选极晶体管技术标准的制订和认证试验
摘要：本文介绍了选极晶体管技术标准制订和认证试验中的有关技术问题。
关键词：选极晶体管技术标准认证试验
----1引言
----选极晶体管是山东大学发明的一种具有F型封装外型，采用通用芯片，具有“芯片－陶瓷－金属”结构，制造时可根据整机电路组态需要选择芯片的电极之一与管座电连通，亦可使芯片的电极均不与管座电连通的功率晶体管。对于双极型晶体管，同一型号，可以有发射极接壳、基极接壳、集电极接壳和三个电极均不接壳四种接壳方式，可分别与共射、共基、共集电极电路匹配使用，使之在电路应用中具有管壳总可以与电路公共端相连，无需外加绝缘片即可直接接散热器，有效耗散功率大，二次击穿耐量高，安全工作区域大，无干扰自屏蔽，防潮湿耐粉尘，高安全，高可靠，使用方便等优点，并具有金属气密封装、机械强度高、结构简单、封装成本低廉等特点。受到了半导体行业和军工、民用整机单位的欢迎和好评。为了选极晶体管的广泛推广应用，在国家自然科学基金的资助和国防科工委、航空工业总公司、信息产业部的大力支持下，进行了选极晶体管的技术标准制订和技术认证。
----2型号的选取
----选极晶体管主要是改变了Ｆ型封装的封装结构，原则上说各种类型、型号的功率晶体管芯片都可以封装成选极晶体管，它是一种通用的高安全、高可靠、高机械强度、高气密性的功率晶体管。根据这一特点，应选择覆盖NPN、PNP、低频、高频和一定功率范围的不同型号的晶体管制订标准和进行技术认证试验。据此，并参照试用单位的要求，选择了3DD5、3CD4、3DD9和3DA98四种型号制订标准，并进行技术认证试验。
----3技术标准的制订
----根据国军标GJB33?5《半导体分立器件总规范》、GJB128?6《半导体分立器件试验方法》、国标GB7581?5《半导体分立器件外形尺寸》，分别制订了Q/HJX.001-95半导体分立器件3DD5型低频功率选极晶体管详细规范，Q/HJX.002-95半导体分立器件3CD4型低频功率选极晶体管详细规范，Q/HJX.003-95半导体分立器件3DD9型低频功率选极晶体管详细规范，Q/HJX.004-95半导体分立器件3DA98型高频功率选极晶体管详细规范。
----详细规范中明确指出选极晶体管的"封装为‘芯片—电子陶瓷——金属管座\’结构，芯片下电极（集电极）与金属管座绝缘，可通过焊接内引线选择芯片的电极（B、C、E)之一与管座电连通，也可使三个电极都不与管座电连通，因此，具有四种不同的电极接壳方式，即：基极接管壳、集电极接管壳、发射极接管壳、三个电极都不接壳，使之可以与电路组态相适应。用户根据要求在合同或订货单中规定。”
----鉴于选极晶体管有四种不同的电极接壳方式，详细规范中对管壳电极的区分规定为：在原有型号（如3DD5B、C、D......）后加后缀字母B、C、E、F，分别表示基极接管壳，集电极接管壳，发射极接管壳、三个电极均不接管壳。例如：3DD5DE表示发射极接管壳的3DD5D晶体管。
----外形尺寸参照GB7581?5《半导体分立器件外形尺寸》中的有关规定，并对基极接管壳和发射极接管壳时外引线绝缘子一大一小及三个电极均不接管壳时三根外引线的情况作了详细规定。
----3.1功率老化和稳态工作寿命试验条件
