كيفية تقييم عمر الثنائيات في تطبيقات الاتصالات؟

1، آلية فشل الصمام الثنائي في سيناريوهات الاتصال
تدهور المواد الناجم عن الإجهاد الحراري
ارتفاع درجة الحرارة هو السبب الرئيسي لفشل الصمام الثنائي في معدات الاتصالات. تظهر البيانات التجريبية أنه عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة 150 درجة، فإن تيار التسرب العكسي للثنائيات القائمة على السيليكون - ينخفض ​​بنسبة 50% لكل زيادة بمقدار 10 درجات في تيار التسرب العكسي. بعد التشغيل المستمر لمدة 1000 ساعة عند درجة حرارة 125 درجة، تعرض جهاز اتصالات عبر الأقمار الصناعية إلى معدل تقشير بنسبة 12% لطبقة المعدن بسبب الإجهاد الحراري، والذي تسبب بشكل مباشر في خلل في الدائرة المفتوحة.
انحراف المعلمة الناجم عن الإجهاد الكهربائي
يمكن أن يؤدي التعرض طويل الأمد للجهد الزائد أو التيار الزائد إلى تسريع تدهور معلمات الصمام الثنائي. بأخذ صمام ثنائي منظم الجهد كمثال، عندما يتجاوز جهد التشغيل 10% من القيمة المقدرة، يمكن أن يصل الانجراف السنوي لجهد الانهيار إلى 0.5 فولت، مما يؤدي إلى فشل دائرة الحماية. واجه نظام رادار معين مثبت في السيارة جهدًا زائدًا في الصمام الثنائي بسبب تقلبات الطاقة، مما أدى إلى زيادة معدل الفشل بمقدار ثلاثة أضعاف خلال ثلاثة أشهر.
فشل التعبئة والتغليف الناجم عن الإجهاد الميكانيكي
في ظل ظروف الاهتزاز، يكون هيكل التغليف للثنائيات عرضة للشقوق الصغيرة. أظهر اختبار تم إجراؤه في محطة قاعدة معينة أنه في ظل تسارع اهتزاز قدره 10 جرام، زاد معدل فصل سلك الرابطة للثنائيات المعبأة TO-220 بمقدار 8 مرات مقارنة بالحالة الساكنة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتسبب إجهاد الرطوبة في امتصاص مواد التغليف للرطوبة وتمددها، مما يؤدي إلى انفصال السطح البيني.
2، نظام منهجية تقييم الحياة
اختبار الحياة المتسارع (ALT)
تسريع عملية الشيخوخة للثنائيات عن طريق زيادة مستويات الإجهاد مثل درجة الحرارة والجهد.
نموذج أرهينيوس: مع كل زيادة بمقدار 10 درجات في درجة الحرارة، يتم تقصير العمر الافتراضي بمقدار 1/2 إلى 1/3. يخضع صمام ثنائي SiC Schottky معين لـ 1000 ساعة من ALT عند 175 درجة، وهو ما يعادل 100000 ساعة تشغيل عند 25 درجة.
نموذج Coffin Manson: يستخدم لتقييم عمر الكلال الناتج عن التدوير الحراري. يفشل صمام ثنائي طاقة معين بعد 500 دورة من التدوير الحراري عند درجة -40 درجة ~125 درجة، أي ما يعادل عمر 10 سنوات في الموقع.
الموثوقية النموذج المادي
إنشاء نموذج للتنبؤ بالحياة يعتمد على خصائص المواد وآليات الفشل.
نموذج هجرة الإلكترون: خذ بعين الاعتبار تأثيرات الكثافة الحالية ودرجة الحرارة على عمر طبقات الترابط المعدنية. عمر الدائرة المفتوحة لصمام ثنائي GaN HEMT الناتج عن هجرة الإلكترون بكثافة تيار تبلغ 10 أمبير / مم ² هو 50000 ساعة.
