【導(dǎo)讀】在“干熱”條件下,薄膜電阻的阻值隨時間變化會發(fā)生漂移現(xiàn)象。同樣在相對濕度較高的地方或應(yīng)用里使用電子設(shè)備時,對元器件的可靠性來說就更是一個挑戰(zhàn)了,那么如何在濕度環(huán)境下測試薄膜電阻的穩(wěn)定性是好是壞呢?請看專家講解的詳盡方法。
薄膜電阻的阻值隨時間變化會發(fā)生漂移現(xiàn)象,也就是在“干熱”條件下發(fā)生的情況。然而,在相對濕度較高的地方或應(yīng)用里使用電子設(shè)備時,對元器件的可靠性來說也是一個挑戰(zhàn)。因此,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q200要求在偏置濕度測試85℃ / 85 % RH條件下,也要對無源元件進(jìn)行測試。通過認(rèn)證的薄膜電阻采用了適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定R層和電絕緣漆,能夠通過 85 / 85測試。
會出現(xiàn)下面這些問題:
(1)通過1000小時的偏置85 / 85測試,對實際當(dāng)中應(yīng)用的薄膜電阻意味著什么?
(2) 在一定的負(fù)載和環(huán)境條件下,是否有可能通過使用經(jīng)過一定時間之后的85 /85測試數(shù)據(jù)或HAST數(shù)據(jù),預(yù)測在最壞情況下的電阻漂移?
要回答這些問題和其他與測試有關(guān)的問題,我們對電阻在40 °C / 93 % RH 和85 °C / 85 % RH的工作情況,以及常用的標(biāo)準(zhǔn)測試情況,進(jìn)行了長時間的實驗對比。在大約0.5%和10%的最大標(biāo)定工作功率下,使用我們最靈敏的薄膜電阻層系統(tǒng),將這些試驗的時間延長到4000小時。除此以外,我們還進(jìn)行了70 °C / 90 % RH, 90 °C / 40 % RH, 以及HAST130條件下的測試,對電阻的溫度、濕度的線性度,以及電壓對漂移的影響進(jìn)行了研究。
本文將說明這個對比研究的結(jié)果,那些數(shù)據(jù)點使我們能夠回答溫度和電壓的加速因子問題。這些成果將和現(xiàn)有的預(yù)測模型做對比。這些研究成果為設(shè)計出一個在整個溫度-濕度-時間域內(nèi)覆蓋所有老化條件、系統(tǒng)特性和元器件健康預(yù)測的新模型提供了基礎(chǔ),
主要內(nèi)容
· 開發(fā)和定義一個電子元器件的通用(偏置)濕度加速和長期預(yù)測模型,并將這個模型用于研究靈敏的薄膜電阻。
· 模型考慮了熱和濕度對降級的影響,這樣就可以在整個溫度-濕度-時間域內(nèi)做預(yù)測。
· 明確的ln√t – 1 / T框圖包含了全部信息,使我們能夠計算文中討論的塑模/漆,以及功能層上所有相關(guān)材料的數(shù)據(jù)(活化能,濕度有關(guān)的材料特性,偏置電壓加速效應(yīng)等)。
· 老化/氧化和腐蝕之間是有區(qū)別的。通過將暴露時間標(biāo)準(zhǔn)化,替代被測參數(shù)的漂移,可以消除這些相互矛盾現(xiàn)象之間的不一致性。
· 通常用實際的當(dāng)前蒸汽壓做為明確的物理速率,替換相對濕度rh。在我們的模型里,rh的作用是估計擴(kuò)散的實際速率。
· 分別找出電絕緣漆或塑模的擴(kuò)散特性,做為溫度和濕度影響元器件參數(shù)降級的主要因素。
最高到175℃的相對溫度-時間-范圍內(nèi)的干熱條件下如何預(yù)測漂移。主要發(fā)現(xiàn)是由阿倫尼烏斯定律推導(dǎo)出的隨時間變化的現(xiàn)象,以及過程常量Tstab。在時間相關(guān)的阿倫尼烏斯等式基礎(chǔ)上提出了預(yù)測模型,可以確保器件安全和可靠地工作,預(yù)計時間可以達(dá)到200000小時或 20年以上。