----在功率老化筛选和稳态工作寿命试验中，由于功率晶体管实际的最大耗散功率一般都比其额定值大，导致按传统的恒定壳温的方法进行筛选和试验时，晶体管的结温远远低于最高允许结温TJM，从而降低了试验的可信性。为了克服这一问题，近年来，一些标准将试验条件由规定壳温改为规定结温，如：SJ20183－92《3DD6型功率晶体管详细规范》规定的功率老化条件和B3、C6分组中规定的稳态工作寿命试验条件为：在施加最大额定功率Ptotmax的条件下，晶体管的结温Tj=162.5℃±12.5℃(2)。据此，在制订选极晶体管详细规范时，将功率老化筛选条件和稳态工作寿命试验条件规定为：在施加最大额定功率Ptotmax的条件下，晶体管的结温为Tj=TJ+0M-12.5℃，壳温不低于与最大额定功率Ptotmax相应的温度。例如：3DD9D的Ptotmax=150W（Tc=75℃），TJM=175℃，则其功率老化筛选条件和稳态工作寿命试验条件规定为：Ptot=150W，VCE=25V，Tj=175+0-12.5℃，TC≥75℃。
----3.2间歇工作寿命试验条件
----一般的功率晶体管详细规范，往往不将间歇工作寿命试验规定为必须的试验项目，GJB33－85《半导体分立器件总规范》在质量一致性检验的B3和C6组中也只规定为“稳态工作寿命或间歇工作寿命”。但鉴于选极晶体管是一种高可靠性器件，曾通过了40000次无失效的间歇工作寿命试验，故在详细规范的质量一致性检验C组中同时规定了稳态工作寿命试验和间歇工作寿命试验。详细规范中规定的间歇工作寿命次数为6000次，试验条件为：ΔTc=60℃，Tcmin=35±5℃，ton=1min，toff=2-3min，失效判据为Z（th）＞初始值×1.5。
----3.3直流安全工作区的确定
----晶体管的安全工作区是由最大集电极电流ICM、集电极最大耗散功率PCM、二次击穿功率PS·B和集电极-发射极击穿电压V(BR)CEO确定的，在对数坐标中，它们是四条直线。其中，ICM、PCM、V(BR)CEO是器件的最大额定值，有确定的数值，而且ICM线与PCM线的交点由PCM=VCE×ICM确定，PS·B线与V(BR)CEO线的交点由V(BR)CEO对应的Ic的大小确定。需要通过测量确定的是PCM线与PS·B线的交点。按照国标GB/T4587?4《半导体分立器件和集成电路第7部分：双极型晶体管》11.3.4给出的确定安全工作区的方法(3)，通过测量结温确定了PCM线与PS·B线的交点，从而在详细规范中确定了直流安全工作区的测试条件，并画出了直流安全工作区曲线。
----4技术认证试验
----为了全面评价选极晶体管所达到的技术水平，验证所制订详细规范的适用性，小批量制备了3DD5DE、3CD4EE、3DD9DE、3DA98AE四种型号的选极晶体管，委托中国军用电子元器件质量认证鉴定试验室，分别按相应的详细规范进行质量一致性检验的A、B、Ｃ三组试验，经过半年多的试验，四种型号的选极晶体管全部通过了试验。
----4.1样管制备
----鉴于3DD5DE和3CD4EE的最大额定功率Ptotmax=30W（Tc=25℃），故采用F1型封装；而3DD9DE的最大额定功率Ptotmax=225W（Tc=25℃）、3DA98AE的最大额定功率Ptotmax=60W（Tc=25℃），采用F2型封装。
我们针对四种型号样管技术参数的不同，进行了结构设计、绝缘导热设计和频率特性设计。例如：为了减小3DA98AE发射极内引线的电感，根据芯片的形状，专门设计了绝缘导热陶瓷片的金属化图形。同时，进行了多次工艺试验，利用选定的最佳工艺条件制备出样管。
----4.2样管的测试和筛选
----对样管进行百分之百的参数测试和筛选，剔除不合格的器件是顺利进行试验的质量保证。对于上述四种样管的参数测试，现有仪器设备大都可以满足要求。但在进行3DD9DE的安全工作区测试时，第一、二两个测量点的电流分别是15A和7.5A，超出了BJ2984晶体管瞬态热阻测试仪的电流范围（IE=5A），我们对仪器进行改造，使其电流范围扩大到20A后，完成了测试工作。
