功率三級管熱帶海洋-寒冷環境時序影響效應分析

王才菀，陳荻云，鄭南飛，陳逢榮，張少鋒,2*

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點試驗室，廣州 511370）

引言

功率三級管在航空電子裝備中應用廣泛，其主要作用是在各種電器、電子儀器的開關、放大電路中作開關及放大用。目前元器件的環境適應性工作主要集中在實驗室腐蝕試驗[1-2]和失效機理研究[3-6]，隨著裝備在國內多嚴酷地域服役的需求，對裝備用材料和元器件的環境適應性提出較大挑戰，如熱帶海洋環境-寒冷環境時序作用下的電子元件環境適應性試驗及評價工作，目前鮮有報道。整體情況來看，元器件的腐蝕試驗主要以實驗室環境試驗為主，自然環境試驗工作開展較少。為了掌握功率三級管熱帶海洋環境-寒冷環境時序服役下的環境效應問題，本研究依托具有熱帶海洋和寒冷大氣環境特征的自然環境試驗站，以功率三極管為研究對象，設計試驗方案，開展試驗并收集環境效應數據，分析外觀及功能性能的變化規律，并探究其成因，研究其失效機理，提取其影響因素等。本研究針對上述問題開展相關研究工作。

1 試驗部分

1.1 試驗樣件

選取了航空發動機電子控制器典型電路中使用的功率三級管為試驗對象，該產品采用金屬-陶瓷氣密封裝，具有體積小、重量輕、密封性好和可靠性高等特點，產品宏觀形貌如圖1 所示。

圖1 試驗用功率三級管照片

1.2 試驗方法

考慮到航空發動機電子控制器的使用環境一般在發動機短艙內，為了模擬發動機電子控制器用功率三級管的實際服役環境特點，采用棚下機箱內開展試驗。

在熱帶海洋-寒冷環境時序試驗中，為了快速獲得產品的環境適應性問題，1 年試驗期內，考慮在各站點嚴酷環境時間段開展試驗工作，熱帶海洋環境試驗站點選擇永興島大氣試驗站，寒冷環境試驗站點選擇漠河北極村試驗站，同時考慮在低溫時間段冬季和春季開展寒冷環境試驗（11～3 月），在高溫、高濕和鹽霧量值較高的夏季和秋季開展熱帶海洋環境試驗（5～10 月），樣件在試驗期間的投試照片見圖2。

圖2 功率三級管自然環境試驗投試圖

1.2.3 功能性能測試

為了進一步表征功率三級管在熱帶海洋-寒冷環境時序作用下的宏微觀形貌變化、功能性能變化情況等，對試驗前后的產品進行功能性能檢測，功能性能檢測儀器主要包括半導體曲線圖示儀；失效分析涉及儀器包括3D 立體顯微鏡、X 射線檢測系統和掃描電子顯微鏡等。

2 試驗結果

2.1 外觀形貌變化情況

宏觀來看，試驗件未出現目視可見的腐蝕；進一步利用3D 立體顯微鏡對自然環境試驗1 年后的功率三級管進行外觀檢查，檢查結果如圖3 所示，從圖中可以看出，試驗后元器件的表面發生了明顯變化，其中正面有少量的腐蝕斑點產生，背面在管腳邊緣處出現了的綠色異物，該綠色異物在管腳邊緣呈零星分布狀態。

圖3 功率三級管試驗1 年后外觀形貌

2.2 功能性能變化規律

選取功率三級管的兩個關鍵功能性能參數ICBO（集電極-基極截止電流）和ICEO（集電極-發射極截止電流）進行檢測，測試結果如圖4 所示，測試結果顯示ICBO 在50 V 值為31 nA，明顯大于規范值10 nA；ICEO在50 V 值為913 nA，明顯大于規范值30 nA，ICBO 和ICEO 測試值超標，表明元器件出現失效。

圖4 功率三級管試驗后ICBO 和ICEO 測試結果

2.3 內部損傷分析

進一步通過X 射線損傷探測方法對自然環境試驗后的功率三級管進行損傷表征，功率三級管的正面X 影像和側面影像圖如圖5 所示，從圖中可以看出，自然環境試驗后，元器件內部未見異常，表明內部為出現明顯損傷。