對于工作在非常重要且十分惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用,汽車行業(yè)對可靠性提出了更高的目標(biāo)。除了在很多年前就已成為標(biāo)準(zhǔn)的40 °C / 93 % RH測試,偏置85 °C / 85 % RH測試已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和車用無源元件的強(qiáng)制要求。尤其是無源元件的相互作用和降級機(jī)理的細(xì)節(jié)還相當(dāng)模糊。在很多研討會和發(fā)布上,元器件制造商都表示85 / 85測試對他們的專用元器件來說太困難了(例如:AEC-RW 2012: Polymer-C; AEC-RW 2008: Tantalum-C,經(jīng)過168小時的85 / 85測試)。
器件符合85 / 85對長期使用意味著什么(如17年的產(chǎn)品壽命,在標(biāo)定電壓下可工作5000到7000小時),汽車行業(yè)對此是一頭霧水。因此對無源元件預(yù)測模型的問題和需求隨之而來,尤其是電阻。既然Lawson等式還是預(yù)測有源器件的主流方法,有人會問,Lawson預(yù)測模型是否也適合電阻的潮濕老化和降級呢。
很多開放式的問題促使我們?nèi)ブ厥拔覀円呀?jīng)研究過和公開出版的薄膜電阻的預(yù)測方法,到目前為止,這些問題還沒有合適的模型,能夠檢驗該怎么把偏置濕度現(xiàn)象考慮進(jìn)來,或者做得更好一點,能夠整合進(jìn)來。
2. 偏置濕度: 老化或腐蝕效應(yīng)
測試表明,由于熱尤其是潮濕條件的不同,過度潮濕測試的結(jié)果大相徑庭。在潮濕環(huán)境中暴露1000小時后,試驗結(jié)果的差異顯示在圖1中。
1
圖 1:試驗結(jié)果的差別
這些事實包含了很多開放式問題:
· 為什么測試溫度僅僅增加45K,偏置濕度的影響會這么大?
· 為什么薄膜電阻對偏置濕度的反應(yīng)比干熱更敏感?
· 為什么更高的電壓會導(dǎo)致更低的漂移?
· 在偏置濕度測試中,降級的加速機(jī)制是什么?
· 是否有合適的方法,能夠估計和預(yù)測經(jīng)過偏置濕度應(yīng)力后的阻值漂移?
最初的85/85測試被設(shè)計成可以加速濕氣滲透進(jìn)非密封的IC封裝,以便引發(fā)金屬層里的腐蝕失效。在評估測試結(jié)果的時候,應(yīng)當(dāng)始終搞清楚,測試結(jié)果是由(可預(yù)測)的老化過程還是由(破壞性)的降級造成的。這樣我們就可以徹底地區(qū)分氧化/鈍化效應(yīng)和腐蝕機(jī)制。圖2顯示了由這兩種原因引起參數(shù)漂移的基本區(qū)別。
圖2: 氧化/鈍化與腐蝕機(jī)制
[page]
3. 深入研究的測試程序
我們的測試計劃通盤考慮了下面這些因素:
· 按照AEC-Q200(同一批次,對所有被測變體進(jìn)行激光微調(diào))的要求,使用認(rèn)證過的靈敏的薄膜電阻阻值;
· 比較偏置濕度85 / 85 測試結(jié)果與40 / 93測試結(jié)果;
· 引入70℃ /90% RH和90℃ /40% RH這兩個中間測試狀態(tài);
· 延長測試或暴露時間到 4000小時 (10000小時);
· 使用兩種不同的電絕緣漆;
· 在每個變體上施加兩種電壓/負(fù)載(從額定電壓的10%到30%,利用偏置濕度測試,按照標(biāo)準(zhǔn)車用元器件的要求進(jìn)行認(rèn)證);
· 比較偏置測試和HAST 130(高加速應(yīng)力測試:130℃和85%RH偏置濕度測試,相同的批次和電氣狀態(tài))的結(jié)果。
