基于POF的塑封光電耦合器貯存壽命評價方法研究

高成，熊園園，楊達明

（北京航空航天大學可靠性與系統工程學院，北京，100191）

0 引言

塑封光電耦合器一般是由光發射器和光探測器兩部分組合而成，以光為媒介實現電-光-電的轉換。塑封光耦隨著貯存年限的增加，器件會發生封裝材料的退化、芯片的腐蝕、導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非常重要的指標。失效物理（Physics Of Failure,POF）是從物理、化學角度解釋元器件受外界環境應力發生失效的原因、機理的學科。基于失效物理的壽命建模，需要分析元器件的失效機理，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計推斷，目前，已經有很多學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理建立壽命模型，對貯存環境中光耦的壽命進行評價。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價提供參考。

1 基于隧道擊穿的貯存壽命模型研究

對某次在貯存環境下失效的光耦器件進行失效分析時，發現光耦的三極管芯片上發生了擊穿現象，分析由于光探測器中三極管基區薄，在高溫貯存下容易發生隧道擊穿失效。由于熱應力的影響，將束縛在P區電子的直接激發到導帶，在勢壘區形成大量的電子-空穴對，通過漂移運動，形成較大的反向電流，產生隧道擊穿。隧道擊穿是由于少數載流子漂移運動形成的，假設在P區處于價帶的電子總數為N，在勢能的推動下，每個電子從價帶躍遷進入導帶的概率是相等的，當有K個或者K個以上的電子發生躍遷時，三極管發生結擊穿。由文獻[1]可知，t時刻電子躍遷數X服從對數正態分布，。在t時刻，由于躍遷的電子數的變化引起的擊穿電壓的變化為：

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

激發的電子數均值與時間的關系符合拋物線增長規律，即：

ω表示激發速率常數，ω與環境溫度有關，與溫度的關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，假設擊穿電壓小于閾值VS時，即可認為三極管失效，則三極管發生失效的概率為

經式(1)-式(6)，三極管的壽命分布函數為對數正態分布，假設光電耦合器光探測中有N個三極管芯片，只要有一個三極管發生擊穿，則認為整個光耦失效，輸出電壓失效，記錄每個三極管擊穿電壓退化失效時間為 Ti( i = 1 ,2,3… ,N )，塑封光電耦合器在時間t發生輸出失效的概率為(至少一個三極管發生擊穿)：

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

它是含有兩個參數的壽命分布，記為 W ( m ,η)，其中：

η＞0，尺度參數，m＞ 0，形狀參數，與溫度無關。

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

其中 Γ (x )為伽馬分布，η0為貯存環境下的特征壽命。

2 基于壽命模型的光電耦合器壽命評價

貯存壽命評價是根據器件在貯存過程中的相關可靠性信息，運用一定的手段來評估可靠性指標，加速實驗是指在保證失效機理不變的前提下，提高實驗應力水平，使器件加速失效, 以便在短時間內獲得失效數據, 從而評估器件正常應力水平下的可靠性或壽命指標。

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，統計失效時間如表1所示。

表1 器件進行加速壽命試驗的失效時間

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形狀參數m、特征壽命η的估計值，將4組恒定應力下的數據點(1 /ti, lnηi) (i=1,2,3,4)采用最小二乘擬合,擬合決定系數R2=0.9825，接近1，擬合程度很好，求解出式(10)的參數 α =-6 .201，β = 5 508.6，得到物理加速模型 ：

3 結論

長期以來，塑封光電耦合器的壽命評價都依靠大量數據擬合推導，沒有建立壽命評價模型，本文在分析失效機理的基礎上，建立光耦的貯存壽命模型，并對型號為TLP250塑封光耦進行壽命評價，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價提供參考。

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.