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可靠性試驗(yàn)中的Peck模型(溫度-濕度模型)

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2026-02-09 13:21

該模型旨在量化溫度和相對(duì)濕度(RH) 同時(shí)作用對(duì)電子元器件可靠性的加速效應(yīng)。它最常用于預(yù)測(cè)器件在高溫高濕環(huán)境(如 HAST - Highly Accelerated Stress Test, THB - Temperature Humidity Bias)下的壽命
 
1. 溫濕度綜合影響模型 (Peck Model)
 
公式:
 
可靠性試驗(yàn)中的Peck模型(溫度-濕度模型)
 
加速因子AF
 
表示測(cè)試條件下的失效速率是實(shí)際使用條件下的多少倍。AF越大,測(cè)試加速效果越強(qiáng)。
 
濕度加速項(xiàng)
 
RH_test: 測(cè)試環(huán)境下的相對(duì)濕度 (%)。例如H3TRB中的85%。
 
RH_use: 預(yù)期使用環(huán)境下的相對(duì)濕度 (%)。需要根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景預(yù)估(如汽車(chē)艙內(nèi)通常取50%或更低)。
 
γ: 濕度敏感指數(shù)。這是一個(gè)關(guān)鍵的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),它量化了濕度對(duì)失效速率影響的強(qiáng)度。γ 值通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。γ 值越大,表明濕度對(duì)失效速率的影響越顯著。對(duì)于對(duì)濕度敏感的失效機(jī)理(如電化學(xué)遷移),γ 值通常在 2-4 之間,有時(shí)更高。
 
阿倫尼烏斯溫度加速項(xiàng)
 
Ea: 活化能 (eV)。表示溫度對(duì)失效機(jī)理敏感度的物理量,也需通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。不同失效機(jī)理有不同的典型Ea值。
 
k: 玻爾茲曼常數(shù) (~8.617333262145 x 10?? eV/K)。
 
T_use: 預(yù)期使用環(huán)境下的絕對(duì)溫度 (開(kāi)爾文 K)。需預(yù)估(如汽車(chē)艙內(nèi)高溫環(huán)境取358K/85°C或393K/120°C)。
 
T_test: 測(cè)試環(huán)境下的絕對(duì)溫度 (開(kāi)爾文 K)。例如H3TRB中的85°C = 358K。
 
模型核心思想: 這個(gè)模型將溫度(通過(guò)阿倫尼烏斯方程)和濕度(通過(guò)冪律關(guān)系)對(duì)器件失效速率的加速效應(yīng)結(jié)合起來(lái)。它表明:
 
提高測(cè)試溫度 (T_test) 和/或測(cè)試濕度 (RH_test) 可以顯著加快失效發(fā)生,從而在較短的測(cè)試時(shí)間內(nèi)模擬更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際使用效果。
 
濕度敏感指數(shù) γ 決定了濕度加速的“力度”。
 
2. AEC-Q102 H3TRB 測(cè)試詳解
 
全稱:High Temperature High Humidity Reverse Bias Test (高溫高濕反向偏壓測(cè)試)
 
目的: 評(píng)估半導(dǎo)體器件(尤其是光電器件如激光二極管、LED,但也包括其他分立器件)在高溫、高濕環(huán)境下,同時(shí)承受反向工作電壓(偏壓)應(yīng)力時(shí)的長(zhǎng)期可靠性。主要針對(duì)濕度侵入和電場(chǎng)共同作用引發(fā)的失效。
 
測(cè)試條件 (典型)
 
溫度:85°C (絕對(duì)溫度 T_test = 358K)
 
相對(duì)濕度:85% RH (RH_test = 85%)
 
偏置電壓: 施加器件的最大額定反向工作電壓或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)/客戶要求。例如激光二極管常用 5V 反向偏壓。(關(guān)鍵點(diǎn):偏壓方向是反向?。?/span>
 
持續(xù)時(shí)間:500小時(shí) (AEC-Q102 最低要求)。更嚴(yán)格的認(rèn)證或特定應(yīng)用可能要求 1000小時(shí) 甚至更長(zhǎng)。
 
核心應(yīng)力要素
 
高溫 (85°C): 加速材料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過(guò)程,降低材料穩(wěn)定性,增加水汽滲透性。
 
高濕 (85% RH): 提供大量水汽。在高溫下,塑料封裝材料的吸濕性增強(qiáng),水汽更容易通過(guò)封裝體或界面(如引線框架/模塑料界面)滲透進(jìn)入器件內(nèi)部。
 
反向偏壓: 在器件內(nèi)部建立電場(chǎng)(特別是在PN結(jié)、金屬間介質(zhì)層、鍵合點(diǎn)/焊盤(pán)附近)。這是誘發(fā)濕度相關(guān)失效的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。
 
主要失效機(jī)理
 
金屬遷移/電化學(xué)遷移:
 
過(guò)程: 滲入的水汽在電場(chǎng)作用下發(fā)生電解,產(chǎn)生離子(H?, OH?)。這些離子在電場(chǎng)中遷移,與金屬導(dǎo)體(如鋁、銅導(dǎo)線、鍵合線、焊盤(pán))發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(如陽(yáng)極氧化),導(dǎo)致金屬離子化。
 
結(jié)果: 離子化的金屬在電場(chǎng)作用下遷移并可能在陰極重新沉積,形成導(dǎo)電細(xì)絲(樹(shù)枝狀晶須)。這會(huì)造成相鄰導(dǎo)體間的短路(漏電增大直至燒毀)。這是H3TRB最常見(jiàn)的失效模式。
 
絕緣性能下降:
 
過(guò)程: 水汽滲入鈍化層、層間介質(zhì)、塑封料內(nèi)部或界面。
 
腐蝕: 滲入的水汽和離子(可能來(lái)自封裝材料、污染物或電化學(xué)過(guò)程本身)在金屬表面(如鍵合點(diǎn)、焊盤(pán)、引線框架)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。最終金屬導(dǎo)體開(kāi)路(如鍵合線脫落、焊盤(pán)腐蝕斷裂)或接觸電阻增大。
 
結(jié)果:增加介電常數(shù)和介質(zhì)損耗; 降低絕緣電阻; 在強(qiáng)電場(chǎng)下可能引發(fā)漏電流增大; 極端情況下導(dǎo)致介質(zhì)擊穿(如塑封料內(nèi)的“沿面擊穿”)。
 
封裝分層/開(kāi)裂:
 
過(guò)程: 高溫高濕環(huán)境下,封裝材料(塑封料、引線框架、芯片粘接材料)因吸濕膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生應(yīng)力。反向偏壓可能產(chǎn)生的焦耳熱加劇熱應(yīng)力。
 
結(jié)果: 封裝內(nèi)部界面發(fā)生分層(Delamination),為水汽侵入提供更多通道,加速上述失效。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致封裝開(kāi)裂。
 
測(cè)試結(jié)果判定
 
測(cè)試結(jié)束后,器件需要在規(guī)定條件下(通常是室溫)進(jìn)行電性能測(cè)試和外觀檢查。
 
失效標(biāo)準(zhǔn)通常包括:參數(shù)超出規(guī)格書(shū)范圍(如反向漏電流超標(biāo)、正向電壓變化過(guò)大、光功率下降過(guò)多等)、功能喪失、外觀可見(jiàn)損傷(如腐蝕、爆裂)等。
 
AEC-Q102要求通常是在指定樣本量和測(cè)試條件下“0失效”。
 
可靠性試驗(yàn)中的Peck模型(溫度-濕度模型)
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來(lái)源:漫談大千世界

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