿命：根据Norris-Landzberg 模型，获取温度循环加速因子，在设定的实际贮存条件下计算金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命。

兹举实施案例如下：

本案例以IR公司金属封装功率MOSFET器件为例，陈述本发明基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术的应用。

本案例基本信息情况如下：

(1)金属封装功率MOSFET型号信息：

选取金属封装功率MOSFET器件型号IRF240，TO-3封装，典型导通电阻Rds为 0.13Ω，阈值电压Vth为2-4V，工作温度范围为-55℃-150℃。

(2)失效机理分析信息：

根据对金属封装功率MOSFET内部结构退化机理分析，在温度循环条件下，黏结层疲劳和键合引线断裂是最可能导致功率MOSFET退化失效的机理，根据试验后对试验样品的解剖发现，键合引线处未出现明显的断裂，进一步，结合有限元仿真分析，我们有理由相信，黏结层疲劳是导致本型号功率MOSFET出现电性能退化的主要原因。

根据以上基本信息，进行金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测工作。

选取6个金属封装功率MOSFET器件，按照国军标GJB548B-2005中对“温度循环试验”的要求，选取温度变化范围为-55℃～125℃，高低温转换时间1小时，3℃/min，高温(125℃)、低温(-55℃)各保温1小时，在需检测的25℃处保温1小时，前10个温度循环每2个循环检测1次导通电阻和阈值电压，后80个温度循环每5个循环检测1次导通电阻和阈值电压，温度循环应力剖面如图2和图3所示。

采集试验样品导通电阻在125℃下的测量值出现明显的增加，将试验数据进行转换后如图4所示。

假设当黏结层塑性应变幅值退化30％时，即认为功率MOSFET失效，即

ω＝0.3。

针对本案例，步骤2得到的金属封装功率MOSFET隐退化模型似然函数如下：

通过步骤3，计算得到模型参数为μ_x＝0.0017，σ_x＝0.0042μ_y＝2.6982e-4，σ_y＝0.0065，ρ＝0.8070。

经过步骤4的计算后，得到该型功率MOSFET在本温度循环加速贮存条件下的贮存可靠度曲线如图5所示，贮存可靠寿命如表1所示。

表1功率MOSFET在温度循环加速贮存试验下典型贮存可靠度下的贮存寿命

贮存可靠度	贮存寿命(循环次数)
		0.9999	87
0.99	113
		0.95	128
0.90	137
		0.80	148
0.70	157
		0.50	173

在步骤5中，取m＝0.33，n＝1.9，E_a/k＝1414，根据温度循环加速贮存试验方案设置可知，单次温度循环周期为4小时，温度范围为-55℃-125℃，则 f_A＝1/6，ΔT_A＝180℃，T_maxA＝125℃。假设在实际贮存条件下，昼夜温差为15℃，最高温为35℃，则f_U＝1，ΔT_U＝15℃，T_maxU＝35℃。则根据 Norris-Landzberg模型，

进一步得到实际贮存条件下的贮存寿命如表2所示，1年按365天计算，每天1个贮存循环。

表2功率MOSFET在实际贮存条件下典型贮存可靠度下的贮存寿命

贮存可靠度	贮存寿命(循环次数)	贮存寿命(年)
			0.9999	15277	41.9
0.99	19843	54.4
			0.95	22477	61.6
0.90	24057	65.9
			0.80	25989	71.2
0.70	27569	75.5
			0.50	30379	83.2

Claims (9)

1.基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，以金属封装功率MOSFET的基本信息为前提，这些基本信息包括功率MOSFET型号信息、失效机理分析信息；其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1，确定金属封装功率MOSFET温度循环加速贮存试验方案：按照国军标“GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序”中对“温度循环试验”的要求，选取温度变化范围，设定高低温转换时间、高温保温时间、低温保温时间，并设置电性能参数检测时间点，建立温度循环应力剖面，确定并记录检测的电性能参数项；

步骤2，建立金属封装功率MOSFET隐退化模型：根据确定的描述金属封装功率MOSFET性能退化的隐退化参数和协变量参数，建立基于二元随机退化过程模型，并获得对数似然函数模型，隐退化参数和协变量参数根据失效机理分析及温度循环加速贮存试验数据确定，二元退化过程模型采用基于二元Wiener过程的退化模型，对数似然函数根据隐退化模型构建的协变量分布的密度函数建立；

步骤3，估计金属封装功率MOSFET隐退化模型参数：根据步骤2得到的金属封装功率MOSFET隐退化模型，采用两步法估计模型参数，第一步，利用试验过程中检测的电性能参数数据，估计与协变量相关的模型参数；第二步，再根据隐退化模型及隐退化参数的失效阈值，估计与隐退化参数相关的模型参数，以及隐退化参数与协变量的相关系数；

