在半導(dǎo)體器件可靠性評(píng)估中，阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型被廣泛用于預(yù)測芯片在特定工作條件下的使用壽命。該模型通過高溫、偏壓應(yīng)力測試（HTOL）獲得加速老化數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行溫度進(jìn)行壽命折算，為汽車電子、工業(yè)控制等高可靠性要求領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

模型原理與背景

阿倫尼烏斯模型由瑞典科學(xué)家Svante Arrhenius于1889年提出，最初用于描述化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系。其核心公式如下：

$$L_2=L_1?e^{\left(\frac{E_a}{k}\right)(\frac{1}{T_1}?\frac{1}{T_2})}$$L2=L1?e(kEa)(T11?T21)

其中：

$L_1$L1：測試溫度下的壽命；

$L_2$L2：目標(biāo)溫度下的壽命；

$E_a$Ea：激活能（activation energy），通常取值0.7 eV；

$k$k：玻爾茲曼常數(shù)（8.617×10?? eV/K）；

$T_1$T1、$T_2$T2：絕對(duì)溫度（單位K）。

該模型表明，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高會(huì)顯著加快材料的退化過程，從而縮短器件壽命。

應(yīng)用場景與測試規(guī)范

在汽車電子行業(yè)中，普遍采用JESD22-A108標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行HTOL（High Temperature Operating Life）測試。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，汽車芯片預(yù)期在15年內(nèi)累計(jì)運(yùn)行約12000小時(shí)，平均結(jié)溫約為87°C（Tu）。基于此設(shè)定，不同等級(jí)的芯片需滿足相應(yīng)的測試條件：

消費(fèi)級(jí)：典型測試條件為125°C/1000小時(shí)，計(jì)算得出理論壽命通常不足5年；

工業(yè)級(jí)：同樣條件下，理論壽命可達(dá)15年；

車規(guī)級(jí)：要求更為嚴(yán)苛，需確保在極端工況下仍能滿足15年使用壽命。

通過將實(shí)際測試數(shù)據(jù)代入阿倫尼烏斯方程，工程師可以推算出芯片在實(shí)際使用環(huán)境中的預(yù)期壽命。

注意事項(xiàng)與模型局限性

盡管阿倫尼烏斯模型是當(dāng)前主流的壽命預(yù)測方法之一，但其也存在一定局限性：

僅考慮溫度因素：模型假設(shè)失效機(jī)制主要由溫度驅(qū)動(dòng)，忽略了電壓、濕度、機(jī)械應(yīng)力等其他影響因子；

激活能選取依賴經(jīng)驗(yàn)：不同工藝、材料和失效機(jī)理對(duì)應(yīng)不同的激活能，若選取不當(dāng)可能導(dǎo)致誤差；

無法反映突發(fā)性故障：適用于漸進(jìn)式失效（如電遷移、熱載流子效應(yīng)），不適用于偶發(fā)性或瞬態(tài)失效模式。

因此，在實(shí)際工程評(píng)估中，建議結(jié)合多種加速老化測試手段（如THB、HAST、EM測試等），綜合判斷芯片的長期可靠性。

結(jié)語

阿倫尼烏斯模型作為評(píng)估芯片壽命的重要工具，已被廣泛應(yīng)用于汽車電子和工業(yè)領(lǐng)域的可靠性驗(yàn)證流程中。工程師應(yīng)理解其原理、適用范圍及限制，并結(jié)合具體應(yīng)用場景選擇合適的測試條件與參數(shù)設(shè)置。