----由于没有相应的电老化试验台，无法对样管进行电老化筛选，我们用热敏参数（ΔVBE）测量结温的方法代替了电老化筛选。具体做法是：第一，鉴于在相同功率和脉冲宽度下，ΔVBE是集电极电压VCE和集电极电流IC的函数，我们在低电压大电流和高电压小电流两个条件下分别测量ΔVBE，取两个ΔVBE变化小的样管。第二，热阻仪的测量结果是建立在假设结温均匀分布的基础上的，而结温的分布实际上是不均匀的，热阻仪的测量结果只是结温分布曲线上的一个点，对同一批器件在相同的条件下进行测量，只能得到一个相对的结果，但温度的高低并不能表明结温分布的均匀性，而结温分布的均匀性对晶体管可靠性的影响是巨大的。为此，我们在进行理论分析和实验研究的基础上，找到了在热阻仪上利用双测试电流测量结温分布不均匀性的方法。采用这一筛选方法，对剔除结温分布不均匀的样管，从而保证顺利通过稳态工作寿命试验和间歇工作寿命试验具有重要的意义。
----4.3间歇工作寿命试验
----详细规范中规定的间歇工作寿命次数为6000次，但鉴于选极晶体管是一种高可靠性器件，曾通过了40000次无失效的间歇工作寿命试验，故在此次技术认证实验中，对3DD5DE、3CD4EE、3DA98AE的间歇工作寿命次数规定为6000次，而对芯片面积最大的3DD9DE的间歇工作寿命试验规定为在完成6000次试验的测量后，如果没有失效，继续进行试验到20000次。结果，3DD9DE顺利地通过了20000次的间歇工作寿命试验。
----选极晶体管技术标准的制订和认证试验的顺利进行，为其推广应用奠定了基础，并已得到国防科工委、航空工业总公司、信息产业部的重视和具体支持，可以肯定，选极晶体管一定会在有关领域得到广泛的应用。
关键词：选极晶体管技术标准认证试验
----1引言
----选极晶体管是山东大学发明的一种具有F型封装外型，采用通用芯片，具有“芯片－陶瓷－金属”结构，制造时可根据整机电路组态需要选择芯片的电极之一与管座电连通，亦可使芯片的电极均不与管座电连通的功率晶体管。对于双极型晶体管，同一型号，可以有发射极接壳、基极接壳、集电极接壳和三个电极均不接壳四种接壳方式，可分别与共射、共基、共集电极电路匹配使用，使之在电路应用中具有管壳总可以与电路公共端相连，无需外加绝缘片即可直接接散热器，有效耗散功率大，二次击穿耐量高，安全工作区域大，无干扰自屏蔽，防潮湿耐粉尘，高安全，高可靠，使用方便等优点，并具有金属气密封装、机械强度高、结构简单、封装成本低廉等特点。受到了半导体行业和军工、民用整机单位的欢迎和好评。为了选极晶体管的广泛推广应用，在国家自然科学基金的资助和国防科工委、航空工业总公司、信息产业部的大力支持下，进行了选极晶体管的技术标准制订和技术认证。
----2型号的选取
----选极晶体管主要是改变了Ｆ型封装的封装结构，原则上说各种类型、型号的功率晶体管芯片都可以封装成选极晶体管，它是一种通用的高安全、高可靠、高机械强度、高气密性的功率晶体管。根据这一特点，应选择覆盖NPN、PNP、低频、高频和一定功率范围的不同型号的晶体管制订标准和进行技术认证试验。据此，并参照试用单位的要求，选择了3DD5、3CD4、3DD9和3DA98四种型号制订标准，并进行技术认证试验。
----3技术标准的制订
