OPA2541功率運放老煉技術研究

張運坤++張揚

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

關鍵詞：OPA2541功率運放；可靠性；老煉

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

1 引言

目前國內通用集成電路的篩選老煉由篩選設備生產廠家提供篩選設備和篩選老煉程序，由集成電路生產商或元器件可靠性機構進行篩選老煉[1]。對于部分特殊集成電路，如OPA2541功率型運算放大器的老煉由于沒有專門的設備一直沒有開展。沒有經過老煉試驗篩選的器件用在型號產品上會產生一定的風險。本文依據GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》以OPA2541為例開展功率型集成運算放大器老煉技術研究。

2 集成電路老煉的必要性

電功率老煉是在規定的溫度下給元器件通上規定時間的電應力，使器件具有潛在缺陷提前暴露，是提高產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生在1000h以內，之后器件的失效率保持一個非常低的常數。如果對所有器件都進行1000h仿工作狀態試驗是難以實現的。通過實踐證明，如果提高老化溫度及偏壓能加速使器件產生早期失效[2]。

3 老煉方法研究

3.1 OPA2541性能參數分析

OPA2541型雙功率高壓運算放大器是電源電壓高達±40V的通用型高壓運算放大器，具有電源電壓高（±40V）、電源電壓范圍寬（±10V～±40V）、輸出電流大（7A）、輸入阻抗高以及內設熱關閉的特點，并具有較大的安全裕量，可用于電機驅動、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》的規定，集成電路的老煉方法是在一定的時間段內給器件施加上額定電壓和相應的溫度應力。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）可在室溫環境下通過施加一定的老煉功率使其殼溫達到并控制在工作溫度范圍內，不需要再額外提供試驗溫度應力。

OPA2541與DC/DC電源模塊雖然都屬于混合集成電路，但各院、送篩廠的篩選標準中對兩種器件的試驗條件規定不同。如航天科工集團第十研究院標準Q/EG22-2012中混合集成電路的老煉試驗條件規定“DC/DC電源模塊：在常溫下，控制器件殼溫在工作溫度范圍內，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手冊規范或協議規定。”對于自身發熱較明顯的集成電路高溫老煉時烘箱溫度設定規則[3]為：

烘箱設定溫度=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。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 試驗電路的設計

參照產品手冊在確定可行性的基礎上，為了減少輸入信號接口和輸出信號監測端口將OPA2541內部兩個運放設計成放大倍數為負1的反向比例運算放大電路，將運放A的輸出做為運放B的輸入。只需監測運放B的輸出信號即可以確認被監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OPA2541老煉試驗的環境溫度，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、無散熱風扇的情況對10只OPA2541進行了試驗，試驗數據如表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，達到8℃左右。在試驗過程中選取較高溫度點作為參考，將導致部分器件達不到老煉效果，選取較低溫度點作為參考將出現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℃、無散熱風扇的情況下對前期試驗的10只OPA2541重新進行了試驗，試驗數據如表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℃，殼溫穩定在相應溫度區間內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。

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

4 試驗裝置設計制作

根據前期的試驗，設計出如圖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，同時盡可能縮短設計周期。老煉裝置所需的電源和示波器均采用市場上的現有產品。其中選用的供電電源電壓應大于35V、電流大于20A（或根據實際情況選用）。

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范圍內可調。簡單的50Hz正弦波可通過如圖4所示的電路產生，T1為隔離變壓器。

5 結語

在依據國軍標和篩選標準的前提下，結合多次試驗測試所得數據，研究出了OPA2541型雙功率高壓運算放大器老煉試驗技術，該技術同時適用于MSK2541、FH0189等功率型運放。通過舉一反三，其技術成果可推廣應用，用以解決其他特殊元器件的老煉試驗難題，進而提高對型號用元器件的質量控制和保障能力。

參考文獻：

[1]姚鼎.專用集成電路老煉技術研究[J].環境適應性和可靠性，2015（08）.

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

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