某型霍爾開關集成電路貯存特性研究

李坤蘭，胡湘洪，王春輝，張博

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣州 510610）

前言

上世紀90年代初，霍爾集成電路得到迅猛發(fā)展?；魻栭_關型集成電路是將霍爾器件、硅集成電路、放大器、開關三極管集成在一起的一種單片集成電路。開關型霍爾集成電路無觸點，具有無火花、不產生干擾、使用壽命長、靈敏度高、線性度好、功耗小、安裝方便等優(yōu)點，因此，廣泛應用于工業(yè)自動控制、檢測技術和信息處理等領域[1,2]。

貯存狀態(tài)是產品必經的歷程，因此，研究其貯存狀態(tài)下的性能退化特點和環(huán)境適應能力是很有必要的[3-7］。在開展長期貯存試驗的基礎上，本文主要研究了某型霍爾集成電路性能參數的退化特征和貯存氣候環(huán)境對其性能參數的影響。

1 長期貯存試驗

某型霍爾開關集成電路39只開展了長期貯存試驗（帶簡易包裝）。貯存的氣候類型分別為寒溫、亞濕熱-入海口、亞濕熱、熱帶海洋。貯存環(huán)境為室內無空調的庫房。該種霍爾開關集成電路長期貯存試驗開始于1997年7月，至2018年7月份測試時，沒有失效樣品。

霍爾開關集成電路的性能參數高電平-低電平磁感應強度（BH-L）表示在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值（BOP）時，霍爾開關集成電路輸出管導通，輸出低電平。之后磁感應強度再增加，電路仍保持導通狀態(tài)，因此BH-L是霍爾開關集成電路正常工作的最低磁感應強度，即工作點。性能參數低電平-高電平磁感應強度（BL-H）是指外加磁場的磁感應強度降低到BRP時，輸出管截止，輸出高電平，因此BL-H是霍爾開關集成電路正常情況下停止工作的磁感應強度。性能參數BH-L和BL-H的改變直接影響到霍爾開關集成電路的正常工作。BOP-BRP就是回差，用BH表示，回差的存在使霍爾開關集成電路的抗干擾能力增強?；夭畹淖兓绊懟魻栭_關集成電路的電磁部分的抗干擾能力。輸出低電平電壓（VOL）是霍爾開關集成電路正常工作情況下的電壓,該參數反映了霍爾開關集成電路中電路部分的抗干擾能力。電源電流（Icc）是指額定電流，反映了霍爾開關集成電路中電路部分的功耗情況。因此，貯存試驗監(jiān)測了該型號霍爾開關集成電路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個性能參數。樣品投試情況見表1。

表1 樣品投試情況

為了便于后續(xù)研究的開展，需要分析研究貯存試驗前的性能參數BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc的測試數據，以確定所選試驗樣品是否具有代表性和統計意義。貯存試驗性能參數測試數據的統計分析結果見表2。

由表2可知，該種霍爾開關集成電路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個性能參數的貯存試驗前的測試數據的離散程度小，因此，可以對其開展進一步的分析研究。

表2 貯存試驗前測試數據的統計量

2 性能參數的假設檢驗[8-11]

性能參數退化顯著性研究和氣候對性能參數影響的差異性研究可用假設檢驗來完成。在進行假設檢驗時，要求測試數據的方差是齊次的。因此，在進行假設檢驗之前，應先進行方差齊次性檢驗。

2.1 方差齊次性檢驗

方差齊次性檢驗的目的是要比較各總體的均值iu（i= 1, 2,…,m）是否相等，即要檢驗統計假設（1）：H0:u1=u2=…=um是否成立。如果影響因素A取水平A1,A2,…,Am，在水平Ai(i= 1, 2,…,m)下，將經試驗得到的一切數據作為一個總體，且假設該總體為正態(tài)總體，并記這個總體的均值為iu。

根據誤差平方和eS和條件偏差平方和AS可構造假設（2）的檢驗統計量F如下：

式中：

ijε—iA水平下，第j次檢驗中由隨機干擾所產生的誤差。

給定顯著性水平α后，若F＞F1-α/2(m-1,n-m)，拒絕假設H0，認為各水平效應在顯著性水平下α不全為零，水平變化對指標有顯著影響。

若F＜F1-α/2(m-1,n-m)，接受假設H0，認為各水平變化對指標無顯著影響。

在貯存試驗中，就是要檢驗性能參數的測試數據總體的方差是否是齊次的。將某一性能參數的測試數據分成兩個時間段，比較前一時間段的測試數據與后一時間段的測試數據的方差即可。

2.2 假設檢驗（顯著性檢驗）

設ξ1，…，ξn1是取自正態(tài)母體N(u1,σ2)的子樣，η1, … ,ηn2是取自正態(tài)母體N(u1,σ2)的子樣。并且這兩個子樣相互獨立。σ2是未知常數?，F在要檢驗原假設

令這兩個子樣的均值與方差的無偏估計分別為：

如果原假設H0:u1=u2為真，那么應該在0的周圍隨機地擺動，于是統計量為：

其中：

這統計量t服從自由度為n1+n2-2的t-分布。

給出顯著性水平α，在H0為真下：

則拒絕原假設H0:u1=u2，即認為兩個母體的均值有顯著的差異。否則，沒有顯著差別，也即可以認為這兩個子樣來自同一母體。

在貯存試驗中，t—檢驗就是要檢驗前段時間的測試數據的均值與后段時間的測試數據的均值是否相等的問題。

3 結果與討論

3.1 性能參數的退化特征研究

采用假設檢驗對寒溫、亞濕熱-入海口、亞濕熱、熱帶海洋等4種氣候下的試驗樣品的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個性能參數隨貯存時間的變化特征進行研究。選擇顯著水平為0.05，根據假設檢驗原理，若p值＜0.05，則有顯著退化；若p值＞0.05，則無顯著退化。假設檢驗結果見表3。

