高成，熊園園，楊達(dá)明

（北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京，100191）

0 引言

塑封光電耦合器一般是由光發(fā)射器和光探測器兩部分組合而成，以光為媒介實(shí)現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)換。塑封光耦隨著貯存年限的增加，器件會(huì)發(fā)生封裝材料的退化、芯片的腐蝕、導(dǎo)光膠老化一系列的問題，影響器件的正常使用，因此其貯存壽命是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。失效物理（Physics Of Failure,POF）是從物理、化學(xué)角度解釋元器件受外界環(huán)境應(yīng)力發(fā)生失效的原因、機(jī)理的學(xué)科?；谑锢淼膲勖＃枰治鲈骷氖C(jī)理，研究器件的失效過程，建立失效過程中物理退化模型，然后對器件的壽命做統(tǒng)計(jì)推斷，目前，已經(jīng)有很多學(xué)者開始基于失效物理的建模的研究。

本文通過對光耦隧道擊穿機(jī)理建立壽命模型，對貯存環(huán)境中光耦的壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文的研究成果也可以推廣到其他高可靠、長壽命的元器件中，為其器件的貯存壽命評(píng)價(jià)提供參考。

1 基于隧道擊穿的貯存壽命模型研究

對某次在貯存環(huán)境下失效的光耦器件進(jìn)行失效分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)光耦的三極管芯片上發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，分析由于光探測器中三極管基區(qū)薄，在高溫貯存下容易發(fā)生隧道擊穿失效。由于熱應(yīng)力的影響，將束縛在P區(qū)電子的直接激發(fā)到導(dǎo)帶，在勢壘區(qū)形成大量的電子-空穴對，通過漂移運(yùn)動(dòng)，形成較大的反向電流，產(chǎn)生隧道擊穿。隧道擊穿是由于少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的，假設(shè)在P區(qū)處于價(jià)帶的電子總數(shù)為N，在勢能的推動(dòng)下，每個(gè)電子從價(jià)帶躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶的概率是相等的，當(dāng)有K個(gè)或者K個(gè)以上的電子發(fā)生躍遷時(shí)，三極管發(fā)生結(jié)擊穿。由文獻(xiàn)[1]可知，t時(shí)刻電子躍遷數(shù)X服從對數(shù)正態(tài)分布，。在t時(shí)刻，由于躍遷的電子數(shù)的變化引起的擊穿電壓的變化為：

λ-比例系數(shù)，當(dāng) X0= 0 時(shí)，? Vt= λ Xt，t時(shí)刻三極管擊穿電壓退化量的概率密度函數(shù)可以表示為：

激發(fā)的電子數(shù)均值與時(shí)間的關(guān)系符合拋物線增長規(guī)律，即：

ω表示激發(fā)速率常數(shù)，ω與環(huán)境溫度有關(guān)，與溫度的關(guān)系可以用阿倫尼烏斯方程表示：

將式(4)代入式(3)，可得：

在貯存的過程中，假設(shè)擊穿電壓小于閾值VS時(shí)，即可認(rèn)為三極管失效，則三極管發(fā)生失效的概率為

經(jīng)式(1)-式(6)，三極管的壽命分布函數(shù)為對數(shù)正態(tài)分布，假設(shè)光電耦合器光探測中有N個(gè)三極管芯片，只要有一個(gè)三極管發(fā)生擊穿，則認(rèn)為整個(gè)光耦失效，輸出電壓失效，記錄每個(gè)三極管擊穿電壓退化失效時(shí)間為 Ti( i = 1 ,2,3… ,N )，塑封光電耦合器在時(shí)間t發(fā)生輸出失效的概率為(至少一個(gè)三極管發(fā)生擊穿)：

已有Bury.Kar l等研究學(xué)者證明，假設(shè)Ff(t)服從對數(shù)正態(tài)分布，服從雙參數(shù)的威布爾分布[2]。

它是含有兩個(gè)參數(shù)的壽命分布，記為 W ( m ,η)，其中：

η＞0，尺度參數(shù)，m＞ 0，形狀參數(shù)，與溫度無關(guān)。

綜上所述，在貯存的溫度應(yīng)力下，光電耦合器的貯存壽命服從雙參數(shù)的威布爾分布，塑封光耦壽命模型如下所示：

其中 Γ (x )為伽馬分布，η0為貯存環(huán)境下的特征壽命。

2 基于壽命模型的光電耦合器壽命評(píng)價(jià)

貯存壽命評(píng)價(jià)是根據(jù)器件在貯存過程中的相關(guān)可靠性信息，運(yùn)用一定的手段來評(píng)估可靠性指標(biāo)，加速實(shí)驗(yàn)是指在保證失效機(jī)理不變的前提下，提高實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，使器件加速失效, 以便在短時(shí)間內(nèi)獲得失效數(shù)據(jù), 從而評(píng)估器件正常應(yīng)力水平下的可靠性或壽命指標(biāo)。

對選取的40只TLP250塑封光耦在125℃、150℃、175℃、200℃下開展為期88天的加速壽命試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)失效時(shí)間如表1所示。

表1 器件進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的失效時(shí)間

由于塑封光電耦合器的壽命服從威布爾分布，通過極大似然法估計(jì)形狀參數(shù)m、特征壽命η的估計(jì)值，將4組恒定應(yīng)力下的數(shù)據(jù)點(diǎn)(1 /ti, lnηi) (i=1,2,3,4)采用最小二乘擬合,擬合決定系數(shù)R2=0.9825，接近1，擬合程度很好，求解出式(10)的參數(shù) α =-6 .201，β = 5 508.6，得到物理加速模型 ：

3 結(jié)論

長期以來，塑封光電耦合器的壽命評(píng)價(jià)都依靠大量數(shù)據(jù)擬合推導(dǎo)，沒有建立壽命評(píng)價(jià)模型，本文在分析失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立光耦的貯存壽命模型，并對型號(hào)為TLP250塑封光耦進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)，25℃下的貯存壽命是23.67年。本文的研究成果也可以推廣到其他高可靠、長壽命的元器件中，為其器件的貯存壽命評(píng)價(jià)提供參考。

Azhar A T S, Nab ila A T A, Nu rshuhaila M S, et a l.Electrom igration o f Con tam inated Soil by Electro-Biorem ediation Technique[J].2016,136(1)： 012023.

[2]W ang Y, Cai H, Naviner L A D B, et al. Com pact Model of Dielectric Breakdown in Spin-Transfer Torque Magnetic Tunnel Junction[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2016,63(4) ： 1762-1767.