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在半导体器件可靠性评估中,阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型被广泛用于预测芯片在特定工作条件下的使用寿命。该模型通过高温、偏压应力测试(HTOL)获得加速老化数据,并结合实际运行温度进行寿命折算,为汽车电子、工业控制等高可靠性要求领域提供理论依据。
阿伦尼乌斯模型由瑞典科学家Svante Arrhenius于1889年提出,最初用于描述化学反应速率与温度之间的关系。其核心公式如下:
L2=L1⋅e(kEa)(T11−T21)
其中:
L1:测试温度下的寿命;
L2:目标温度下的寿命;
Ea:激活能(activation energy),通常取值0.7 eV;
k:玻尔兹曼常数(8.617×10⁻⁵ eV/K);
T1、T2:绝对温度(单位K)。
该模型表明,在一定温度范围内,温度升高会显著加快材料的退化过程,从而缩短器件寿命。
在汽车电子行业中,普遍采用JESD22-A108标准进行HTOL(High Temperature Operating Life)测试。根据行业统计,汽车芯片预期在15年内累计运行约12000小时,平均结温约为87°C(Tu)。基于此设定,不同等级的芯片需满足相应的测试条件:
消费级:典型测试条件为125°C/1000小时,计算得出理论寿命通常不足5年;
工业级:同样条件下,理论寿命可达15年;
车规级:要求更为严苛,需确保在极端工况下仍能满足15年使用寿命。
通过将实际测试数据代入阿伦尼乌斯方程,工程师可以推算出芯片在实际使用环境中的预期寿命。
尽管阿伦尼乌斯模型是当前主流的寿命预测方法之一,但其也存在一定局限性:
仅考虑温度因素:模型假设失效机制主要由温度驱动,忽略了电压、湿度、机械应力等其他影响因子;
激活能选取依赖经验:不同工艺、材料和失效机理对应不同的激活能,若选取不当可能导致误差;
无法反映突发性故障:适用于渐进式失效(如电迁移、热载流子效应),不适用于偶发性或瞬态失效模式。
因此,在实际工程评估中,建议结合多种加速老化测试手段(如THB、HAST、EM测试等),综合判断芯片的长期可靠性。
阿伦尼乌斯模型作为评估芯片寿命的重要工具,已被广泛应用于汽车电子和工业领域的可靠性验证流程中。工程师应理解其原理、适用范围及限制,并结合具体应用场景选择合适的测试条件与参数设置。