電子元件的干熱和偏濕度穩定性預測

模擬技術要求元件的電性能達到一定精度和使用期間可能出現的變化的良好預測。本文介紹一種用于預測元件老化引起的電參數變化的方法。

電子模擬應用的工藝質量和可靠性主要取決于所用電子元件的四個參數或性能：

·電參數的穩定性及特征，亦即沒有由于老化或退化而引起的不可逆漂移；

·低而穩定的溫度系數（TC），亦即在應用溫度范圍內的低可逆漂移；

·穩定和低水平的噪聲；

·穩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。高溫高濕環境條件對許多電子元件的可靠性依然是個挑戰。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使用廣泛，我們的研究選用它們作為以下元件設計的良好普遍代表：在基礎材料之上由有機涂層防止其老化或退化。這是許多被動和主動電子元件的基本設計。有關薄膜電阻器在干熱和偏濕度環境中的行為的長期研究已成為一種新開發的通用模型的基礎，該模型涵蓋整個溫度-濕度-時間域中的所有老化條件、系統特征鑒定以及元件健康預測（具有退化功能層的噴漆或模制元件）。

研究結果在 2014 年的 CARTS（電容器和電阻器技術會議）和 AEC-RW（汽車電子協會可靠性研討會）上報告，并在同行評審論文中公布 ［1］。

針對強化研究的測試方案

我們的測試計劃考慮了以下幾點：

?使用靈敏的薄膜電阻器值（同一批，直至在所有被測變體上進行激光微調）；

?偏壓濕度 85 °C / 85 % RH 測試與 40 °C / 93 % RH 測試結果比較；

?引入新的中間測試條件：70 °C / 90 % RH 和 90 °C / 40 % RH；

?測試或暴露時間延長至 4000 小時（10000 小時）；

?使用兩種不同的電絕緣漆變體；

?在每種變體上施加兩個電壓/荷載（來源于額定電壓的 10 % 和 30 %）；

?比較偏濕度測試與 HAST 130（高度加速應力測試：這里偏濕度測試條件為130 °C 和 85 % RH，相同批次和電氣條件）結果。

結果和結論

偏濕度對許多元件具有破壞性（具體取決于相對濕度和溫度）已是共識。本研究第一個令人感興趣的發現是，我們必須徹底區分氧化/鈍化效應與腐蝕機制。由此顯現出兩種不同退化機制：老化（呈指數飽和 40°C / 93 % RH，70°C / 90 % RH）和破壞性（呈指數增加 85°C / 85 % RH）腐蝕條件。

圖 1：測試結果（40°C / 93 % RH、70°C / 90 % RH 和 85°C / 85 % RH）

圖 1 顯示了暴露 4000 小時后的漂移特征。即使在漂移低至 ΔR/R 《 0.5 % 時，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間對 R 漂移進行標準化的做法。例如，如果將該標準化漂移設置在雖然低但仍然顯著的 ΔR/R = 0.2 % 水平，則可估計為幾乎沒有破壞性。利用這種方法，現在有可能直接比較所有偏濕度測試數據（包括 HAST 130 結果等）。

影響元件退化/老化的參數

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。因此，我們的第二個建議是使用實際蒸汽壓力 pvapor 代替相對濕度 RH。

電元件通常是在芯材上包裹靈敏的功能性金屬制成，通過絕緣體、漆和模件加以保護。如圖 2 所示，我們薄膜電阻器具有采用鋁的基礎或芯材料，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：蒸汽壓力導致水分擴散現象

壓力的均衡趨向導致水分向漆或有機涂層擴散。由于壓力擴散效應，交界區域的水濃度將會增加。在有水情況下，高溫和偏壓下會促進氧化，并造成包鍍金屬的電化學腐蝕。在熱和偏壓條件下，更高的溫度將導致更大的破壞危險。

建立模型

如 ［1］ 中詳細所示，我們可從教科書公式推出和調整水向涂層的擴散結果。電子元件中的壓力擴散系統可通過一個相當簡單的公式描述：

圖 3：一般公式

這個一般描述可解釋為直線函數 y = ax + b，其中 y 代表暴露時間 texp 的 ln√，x 代表 1/T（= 絕對溫度 T ［開爾文］ 的倒數），如圖 3 所示。

系數“a”允許直接讀取和計算元件功能層的活化能 EA，常數“b”是其涂層的擴散性能（D：擴散系數，單位 μm2/h；xlacq：有機涂層厚度，單位 μm；k：玻爾茲曼常數 = 8.62 x 10-5 eV/K）。

由于標準化的暴露時間 ln√texp 是溫度倒數 1/T 的直接函數，所以可用一個圖表，亦即用 ln√t – 1/T 圖描述和總結元件在整個溫度-濕度-時間域中的性能和健康預測，以及其系統特征鑒定：

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

這個例子說明，texp 》 30 年的暴露時間和 ΔR/R 《 0.2 % 的阻值漂移在任何實際相對濕度和 《 100 °C 的環境溫度條件下都是可能的，對這種非?？煽康碾娮杵黝愋蜎]有任何問題（取決于功能性薄膜層的活化能和“漆1”涂層的擴散性能）。

實際應用

當 ln√t – 1/T 圖適用時，確定電子元件的可靠性和健康預測變得容易和經濟。

此外，如圖 5 所示，對于所有實際應用，在定義元件在整個相關溫度-濕度-時間域上的材料性能（漆/模件或功能層的活化能、擴散系數、加速因子等）的漂移和退化（健康預測）時只需要五個可靠的相關測量點。

圖 5：五個測量點

要點：

?開發和定義針對電子元件的一般（偏壓）濕度加速和長期預測模型，研究在靈敏薄膜電阻器上進行。

?該模型綜合了溫度和濕度對退化的影響。在整個溫度-濕度-時間域中的預測因此成為可能。

?所定義的 ln√t – 1/T 圖包含所有信息，并可用于計算關于模件/漆以及關于所研究功能層的所有相關材料數據（活化能、濕度相關材料性能、偏壓加速效應等）。

?老化/氧化與腐蝕之間的差異。通過使用標準化的暴露時間代替參數漂移測量結果消除這些有沖突現象的不一致性。

?用實際蒸汽壓力代替（通常使用的）相對濕度 RH 作為明確的物理數據。

?確定電絕緣漆或模件各自的擴散性質，作為元件參數因溫度和濕度影響而退化的主關鍵詞。