电子元件的干热和偏湿度稳定性预测

模拟技术要求元件的电性能达到一定精度和使用期间可能出现的变化的良好预测。本文介绍一种用于预测元件老化引起的电参数变化的方法。

电子模拟应用的工艺质量和可靠性主要取决于所用电子元件的四个参数或性能：

·电参数的稳定性及特征，亦即没有由于老化或退化而引起的不可逆漂移；

·低而稳定的温度系数（TC），亦即在应用温度范围内的低可逆漂移；

·稳定和低水平的噪声；

·稳定和低水平的非线性度。

元件使用期间主要电性能（如电阻器的阻值）的漂移可能引起其他重要性能（如噪声、TCR、非线性度）的变化或漂移。高温高湿环境条件对许多电子元件的可靠性依然是个挑战。更好的理解其老化和退化加速的因素。

薄膜电阻器在电子行业使用广泛，我们的研究选用它们作为以下元件设计的良好普遍代表：在基础材料之上由有机涂层防止其老化或退化。这是许多被动和主动电子元件的基本设计。有关薄膜电阻器在干热和偏湿度环境中的行为的长期研究已成为一种新开发的通用模型的基础，该模型涵盖整个温度-湿度-时间域中的所有老化条件、系统特征鉴定以及元件健康预测（具有退化功能层的喷漆或模制元件）。

研究结果在 2014 年的 CARTS（电容器和电阻器技术会议）和 AEC-RW（汽车电子协会可靠性研讨会）上报告，并在同行评审论文中公布 ［1］。

针对强化研究的测试方案

我们的测试计划考虑了以下几点：

•使用灵敏的薄膜电阻器值（同一批，直至在所有被测变体上进行激光微调）；

•偏压湿度 85 °C / 85 % RH 测试与 40 °C / 93 % RH 测试结果比较；

•引入新的中间测试条件：70 °C / 90 % RH 和 90 °C / 40 % RH；

•测试或暴露时间延长至 4000 小时（10000 小时）；

•使用两种不同的电绝缘漆变体；

•在每种变体上施加两个电压/荷载（来源于额定电压的 10 % 和 30 %）；

•比较偏湿度测试与 HAST 130（高度加速应力测试：这里偏湿度测试条件为130 °C 和 85 % RH，相同批次和电气条件）结果。

结果和结论

偏湿度对许多元件具有破坏性（具体取决于相对湿度和温度）已是共识。本研究第一个令人感兴趣的发现是，我们必须彻底区分氧化/钝化效应与腐蚀机制。由此显现出两种不同退化机制：老化（呈指数饱和 40°C / 93 % RH，70°C / 90 % RH）和破坏性（呈指数增加 85°C / 85 % RH）腐蚀条件。

图 1：测试结果（40°C / 93 % RH、70°C / 90 % RH 和 85°C / 85 % RH）

图 1 显示了暴露 4000 小时后的漂移特征。即使在漂移低至 ΔR/R 《 0.5 % 时，差异也很明显。为了能够比较各种特征，我们提出了按照相等暴露时间对 R 漂移进行标准化的做法。例如，如果将该标准化漂移设置在虽然低但仍然显著的 ΔR/R = 0.2 % 水平，则可估计为几乎没有破坏性。利用这种方法，现在有可能直接比较所有偏湿度测试数据（包括 HAST 130 结果等）。

影响元件退化/老化的参数

我们明显看到温度和湿度浓度是促使漂移或元件功能层老化/退化的参数。因此，我们的第二个建议是使用实际蒸汽压力 pvapor 代替相对湿度 RH。

电元件通常是在芯材上包裹灵敏的功能性金属制成，通过绝缘体、漆和模件加以保护。如图 2 所示，我们薄膜电阻器具有采用铝的基础或芯材料，基于镍铬合金的 R 层，并包裹一层电绝缘漆。在给定环境条件下，漆层界面与外界之间存在压力差 Δp。

图 2：蒸汽压力导致水分扩散现象

压力的均衡趋向导致水分向漆或有机涂层扩散。由于压力扩散效应，交界区域的水浓度将会增加。在有水情况下，高温和偏压下会促进氧化，并造成包镀金属的电化学腐蚀。在热和偏压条件下，更高的温度将导致更大的破坏危险。

建立模型

如 ［1］ 中详细所示，我们可从教科书公式推出和调整水向涂层的扩散结果。电子元件中的压力扩散系统可通过一个相当简单的公式描述：

图 3：一般公式

这个一般描述可解释为直线函数 y = ax + b，其中 y 代表暴露时间 texp 的 ln√，x 代表 1/T（= 绝对温度 T ［开尔文］ 的倒数），如图 3 所示。

系数“a”允许直接读取和计算元件功能层的活化能 EA，常数“b”是其涂层的扩散性能（D：扩散系数，单位 µm2/h；xlacq：有机涂层厚度，单位 µm；k：玻尔兹曼常数 = 8.62 x 10-5 eV/K）。

由于标准化的暴露时间 ln√texp 是温度倒数 1/T 的直接函数，所以可用一个图表，亦即用 ln√t – 1/T 图描述和总结元件在整个温度-湿度-时间域中的性能和健康预测，以及其系统特征鉴定：

图 4 显示了采用“漆 1”涂层的高阻值薄膜电阻器（MELF MMA0204，180 kΩ）的性能。

图 4：薄膜电阻器的 ln√t – 1/T 图

这个例子说明，texp 》 30 年的暴露时间和 ΔR/R 《 0.2 % 的阻值漂移在任何实际相对湿度和 《 100 °C 的环境温度条件下都是可能的，对这种非常可靠的电阻器类型没有任何问题（取决于功能性薄膜层的活化能和“漆1”涂层的扩散性能）。

实际应用

当 ln√t – 1/T 图适用时，确定电子元件的可靠性和健康预测变得容易和经济。

此外，如图 5 所示，对于所有实际应用，在定义元件在整个相关温度-湿度-时间域上的材料性能（漆/模件或功能层的活化能、扩散系数、加速因子等）的漂移和退化（健康预测）时只需要五个可靠的相关测量点。

图 5：五个测量点

要点：

•开发和定义针对电子元件的一般（偏压）湿度加速和长期预测模型，研究在灵敏薄膜电阻器上进行。

•该模型综合了温度和湿度对退化的影响。在整个温度-湿度-时间域中的预测因此成为可能。

•所定义的 ln√t – 1/T 图包含所有信息，并可用于计算关于模件/漆以及关于所研究功能层的所有相关材料数据（活化能、湿度相关材料性能、偏压加速效应等）。

•老化/氧化与腐蚀之间的差异。通过使用标准化的暴露时间代替参数漂移测量结果消除这些有冲突现象的不一致性。

•用实际蒸汽压力代替（通常使用的）相对湿度 RH 作为明确的物理数据。

•确定电绝缘漆或模件各自的扩散性质，作为元件参数因温度和湿度影响而退化的主关键词。