نموذج المقاومة الحرارية: حساب درجة حرارة الوصلة والتنبؤ بعمر الفشل الحراري من خلال المقاومة الحرارية (Rth). يحتوي الصمام الثنائي المعبأ DFN8 × 8 على درجة حرارة توصيل تبلغ 150 درجة وعمر افتراضي يبلغ 20000 ساعة فقط عند استهلاك طاقة يبلغ 2 وات.
التحليل الإحصائي
قم بتجميع بيانات أخطاء الموقع-وتقييم العمر باستخدام الأساليب الإحصائية مثل توزيع Weibull.
أحد موردي معدات الاتصالات: بعد تتبع 100000 صمام ثنائي لمدة 3 سنوات، وجد أن B10 لديه عمر افتراضي (10% وقت فشل) يبلغ 80000 ساعة وأن B50 لديه عمر افتراضي يبلغ 150000 ساعة.
تحليل وضع الفشل: يمثل الفشل الحراري 60%، وفشل الإجهاد الكهربائي 25%، والعطل الميكانيكي 15%.
3، استراتيجية تحسين الحياة
الابتكار في المواد والعمليات
أشباه الموصلات واسعة النطاق: تتمتع الثنائيات SiC بعمر أطول 5 مرات من أجهزة Si عند 200 درجة. تتمتع شركة Cree Company بجهد 1200 فولت SiC SBD بـ MTBF يبلغ 200000 ساعة عند 175 درجة.
تقنية التعبئة والتغليف ثلاثية الأبعاد: باستخدام التوصيل الرأسي TSV، مما يقلل المقاومة الحرارية بنسبة 40%. تتميز الثنائيات المعبأة Amkor SiP بدرجة حرارة توصيل يمكن التحكم فيها في حدود 120 درجة عند استهلاك طاقة يبلغ 10 وات.
تحسين طبقة التخميل: تقديم طبقة التخميل المركبة SiN/Al ₂ O ∝ لتقليل معامل درجة حرارة التسرب العكسي من 0.5%/ درجة إلى 0.1%/ درجة.
الإدارة الحرارية على مستوى النظام
التبريد السائل بقنوات صغيرة: تستخدم محطات Huawei الرئيسية ألواح تبريد سائلة ذات قنوات صغيرة قائمة على السيليكون، والتي تعمل على تقليل درجة حرارة توصيل الثنائيات من 150 درجة إلى 110 درجة وتزيد من عمرها الافتراضي ثلاث مرات.
تبديد الحرارة بتغير الطور: يمكن لمادة تغير الطور المركبة القائمة على البارافين والتي طورتها شركة ZTE أن تمتص 800 جول من الحرارة عند نقطة تغير الطور تبلغ 120 درجة، مما يؤخر الشيخوخة الحرارية.
التحكم الذكي في درجة الحرارة: تقوم شريحة TPS25940 من شركة TI بضبط تيار الإخراج ديناميكيًا عن طريق الكشف عن درجة حرارة العبوة، وتحد التيار إلى 70% من القيمة المقدرة عند 150 درجة.
تحسين تصميم الدوائر
تقنية التبديل الناعم: يعمل تحويل الجهد الصفري (ZVS) على التخلص من ارتفاعات الجهد أثناء الاسترداد العكسي، مما يزيد من عمر الصمام الثنائي بنسبة 60%.
التصحيح المتزامن: استبدل الثنائيات بوحدات MOSFET للتخلص تمامًا من الخسائر الحرارية. تحقق وحدة التحكم بالتصحيح المتزامن LM5164 من TI كفاءة بنسبة 96% عند تردد تحويل قدره 1 ميجاهرتز.
تصميم التكرار: من خلال اعتماد بنية التكرار N+1، لا يزال بإمكان وحدة الطاقة لمحطة قاعدة 5G معينة الحفاظ على أداء بنسبة 95% حتى عند فشل صمام ثنائي واحد.
https://www.trrsemicon.com/transistor/glass-تخميلها-جسر-مقومات-tmbf310.html