【導讀】模擬技術(shù)要求元件的電性能達到一定精度和使用期間可能出現(xiàn)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(shù)變化的方法。
電子模擬應用的工藝質(zhì)量和可靠性主要取決于所用電子元件的四個參數(shù)或性能：
·電參數(shù)的穩(wěn)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(wěn)定的溫度系數(shù)（TC），亦即在應用溫度范圍內(nèi)的低可逆漂移；
·穩(wěn)定和低水平的噪聲；
·穩(wěn)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(huán)境條件對許多電子元件的可靠性依然是個挑戰(zhàn)。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(yè)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(guān)薄膜電阻器在干熱和偏濕度環(huán)境中的行為的長期研究已成為一種新開發(fā)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(tǒng)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(jié)果在 2014 年的 CARTS（電容器和電阻器技術(shù)會議）和 AEC-RW（汽車電子協(xié)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(diào)）；
•偏壓濕度 85 °C / 85 % RH 測試與 40 °C / 93 % RH 測試結(jié)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(jié)果。
結(jié)果和結(jié)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(fā)現(xiàn)是，我們必須徹底區(qū)分氧化/鈍化效應與腐蝕機制。由此顯現(xiàn)出兩種不同退化機制：老化（呈指數(shù)飽和 40°C / 93 % RH，70°C / 90 % RH）和破壞性（呈指數(shù)增加 85°C / 85 % RH）腐蝕條件。
圖 1：測試結(jié)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(xiàn)在有可能直接比較所有偏濕度測試數(shù)據(jù)（包括 HAST 130 結(jié)果等）。
影響元件退化/老化的參數(shù)
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(shù)。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(huán)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(xiàn)象
壓力的均衡趨向?qū)е滤窒蚱峄蛴袡C涂層擴散。由于壓力擴散效應，交界區(qū)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(diào)整水向涂層的擴散結(jié)果。電子元件中的壓力擴散系統(tǒng)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(shù) 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(shù)），如圖 3 所示。
系數(shù)“a”允許直接讀取和計算元件功能層的活化能 EA，常數(shù)“b”是其涂層的擴散性能（D：擴散系數(shù)，單位 µm2/h；xlacq：有機涂層厚度，單位 µm；k：玻爾茲曼常數(shù) = 8.62 x 10-5 eV/K）。
由于標準化的暴露時間 ln√texp 是溫度倒數(shù) 1/T 的直接函數(shù)，所以可用一個圖表，亦即用 ln√t – 1/T 圖描述和總結(jié)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(tǒng)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(huán)境溫度條件下都是可能的，對這種非常可靠的電阻器類型沒有任何問題（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(jīng)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(guān)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(shù)、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(guān)測量點。
圖 5：五個測量點
要點：
•開發(fā)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(guān)于模件/漆以及關(guān)于所研究功能層的所有相關(guān)材料數(shù)據(jù)（活化能、濕度相關(guān)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(shù)漂移測量結(jié)果消除這些有沖突現(xiàn)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(shù)據(jù)。
•確定電絕緣漆或模件各自的擴散性質(zhì)，作為元件參數(shù)因溫度和濕度影響而退化的主關(guān)鍵詞。