圖5 器件內部X 射線探傷結果

2.4 密封性檢查

依據GJB 548B-2015 方法中1014.2，對自然環境試驗后的樣品進行密封性測試，采用細檢漏和粗檢漏2 種方法檢查器件密封性情況，密封性測試結果如表1 所示，從試驗結果來看，器件經自然環境試驗后，密封性符合標準要求。

表1 自然環境試驗1 年功率三級管密封性檢查結果

2.5 SEM 及能譜分析

為了進一步分析腐蝕區域的微觀形貌及元素組成情況，利用含能譜掃描電鏡對樣品腐蝕區域進行分析，首先對管腳B 區域附近的腐蝕形貌進行觀察，相關分析結果如圖6 所示，對腐蝕區域進行放大觀察，觀察到腐蝕產物呈現出皸裂狀，進一步對該腐蝕區域進行能譜分析，主要元素包括C、O、Cl、Ni 和Cu 元素，上述元素的質量百分比分別為7.87 %、33.27 %、11.76 %、20.13 %和12.02 %。從以上數據可以發現，Cl 元素含量相對較高，是導致腐蝕的主要因素。通過腐蝕產物的顏色以及含量對比，腐蝕產物可能是NiO 或CuCl2。

圖6 管腳B 區域附近的腐蝕形貌圖

進一步對管腳E 附近的腐蝕區域進行掃描電鏡和能譜元素分析，從圖7 中可以看出，腐蝕產物的形貌和管腳B 腐蝕產物基本一致，從能譜分析結果來看，腐蝕產物包括的主要元素及其含量與管腳B 處也基本一致，可以推斷兩處的腐蝕產物基本一樣。

2.6 清洗后對樣品進行功能性能測試

對樣品表面腐蝕產物進行清洗，清洗后再進行ICBO和ICEO 測試，數據結果滿足規范值要求。

3 討論

樣品在自然環境時序試驗過程中，經歷寒冷氣候和濕熱海洋氣候，其中寒冷氣候的主要影響因素為低溫，濕熱海洋環境的影響因素包括高溫、高濕和高鹽霧沉降率，從試驗結果來看，經漠河試驗5 個月后，其功能性能測試正常，表明功率三級管具有良好的耐低溫特性。進一步轉至濕熱海洋環境繼續試驗5 個月后，樣品功能性能檢測參數ICBO 和ICEO 超差，對超差的元器件進行失效分析，發現與初始狀態相比，器件內部無損傷，主要變化為管腳局部出現綠色腐蝕產物，經能譜分析該產物為Cu 或Ni 的氧化物，同時在腐蝕產物中探測到Cl 元素，可以推斷導致其腐蝕的主要原因為Cl 離子的作用。

功率三級管的外電級燒結完成后，進一步鍍Ni、鍍金，然后通過銀銅焊料與陶瓷燒焊在一起。為了模擬元器件的實際服役環境，選擇在棚下機柜內對器件進行自然貯存試驗，在試驗過程中，濕氣擴散至機柜內，進一步沉積到元器件表面，由于濕氣中含有大量Cl 離子，在管腳處出現聚集，在潮濕空氣的作用下發生氧化反應，生成的氧化產物，導致引腳間漏電，清洗管殼后，進一步測試ICBO 和ICEO 參數，符合規范值要求，說明漏電通道位于管殼表面。

4 結論

本研究通過對功率三極管開展寒冷氣候-濕熱海洋氣候時序自然環境試驗，收集器件的環境效應數據主要包括宏微觀形貌、局部成分分析、內部損傷情況和功能性能參數等，并對ICBO 和ICEO 超差的樣品進行了失效分析，結論如下：

1）樣品經寒冷氣候試驗5 個月未出現性能退化現象，進一步在濕熱海洋環境試驗5 個月后，出現部分功能性能參數超差，推斷出對功率三級管的環境效應數據影響較大的為濕熱海洋環境；

2）樣品經5 個月寒冷氣候和5 個月熱帶海洋氣候自然環境試驗后，樣品的損傷模式為腐蝕損傷，發生區域為管腳局部，樣品內部基本無損傷；

3）推斷功率三極管ICBO 和ICEO 超差的主要原因為Cl 離子污染下引起Cu 和Ni 氧化，氧化產物導致管殼表面出現漏電失效。