OPA2541功率運(yùn)放老煉技術(shù)研究

張運(yùn)坤++張揚(yáng)

摘 要：電子元器件的老煉試驗是剔除早期失效的有效手段。為了提高系統(tǒng)的可靠性同時彌補(bǔ)老煉試驗設(shè)備能力不足的問題，文中設(shè)計了一款適用于OPA2541功率運(yùn)放老煉，且操作簡單的試驗設(shè)備。本設(shè)計有效解決了該系列功率運(yùn)放的老煉試驗問題，同時為后續(xù)開發(fā)其他功率器件的老煉試驗提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：OPA2541功率運(yùn)放；可靠性；老煉

中圖分類號：TN60 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0056-02

1 引言

目前國內(nèi)通用集成電路的篩選老煉由篩選設(shè)備生產(chǎn)廠家提供篩選設(shè)備和篩選老煉程序，由集成電路生產(chǎn)商或元器件可靠性機(jī)構(gòu)進(jìn)行篩選老煉[1]。對于部分特殊集成電路，如OPA2541功率型運(yùn)算放大器的老煉由于沒有專門的設(shè)備一直沒有開展。沒有經(jīng)過老煉試驗篩選的器件用在型號產(chǎn)品上會產(chǎn)生一定的風(fēng)險。本文依據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》以O(shè)PA2541為例開展功率型集成運(yùn)算放大器老煉技術(shù)研究。

2 集成電路老煉的必要性

電功率老煉是在規(guī)定的溫度下給元器件通上規(guī)定時間的電應(yīng)力，使器件具有潛在缺陷提前暴露，是提高產(chǎn)品批次可靠性的一種非常有效的手段。被篩選的器件一般加額定功率，溫度基本恒定，大部分集成電路在高溫下老煉。在高溫下加電應(yīng)力的老煉稱為高溫電老煉，這項試驗是具有加速度的篩選。集成電路的失效狀況可由壽命浴盆曲線表示，如圖1所示。集成電路缺陷引起的早期失效理論上一般產(chǎn)生在1000h以內(nèi)，之后器件的失效率保持一個非常低的常數(shù)。如果對所有器件都進(jìn)行1000h仿工作狀態(tài)試驗是難以實現(xiàn)的。通過實踐證明，如果提高老化溫度及偏壓能加速使器件產(chǎn)生早期失效[2]。

3 老煉方法研究

3.1 OPA2541性能參數(shù)分析

OPA2541型雙功率高壓運(yùn)算放大器是電源電壓高達(dá)±40V的通用型高壓運(yùn)算放大器，具有電源電壓高（±40V）、電源電壓范圍寬（±10V～±40V）、輸出電流大（7A）、輸入阻抗高以及內(nèi)設(shè)熱關(guān)閉的特點，并具有較大的安全裕量，可用于電機(jī)驅(qū)動、功率放大等場合。

3.2 老煉難點分析

按GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》的規(guī)定，集成電路的老煉方法是在一定的時間段內(nèi)給器件施加上額定電壓和相應(yīng)的溫度應(yīng)力。在實際老煉試驗中也有部分集成電路如大功率電源模塊（DC/DC）可在室溫環(huán)境下通過施加一定的老煉功率使其殼溫達(dá)到并控制在工作溫度范圍內(nèi)，不需要再額外提供試驗溫度應(yīng)力。

OPA2541與DC/DC電源模塊雖然都屬于混合集成電路，但各院、送篩廠的篩選標(biāo)準(zhǔn)中對兩種器件的試驗條件規(guī)定不同。如航天科工集團(tuán)第十研究院標(biāo)準(zhǔn)Q/EG22-2012中混合集成電路的老煉試驗條件規(guī)定“DC/DC電源模塊：在常溫下，控制器件殼溫在工作溫度范圍內(nèi)，老煉功率取額定功率的70%～100%。其他混合集成電路：老煉溫度、電壓、電流和偏置按器件技術(shù)手冊規(guī)范或協(xié)議規(guī)定。”對于自身發(fā)熱較明顯的集成電路高溫老煉時烘箱溫度設(shè)定規(guī)則[3]為：