很重要的一點是,兩種漆都按照85 / 85(也就是說我們只按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對可用的樣品進(jìn)行了基本的研究)的行業(yè)要求經(jīng)過了完整的認(rèn)證和發(fā)布。另一個重點是必須從最靈敏的阻值范圍內(nèi)選取樣品。圖3顯示了薄膜電子設(shè)計的臨界邊緣,可做借鑒。
圖3: 不同阻值的電阻層厚度
方形電阻R□的整個阻值范圍使有三種合金(I,II和III)決定的。合金II采用的是CrNiX(X代表第三種元素)。1 Ω~100Ω之間的R□是通過改變2µm到30nm的電阻層厚度來實現(xiàn)的。在氧化和腐蝕同時發(fā)生時,電阻層的改變會引發(fā)不同的效應(yīng)。較厚的電阻層會出現(xiàn)表面或顆粒邊界效應(yīng)。相反,我們必須面對在薄電阻層上出現(xiàn)的體積效應(yīng),這種效應(yīng)可以影響整個層的厚度。在氧化的情況下,所有電阻材料都會受到影響。在腐蝕的情況下,這會導(dǎo)致電阻層的徹底破壞。為了做試驗,我們挑選了這類敏感的樣品,保證樣品會出現(xiàn)最壞的情況(電阻類型有MINI-MELF, MMA0204,最大阻值為180 kΩ,R□大約是800 Ω)。
各個測量點是從20個測試樣品的單一結(jié)果得到的。為了實現(xiàn)統(tǒng)計覆蓋到全部事件(最壞情況)的98%,每個測試點的參數(shù)值的概率分布都進(jìn)行了估值。
4.測試結(jié)果和主要發(fā)現(xiàn)
兩種不同電絕緣漆和兩個不同偏置電壓的測試結(jié)果見圖4。我們找到了兩個明顯的降級機(jī)理,可以區(qū)分老化(40 / 93, 70 / 90)和破壞性的腐蝕狀態(tài)(85 / 85)。
圖4: 在測試環(huán)境中暴露4000小時后的測試結(jié)果 (40 / 93, 70 / 90, 85 / 85)
在這個階段,還不能根據(jù)85 / 85測試數(shù)據(jù)做比較或預(yù)測。因此,為了使用可比較的數(shù)據(jù),我們在0.07%到0.1%再到0.2%的ΔR / R低漂移水平上,提出了對所有阻值漂移進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的方法。通過定義一個既明顯但又幾乎不會造成破壞的可接受且在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)的漂移水平,我們就可以比較全部測試數(shù)據(jù),另外還可以加上HAST 130的測試結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)漂移的結(jié)果(在我們這個例子是ΔR / R)與相應(yīng)的暴露時間參見圖5。暴露時間的標(biāo)準(zhǔn)化的各個測量點要么是直接推導(dǎo)出來的,或是經(jīng)過我們不同的濕度測試,從120個獨立的ΔR / R漂移測量結(jié)果推算出來的。
圖5: 在非破壞性的ΔR / R 水平上對測試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化
每個參數(shù)的漂移從方方面進(jìn)行了徹底的定義:幅度,系統(tǒng)/材料的關(guān)系,在規(guī)范內(nèi)可接受的值,估計的元器件預(yù)期壽命。
[page]
對于180 kΩ的薄膜電阻,我們定義并選取ΔR / R of ≤ 0.2 %(我們估計:只有顆粒邊緣的氧化會改變電導(dǎo)率,在材料層上也沒有體積效應(yīng))。
經(jīng)轉(zhuǎn)換后的第1種漆和第2種漆的測試數(shù)據(jù)見圖6(在這個階段,預(yù)估的RH設(shè)定值稍微有點差別,但沒有關(guān)聯(lián))。尤其是在較低的溫度下,漆的變化很明顯。曲線可能匹配指數(shù)函數(shù),但匹配度不是很好,尤其是第1種
