Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Рассмотрен метод прогнозирования работоспособности полупроводниковых приборов с учетом постепенных отказов, основанный на использовании реакции функциональных параметров полупроводниковых приборов на имитационное воздействие. Для биполярных транзисторов в качестве имитационного фактора предлагается использовать ток коллектора. Приведен пример прогнозирования работоспособности транзисторов.

Постепенные отказы полупроводниковых приборов (ППП) составляют до 80 % всех отказов. Поэтому все большее внимание уделяется проблеме уменьшения постепенных отказов, т.е. повышению параметрической надежности ППП. Особенно это касается ППП, предназначенных для аппаратуры длительного функционирования.

Для эффективного повышения параметрической надежности ППП выполняется индивидуальное прогнозирование их функциональных параметров на интересующий (будущий) момент времени (заданную наработку) t и последующий отбор надежных ППП. Параметры можно спрогнозировать, используя реакцию функциональных параметров ППП на имитационное воздействие. В качестве имитационного фактора можно использовать температуру. Прогнозирование параметрической надежности ППП для заданной наработки t выполняется измерением интересующего функционального параметра Р при имитационной температуре Tим, значение которой получают по уравнению связи, показывающему, как наработка связана с имитационной температурой. Имитационная температура вызывает такое же изменение функционального параметра, как и заданная наработка. При реализации имитационного воздействия используют кратковременное охлаждение или нагрев ППП до температуры Tим[1].

Задачу индивидуального прогнозирования параметрической надежности решали применительно к биполярным транзисторам большой мощности типа КТ872А. В качестве функционального параметра рассматривали коэффициент h21э передачи тока базы в схеме с общим эмиттером. Зависимости коэффициента h21э (при напряжении насыщения коллектора-базы Uкб = 5 В и токе коллектора Ik = 0,1 А) от абсолютной температуры T и времени ускоренных испытаний ty, полученные путем усреднения коэффициента А21э по всем экземплярам обучающей выборки (100 шт.), приведены на рис. 1 и 2. Коэффициент ускорения Ky = t /ty был равен 80.

Рис. 1. Зависимость передачи тока в схеме с общей базой от абсолютной температуры

Рис. 2. Зависимость передачи тока в схеме с общей базой от времени ускоренных испытаний

Для числового описания зависимости коэффициента h21э от температуры Т и наработки t получены следующие выражения:

h21Э=0,178T - 30,6; (1)

h21Э=1/(3,4 * 10-7t + 0,043). (2)

С учётом этих выражений уравнение связи (имитационная модель) имеет вид

T=(2,316+1,04 * 10-5t) / (0,00765 + 6 * 10-8t). (3)

Для индивидуального прогнозирования функционального параметра h21э, транзисторов, не участвующих в обучающем эксперименте, используют имитационную модель (3). Для этого по заданному значению наработки / рассчитывают Тнм (например, для 20 000 ч наработки получим имитационную температуру 284,8 К, а для 1 000 ч — 301,2 К). Исследуемые транзисторы помещают в специальную камеру тепла — холода и задают имитационную температуру. Транзисторы выдерживают в камере не менее 30 мин, а затем при этой же температуре измеряют h21экаждого транзистора. Коэффициент передачи тока коллектора в схеме с общей базой по истечении наработки имеет такое же значение, как и при имитационной температуре. Результат измерения представляет собой прогноз функционального параметра для интересующей наработки. Сравнивая измеренное значение h21э с номинальным, делают заключение о параметрической надежности экземпляра по параметру h21э

Рассмотренный пример показал, что использование температуры в качестве имитационного фактора имеет ряд недостатков. Наработкам от 1 000 до 20 000 ч соответствует перепад имитационной температуры от 17 К и менее. При погрешности поддержания имитационной температуры +2 К ошибка в наработке, для которой прогнозируют параметр h21э, составит примерно 2 500 ч. Из-за большой продолжительности процесса прогнозирования актуально проводить поиск других имитационных факторов, позволяющих уменьшить погрешности прогноза и сократить длительность процедуры индивидуального прогнозирования.

Авторами предложено использовать в качестве имитационных факторов параметры электрических режимов работы ППП (токи переходов или подаваемые на них напряжения). Применительно к биполярным транзисторам привлекательным является такой фактор (электрический параметр), как ток коллектора [2].