表3 貯存248個月后性能參數的退化情況一覽表

由表3可知，BH-L、BL-H、BH在貯存248個月后4種氣候類型下均無顯著退化。而VOL則在4種氣候下均有顯著退化。Icc在寒溫氣候條件下無顯著退化，其他3種氣候類型下則有顯著退化。

由此可知，在貯存248個月后，BH-L、BL-H、BH對貯存時間不敏感，而VOL和Icc則是貯存敏感參數。在研究退化趨勢、貯存壽命、庫存再選用等方面應重點關注。

對VOL和Icc進一步研究，結果見表4。

由表4可知，性能參數VOL和Icc在4種氣候類型下，出現顯著退化貯存時間不盡相同。性能參數VOL比Icc更早出現顯著退化，也就是說性能參數VOL比Icc更敏感。VOL有顯著退化的最短的貯存時間是67個月。因此性能參數VOL是決定該種霍爾開關集成電路的關鍵參數。

表4 VOL和ICC開始有顯著退化的貯存時間（單位：月）

3.2 氣候對性能參數的影響差異性研究

研究寒溫、亞濕熱-入?？?、亞濕熱、熱帶海洋等4種氣候類型對該種霍爾開關集成電路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個性能參數的影響差異性。

對不同氣候類型下的性能參數BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個性能參數進行假設檢驗，結果見表5。

由表5可知，寒溫-熱帶海洋、亞濕熱（入?？冢?熱帶海洋、亞濕熱-熱帶海洋對性能參數BH-L影響有顯著差異。進一步分析開始出現顯著差異的貯存時間，結果見表6。

表5 貯存248個月后不同氣候類型下性能參數BH-L、BL-H、BH、VOL、ICC的假設檢驗結果

表6 BH-L、BL-H、BH、VOL、ICC開始出現顯著差異的貯存時間（單位：月）

綜上所述，該種霍爾開關集成電路的性能參數BH-L、BL-H、BH在貯存248個月后4種氣候類型下均未出現顯著退化，BH-L、BL-H、BH對貯存時間不敏感。而性能參數VOL則在4種氣候下均有顯著退化，是貯存敏感參數。性能參數Icc在寒溫氣候條件下無顯著退化，其他3種氣候類型下則有顯著退化，也是貯存敏感參數。在研究退化趨勢、貯存壽命、庫存再選用等方面應該重點關注。

性能參數VOL和Icc出現顯著退化貯存時間不盡相同。性能參數VOL比Icc更早出現顯著退化，也就是說性能參數VOL比Icc更敏感，該種霍爾開關集成電路的貯存壽命由性能參數VOL決定。因此在進行貯存壽命研究時，應優(yōu)先考慮性能參數VOL。另外，在庫房貯存67個月前，該種霍爾開關集成電路性能穩(wěn)定，能夠滿足各種應用。

4種氣候類型下的庫房環(huán)境對性能參數VOL的影響均無顯著差異，對BH-L、BL-H、BH、Icc的影響則有顯著差異。性能參數BH-L、BL-H最早出現顯著差異的貯存時間是18個月。因此BH-L、BL-H是影響該種霍爾開關集成電路環(huán)境適應性的關鍵性能參數。

4 分析

該型號霍爾開關集成電路的封裝為金屬陶瓷封裝。具有較好的抗?jié)衲芰Α?/p>

該型號霍爾開關集成電路貯存試驗期間所經歷的平均溫度、年極端最高溫度、年極端最低溫度、溫度較差、平均濕度、年極端最高濕度、年極端最低濕度、濕度較差等的詳細情況見表7。

表7 環(huán)境因子（平均值）

對表7中的溫度、濕度進行分析可知，從北往南溫度和濕度均逐漸升高，且溫度較差和濕度較差逐漸減小。而磁性材料的性能與溫度密切相關，溫度越高，磁性就越弱。濕度對磁性材料影響較小，但對電路部分會有影響。該型號霍爾開關集成電路的抗?jié)裥阅茌^好，因此其主要的影響因素是溫度。

就溫度來說，寒溫的特點是溫度低，但溫度的年極端值又很高；亞濕熱-入?？诤蛠啙駸岫际菨駸釟夂?；熱帶海洋的特點是常年高溫高濕。

溫度對性能參數BH-L、BL-H、BH產生的影響比時間對其的影響更大。四種氣候下，寒溫對該型號霍爾開關集成電路最有利；熱帶海洋的高溫高濕則對型號霍爾開關集成電路最為不利。

5 結論

該型霍爾開關集成電路貯存248個月后，對樣品的主要性能參數BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc進行了假設檢驗及分析，結果表明：

1）貯存溫度是BH-L、BL-H、BH的主要影響因素，4種氣候類型中，寒溫對該型號霍爾開關集成電路最有利。

2）BH-L、BL-H是影響該種霍爾開關集成電路環(huán)境適應性的關鍵性能參數。

3）VOL是貯存敏感參數，決定該型霍爾開關集成電路貯存壽命的關鍵性能參數。在寒溫和熱帶海洋氣候下的庫房中貯存67個月后開始出現顯著退化。