圖 6: 比較兩種漆的測試結(jié)果
5.嘗試使用現(xiàn)有模型
在很多論文和應(yīng)用報告里,Lawson模型還是非常常用的的,尤其是評估有源元器件的潮濕加速動作。因此,為了評估我們的測試結(jié)果,我們選用了這個模型。我們使用Lawson建議的數(shù)值,比較在不同相對濕度rh (公式 1)下試驗結(jié)果的加速因子。
公式 1:
我們選用了第2種漆,因為它的指數(shù)趨勢線的線性相關(guān)最好。首先,我們把測量數(shù)據(jù)代到Lawson等式里,選定激活能EA (設(shè)為0.9 eV)和因子 b (設(shè)為1.0)。在測量溫度范圍內(nèi)挑取幾個點,忽略相對濕度變化之間的偏置電壓,我們的結(jié)果是“不適合”,如圖7所示。
圖 7: 估算加速因子 (Lawson)
檢索現(xiàn)有文獻(xiàn),Peck是提到的另一個作者。他改變了Lawson建議值,發(fā)現(xiàn)使用相對濕度能夠適應(yīng)他自己的測試結(jié)果。在一篇文章里,Hallberg很好地概括了所有濕度測試和加速模型,包括他自己的。過去30年,他與Peck對濕度加速進(jìn)行了大量研究。在很多出版物里都提到,他們的研究成果的適應(yīng)性最好。圖8是Hallberg收集的可用模型。除了溫度意外,他們都使用相對濕度做為主要的測量參數(shù)。檢索最近幾年有關(guān)濕度加速的出版物,我們發(fā)現(xiàn),人們還在使用與Hallberg和Peck 描述或收集的模型相同的或可比較的模型。
[page]
我們的目的是在很寬的不斷變化的溫度-時間-濕度范圍內(nèi),預(yù)測元器件的可靠性。因此,使用上面的模型并不能滿足我們的要求,因為在一定的相對濕度下,實際的含水量極大程度上取決于溫度。測量依賴溫度的實際含水量的指標(biāo)是對應(yīng)的蒸汽壓pvapor。這個數(shù)據(jù)可以從教科書里導(dǎo)出來。
圖 9: 蒸汽壓與溫度
圖9顯示了溫度對pvapor (100 % RH)的依賴關(guān)系,包括我們在40℃、70℃、85℃和130℃下做試驗的測試點。在我們的試驗里,實際的蒸汽壓可以用pvapor x rh (例如在130℃: 2700 hPa x 0.85 = 2295 hPa)來直接計算。
5.1. 影響參數(shù)
仔細(xì)分析所研究的薄膜電阻的設(shè)計,推導(dǎo)出下面這些影響參數(shù),如圖10到圖13所示。
電子元件一般是在芯部材料上覆蓋一層敏感的功能金屬層,外面再用密封、漆或塑模保護(hù)。我們的薄膜電阻有一個鋁、R層的底座或芯部材料,外面涂一層電絕緣漆,如圖10所示。元件的漆層直接暴露在測試或應(yīng)用(例如85℃)的環(huán)境溫度下,不存在溫度梯度。水分子被吸收到漆的表面,吸收度取決于溫度。在漆層界面與外部環(huán)境之間存在壓差,壓差大小取決于實際的蒸汽壓。
圖10: 水汽濃度,蒸汽壓
壓力平衡導(dǎo)致水或其他低分子物質(zhì)的擴(kuò)散到漆體里,如圖11所示。水或其他低分子量物質(zhì)的匯集會擴(kuò)大壓力擴(kuò)散效應(yīng)的界面面積。有水的時候,高溫和偏置電壓會加速氧化,在金屬層上產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,由于在層的表面存在電勢差,在最壞的情況下會在R層上產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。水濃度對溫度依賴程度較高,因此在熱和偏置的狀態(tài)下,器件被破壞的風(fēng)險較高。
圖11:蒸汽擴(kuò)散,施加電壓加速
當(dāng)施加電功率時,會發(fā)生特殊的減速效應(yīng)。電功率會被轉(zhuǎn)換成電阻層里的焦耳熱。電阻層的溫度會比環(huán)境溫度高一點,減緩了在漆里面和界面上水匯集處的擴(kuò)散。
