功率三级管热带海洋-寒冷环境时序影响效应分析

王才菀，陈荻云，郑南飞，陈逢荣，张少锋,2*

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 511370；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点试验室，广州 511370）

引言

功率三级管在航空电子装备中应用广泛，其主要作用是在各种电器、电子仪器的开关、放大电路中作开关及放大用。目前元器件的环境适应性工作主要集中在实验室腐蚀试验[1-2]和失效机理研究[3-6]，随着装备在国内多严酷地域服役的需求，对装备用材料和元器件的环境适应性提出较大挑战，如热带海洋环境-寒冷环境时序作用下的电子元件环境适应性试验及评价工作，目前鲜有报道。整体情况来看，元器件的腐蚀试验主要以实验室环境试验为主，自然环境试验工作开展较少。为了掌握功率三级管热带海洋环境-寒冷环境时序服役下的环境效应问题，本研究依托具有热带海洋和寒冷大气环境特征的自然环境试验站，以功率三极管为研究对象，设计试验方案，开展试验并收集环境效应数据，分析外观及功能性能的变化规律，并探究其成因，研究其失效机理，提取其影响因素等。本研究针对上述问题开展相关研究工作。

1 试验部分

1.1 试验样件

选取了航空发动机电子控制器典型电路中使用的功率三级管为试验对象，该产品采用金属-陶瓷气密封装，具有体积小、重量轻、密封性好和可靠性高等特点，产品宏观形貌如图1 所示。

图1 试验用功率三级管照片

1.2 试验方法

考虑到航空发动机电子控制器的使用环境一般在发动机短舱内，为了模拟发动机电子控制器用功率三级管的实际服役环境特点，采用棚下机箱内开展试验。

在热带海洋-寒冷环境时序试验中，为了快速获得产品的环境适应性问题，1 年试验期内，考虑在各站点严酷环境时间段开展试验工作，热带海洋环境试验站点选择永兴岛大气试验站，寒冷环境试验站点选择漠河北极村试验站，同时考虑在低温时间段冬季和春季开展寒冷环境试验（11～3 月），在高温、高湿和盐雾量值较高的夏季和秋季开展热带海洋环境试验（5～10 月），样件在试验期间的投试照片见图2。

图2 功率三级管自然环境试验投试图

1.2.3 功能性能测试

为了进一步表征功率三级管在热带海洋-寒冷环境时序作用下的宏微观形貌变化、功能性能变化情况等，对试验前后的产品进行功能性能检测，功能性能检测仪器主要包括半导体曲线图示仪；失效分析涉及仪器包括3D 立体显微镜、X 射线检测系统和扫描电子显微镜等。

2 试验结果

2.1 外观形貌变化情况

宏观来看，试验件未出现目视可见的腐蚀；进一步利用3D 立体显微镜对自然环境试验1 年后的功率三级管进行外观检查，检查结果如图3 所示，从图中可以看出，试验后元器件的表面发生了明显变化，其中正面有少量的腐蚀斑点产生，背面在管脚边缘处出现了的绿色异物，该绿色异物在管脚边缘呈零星分布状态。

图3 功率三级管试验1 年后外观形貌

2.2 功能性能变化规律

选取功率三级管的两个关键功能性能参数ICBO（集电极-基极截止电流）和ICEO（集电极-发射极截止电流）进行检测，测试结果如图4 所示，测试结果显示ICBO 在50 V 值为31 nA，明显大于规范值10 nA；ICEO在50 V 值为913 nA，明显大于规范值30 nA，ICBO 和ICEO 测试值超标，表明元器件出现失效。

图4 功率三级管试验后ICBO 和ICEO 测试结果

2.3 内部损伤分析

进一步通过X 射线损伤探测方法对自然环境试验后的功率三级管进行损伤表征，功率三级管的正面X 影像和侧面影像图如图5 所示，从图中可以看出，自然环境试验后，元器件内部未见异常，表明内部为出现明显损伤。

