摘要：本文介紹了選極晶體管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂和認(rèn)證試驗中的有關(guān)技術(shù)問題。

　　關(guān)鍵詞：選極晶體管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證試驗

　　----1引言

　　----選極晶體管是山東大學(xué)發(fā)明的一種具有F型封裝外型，采用通用芯片，具有“芯片-陶瓷-金屬”結(jié)構(gòu)，制造時可根據(jù)整機(jī)電路組態(tài)需要選擇芯片的電極之一與管座電連通，亦可使芯片的電極均不與管座電連通的功率晶體管。對于雙極型晶體管，同一型號，可以有發(fā)射極接殼、基極接殼、集電極接殼和三個電極均不接殼四種接殼方式，可分別與共射、共基、共集電極電路匹配使用，使之在電路應(yīng)用中具有管殼總可以與電路公共端相連，無需外加絕緣片即可直接接散熱器，有效耗散功率大，二次擊穿耐量高，安全工作區(qū)域大，無干擾自屏蔽，防潮濕耐粉塵，高安全，高可靠，使用方便等優(yōu)點，并具有金屬氣密封裝、機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)簡單、封裝成本低廉等特點。受到了半導(dǎo)體行業(yè)和軍工、民用整機(jī)單位的歡迎和好評。為了選極晶體管的廣泛推廣應(yīng)用，在國家自然科學(xué)基金的資助和國防科工委、航空工業(yè)總公司、信息產(chǎn)業(yè)部的大力支持下，進(jìn)行了選極晶體管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂和技術(shù)認(rèn)證。

　　 ----2型號的選取

　　----選極晶體管主要是改變了Ｆ型封裝的封裝結(jié)構(gòu)，原則上說各種類型、型號的功率晶體管芯片都可以封裝成選極晶體管，它是一種通用的高安全、高可靠、高機(jī)械強(qiáng)度、高氣密性的功率晶體管。根據(jù)這一特點，應(yīng)選擇覆蓋NPN、PNP、低頻、高頻和一定功率范圍的不同型號的晶體管制訂標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)行技術(shù)認(rèn)證試驗。據(jù)此，并參照試用單位的要求，選擇了3DD5、3CD4、3DD9和3DA98四種型號制訂標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行技術(shù)認(rèn)證試驗。

　　----3技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂

　　----根據(jù)國軍標(biāo)GJB33?5《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》、GJB128?6《半導(dǎo)體分立器件試驗方法》、國標(biāo)GB7581?5《半導(dǎo)體分立器件外形尺寸》，分別制訂了Q/HJX.001-95半導(dǎo)體分立器件3DD5型低頻功率選極晶體管詳細(xì)規(guī)范，Q/HJX.002-95半導(dǎo)體分立器件3CD4型低頻功率選極晶體管詳細(xì)規(guī)范，Q/HJX.003-95半導(dǎo)體分立器件3DD9型低頻功率選極晶體管詳細(xì)規(guī)范，Q/HJX.004-95半導(dǎo)體分立器件3DA98型高頻功率選極晶體管詳細(xì)規(guī)范。

　　----詳細(xì)規(guī)范中明確指出選極晶體管的"封裝為‘芯片—電子陶瓷——金屬管座’結(jié)構(gòu)，芯片下電極（集電極）與金屬管座絕緣，可通過焊接內(nèi)引線選擇芯片的電極（B、C、E)之一與管座電連通，也可使三個電極都不與管座電連通，因此，具有四種不同的電極接殼方式，即：基極接管殼、集電極接管殼、發(fā)射極接管殼、三個電極都不接殼，使之可以與電路組態(tài)相適應(yīng)。用戶根據(jù)要求在合同或訂貨單中規(guī)定。”

　　----鑒于選極晶體管有四種不同的電極接殼方式，詳細(xì)規(guī)范中對管殼電極的區(qū)分規(guī)定為：在原有型號（如3DD5B、C、D......）后加后綴字母B、C、E、F，分別表示基極接管殼，集電極接管殼，發(fā)射極接管殼、三個電極均不接管殼。例如：3DD5DE表示發(fā)射極接管殼的3DD5D晶體管。