В процессе работы транзистора в определенном режиме его функциональные параметры изменяются не только от времени, но и от тока коллектора. По значению параметра Р при определенном токе коллектора можно сделать вывод о параметрической надежности транзистора в выбранном рабочем режиме. Для решения этой задачи необходимо иметь выражение вида

IК.ИМ=f(t), (4)

где f-оператор связи наработки t для параметра P;

IК.ИМ-имитационный ток коллектора.

По заданному значению наработки определяем имитационное значение тока коллектора. При построении уравнения связи (4) необходимо для интересующего параметра Р экспериментально получить выражения:

P=f1(Ik) (5);

P=f2(t) (6) ;

Используя модели (5) и (6), необходимо проверить пригодность уравнения (4) для оценки уровня параметрической надежности (работоспособности)

Индивидуальное прогнозирование заключается в следующем. По заданной наработке рассчитывают значение имитационного тока коллектора, используя уравнение (4). Затем измеряют параметр Р интересующего транзистора при токе коллектора, равном значению Iк им, и принимают решение об уровне параметрической надежности этого экземпляра для заданной наработки. Считают, что параметр Р по окончании наработки равен значению, полученному в результате измерения при токе коллектора Iк им. Возможность использования тока коллектора в качестве имитационного фактора была подтверждена экспериментально. Использовалась выборка транзисторов типа КТ872А, состоящая из 100 экземпляров. Интересующий функциональный параметр — напряжение насыщения коллектора-эмиттера UКЭнас при Ik = 7 А. Экспериментально были получены зависимости (рис. 3 и 4) параметра ?/кэ нас от тока коллектора /ки времени ускоренных испытаний tу [3,4].

Для параметра UКЭнас нас были получены аналитические зависимости от тока коллектора 1К и наработки r

UКЭ нас=75 exp(0,309 Ik) (7);

UКЭ нас=2,4 t0,47+615. (8);

Уравнение связи наработки со значением имитационного тока, полученное с использованием моделей (7) и (8), приняло вид

IК. ИМ=3,24 ln (0.0032 t0,47+8,2). (9);

По уравнению (9) определяем, что для 20 000 ч наработки имитационный ток Iк им = 7,93 А. Затем при этом токе коллектора измеряют UКЭнас интересующего транзистора. Сравнивая измеренное значение UКЭнас с нормой, можно сделать вывод о параметрической надежности этого экземпляра по параметру UКЭнас для наработки 20 000 ч

Рис. 3. Зависимость напряжения насыщения коллектора-эмиттера от тока коллектора

Рис. 4. Зависимость напряжения насыщения коллектора-эмиттера от времени ускоренных испытаний (IK = 7 А)

Используя уравнение (9), можно убедиться, что наработкам от 1 000 до 20 000 ч соответствует изменение имитационного тока Iк им, равное 800 мА. При погрешности поддержания Iк им, не превышающей ±10 мА, ошибка в наработке, для которой определяют прогнозное значение параметра UКЭнас, составит менее 500 ч (в области наработок, близких к максимальной, указываемой в технической документации на исследуемый тип транзисторов). Кроме того, использование тока коллектора в качестве имитационного фактора заметно сокращает длительность процедуры индивидуального прогнозирования параметрической надежности транзисторов.

Список литературы

  1. Боровиков С.М., Щерба А.И Отбор транзисторовс заданным уровнем параметрической надёжности для аппаратуры связи длительного функционирования / Изв. Белор. инж. академии. 1998. № 2(6)/2.
  2. Боровиков С.М., Щерба А.И. Прогнозирование параметрической надежности полупроводниковых при боров методом имитационных воздействий / Современ ные проблемы проектирования и производства радио электронных средств. Сб. материалов Международ, науч.- техн. семинара 29 — 30 мая 2000 г. Новополоцк: ПГУ, 2000.
  3. Боровиков С.М., Щерба А.И. , Стасюк Д.М. , Зорин Д.В. Результаты ускоренных испытаний транзисторов КТ872А на долговечность. Изв. Белор. инж. академии. 1999. № 1(7)/2.
  4. Боровиков С.М. Имитационное моделирование параметрических отказов полупроводниковых приборов / Изв. Белор. инж. академии. 2002. № 2(14)/2.

С.М. Боровиков, А. И. Щерба
Справочник. Инженерный журнал. №11, 2004, с. 3-5

Статьи партнеров