图5 器件内部X 射线探伤结果

2.4 密封性检查

依据GJB 548B-2015 方法中1014.2，对自然环境试验后的样品进行密封性测试，采用细检漏和粗检漏2 种方法检查器件密封性情况，密封性测试结果如表1 所示，从试验结果来看，器件经自然环境试验后，密封性符合标准要求。

表1 自然环境试验1 年功率三级管密封性检查结果

2.5 SEM 及能谱分析

为了进一步分析腐蚀区域的微观形貌及元素组成情况，利用含能谱扫描电镜对样品腐蚀区域进行分析，首先对管脚B 区域附近的腐蚀形貌进行观察，相关分析结果如图6 所示，对腐蚀区域进行放大观察，观察到腐蚀产物呈现出皲裂状，进一步对该腐蚀区域进行能谱分析，主要元素包括C、O、Cl、Ni 和Cu 元素，上述元素的质量百分比分别为7.87 %、33.27 %、11.76 %、20.13 %和12.02 %。从以上数据可以发现，Cl 元素含量相对较高，是导致腐蚀的主要因素。通过腐蚀产物的颜色以及含量对比，腐蚀产物可能是NiO 或CuCl2。

图6 管脚B 区域附近的腐蚀形貌图

进一步对管脚E 附近的腐蚀区域进行扫描电镜和能谱元素分析，从图7 中可以看出，腐蚀产物的形貌和管脚B 腐蚀产物基本一致，从能谱分析结果来看，腐蚀产物包括的主要元素及其含量与管脚B 处也基本一致，可以推断两处的腐蚀产物基本一样。

2.6 清洗后对样品进行功能性能测试

对样品表面腐蚀产物进行清洗，清洗后再进行ICBO和ICEO 测试，数据结果满足规范值要求。

3 讨论

样品在自然环境时序试验过程中，经历寒冷气候和湿热海洋气候，其中寒冷气候的主要影响因素为低温，湿热海洋环境的影响因素包括高温、高湿和高盐雾沉降率，从试验结果来看，经漠河试验5 个月后，其功能性能测试正常，表明功率三级管具有良好的耐低温特性。进一步转至湿热海洋环境继续试验5 个月后，样品功能性能检测参数ICBO 和ICEO 超差，对超差的元器件进行失效分析，发现与初始状态相比，器件内部无损伤，主要变化为管脚局部出现绿色腐蚀产物，经能谱分析该产物为Cu 或Ni 的氧化物，同时在腐蚀产物中探测到Cl 元素，可以推断导致其腐蚀的主要原因为Cl 离子的作用。

功率三级管的外电级烧结完成后，进一步镀Ni、镀金，然后通过银铜焊料与陶瓷烧焊在一起。为了模拟元器件的实际服役环境，选择在棚下机柜内对器件进行自然贮存试验，在试验过程中，湿气扩散至机柜内，进一步沉积到元器件表面，由于湿气中含有大量Cl 离子，在管脚处出现聚集，在潮湿空气的作用下发生氧化反应，生成的氧化产物，导致引脚间漏电，清洗管壳后，进一步测试ICBO 和ICEO 参数，符合规范值要求，说明漏电通道位于管壳表面。

4 结论

本研究通过对功率三极管开展寒冷气候-湿热海洋气候时序自然环境试验，收集器件的环境效应数据主要包括宏微观形貌、局部成分分析、内部损伤情况和功能性能参数等，并对ICBO 和ICEO 超差的样品进行了失效分析，结论如下：

1）样品经寒冷气候试验5 个月未出现性能退化现象，进一步在湿热海洋环境试验5 个月后，出现部分功能性能参数超差，推断出对功率三级管的环境效应数据影响较大的为湿热海洋环境；

2）样品经5 个月寒冷气候和5 个月热带海洋气候自然环境试验后，样品的损伤模式为腐蚀损伤，发生区域为管脚局部，样品内部基本无损伤；

3）推断功率三极管ICBO 和ICEO 超差的主要原因为Cl 离子污染下引起Cu 和Ni 氧化，氧化产物导致管壳表面出现漏电失效。