什么原因毁掉了运算放大器？[

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什么原因毁掉了运算放大器？[ [复制链接]

作者：美国Intersil公司,詹姆士·文森博士

查明造成半导体器件损坏的电过载(EOS)事件的根源是有难度的，而EOS事件出现无规律性时难度会更大。为阐明如何才能对EOS事件追根溯源，在此用一个实例说明我们是如何帮助一位用户辩认两种运算放大器(op amps)的失效原因的。

初步、检查
第一种运算放大器OP1遭到一个大型的EOS事件，其许多电路部件受到损坏。第二种运算放大器OP2的情形是EOS事件只损坏了一只薄膜电阻器。两个运算放大器都有一个或多个引脚无法进行连续性测试—这是器件失效的第一个征兆。此外，OP1的其它几个引脚呈现功能退化。无论OP1还是OP2都通不过功能测试。在运行电测试后，我们打开每一个运算放大器的外封装，对失效器件进行了检查，从外观上将失效器件与有效器件进行对比可帮确定失效位置。
OP1运算放大器呈现多处地方受损(图1)，损坏大部分与器件的输出、负输入和正电源引脚关联。运算放大器输出端上的保险烧断的金属线路证明，运算放大器在EOS事件出现时接到了大量的能量。
相反，OP2器件没显示常规的EOS征兆---异常的金属印迹和灼烧标记。仅有一只电阻可疑，显示颜色略有不同。基于此点得出结论，EOS事件没造成失效，可能是由NiCr电阻器遭氧化或侵蚀所致。但是，同一区域的其它电阻器没显示类似的色变迹象，圆片制造上的问题不可能只对单一个电阻器造成了影响。此外我们还观察到没有其它腐蚀存在，也没发现会把腐蚀性化学品带给电阻器的钝化氧化物缺陷。经分析我们发现是连接着OP2负输入端的开路电阻(图3)造成了器件工作的不正常。当这一电阻断开时，它切断了反馈通路并造成运算放大器输出摆高，不管施加的输入信号如何变化都停留在高电位。对损坏电阻进行探查显示，输入端印迹正常，表示EOS事件没有损坏运算放大器输入通路中的其它电路。

图1 运算放大器OP1许多地方出现损坏，得出结论是：高能量事件造成了运算放大器的失效

图2 运算放大器中输出线路烧断显示EOS事件造成损坏。这时保险丝断开连接
对原因追根溯源
在知道了造成两种失效的损坏之后，我们还得对原因进行追根溯源。第一步是辨别EOS事件的原因，这涉及到从失效报告人处取得的信息。因为我们需要知道发生失效时哪些电路和线路板配置在使用，在最后一次得知部件正常工作的时刻测试条件是什么，以及在经过部件功能正常情况下的最后一次测试或使用之后到底发生了什么样的事件。包含每一种运算放大器的电路示意图给出的运算放大器与所有其它元件以及“外界”信号间的连接。
查看在每种运算放大器上观察到的损坏图案，基于这些图案以及对每种运算放大器周边电路元件的了解，获到了有关EOS事件的来源和强度的信息，如通过大阻抗的外部信号过小可能成为EOS事件的能量供源。阻抗使电流量变小，具有某种保护功能。由电源及其它器件的引脚直接与运算放大器相连虽会产生低阻抗，却因而更容易向半导体器件传导EOS能量。
含有OP1的电路将器件当作一只一致性增益非反相放大器使用，其输出与线路板上一根电缆导线连接。在这种结构中，运算放大器的输出直接与其负输入连接。针对放大器的输入信号直接与来自线路板电源的OP1正输入连接。
基于我们的观察以及运算放大器的应用，认为发生损坏是因为对运算放大器的输出脚施加了正电压。OP1的局部示意图(图4)显示出电流从运算放大器的输出脚流经Q70及Q75到达V+线路的路径。Q70是一个大的输出晶体管，可以应付EOS事件的功率，但Q75不能，正如我们在Q75的基极-发射结处发现铝“短路”所反映的一样。这种小的晶体管在不短路的情况下是不能消掉EOS事件的大量能量的。在电流达到临界电平后，通向焊盘(bond pad)一端的金属输出线路烧断，如图2所示一大段线路烧坏。烧掉如此大段的金属线需要短时间内的大电流脉冲(1~2A)。
OP1还出现了其它损坏。当金属输出线路断开时，电流迅速降为0，电压迅速增加。由于运算放大器的输出与其负输入直接相接，因此在运算放大器Input连接的周围观察到了由EOS电压脉冲造成的损坏(图1)。在我看来，是EOS信号源的寄生电感造成了输出电压的迅速升高。
看起来OP2比OP1损坏轻---仅有一个开路NiCr电阻，这使得难于判断引起器件失效的原因。电测试表明与NiCr电阻器相连的其它元件工作正常。该电阻器连于焊盘和输入级之间。对于由焊盘到负电源的正电压存在一个最低击穿路径。如果电荷采取了不同的路径，理应出现其它电路损坏。由此，EOS能量脉冲必是进入了负输入引脚。
最低电阻击穿路径存在于负输入和负电源线之间，于是EOS电流便流经了这条线路。而由于除该电阻器以外我们没看到金属线或其它元件受损，因此得到结论，这一EOS事件只产生了少量的能量。还有，如果是慢脉冲理应损坏NiCr电阻器的中心而非损坏全部电阻区域。因此，我们认定EOS事件的出现十分迅捷，有一个快速上升时间。