步骤4，评估温度循环加速贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存可靠性及贮存寿命：根据建立的金属封装功率MOSFET隐退化模型及估计的模型参数，获得金属封装功率MOSFET的贮存可靠度函数，并进一步得到典型贮存可靠度下金属封装功率MOSFET的贮存可靠寿命；

步骤5，评估实际贮存条件下金属封装功率MOSFET贮存寿命：根据Norris-Landzberg模型，获取温度循环加速因子，在设定的实际贮存条件下计算金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命。

2.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：所述的“基本信息”包括：(1)功率MOSFET型号信息：是描述功率MOSFET的基本参数，包括型号、封装形式、典型阈值电压、典型导通电阻、工作温度范围；(2)失效机理分析信息：用于描述金属封装功率MOSFET内部结构失效机理，并分析其与电性能参数的相关性。

3.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：在步骤2中所述的金属封装功率MOSFET隐退化模型是指利用二元Wiener过程建立一个不可观测的内部结构退化过程X(t)(隐退化参数)和一个可观测的电性能参数的退化过程Y(t)(协变量参数)的联合退化模型。

4.根据权利要求3所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：金属封装功率MOSFET隐退化模型建立过程具体如下：

对任一功率MOSFET在其退化过程中的任一时刻t，{X(t),Y(t)}服从二维正态分布，(X(t),Y(t))′～N(tμ,tΣ)

其中，μ＝(μ_x,μ_y)，μ_x、σ_x为时刻t，x(t)的期望和标准差，μ_y、σ_y为时刻τ，y(t)的期望和标准差，ρ为相关系数，

由二元Wiener过程的性质，在给定X(t)＝x(t)的条件下Y(t)服从一维正态分布

Y(t)|_X(t)＝x(t)～N(μ_y.x(t),σ_yy.xt)

其中，σ_xy＝ρσ_xσ_y，

记试验时间为t，则已知时刻t隐退化量X(τ)＝x条件下退化协变量的条件概率密度记为

h(y|x)＝P{Y(t)＝y|X(t)＝x}

仅考虑隐退化量X(t)时，X(t)是一元Wiener过程，则已知时刻t功率MOSFET仍未失效的条件下隐退化量X(t)的分布为

其中，ω为隐退化量X(t)的失效阈值，

已知功率MOSFET在试验时间t内未失效，在这一条件下试验结束时刻退化协变量和隐退化量的联合分布为

P{Y(t)＝y,X(t)＝x}＝P{Y(t)＝y|X(t)＝x}P{X(t)＝x}＝h(y|x)g(x)

则已知功率MOSFET未失效条件下试验结束时刻退化协变量Y(t)的分布为

其中，Φ(·)是标准正态分布的分布函数，q₁(y)是Y(t)的概率密度函数，即是均值为μ_yt，方差为的正态分布概率密度函数，q₂(y)也是正态分布的概率密度函数，其均值为方差为此外

μ_x.*(t)＝μ_x.y+2ω(1-ρ2)

假设共有n个功率MOSFET进行试验，对退化协变量进行m次测量，测量时间为t_j，记录退化协变量的测量值为y_ij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，则参数的对数似然函数为

5.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：步骤3中模型参数的两步估计法具体如下：

(1)仅考虑退化协变量，Y(t)是一元Wiener过程，由Wiener过程的性质可知则可以采用极大似然方法得到参数μ_y，进行估计

(2)将和代入对数似然函数模型中，采用极大似然估计方法获取μ_x，和ρ的估计值。

6.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：步骤4金属封装功率MOSFET的贮存可靠度函数具体如下：

指根据一元Wiener过程的性质，功率MOSFET的贮存寿命T服从逆高斯分布，即

则贮存可靠度函数为

根据贮存可靠度函数可计算在温度循环加速贮存条件下一定可靠度r对应的功率MOSFET的可靠寿命如下：

t_A＝R^-1(r)。

7.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：在步骤5所述的Norris-Landzberg模型具体如下：

其中，δ为材料常数，f为温度循环频率，ΔT为温度循环变化范围，T_max为温度循环的最大温度，E_a为激活能，k为玻尔兹曼常数，m、n是模型参数。

8.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：在步骤5所述的加速因子具体如下：

其中，ΔT_U、ΔT_A分别为实际贮存应力和加速应力下的温度变化范围；f_U、f_A分别为实际贮存应力和加速应力下的循环频率；T_maxU、T_maxA分别为实际贮存应力和加速应力下的最高温。

9.根据权利要求1所述的基于隐退化的金属封装功率MOSFET贮存可靠性检测技术，其特征在于：在步骤5所述的在设定的实际贮存条件下计算金属封装功率MOSFET贮存可靠寿命t_U的方法如下：

t_U＝A_F·t_A。