烘箱設(shè)定溫度=最高殼溫-器件在自然條件下的溫升

（1）

其中器件自然條件下的溫升與施加的功率及散熱條件有關(guān)。因此，開展OPA2541的老煉試驗其難點是確定和控制老煉試驗溫度。

3.3 試驗電路的設(shè)計

參照產(chǎn)品手冊在確定可行性的基礎(chǔ)上，為了減少輸入信號接口和輸出信號監(jiān)測端口將OPA2541內(nèi)部兩個運(yùn)放設(shè)計成放大倍數(shù)為負(fù)1的反向比例運(yùn)算放大電路，將運(yùn)放A的輸出做為運(yùn)放B的輸入。只需監(jiān)測運(yùn)放B的輸出信號即可以確認(rèn)被監(jiān)測器件在老煉過程中是否失效。老煉試驗中的輸入信號采用頻率為50Hz、幅值可調(diào)的正弦波信號，老煉試驗原理圖如圖2所示。其中RL1、RL2為30Ω/20W的電阻器。

3.4 老煉溫度的確定和控制

為了確認(rèn)OPA2541老煉試驗的環(huán)境溫度，按照圖2所示的原理圖搭建了試驗電路，在室溫25℃、無外加散熱片、無散熱風(fēng)扇的情況對10只OPA2541進(jìn)行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中可以看出，在無外加散熱片，無輸入信號的情況下OPA2541殼溫在自然條件下的溫升可以達(dá)到63℃。輸入信號幅值為2.2V時其殼溫可到125℃，已滿足老煉試驗對殼溫的要求。

從表1中還可以看出，在無外加散熱片的情況下，10只被試驗器件的殼溫溫差較大，達(dá)到8℃左右。在試驗過程中選取較高溫度點作為參考，將導(dǎo)致部分器件達(dá)不到老煉效果，選取較低溫度點作為參考將出現(xiàn)部分器件殼溫超限造成器件損傷。參照電源模塊（DC/DC）的老煉試驗方法，在器件與試驗夾具間加入散熱片，在室溫25℃、無散熱風(fēng)扇的情況下對前期試驗的10只OPA2541重新進(jìn)行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中可以看出，增加散熱片后10只被試驗器件的殼溫溫差縮小到3.5℃，殼溫穩(wěn)定在相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)的輸入信號幅值有所增加，但都未超出該器件的最大輸入信號幅值。

因此本設(shè)計中OPA2541的老煉試驗不再使用高溫烘箱提供溫度應(yīng)力，在常溫環(huán)境中通過控制器件的老煉功率來達(dá)到相應(yīng)的老煉殼溫要求，同時通過增加散熱片的方式來縮小各器件殼溫的溫差。

4 試驗裝置設(shè)計制作

根據(jù)前期的試驗，設(shè)計出如圖3所示的老煉試驗裝置，主要有老煉試驗板、信號源、散熱裝置、供電電源、示波器等部分組成。

考慮到老煉試驗的便捷性和可操作性，同時盡可能縮短設(shè)計周期。老煉裝置所需的電源和示波器均采用市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品。其中選用的供電電源電壓應(yīng)大于35V、電流大于20A（或根據(jù)實際情況選用）。

老煉試驗中的輸入信號采用頻率為50Hz正弦波信號，信號幅度在0V-20V范圍內(nèi)可調(diào)。簡單的50Hz正弦波可通過如圖4所示的電路產(chǎn)生，T1為隔離變壓器。

5 結(jié)語

在依據(jù)國軍標(biāo)和篩選標(biāo)準(zhǔn)的前提下，結(jié)合多次試驗測試所得數(shù)據(jù)，研究出了OPA2541型雙功率高壓運(yùn)算放大器老煉試驗技術(shù)，該技術(shù)同時適用于MSK2541、FH0189等功率型運(yùn)放。通過舉一反三，其技術(shù)成果可推廣應(yīng)用，用以解決其他特殊元器件的老煉試驗難題，進(jìn)而提高對型號用元器件的質(zhì)量控制和保障能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚鼎.專用集成電路老煉技術(shù)研究[J].環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，2015（08）.

[2]王曉霞.電子元器件二次篩選質(zhì)量控制方法[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2010（09）.

[3]梅亮.大功率DC/DC電源模塊滿功率殼溫控制方法[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2015（01）.