Режимы проведения испытаний СПП на надежность.

Исключительно важное значение для повышения эффективности испытаний имеет правильный выбор испытательного режима. В практике силового полупроводникового приборостроения применяют следующие режимы:

1) низкотемпературного хранения;

2) высокотемпературного хранения [8.22];

3) выпрямительный (номинальный, статический) с раздельными источниками [8.9, 8.10, 8.22, 8.23];

4) выпрямительный [8.10];

5) ждущий с приложением переменного напряжения [8.17, 8.23, 8.62];

6) ждущий с приложением постоянного напряжения [8.16, 8.62];

7) инверторный

8) инверторный в эквивалентной испытательной схеме

9) электротермоциклирования [8.22];

10) импульсного циклирования [8.10];

11) многократных ударных токов [8.10].

Низкотемпературное (высокотемпературное) хранение — это режим испытаний, при котором СПП подвергают воздействию комнатной или пониженной (повышенной) температуры без приложения электрических воздействий.

Выпрямительный режим с раздельными источниками — режим испытаний, в котором через СПП от низковольтного сильноточного источника пропускается ток, происходит естественная коммутация, а затем от маломощного высоковольтного источника прикладывается обратное напряжение (обычно полусинусоида льное).

Выпрямительный режим — режим испытаний, в котором через СПП протекает ток от мощного источника и прикладывается прямое и обратное напряжения, причем динамические воздействия на СПП далеки от своих критических значений.

Ждущий режим с приложением переменного напряжения — режим испытаний, в котором к СПП в непроводящем состоянии прикладывают переменное напряжение, обычно синусоидальное.

Ждущий режим с приложением постоянного напряжения — режим испытаний, в котором к СПП в непроводящем состоянии прикладывают постоянное напряжение в прямом или обратном направлении, причем длительность его приложения много больше тепловой постоянной СПП.

Инверторный режим — режим испытаний, в котором через СПП протекает ток от мощного источника питания, к СПП прикладывают прямое и обратное напряжения, причем имеет место принудительная коммутация, и, кроме того, динамические воздействия на СПП могут быть близки к своим критическим значениям.

Инверторный режим в эквивалентной испытательной схеме — режим испытаний, когда условия, близкие к инверторному режиму, моделируются в специальной испытательной схеме.

Режим электротермоциклирования — режим испытаний, когда средняя температура структуры - совершает периодические колебания с большой амплитудой .

Режим импульсного циклирования — режим испытаний или работы, когда локальная температура «горячей точки» структуры совершает периодические колебания с большой амплитудой .

Режим многократных ударных токов — режим испытаний, когда через СПП проходят несколько сотен и болеё импульсов ударного тока.

Сравнительный анализ указанных режимов обнаруживает следующие общие закономерности.

Интенсивность отказов в режиме 2 на порядок и более превосходит ИО в режиме 1. В свою очередь режим хранения при высокой температуре неэквивалентен работе под нагрузкой. Так, ИО в режиме 6 больше ИО в режиме 2 в несколько раз. Отличаются и законы распределения отказов при хранении и под нагрузкой. В ряде работ показано, что схемы с раздельными источниками непригодны для испытаний СПП на надежность, так как в них отсутствуют условия коммутации. Интенсивность отказов в режиме 5 по некоторым данным выше, чем в режиме 3, а ИО в режиме 7 практически всегда выше, чем в режимах 3 или 4. В целом, если условиться называть более жестким тот режим, в котором выше ИО, то описанные выше факты приведут к следующей иерархии режимов [8.14]:

Заметим, что желание гарантировать как можно более высокий уровень надежности для любых РЭ приводит многих изготовителей к необходимости проведения испытаний на надежность во все более жестких режимах при комплексе статико-динамических воздействий.

В работе [8.7] сформулированы общие требования к режимам испытаний СПП на надежность:

выбор режима испытаний дьлжен основываться на знании физики отказов СПП при различных воздействиях;

испытания должны максимально ускорять развитие всевозможных типичных дефектов СПП, не вызывая при этом появления не свойственных им отказов и не ухудшая хорошие СПП.

Поскольку не существует одного универсального режима, охватывающего все возможные условия эксплуатации СПП, и проводить испытания во всех возможных в эксплуатации режимах нельзя, то основной задачей является проведение классификации РЭ СПП по критерию надежности и последующий выбор наиболее подходящего испытательного режима для каждой группы. Классификация РЭ изложена в § 8.2. Легко видеть, что первые восемь режимов относятся к нециклическим, тогда как три последующих относятся каждый к своему подклассу. Заметим, что сравнивать режимы по степени жесткости имеет смысл только в пределах одного класса, и поэтому в (8.41) фигурируют только первые семь режимов. При выборе режима испытаний необходимо иметь в виду, что различные области прибора имеют различный ресурс (запас работоспособности) и расходуют его с различной скоростью. С точки зрения СПП это означает, что анализ надежности СПП следует проводить, разбивая их на элементарные области (подобъемы), в которых происходят различные процессы деградации.

Физический смысл подобного разбиения заключается в том, что при наличии более чем одного механизма отказов, которые взаимодействуют и накладываются друг на друга, отказы приборов происходят в самых различных областях структуры, причем преимущественно в переходах, в области фаски и т. д., т. е. в точках максимальной локализации температурных, электрических и механических полей. (Далее это утверждение названо принципом локальности.) Следовательно, обоснованный выбор режима испытаний на надежность должен опираться на анализ режимов эксплуатации с точки зрения того, какие воздействия и к какому участку СПП прикладываются. Пусть СПП работают в следующем режиме: пачка коротких импульсов с высоким и пауза, во время которой СПП остывают до 7) к Та. Тогда принцип локальности априори позволяет утверждать, что ресурс будет расходоваться в различных областях СПП, а именно в области управляющего электрода (воздействие ) и в области контактов (термоцик-лирование). Отсюда вытекает первый вывод: испытания в режиме термоциклирования не отбраковывают СПП, потенциально ненадежных в импульсном режиме, и наоборот.

Второй вывод относится к выбору режима для испытаний на надежность: чтобы гарантировать высокую надежность СПП в указанном режиме, необходимо испытывать их в двух режимах — импульсного циклирования и электротермоциклирования. Аналогичное рассмотрение должно предшествовать выбору испытательного режима и в других случаях.

Необходимо отметить, что увеличение степени жесткости режимов сопровождается их усложнением и удорожанием, и потому окончательный выбор режима должен учитывать организационно - технические и экономические факторы.

В заключение остановимся на критериях отказов при испытаниях СПП на надежность. Хорошо известно, что значения критериев отказа влияют на число отказов в том или ином РЭ, т. е. на ПН в этих режимах. В [8.10, 8.22] предлагается ввести три категории годности СПП, отличающиеся от степени отклонения критериальных параметров от техйических условий. Однако указанные категории фиксируют лишь ухудшение параметров за пределами норм технических условий. В настоящее время такой подход устарел. Целесообразнее ужесточать требования к характеристикам — критериям годности [8.30], т. е. вводить ограничения на дрейф параметров По сравнению с исходными значениями, даже если их абсолютные значения остаются в пределах норм технических условий. Подобные требования особенно необходимы по отношению к таким параметрам, как ток в закрытом состоянии и обратный ток . Дело в том, что значения могут возрастать в десятки и сотни раз, оставаясь в пределах норм технических условий (см. рис. ). Это вызвано тем, что в ряде случаев ограничения устанавливаются на токи при максимально допустимой температуре, а при комнатной температуре эти токи имеют значения, на много порядков меньшие. В то же время многократное увеличение какого-либо параметра свидетельствует о протекании в приборе процессов деградации.