图3 另一种不同类型的运算放大器(OP2)受到轻度损坏，只毁坏了一只电阻器

图4 OP1运算放大器局部示意图示出EOS事件发生时电流通过的路径
我们来做试验
寻查工作的下一步是通过试验试再现失效过程。我们对造成损坏的EOS事件类型进行了某些假设。例如，假定测试导线能提供充足的电感量(~2mH)造成电压尖峰，这样在测试电路中就不用放置额外的电感了。我们还对电压和电流水平、提供给电路的能量以及EOS事件的持续时间进行了一些猜测。
对OP1器件进行测试，我们用一台Tektronix曲线跟踪仪提供25V脉冲，持续时间范围10~50ms。3英尺的测试导线将曲线跟踪仪连于DUT。在这些条件下，测试部件没产生像我们在OP1器件中观察到的那样失效。将电压设定到350V、使用串联电阻将峰值电流限制在2.5 A进行第二次尝试，所产生的损坏与在OP1中见到的类似。脉冲不仅损坏了与OP1相同的电路区域，而且我们还观察到对测试部件更为严重的损坏。降低电压水平或者串联电阻增大可能会使损坏程度减小，但我们觉得我们已找到了损坏的原因，因此我们没做进一步的试验。
通过我们的测试结果，用户找到了可能的失效原因---测试台的非接地测试电缆存在失效。非接地电缆能充电到极高的电压，且当与线路板相连时，它将放电到线路板电路中，损坏运算放大器和其它元件。
增加更多能量
OP2的失效源显得更难以查明。首先，我们在测试器件上施加一电压给负输入并增大这一电压直到运算放大的输入电阻器开路。运算放大器负输入上的+17V信号造成了电阻器的烧毁，但这似乎与OP2中的失效电阻有所不同。
并非显示整个电阻完全失效，测试器件中的电阻器显示跨电阻有一条线。我们决定施加更多的能量使电阻器完全烧断，且快速施加能量以防电阻器热损。
曲线跟踪仪提供的脉冲太慢不能使整个电阻器迅速受热，于是我们尝试使用传输线脉冲(TLP)测试仪。这种类型的测试仪将一定长度的同轴电缆充电至预置电压，然后将电缆放电到DUT中。TLP测试仪能产生一种上升时间小于2 ns、脉宽可变的矩形电流脉冲。当我们给电缆充电充到250V时，它产生了0.5A的峰值电流，在55 ns内烧坏了运算放大器的电阻器。这种脉冲测试的结果与在OP2中所见到的损坏相吻合。
这一结果虽不意味着来自电缆组件的电量造成了部件的损坏，但它的确预示出，具有迅速上升时间的快速脉冲，以及约0.5A的电流，会造成类似的损坏。用户进一步的工作查到了一种可能诱因是紧挨着测板的示波器。
用户发现示波器辐射产生一种高能电场，从而在近邻部件上感应电荷。当技师们用测试仪器接触线路板时，产生了放电。采取适当的屏蔽手段移去电荷，就消除了在测板运算放大器的失效问题。
结语
某些情况下，失效分析师无需对失效部件充分了解便能明白它是如何引起的。供应商对部件最为清楚，而用户则对部件的实际应用了解最多。因此双方需要毫无保留地共享信息以解决令人头痛的EOS相关问题。
参考文献
1 詹姆士文森.“找寻难解的EOS怪问题”.第27届国际测试与失效分析会议录.电子器件失效分析协会，ASM国际组织,2001.
作者简介：詹姆士.文森是一名资深的主任工程师，在Intersil公司从事可靠性分析领域方面的研究工作。他从事可靠性认证和失效分析工作超过18年以上，其专长集中在电过载失效机制方面。

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