這就解釋了由于相應(yīng)的負(fù)載和焦耳熱分別在漆里面和R層里面影響擴(kuò)散過程,較高電壓的電阻樣品降級速度較慢的現(xiàn)象。最后,在漆里面失效或缺陷的地方(氣泡,空洞,小孔或由表面引腳的分層引起本地擴(kuò)散),會強(qiáng)化或引發(fā)毀滅性的的加速,如圖13所示。
圖 13: 缺陷加速
[page]
我們可以得出結(jié)論,對于特性降級和預(yù)測特性降級,在給定R層或金屬系統(tǒng)時,漆或塑模的參數(shù)是決定性因子:
· 由吸附作用造成水汽滲透,進(jìn)而形成水分子的移動à擴(kuò)散;
· 漆的可靠性是由低分子物質(zhì)的擴(kuò)散速度決定的;
· 為了在漆里保持氣體擴(kuò)散,需要有凈容積;
· 依賴于溫度和漆的有機(jī)鏈段的移動,在擴(kuò)散的使用和加速過程中會產(chǎn)生新的凈容積;
· 在界面上或漆里面的空洞會提高濃度梯度,減緩擴(kuò)散。
圖14顯示把測試數(shù)據(jù)首先臨時轉(zhuǎn)換成與工況有關(guān)的依賴于Lawson的模型:標(biāo)準(zhǔn)化ΔR / R ≤ 0.2 %:暴露時間texp與蒸汽壓pvapor。這個臨時模型使用明確的物理量pvapor而非RH。溫度與相應(yīng)的蒸汽壓部分相關(guān)??梢酝茖?dǎo)出加速因子,以年來表示。
圖 14: 蒸汽壓加速,預(yù)測
現(xiàn)在可以回答有關(guān)預(yù)測的要求了。例如,“在60 °C和45% RH下,保持ΔR / R of ≤ 0.2 %的使用時間有多長?”通過簡單的計算,199 hPa * 0.45 à 90 hPa (數(shù)據(jù)pvapor 見圖9),就可以直接得出在現(xiàn)場的實際偏置濕度條件下,暴露時間可以達(dá)到15到30年,如圖14所示。
這個模型沒有全面考慮水?dāng)U散對溫度的依賴,尤其是較高的溫度和低蒸汽壓的情況。另一個物理方法能夠更好地考慮這個影響和實際擴(kuò)散的依賴以及吸附,這個方法是必需的。
6.通用模型:在溫度-濕度-時間域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)漂移
6.1. 基礎(chǔ)模型
在我們的前期工作總發(fā)現(xiàn)與時間有關(guān)的Arrhenius函數(shù)是重大成果,基于這個成果我們開發(fā)出了下面的通用模型。
與時間相關(guān)的物理過程有很多,可以用Arrhenius定律來描述。擴(kuò)散是其中之一。在干熱條件下,用依賴時間的漂移做為漆/塑模擴(kuò)散特性的關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)強(qiáng)調(diào)得很多了,在前面的章節(jié)也得出結(jié)論。在高濕度環(huán)境條件下的測試,這一點需要更加強(qiáng)調(diào)。
Sinnadurai等人已經(jīng)在厚膜電阻上做了類似的觀察,研究通常的老化動作。他們認(rèn)為,擴(kuò)散主要是由一些隨時間的平方根而變化的老化參數(shù)引起的,與導(dǎo)熱過程受擴(kuò)散控制的降級相符。
擴(kuò)散機(jī)制是教科書的內(nèi)容:
公式2給出了擴(kuò)散長度Ld,D是擴(kuò)散系數(shù)或擴(kuò)散率,t是(暴露)時間。
圖15和16是試驗結(jié)果,轉(zhuǎn)換成依賴于溫度倒數(shù)1/T的√texp,以便帶入Arrhenius形式,能夠直接讀出EA / k。
這里,我們把40 / 93 和70 / 90與85 / 85和HAST130的數(shù)據(jù)分開。這樣就對應(yīng)前面出現(xiàn)和描述的老化和腐蝕效應(yīng)。我們根據(jù)擴(kuò)散過程研究出新的建模方法,看起來很有前途。