----根据国军标GJB33?5《半导体分立器件总规范》、GJB128?6《半导体分立器件试验方法》、国标GB7581?5《半导体分立器件外形尺寸》，分别制订了Q/HJX.001-95半导体分立器件3DD5型低频功率选极晶体管详细规范，Q/HJX.002-95半导体分立器件3CD4型低频功率选极晶体管详细规范，Q/HJX.003-95半导体分立器件3DD9型低频功率选极晶体管详细规范，Q/HJX.004-95半导体分立器件3DA98型高频功率选极晶体管详细规范。
----详细规范中明确指出选极晶体管的"封装为‘芯片—电子陶瓷——金属管座\’结构，芯片下电极（集电极）与金属管座绝缘，可通过焊接内引线选择芯片的电极（B、C、E)之一与管座电连通，也可使三个电极都不与管座电连通，因此，具有四种不同的电极接壳方式，即：基极接管壳、集电极接管壳、发射极接管壳、三个电极都不接壳，使之可以与电路组态相适应。用户根据要求在合同或订货单中规定。”
----鉴于选极晶体管有四种不同的电极接壳方式，详细规范中对管壳电极的区分规定为：在原有型号（如3DD5B、C、D......）后加后缀字母B、C、E、F，分别表示基极接管壳，集电极接管壳，发射极接管壳、三个电极均不接管壳。例如：3DD5DE表示发射极接管壳的3DD5D晶体管。
----外形尺寸参照GB7581?5《半导体分立器件外形尺寸》中的有关规定，并对基极接管壳和发射极接管壳时外引线绝缘子一大一小及三个电极均不接管壳时三根外引线的情况作了详细规定。
----3.1功率老化和稳态工作寿命试验条件
----在功率老化筛选和稳态工作寿命试验中，由于功率晶体管实际的最大耗散功率一般都比其额定值大，导致按传统的恒定壳温的方法进行筛选和试验时，晶体管的结温远远低于最高允许结温TJM，从而降低了试验的可信性。为了克服这一问题，近年来，一些标准将试验条件由规定壳温改为规定结温，如：SJ20183－92《3DD6型功率晶体管详细规范》规定的功率老化条件和B3、C6分组中规定的稳态工作寿命试验条件为：在施加最大额定功率Ptotmax的条件下，晶体管的结温Tj=162.5℃±12.5℃(2)。据此，在制订选极晶体管详细规范时，将功率老化筛选条件和稳态工作寿命试验条件规定为：在施加最大额定功率Ptotmax的条件下，晶体管的结温为Tj=TJ+0M-12.5℃，壳温不低于与最大额定功率Ptotmax相应的温度。例如：3DD9D的Ptotmax=150W（Tc=75℃），TJM=175℃，则其功率老化筛选条件和稳态工作寿命试验条件规定为：Ptot=150W，VCE=25V，Tj=175+0-12.5℃，TC≥75℃。
----3.2间歇工作寿命试验条件
----一般的功率晶体管详细规范，往往不将间歇工作寿命试验规定为必须的试验项目，GJB33－85《半导体分立器件总规范》在质量一致性检验的B3和C6组中也只规定为“稳态工作寿命或间歇工作寿命”。但鉴于选极晶体管是一种高可靠性器件，曾通过了40000次无失效的间歇工作寿命试验，故在详细规范的质量一致性检验C组中同时规定了稳态工作寿命试验和间歇工作寿命试验。详细规范中规定的间歇工作寿命次数为6000次，试验条件为：ΔTc=60℃，Tcmin=35±5℃，ton=1min，toff=2-3min，失效判据为Z（th）＞初始值×1.5。
----3.3直流安全工作区的确定
----晶体管的安全工作区是由最大集电极电流ICM、集电极最大耗散功率PCM、二次击穿功率PS·B和集电极-发射极击穿电压V(BR)CEO确定的，在对数坐标中，它们是四条直线。其中，ICM、PCM、V(BR)CEO是器件的最大额定值，有确定的数值，而且ICM线与PCM线的交点由PCM=VCE×ICM确定，PS·B线与V(BR)CEO线的交点由V(BR)CEO对应的Ic的大小确定。需要通过测量确定的是PCM线与PS·B线的交点。按照国标GB/T4587?4《半导体分立器件和集成电路第7部分：双极型晶体管》11.3.4给出的确定安全工作区的方法(3)，通过测量结温确定了PCM线与PS·B线的交点，从而在详细规范中确定了直流安全工作区的测试条件，并画出了直流安全工作区曲线。
