随着科学技术的发展,固体继电器作为一种新兴的功率半导体元器件,越来越多应用于航空、航天、武器装备等各种极端环境下。在这些极端环境条件下,温度的剧烈变化是影响固体继电器可靠性的不可忽视的因素。因此,本课题对某型固体继电器设计了可靠性实验,以评估其平均无故障间隔时间和失效机理。研究内容包括固体继电器可靠性实验设计研究、光电耦合器失效机理研究以及基于ANSYS的可控硅器件和光电耦合器热应力分布分析。首先,本文根据通信设备可靠性实验YD/T 282-2000标准,针对选用的某型固体继电器的技术性能参数及其应用环境,设计了稳态工作可靠性实验,对样品平均无故障间隔时间(MTBF)值进行了评估。实验结果表明,在本次实验条件下,样品的平均无故障间隔时间是14.5年。其次,为进一步分析固体继电器的失效机理,对样品的关键部件光电耦合器进行了温度循环和高温贮存两个环境实验。实验发现,高温贮存会引起器件性能发生缓慢退化,但不会导致功能失效;而温度循环则会导致器件功能失效。对失效样品进行失效分析,发现温度循环实验中产生的热疲劳应力容易引起引线断开或者使芯片与焊料层分层开裂,所以热应力下的器件封装结构损伤成为影响光电耦合器可靠性的重要因素。最后,通过有限元软件ANSYS对固体继电器满负荷工作状态下发热元件可控硅的三维温度场和热应力分布进行了模拟仿真。模拟结果表明,可控硅上的温度很高,温差很小,底座是散热主要途径,热应力主要集中于芯片、塑封料和粘接层的接触边界处。进一步分析了固体继电器中光电耦合器在高温条件下的热应力分布。结果表明,芯片与塑封料、焊料结合部位容易形成应力集中,是影响器件工作可靠性的薄弱环节。研究不同材料性能的塑封料和焊料对最大等效热应力的影响表明,相对焊料的影响,塑封料的材料性能是产生应力集中的主要因素,选择热膨胀系数匹配、弹性模量小的塑封料是提高可控硅、光电耦合器可靠性的有效途径。