圖 16: 第二種漆: 測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成塑模數(shù)據(jù)
[page]
6.2. 開發(fā)模型
擴(kuò)散可以分成與時間相關(guān)和與時間無關(guān)的兩種情況,如圖17所示。擴(kuò)散長度是描述擴(kuò)散問題的特征參數(shù),隨暴露時間的平方根√texp而增加。
如果擴(kuò)散的長度短于漆或塑模的厚度,在金屬層表面或在我們案例里漆和R層的界面的水汽濃度會大不相同(見圖17,左圖)。由于在漆的厚度方向水汽濃度的梯度大,在界面處的濃度與時間高度相關(guān)。
圖17: 擴(kuò)散: Ld <xlacq à 時間相關(guān), 左圖; Ld >xlacq 時間無關(guān), 右圖
如果漆或塑模的厚度小于擴(kuò)散長度(見圖17,右圖),在漆里面濃度分布基本上是線性的。在一定的溫度和蒸汽壓力下,界面上的水汽濃度會變高。溫度會在金屬層上持續(xù)產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)。然而,水汽濃度再提升并不會進(jìn)一步加快腐蝕進(jìn)程。我們把界面處的濃度閾值用溫度Tcrit 和Tcrit eff來表征。
Cussler提出了一個描述氣體里在兩個不同壓力(但溫度相同)下自擴(kuò)散的經(jīng)驗公式:
正如圖15和圖16已經(jīng)顯示的,我們的試驗數(shù)據(jù)對擴(kuò)散建模方法吻合得很好。因此,有關(guān)的擴(kuò)散過程可以用一個模型來描述。新模型的基礎(chǔ)從公式5的第二個版本推導(dǎo)出來的ln√t – 1 / T關(guān)系圖。
圖18里的圖在臨界溫度的倒數(shù)1 / Tcrit斜線分成與時間無關(guān)(左)和與時間相關(guān)(右)的兩個部分。在幾乎100%飽和的濕度條件下,溫度相關(guān)性用兩個線性特征參數(shù)來定義,分別在ln√t – 1 / T關(guān)系圖里與時間相關(guān)和與時間無關(guān)的地方。這兩條線表征了在偏置濕度下可能的暴露時間的最壞情況。
圖 18: 在時間相關(guān)和時間無關(guān)區(qū)域的濕度降級
[page]
當(dāng)在圖里加入干熱特征時(按照與時間相關(guān)的Arrhenius定律方法推導(dǎo)),線性度非常好,如圖19所示,這很好地表明擴(kuò)散在干熱老化機(jī)制里也是一個主要影響參數(shù)。當(dāng)用計算方法標(biāo)準(zhǔn)化對漂移的時間相關(guān)性進(jìn)行補(bǔ)償時,干熱特征只是被驅(qū)動的因素,用功能層的活化因子EA來定義。擴(kuò)散條件是恒定的,與我們在ln√t – 1 / T圖與時間無關(guān)區(qū)域里水飽和界面情況下發(fā)現(xiàn)的情形是一致的。
圖 19: 在 ln√t – 1 / T圖里的干熱特性
通過這兩步,就可以導(dǎo)出圖20所示的通用模型。
在與時間無關(guān)區(qū)域,當(dāng)水汽濃度超過臨界值時,功能層(在我們的案例里是電阻膜)的活化能EA將受到溫度和相應(yīng)的表面電勢差的影響,用Δ(EAbias/k)來表達(dá)。斜坡特性曲線可以認(rèn)為與干熱曲線平行,氧化/腐蝕速度與時間無關(guān),但或者非常依賴于一種極端情況,或是在另一邊水濃度非常低的區(qū)域。
圖20: 元器件溫度/濕度老化特性的通用模型
在有偏置濕度的情況下,由于在漆層界面上水汽濃度與時間有關(guān),溫度在圖內(nèi)與時間有關(guān)區(qū)域的影響是減小的。封裝材料在擴(kuò)散上的依賴性用ΔEAtd 和lnΔ√(x / 4D 。.)td這兩個影響因子來表達(dá)。電負(fù)載轉(zhuǎn)換成焦耳熱可以用減速因子EAjoule來表達(dá),在前面圖12已經(jīng)解釋過了。
