结温准确性对GaN HEMT加速寿命评估的影响

翟玉卫，程晓辉，刘岩，郑世棋，刘霞美

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）

结温准确性对GaN HEMT加速寿命评估的影响

翟玉卫，程晓辉，刘岩，郑世棋，刘霞美

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）

通过对阿伦尼斯方程进行研究，指出了结温检测结果的误差将会影响加速寿命试验结果的准确性。根据GaN HEMT加速寿命试验中常用的结温获取方式，分别讨论了采用热阻修正结温和直接测量结温两种方式获取结温对器件寿命评估结果造成的影响。研究了Cree公司GaN HEMT结温测量方法，指出依据显微红外测温结果得到的加速寿命数据与依据有限元仿真得到的加速寿命数据相差近4倍。

氮化镓高电子迁移率晶体管；工作寿命；加速寿命试验；阿伦尼斯方程；结温

0 引言

随着微波通讯系统或装置向高频段和大功率的方向发展，传统的第一代Si器件和第二代GaAs器件已经不能满足应用需求。基于宽禁带材料的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）等第三代微波功率器件已经逐渐地成熟，极大地推动了雷达、通讯系统的迅速发展。

GaN HEMT多应用于关键的设备或系统中，因而一般都对其寿命有着较为严格的要求，很多时候甚至要求其寿命达到百万小时以上。为了准确地评价器件的可靠性，通常需要对器件进行寿命评估试验，对于长寿命器件而言，由于采用常规的应力寿命试验时所施加的应力水平较低、试验时间长、费用高、所耗费的人力和物力难以接受，因此，加速寿命试验便成为了一种评估长寿命器件的可靠性的理想方法。

加速寿命试验是为了缩短试验时间，在不改变故障模式和故障机理的条件下，采用加大应力的方式来促使样品在短期内失效，以预测其在正常工作条件或储存条件下的可靠性的试验方法[1]。在众多的应力中，温度应力是造成器件失效的主要应力之一。关于各种微波功率器件温度应力加速寿命试验的研究已经有很多，但是重点集中在试验方法、试验过程等方面，并且一般采用Arrhenius方程作为试验模型[2-6]。GaN HEMT的温度应力加速寿命试验一般在常规应力下测量器件的结温，将激活能和结温数据代入Arrhenius模型，就可以得到预计寿命条件下的加速因子。本文将着重针对GaN HEMT结温检测技术的现状，分析结温检测结果的不准确对加速寿命试验结果造成的影响。

1 Arrhenius方程的基本原理

温度应力的加速寿命试验常用的模型有Arrhenius方程，如公式（1）所示。根据Arrhenius方程可知，产品的性能退化速率与激活能指数成反比，与温度倒数的指数成反比。

式（1）中:V——反应速率，mol/（L·s）；

A——比例常数，或称“频率因子”、“指前因子”；

Ea——激活能，eV；

T——热力学温度，K；

K——波尔兹曼常数，为8.617×10-5eV/K。

对上式两边取对数得到公式（2）:

在假设激活能不变的前提下，可以经过公式（3）的变换过程，推导出器件工作温度下的寿命与加速温度下的平均寿命之比，即通常所说的加速因子，如公式（4）所示。

式（4）中:τ——加速因子；

Ta——加速温度，K；

T0——正常工作温度，K；

L（T0）——正常工作条件下的平均寿命，h；

L（Ta）——加速温度下的平均寿命，h。

根据国军标GBT 5080.4-1985的规定，在置信度为60%的条件下，为了保证器件样本零失效，加速寿命试验的实际小时数应满足以下要求。

在激活能已知的情况下，加速寿命试验的基本过程如下所述。

a）在预计常规使用条件（一般为壳温Tc0）下测量器件的结温T0，计算得到器件的结壳热阻θjc。

b）改变被测件的壳温，同时监测结温，使结温达到加速寿命试验的条件Ta，记录此时的壳温Tc1。当无法直接测量得到Ta时，一般采用热阻修正的方法推导出加速条件下的Tc1。

c）根据要求的L（T0）和公式计算加速因子τ，得到L（Ta）。

d）将器件壳温设置为Tc1，进行不小于t时间的加速寿命试验，根据试验过程中器件的失效情况即可得到器件是否满足长寿命工作的结论。

这个过程通常是一个在加速寿命时间和加速温度之间进行折中选择的过程。

2 GaN HEMT结温检测的准确性对加速寿命试验的影响

进行加速寿命试验条件选取和结果判断的关键环节是准确地测量GaN HEMT在不同应力条件下的结温。在预期寿命既定和激活能已知的条件下，结温测量的不准确必将对加速寿命试验的条件选择和试验结果造成影响。以下将根据试验条件选择方法的不同，分两种情况进行讨论。

2.1 采用结壳热阻修正方式获取结温对加速寿命试验的影响

假设激活能和预期寿命已知，由Arrhenius方程可知，此时加速因子只与结温检测结果有关，如公式（6）所示。

对公式（6）左边的T0和Ta分别求偏导数，得到:

从式（7）-（8）可以看出，加速因子随常规结温的增大而减小，随加速结温的增大而增大。

在有些情况下，加速条件下的结温过高，超出了结温检测仪器的测量能力范围，此时，一般采用常规应力下结壳热阻修正的方式得到加速结温条件下的壳温，具体的计算方式如公式（6）所示[6]。

式（9）中:θjc——高温下沟道到管壳的热阻，K/W；

Ta——高温下的沟道温度（绝对温度），K；

θjc——热阻测试温度下沟道到管壳的热阻，K/ W；

T0——常规壳温下沟道温度（绝对温度），K。

此时，Arrhenius方程中只有T0是通过测量得到的，根据公式（7）可知，T0偏高会导致加速因子变小，进而导致真实寿命高于预期寿命；T0偏低会导致加速因子变大，进而导致真实寿命低于预期寿命。