----4技术认证试验
----为了全面评价选极晶体管所达到的技术水平，验证所制订详细规范的适用性，小批量制备了3DD5DE、3CD4EE、3DD9DE、3DA98AE四种型号的选极晶体管，委托中国军用电子元器件质量认证鉴定试验室，分别按相应的详细规范进行质量一致性检验的A、B、Ｃ三组试验，经过半年多的试验，四种型号的选极晶体管全部通过了试验。
----4.1样管制备
----鉴于3DD5DE和3CD4EE的最大额定功率Ptotmax=30W（Tc=25℃），故采用F1型封装；而3DD9DE的最大额定功率Ptotmax=225W（Tc=25℃）、3DA98AE的最大额定功率Ptotmax=60W（Tc=25℃），采用F2型封装。
我们针对四种型号样管技术参数的不同，进行了结构设计、绝缘导热设计和频率特性设计。例如：为了减小3DA98AE发射极内引线的电感，根据芯片的形状，专门设计了绝缘导热陶瓷片的金属化图形。同时，进行了多次工艺试验，利用选定的最佳工艺条件制备出样管。
----4.2样管的测试和筛选
----对样管进行百分之百的参数测试和筛选，剔除不合格的器件是顺利进行试验的质量保证。对于上述四种样管的参数测试，现有仪器设备大都可以满足要求。但在进行3DD9DE的安全工作区测试时，第一、二两个测量点的电流分别是15A和7.5A，超出了BJ2984晶体管瞬态热阻测试仪的电流范围（IE=5A），我们对仪器进行改造，使其电流范围扩大到20A后，完成了测试工作。
----由于没有相应的电老化试验台，无法对样管进行电老化筛选，我们用热敏参数（ΔVBE）测量结温的方法代替了电老化筛选。具体做法是：第一，鉴于在相同功率和脉冲宽度下，ΔVBE是集电极电压VCE和集电极电流IC的函数，我们在低电压大电流和高电压小电流两个条件下分别测量ΔVBE，取两个ΔVBE变化小的样管。第二，热阻仪的测量结果是建立在假设结温均匀分布的基础上的，而结温的分布实际上是不均匀的，热阻仪的测量结果只是结温分布曲线上的一个点，对同一批器件在相同的条件下进行测量，只能得到一个相对的结果，但温度的高低并不能表明结温分布的均匀性，而结温分布的均匀性对晶体管可靠性的影响是巨大的。为此，我们在进行理论分析和实验研究的基础上，找到了在热阻仪上利用双测试电流测量结温分布不均匀性的方法。采用这一筛选方法，对剔除结温分布不均匀的样管，从而保证顺利通过稳态工作寿命试验和间歇工作寿命试验具有重要的意义。
----4.3间歇工作寿命试验
----详细规范中规定的间歇工作寿命次数为6000次，但鉴于选极晶体管是一种高可靠性器件，曾通过了40000次无失效的间歇工作寿命试验，故在此次技术认证实验中，对3DD5DE、3CD4EE、3DA98AE的间歇工作寿命次数规定为6000次，而对芯片面积最大的3DD9DE的间歇工作寿命试验规定为在完成6000次试验的测量后，如果没有失效，继续进行试验到20000次。结果，3DD9DE顺利地通过了20000次的间歇工作寿命试验。
----选极晶体管技术标准的制订和认证试验的顺利进行，为其推广应用奠定了基础，并已得到国防科工委、航空工业总公司、信息产业部的重视和具体支持，可以肯定，选极晶体管一定会在有关领域得到广泛的应用。