為了評估吸附的影響(見圖10),我們再次利用了教科書的知識。水分子的數(shù)量是由一側(cè)的絕對濕度決定的(由于達(dá)到漆或塑模表面的水蒸氣的速率較高,更高的水濃度會導(dǎo)致更高的吸附率),和另一側(cè)的溫度(更高的溫度導(dǎo)致更高的吸附率)。綜合考慮這兩個作用方向相反的因素,意味著在表面的水含量會達(dá)到一個平衡狀態(tài),主要是由空氣中的相對濕度rh(相對濕度rh)決定的。
在模型里引入吸附率依賴度,見圖12。在與時間有關(guān)的區(qū)域,與吸附有關(guān)的特性在rh ≤ 0.93的幾乎飽和濕度這個極端,和rh 幾乎為0的區(qū)域內(nèi)擺動,取決于實際存在的相對濕度。
圖 21: 吸附的影響; rh 特性在td 和干熱現(xiàn)之間輪換
整個rh的依賴范圍在飽和濕度和干熱之間,可以用公式6到公式8定義與時間有關(guān)的情況,公式9和公式10用于與時間無關(guān)的情況。在大括號里的項表示了與濕度有關(guān)的方面。
為了防止和檢驗這個線性rh 依賴度是否對我們的模型也有效,對第1種漆和第2種漆進(jìn)行了另一個偏執(zhí)濕度測試。選擇的條件是90 °C和 40 % RH (pvapor = 280 hPa),恰好與前面在70 °C和90 % RH下測試的蒸汽壓力一樣。測試結(jié)果帶入圖22和圖23的ln√t – 1 / T圖(看綜合星號,0.40 rh at 90 °C,1/T = 0.00275 K-1)
我們的結(jié)果證實實際的吸附率與實際的相對濕度rh成正比。對于給定的溫度,在干熱和幾乎飽和濕度td (rh 約為 0.90 至0.93)暴露時間Δln√texp的結(jié)果差異顯示在與時間相關(guān)的區(qū)域,與rh線性相關(guān),見圖22和23。對于給定的rh ,得出的新特性落在td 的特性線和與干熱相關(guān)的實際rh 數(shù)據(jù)之間。計算得出的rh = 0.4棕色破折線恰好穿越90°C, 40 % RH的實際測試點。
[page]
在公式8的時間無關(guān)區(qū)域,推導(dǎo)出二次方程,從我們的測試結(jié)果的經(jīng)驗數(shù)據(jù)估計出來。在時間無關(guān)區(qū)域檢驗在較低rh的適用性,要在今后的研究中獲得更堅實的測試數(shù)據(jù)。
在幾乎所有的技術(shù)應(yīng)用里,電子元器件會在溫度超過100 °C的正常大氣壓下工作。因此,出于實際需要,會在達(dá)到元器件的上限溫度內(nèi),通常在與時間相關(guān)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行所有預(yù)測。
公式11和公式12描述了估算擴(kuò)散Deff 的系數(shù),以及臨界溫度相關(guān)涂漆或塑模系統(tǒng)的Tcrit 或 Tcrit eff。
為了簡化計算,這里Deff事實上是表達(dá)的是滲透率(S0 x D0),包括與溫度相關(guān)的氣體溶解S,是對漆/R層界面上的實際水汽濃度的相對測量。
相關(guān)材料數(shù)據(jù)或功能信息可以直接從ln√t – 1 / T圖讀出來,或可以給給出的公式簡單地算出來。
6.3.實際使用模型和ln√t – 1 / T圖
我們把具體測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到圖19和圖20。我們在給定的電阻膜材料上使用了兩種不同的漆,現(xiàn)在可以完全顯示其特性,并且可能在整個規(guī)定溫度-濕度-時間域內(nèi)做預(yù)測。
圖 22: 第一種漆, 直接讀出 EA / k 和ln{xlacq /√(4D x …)}, 用虛線框起來
可以獲得以下數(shù)據(jù):