　　----外形尺寸參照GB7581?5《半導(dǎo)體分立器件外形尺寸》中的有關(guān)規(guī)定，并對基極接管殼和發(fā)射極接管殼時外引線絕緣子一大一小及三個電極均不接管殼時三根外引線的情況作了詳細(xì)規(guī)定。

　　----3.1功率老化和穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗條件

　　----在功率老化篩選和穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗中，由于功率晶體管實際的最大耗散功率一般都比其額定值大，導(dǎo)致按傳統(tǒng)的恒定殼溫的方法進(jìn)行篩選和試驗時，晶體管的結(jié)溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最高允許結(jié)溫TJM，從而降低了試驗的可信性。為了克服這一問題，近年來，一些標(biāo)準(zhǔn)將試驗條件由規(guī)定殼溫改為規(guī)定結(jié)溫，如：SJ20183-92《3DD6型功率晶體管詳細(xì)規(guī)范》規(guī)定的功率老化條件和B3、C6分組中規(guī)定的穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗條件為：在施加最大額定功率Ptotmax的條件下，晶體管的結(jié)溫Tj=162.5℃±12.5℃(2)。據(jù)此，在制訂選極晶體管詳細(xì)規(guī)范時，將功率老化篩選條件和穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗條件規(guī)定為：在施加最大額定功率Ptotmax的條件下，晶體管的結(jié)溫為Tj=TJ+0M-12.5℃，殼溫不低于與最大額定功率Ptotmax相應(yīng)的溫度。例如：3DD9D的Ptotmax=150W（Tc=75℃），TJM=175℃，則其功率老化篩選條件和穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗條件規(guī)定為：Ptot=150W，VCE=25V，Tj=175+0-12.5℃，TC≥75℃。

　　----3.2間歇工作壽命試驗條件

　　----一般的功率晶體管詳細(xì)規(guī)范，往往不將間歇工作壽命試驗規(guī)定為必須的試驗項目，GJB33-85《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》在質(zhì)量一致性檢驗的B3和C6組中也只規(guī)定為“穩(wěn)態(tài)工作壽命或間歇工作壽命”。但鑒于選極晶體管是一種高可靠性器件，曾通過了40000次無失效的間歇工作壽命試驗，故在詳細(xì)規(guī)范的質(zhì)量一致性檢驗C組中同時規(guī)定了穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗和間歇工作壽命試驗。詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定的間歇工作壽命次數(shù)為6000次，試驗條件為：ΔTc=60℃，Tcmin=35±5℃，ton=1min，toff=2-3min，失效判據(jù)為Z（th）＞初始值×1.5。

　　----3.3直流安全工作區(qū)的確定

　　----晶體管的安全工作區(qū)是由最大集電極電流ICM、集電極最大耗散功率PCM、二次擊穿功率PS·B和集電極-發(fā)射極擊穿電壓V(BR)CEO確定的，在對數(shù)坐標(biāo)中，它們是四條直線。其中，ICM、PCM、V(BR)CEO是器件的最大額定值，有確定的數(shù)值，而且ICM線與PCM線的交點由PCM=VCE×ICM確定，PS·B線與V(BR)CEO線的交點由V(BR)CEO對應(yīng)的Ic的大小確定。需要通過測量確定的是PCM線與PS·B線的交點。按照國標(biāo)GB/T4587?4《半導(dǎo)體分立器件和集成電路第7部分：雙極型晶體管》11.3.4給出的確定安全工作區(qū)的方法(3)，通過測量結(jié)溫確定了PCM線與PS·B線的交點，從而在詳細(xì)規(guī)范中確定了直流安全工作區(qū)的測試條件，并畫出了直流安全工作區(qū)曲線。

　　----4技術(shù)認(rèn)證試驗

　　----為了全面評價選極晶體管所達(dá)到的技術(shù)水平，驗證所制訂詳細(xì)規(guī)范的適用性，小批量制備了3DD5DE、3CD4EE、3DD9DE、3DA98AE四種型號的選極晶體管，委托中國軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證鑒定試驗室，分別按相應(yīng)的詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量一致性檢驗的A、B、Ｃ三組試驗，經(jīng)過半年多的試驗，四種型號的選極晶體管全部通過了試驗。

