氮化镓高电子迁移率晶体管的物理失效分析技术研究进展

氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMTs)由于具有高截止频率、高工作电压和工作温度范围广泛等特点,越来越多地应用于高频和高功率器件等电力电子领域。然而,在实际应用中,在高温高压等极端情况下,GaN HEMTs会出现退化甚至失效,这使得失效后器件的物理分析对于提高可靠性和进一步的器件优化至关重要。本文介绍了分析器件失效机制的分析方法,对失效后物理表征技术工作原理、表征范围及研究进展方面进行了简要综述,为进一步提高器件可靠性和器件的进一步优化提供了参考。

基于失效物理的风电机组多故障可靠性建模方法

风电机组由于功能结构复杂且工作环境恶劣导致其退化状态呈现多样性特点,失效形式往往是多种故障耦合作用的结果,因此单独采用某一变量的性能退化过程作为评估风电机组寿命及可靠性模型是不全面的。为了更精确反映系统内部和外部性能指标的相关性,提出了一种基于失效物理的风电机组多故障可靠性建模方法。首先分析了风电机组多应力耦合下的工作环境和故障特性,通过基于失效物理的可靠性仿真分析方法获得寿命分布函数,并将其作为边缘分布函数;其次在考虑故障模式相关性时,引入两阶段估计法对Copula函数的模型进行参数估计。通过对比不同类型Copula函数的秩相关系数和平方欧氏距离,确定最优Copula函数。最后利用Skla定理和逐步分析的思想,建立多故障模式耦合下的简化风电机组可靠性模型。结果表明,考虑可靠性指标相关性时得到的可靠性结果更加合理,同时该方法避免了风电机组寿命预测和可靠性评估的保守估计,具有较好的实用性和可操作性。

基于失效物理的功率器件疲劳失效机理

在功率器件的长期运行中,不断承受的温度和应力变化,加快了材料的疲劳失效。此外,新能源技术的发展对电力电子变流器的功率密度也提出了越来越高的要求,这些都给高可靠性功率器件的设计提出了新的挑战。失效物理(PoF)是在分析失效过程和疲劳机理的基础上,通过建模和仿真预测可靠性的一种方法,是研究疲劳失效的重要手段。本文首先介绍疲劳失效的基础理论。然后,从实验、仿真方法、解析模型和疲劳方式等方面介绍功率器件键合线和焊料层疲劳机理及主要研究进展,在此基础上,分析功率循环下功率器件的疲劳至失效全过程。最后,从多环境应力、动态载荷工况和可靠性设计三个方面,展望基于失效物理的电力电子可靠性研究方向。

功能分析与失效物理结合的可靠性预计方法

可靠性预计是产品设计、研发过程中的重要工作,全面准确的可靠性预计可以评价产品的可靠性水平,也可以为设计提供信息,指导设计。全面分析总结当前电子设备可靠性预计相关技术方法,以当前基于失效物理(POF)技术的系统可靠性预计方法中,并未考虑产品功能组成关系的缺陷为突破点,建立了一种以失效物理分析为基础,综合考虑电路功能组成关系的电子设备可靠性预计方法。该方法从电路功能出发,通过灵敏度仿真和主成分分析两种方法,确定对电路性能起主要影响的关键单元,再通过失效物理分析或统计规律明确单元的失效概率分布,通过混合分布获得系统的分布,得到系统可靠性指标。最后以某航空机电产品的电源电路为案例,对本预计方法进行验证。

基于随机阈值的Gauss-Brown失效物理模型的动量轮可靠性评估

动量轮是卫星的关键组件,直接影响卫星的可靠性和寿命。动量轮具有小子样、高可靠性、长寿命和高试验代价等特点,通常无法获得大样本的失效寿命数据,这导致其可靠性评估相当困难。失效物理分析能够从本质上解释产品的失效原因,失效物理试验中的性能退化数据可搭建产品性能和失效的桥梁。鉴于此,从失效物理分析的角度出发,对动量轮这种类型产品提出了一种基于失效物理的评估框架,并针对某型动量轮建立了基于随机阈值的Gauss-Brown失效物理模型,以该模型为基础作了可靠性评估,实例表明,该方法所获得的评估结果符合工程实际。

基于失效物理的电路板寿命预测案例研究

舰载电子产品中电路板运用有效的寿命预测技术,可满足舰载武器寿命周期内的特定需求,从而提高其贮存期内维修保障的效率。依照基于失效物理的寿命预测流程,以典型舰载电子产品中的某个电路板为案例,拟定出3个薄弱环节,并参考该电子产品的实际应用情况,经剪裁后得到了其典型寿命周期环境载荷剖面且加载该剖面;同时对电路板温度分布、结构动力振动进行了有限元仿真计算,得出了该电路板上薄弱环节的寿命及其变化范围,从而预测出该电路板的寿命为3.25年;最后进一步分析了模型中电磁继电器对于空气的等效标准漏率以及应用环境中相对湿度对寿命的影响。