A. 塑模 / 漆:
· 擴(kuò)散系數(shù) D0, Dt crit 和 D20;
· 擴(kuò)散過程的活化能 EA lacq;
· 電負(fù)載的減速效應(yīng) (焦耳熱) ΔEAJoule;
· 臨界溫度 Tcrit 是一個特性;
· 有效的臨界溫度 Tcriteff, 與討論的具體情況相關(guān)。
圖 23: 第2種漆,直接讀出 EA / k 和ln{xlacq/√(4D x …)}, 用虛線框起來
B. 功能層 (金屬層):
· 活化能EAlayer;
· 偏置電壓加速效應(yīng) ΔEAbias, 在層界面上達(dá)到臨界水汽濃度時;
· 非臨界暴露時間texp最大值的預(yù)測工具,對于每個給定的溫度、濕度和負(fù)載條件。
示例:
現(xiàn)在我們可以用具體數(shù)據(jù)估計和比較第1種和第2種電絕緣漆。
未來,我們可以預(yù)測現(xiàn)場或測試應(yīng)用的情況,如在130 °C (T = 403.12 K) 和 155 °C (T = 428.12 K)工作溫度、最小負(fù)載,以及最壞氣候條件41 °C和 75 % RH下的電氣應(yīng)用。
[page]
結(jié)果見下表。
給定R層的活化能是相同的,可以用EAlayer / k直接讀出,如à EAR-layer = 0.96 eV。
計算最大與時間無關(guān)的偏置濕度加速,做為差值ΔEAbias = 0.16 eV。
*) 備注:有記錄的最高溫度和濕度是2000年在沙特阿拉伯的Dharhan,溫度是41℃,濕度超過70 %( pvapor = 59 hPa; 41 °C / 100 % RH: 78 hPa)。
結(jié)果:
兩個材料在兩個環(huán)境條件下都出現(xiàn)了差異。然而,即便在更糟的自然氣候條件下和130℃的環(huán)境溫度下,預(yù)計壽命也分別達(dá)到4000年或33E+9年,比現(xiàn)場使用對元器件的實際要求高得多。在155℃環(huán)境溫度下,這些被調(diào)查的電絕緣漆之間特性的差異變得十分明顯。
結(jié)論
-偏置濕度可以是破壞性的,即便滿足了標(biāo)準(zhǔn)(AEC-Q200)的官方要求。
-獨立的85 / 85或HAST測試只適用于評估耐潮能力的相對比較,對推測所研究的薄膜電阻系統(tǒng)沒有幫助。兩種測試都可能是破壞性的。
-對環(huán)境里達(dá)到非破壞性的漂移水平的暴露時間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,用于新的預(yù)測模型。
-分配蒸汽壓力,直接讀取允許的暴露或加速因子上的信息,就可以產(chǎn)生一個簡單實用的預(yù)測工具。
-公開的模型(如Lawson)不適用于薄膜電阻,也不使用通用方法和與濕度加速有關(guān)的問題。
-相對濕度是一個描述實際吸附率的重要參數(shù),在試驗研究里其影響無疑是可度量的。其他作者根據(jù)rh依賴度設(shè)計出模型,在一些使用模塑或功能材料的特定情況下已經(jīng)被采納。因此他們的結(jié)果模型一定是不同,并且只有在不變的模塑材料和功能層的激活能情況下才有效。他們沒有考慮到重要的各個擴(kuò)散情況和系統(tǒng)的氧化特性。
-我們的模型遵從與擴(kuò)散有關(guān)的系統(tǒng)特性,如本文所討論的涂層材料的實際密封特性。
-像85 / 85 或HAST測試的標(biāo)準(zhǔn)要求可以用客觀數(shù)據(jù)對實際應(yīng)用需求和器件使用條件進(jìn)行評估;
-模型和ln√t – 1 / T圖的描述是從對薄膜電阻的試驗研究推導(dǎo)的,將會形成廣泛影響,被轉(zhuǎn)換用于所有模塑或涂漆的有熱或濕度有關(guān)降級效應(yīng)和健康預(yù)測的有源和無源元器件。
附錄:符號表及其含義/解釋