　　----4.1樣管制備

　　----鑒于3DD5DE和3CD4EE的最大額定功率Ptotmax=30W（Tc=25℃），故采用F1型封裝；而3DD9DE的最大額定功率Ptotmax=225W（Tc=25℃）、3DA98AE的最大額定功率Ptotmax=60W（Tc=25℃），采用F2型封裝。
我們針對四種型號樣管技術(shù)參數(shù)的不同，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、絕緣導(dǎo)熱設(shè)計和頻率特性設(shè)計。例如：為了減小3DA98AE發(fā)射極內(nèi)引線的電感，根據(jù)芯片的形狀，專門設(shè)計了絕緣導(dǎo)熱陶瓷片的金屬化圖形。同時，進(jìn)行了多次工藝試驗，利用選定的最佳工藝條件制備出樣管。

　　----4.2樣管的測試和篩選

　　----對樣管進(jìn)行百分之百的參數(shù)測試和篩選，剔除不合格的器件是順利進(jìn)行試驗的質(zhì)量保證。對于上述四種樣管的參數(shù)測試，現(xiàn)有儀器設(shè)備大都可以滿足要求。但在進(jìn)行3DD9DE的安全工作區(qū)測試時，第一、二兩個測量點的電流分別是15A和7.5A，超出了BJ2984晶體管瞬態(tài)熱阻測試儀的電流范圍（IE=5A），我們對儀器進(jìn)行改造，使其電流范圍擴(kuò)大到20A后，完成了測試工作。

　　----由于沒有相應(yīng)的電老化試驗臺，無法對樣管進(jìn)行電老化篩選，我們用熱敏參數(shù)（ΔVBE）測量結(jié)溫的方法代替了電老化篩選。具體做法是：第一，鑒于在相同功率和脈沖寬度下，ΔVBE是集電極電壓VCE和集電極電流IC的函數(shù)，我們在低電壓大電流和高電壓小電流兩個條件下分別測量ΔVBE，取兩個ΔVBE變化小的樣管。第二，熱阻儀的測量結(jié)果是建立在假設(shè)結(jié)溫均勻分布的基礎(chǔ)上的，而結(jié)溫的分布實際上是不均勻的，熱阻儀的測量結(jié)果只是結(jié)溫分布曲線上的一個點，對同一批器件在相同的條件下進(jìn)行測量，只能得到一個相對的結(jié)果，但溫度的高低并不能表明結(jié)溫分布的均勻性，而結(jié)溫分布的均勻性對晶體管可靠性的影響是巨大的。為此，我們在進(jìn)行理論分析和實驗研究的基礎(chǔ)上，找到了在熱阻儀上利用雙測試電流測量結(jié)溫分布不均勻性的方法。采用這一篩選方法，對剔除結(jié)溫分布不均勻的樣管，從而保證順利通過穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗和間歇工作壽命試驗具有重要的意義。

　　----4.3間歇工作壽命試驗

　　----詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定的間歇工作壽命次數(shù)為6000次，但鑒于選極晶體管是一種高可靠性器件，曾通過了40000次無失效的間歇工作壽命試驗，故在此次技術(shù)認(rèn)證實驗中，對3DD5DE、3CD4EE、3DA98AE的間歇工作壽命次數(shù)規(guī)定為6000次，而對芯片面積最大的3DD9DE的間歇工作壽命試驗規(guī)定為在完成6000次試驗的測量后，如果沒有失效，繼續(xù)進(jìn)行試驗到20000次。結(jié)果，3DD9DE順利地通過了20000次的間歇工作壽命試驗。

　　----選極晶體管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和認(rèn)證試驗的順利進(jìn)行，為其推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并已得到國防科工委、航空工業(yè)總公司、信息產(chǎn)業(yè)部的重視和具體支持，可以肯定，選極晶體管一定會在有關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。