动量轮失效物理模型试验方案研究

论述了动量轮失效物理模型及其试验方法,其目的是提高动量轮产品的研制水平和进行动量轮寿命预计.文章主要内容包括失效物理模型、试验环境模拟、试验模型技术状态的认可、失效影响因素分析、试验过程中数据采集方法及建立失效物理的数学评判表达式.

玻璃管熔断器熔断体老化失效的物理分析

对熔断器的老化机理进行了论述,并对良品熔断器进行了失效物理分析。对同型号、同批次熔断器进行了加速老化试验,对试验中熔断的样品以及未熔断的老化样品进行了失效物理分析。经良品、熔断品以及老化样品的对比可明显地辨别出熔断器的老化现象。

基于失效物理的微波组件贮存寿命加速试验及预测

随着通信技术的发展和应用,微波器件的应用越来越广泛,尤其在军事装备领域,微波器件随处可见。大多数军事装备,大部分时间处于贮存、检测等非工作状态,为保证其战备完好性,装备的贮存可靠性评估显得尤为重要。中频对数放大系统是雷达接收机组件中的重要组成部分,通过研究微波组件的中频对数放大器部分的相关文献,得到了微波组件主要失效物理模型,确定其失效判据,并由高温加速寿命试验得到的试验数据,计算出组件激活能,最终完成组件在常温贮存下寿命的预测。

融合失效物理和3F方法的电连接器可靠性分析方法研究

电连接器是一种应用广泛的配套接口元件,其可靠性分析工作的重要性不容忽视。论文基于失效物理和3F方法的特点,研究3F方法与失效物理在元器件可靠性分析流程中的融合策略。从FTA底事件切入,引入失效物理理论,分析电连接器的绝缘体、接触件与壳体结构中的不同组件,复现故障演化逻辑,探究深层的失效机理模型。结合FMECA方法,从固有可靠性与使用可靠性两个角度,将电连接器的失效模式与失效机理对应到器件结构中,判断故障严酷度类别与危害度等级,判定关键件为连接机构组件,重要件为绝缘体组件。结合FRACAS方法,从工艺、材料、使用层面分析,把失效原因及机理映射到其实际生产使用的环节中,对FTA每个底事件,给出具体详尽的纠错建议,最终形成系统的电连接器可靠性分析方法流程。

失效物理与数据驱动融合的燃油泵在线寿命预测

针对机载燃油泵性能退化过程呈现的多阶段、非线性的特点以及对寿命预测实时性的要求,提出了一种基于失效物理与数据驱动融合的燃油泵在线退化建模与寿命预测方法。通过开关卡尔曼滤波器对燃油泵退化阶段进行在线识别,并对快速退化阶段建立失效物理与数据驱动融合的退化模型,然后基于无迹卡尔曼滤波器对建立的退化模型不断进行模型参数更新,并使用更新后的模型对失效寿命进行预测。将所提方法分别与纯数据驱动的方法、不进行退化阶段识别以及不进行参数更新的融合方法进行比较,整个参数更新过程中其均方根误差不超过0.3,寿命预测百分比误差不超过2%,均小于对比方法,验证了本文方法的有效性与优越性。

失效物理分析中的有效工具——可拓学

可拓学是介于数学、物理学和工程学边缘的一门新兴学科 ,近年来发展迅速 .它的理论基础是物元理论和可拓集理论 .将可拓学原理应用于失效分析 ,工程案例的研究表明其方法是有效的 .

基于失效物理的风电齿轮箱失效相关机理分析

以1.5 MW风电齿轮箱为研究对象,通过失效物理应力强度模型,建立考虑强度退化的失效相关联合分布。从失效物理角度阐述了失效相关的实质是强度和应力中共同的随机变量间存在一定的隐性的非线性映射关联性,并对造成这种映射关联性的原因进行了探究。结果表明,强度和应力中共同随机变量的波动性和分散性是造成此映射关系的主要原因,并且说明强度退化引起强度波动性和分散性增大也会对失效相关产生很大的影响。