设典型的GaN HEMT的激活能为1.4 eV，真实的加速结温为210℃，真实的常规结温为125℃，加速试验得到的预期寿命时间为2×106h，预期寿命与真实寿命的时间随结温测量误差的变化而发生变化的情况如图1所示。从图1中可以看出，结温测量偏小会导致器件的真实寿命低于加速试验得到的计算评估结果，并且这个偏离随着结温测量误差的变化而呈指数性变化；反之，当结温测量偏大时，真实寿命高于评估结果。

图1 热阻修正法器件寿命随结温测量误差而发生变化的情况

2.2 采用直接测量方式获取结温对加速寿命试验的影响

采用直接测量的方式获取结温指采用某种技术手段，如电学法、显微红外法[8]等直接测量T0和Ta，再根据Arrhenius方程确定加速因子。用公式（8）减去公式（7），得到公式（10）。

在T0和Ta二者同时增大相同的量时，加速因子随结温检测结果的增大而减小。根据上述理论，采用相同的结温检测技术检测，如果结温检测结果都偏高，设偏高的量相同，则在相同的变化量下，加速因子减小，导致加速寿命时间延长，预期寿命低于真实寿命；如果结温检测结果都偏低相同的量，则加速因子变大，导致加速寿命时间减少，预期寿命高于真实寿命。

以激活能为1.4 eV，真实的加速结温为210℃，真实的常规结温为125℃，理想的寿命时间为2× 106h的典型的GaN HEMT器件为例，其预期寿命与真实寿命的时间随结温测量误差的变化而发生变化的情况如图2所示，趋势与图1中的类似。相对于2.1节中的方法，在相同的结温测量误差下，直接测量法导致的寿命偏差小于热阻修正法导致的寿命偏差。

图2 直接测量法器件寿命随结温测量误差而发生的变化的情况

可见，结温检测结果存在误差时会严重地影响加速寿命试验结果的准确性，导致高估或低估器件的寿命。

3 GaN HEMT结温准确检测的现状

由于GaN HEMT器件的一个重要特点是微区高热，美国Cree、Kuball等公司的大量的研究工作都证实了GaN HEMT的这一特点[9-10]，因而很多现有的结温检测技术的检测结果都会存在较大的误差。目前国内应用最为广泛的GaN HEMT结温检测技术为显微红外热成像测温技术，但是其空间分辨率较低，会低估GaN HEMT的峰值结温，以美国Cree公司的研究成果为例，其采用显微红外热像仪直接测量器件的峰值结温为183℃，采用仿真结果修正技术得到的峰值结温为234℃，二者之间的温差为51℃，如图3所示。该公司已经把显微红外测试结合有限元仿真测量器件真实结温的方法作为公司的标准方法。

图3 Cree公司给出的典型GaN HEMT的温度分布图

参照Cree的研究成果，如果依据显微红外直接检测结果184℃作为T0来制定加速寿命试验方案，设定加速结温Ta为300℃，激活能为1.4 eV，进行1 000 h的加速寿命试验，其加速寿命试验得到的寿命评估值为1.57×106h；如果采用Cree仿真修正法得到的结果作为结温标准值，则T0为234℃，假设在相同的加速条件下，有限元仿真结果与显微红外测温结果的增量相同，则显微红外结果为300℃时，有限元仿真结果为351℃，则其加速寿命试验得到的寿命评估值约为4.4×105h，存在明显的加速不足现象。由于检测技术低估结温导致的另一个问题就是，对相同器件的性能评估低于国外的方法。仍然以Cree的研究为例，假设该器件的真实工作寿命确实为2×106h，但是，采用显微红外直接检测结果得到的评价结论是:器件能够在183℃下工作2×106h；而Cree方法得到的直接结论是:器件能够在234℃下工作2×106h，这种情况会严重地低估器件的性能。

6 结束语

通过对阿伦尼斯方程的基本原理的分析得知，结温检测结果的准确性对GaN HEMT的加速寿命试验有着非常大的影响。结温检测结果偏高，将导致加速寿命试验时间过长，恶化了加速寿命试验条件，从而有可能引起试验过程中器件大量失效，最终导致对器件的寿命形成误判，认为器件寿命不满足要求；结温检测结果偏低，将导致加速寿命试验时间过短，降低加速寿命试验条件，从而降低失效率，也会造成误判，认为器件的寿命优于要求。对GaN HEMT进行准确的结温检测对器件的寿命评估和性能评定有着非常重要的意义。

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Influence of Junction Temperature Accuracy on GaN HEMT Accelerated Life Evaluation

ZHAI Yuwei，CHENG Xiaohui，LIU Ya，ZHENG Shiqi，LIU Xiamei
（The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

Based on the study of Arrhenius equation，it is pointed out that the measurement error of junction temperation will affect the accuracy of the accelerated life test results.According to the commonly used junction temperature acquisition method in GaN HEMT accelerated life test，the effects of using the thermal resistance correction method to obtain the junction temperature and directly measuring junction temperature on the life evaluation results of the device are analyzed. Finally，the junction temperature measurement method of GaN HEMT of Cree company is studied，andit is pointed out that the accelerated life data obtained from the micro-infrared temperature measurement results is nearly 4 times higher than that of the finite element simulation.

GaN HEMT；operation life；accelerated life test；Arrhenius equation；junction temperature

TN 386；TB 114.37

A

：1672-5468（2017）02-0005-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.002

2016-09-01

2016-12-28

翟玉卫（1983-），男，河北石家庄人，中国电子科技集团第十三研究所工程师，硕士，主要从事半导体器件可靠性检测与分析方面的研究工作。