基于失效物理的电子学产品可靠性仿真研究

一种基于失效物理的可靠性仿真分析方法,在深入认识产品失效模式、失效机理的基础上,利用失效物理模型和累积损伤模型开展故障预计。该方法可以实现产品可靠性设计与工程专业综合的有机结合,提高产品的固有可靠性。给出空间电子学产品基于失效物理的可靠性仿真分析流程,并在此基础上对某空间电子学单机进行了可靠性仿真和故障预计。

基于失效物理相关性的风电齿轮箱可靠性分析

针对传统独立失效理论已不能适用于工程实际,与失效相关有关的数学模型对相关性本质的描述往往较为模糊的问题,从失效物理的角度,以1.5 MW风电齿轮箱为研究对象,针对齿轮两失效模式间的失效相关,综合考虑应力相关和强度相关,结合全概率公式建立了考虑强度退化的失效相关联合分布.从失效机理和本质上对风电齿轮箱进行可靠性分析,分析结果表明:失效相关的实质为齿轮的强度和应力中公共随机变量间具有一定的关联性,对风电齿轮箱传动系统的可靠性影响较大.

失效物理研究及其分析技术的发展

引言由于微电子器件不断朝着微细化和高密度方向发展,加之产品的使用环境日益严酷,不但使一些原来对产品可靠性有影响的问题更加突出,而且还产生了新的可靠性问题,如过去对芯片可靠性没有什么影响的微小颗粒,现在就有可能引起层间短路、全属条开路等失效模式。这样,就使得失效物理的研究与应用变得越来越重要。因此,根据微电子器件集成度越来越高和采用亚微米工艺、以致可靠性裕度下降及工艺缺陷敏感度增加的情况,开展失效物理及其应用技术的研究,开发失效分析新技术,研究分析产品在研制、试验、使用等过程中出现的失效模式与失效机理。

失效物理学中多因素试验设计

失效物理试验有许多种 ,它们各有其特定用途 .可接受度试验 ,极限载荷试验 ,寿命试验 ,加速试验等都是常用的试验 .与失效相关的一系列因素往往需要通过试验进行分析 ,并找出控制因素 .方差分析和因素试验是进行失效物理试验设计的有用工具 ,本文将对它们作扼要阐述 ,并给出应用实例 .

云端虚拟仿真技术在《失效物理基础》课程中的应用

本文介绍了云端虚拟仿真技术在飞行器质量与可靠性专业本科核心课程《失效物理基础》建设和实践中的应用。首先分析了课程建设前期面临的问题及采用虚拟仿真技术的必要性,基于科研成果和工程实践经验提炼了课程的教学思路和内容,之后介绍了云端虚拟仿真平台的建设和在课程中的应用,最后总结了将软件工程与电子技术相结合,开展信息化教学取得的初步成效。云端虚拟仿真平台的引入,提高了课程内容的挑战性,实现了以事实性、概念性教学为辅,理论和方法的应用、分析、创造为主的综合性教学模式,引导学生形成对失效物理学的系统认知能力,培养了学生系统思维能力和创新能力,激发了自主学习积极性。

基于失效物理的集成电路故障定位方法

超大规模集成电路后道工艺(BEOL)中的失效日益增多,例如多层金属化布线桥连、划伤,栅氧化层的静电放电(ESD)损伤、裂纹等失效模式,由于失效点本身尺寸小加上电路规模大,使得失效分析难度增加。为了能够对故障点进行快速、精确定位,提出了基于失效物理的集成电路故障定位方法。根据CMOS反相器电路的失效模式提出了4种主要故障模型:栅极电平连接至电源(地)、栅极连接的金属化高阻或者开路、氧化层漏电和pn结漏电。结合故障模型产生的光发射显微镜(PEM)和光致电阻变化(OBIRCH)现象的特征形貌和位置特点,进行合理的失效物理假设。结果表明,基于该方法可对通孔缺陷、多层金属化布线损伤以及栅氧化层静电放电损伤失效进行有效的定位,快速缩小失效范围,提高失效分析的成功率。

基于失效物理的多模式耦合可靠性建模方法

电子系统由于其功能结构复杂,且工作在多载荷耦合的复杂环境条件下,导致其失效模式较多。因此,电子系统的失效更多的是多个失效模式共同作用的结果。而目前关于电子系统多模式耦合条件下的可靠性建模方法较少。针对电子系统多模式耦合条件下的可靠性建模方法进行研究。首先,通过基于失效物理的可靠性仿真分析方法获取各个单一失效模式的寿命分布信息,进而利用Copula函数对多模式耦合下的系统建立可靠性模型,给出了可靠度计算方法。最后,以某型综合电子系统进行案例研究,说明提出的方法能够获取更为准确的系统可靠度计算结果,避免了过于保守的可靠性评估。