某型霍爾開(kāi)關(guān)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(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610）

前言

上世紀(jì)90年代初，霍爾集成電路得到迅猛發(fā)展。霍爾開(kāi)關(guān)型集成電路是將霍爾器件、硅集成電路、放大器、開(kāi)關(guān)三極管集成在一起的一種單片集成電路。開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路無(wú)觸點(diǎn)，具有無(wú)火花、不產(chǎn)生干擾、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、線性度好、功耗小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、檢測(cè)技術(shù)和信息處理等領(lǐng)域[1,2]。

貯存狀態(tài)是產(chǎn)品必經(jīng)的歷程，因此，研究其貯存狀態(tài)下的性能退化特點(diǎn)和環(huán)境適應(yīng)能力是很有必要的[3-7］。在開(kāi)展長(zhǎng)期貯存試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文主要研究了某型霍爾集成電路性能參數(shù)的退化特征和貯存氣候環(huán)境對(duì)其性能參數(shù)的影響。

1 長(zhǎng)期貯存試驗(yàn)

某型霍爾開(kāi)關(guān)集成電路39只開(kāi)展了長(zhǎng)期貯存試驗(yàn)（帶簡(jiǎn)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(nèi)無(wú)空調(diào)的庫(kù)房。該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路長(zhǎng)期貯存試驗(yàn)開(kāi)始于1997年7月，至2018年7月份測(cè)試時(shí)，沒(méi)有失效樣品。

霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的性能參數(shù)高電平-低電平磁感應(yīng)強(qiáng)度（BH-L）表示在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通閾值（BOP）時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)集成電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后磁感應(yīng)強(qiáng)度再增加，電路仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，因此BH-L是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路正常工作的最低磁感應(yīng)強(qiáng)度，即工作點(diǎn)。性能參數(shù)低電平-高電平磁感應(yīng)強(qiáng)度（BL-H）是指外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平，因此BL-H是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路正常情況下停止工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度。性能參數(shù)BH-L和BL-H的改變直接影響到霍爾開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)集成電路的抗干擾能力增強(qiáng)。回差的變化影響霍爾開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)集成電路正常工作情況下的電壓,該參數(shù)反映了霍爾開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)集成電路中電路部分的功耗情況。因此，貯存試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了該型號(hào)霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個(gè)性能參數(shù)。樣品投試情況見(jiàn)表1。

表1 樣品投試情況

為了便于后續(xù)研究的開(kāi)展，需要分析研究貯存試驗(yàn)前的性能參數(shù)BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc的測(cè)試數(shù)據(jù)，以確定所選試驗(yàn)樣品是否具有代表性和統(tǒng)計(jì)意義。貯存試驗(yàn)性能參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個(gè)性能參數(shù)的貯存試驗(yàn)前的測(cè)試數(shù)據(jù)的離散程度小，因此，可以對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步的分析研究。

表2 貯存試驗(yàn)前測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量

2 性能參數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)[8-11]

性能參數(shù)退化顯著性研究和氣候?qū)π阅軈?shù)影響的差異性研究可用假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)完成。在進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)時(shí)，要求測(cè)試數(shù)據(jù)的方差是齊次的。因此，在進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)之前，應(yīng)先進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)。

2.1 方差齊次性檢驗(yàn)

方差齊次性檢驗(yàn)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(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)（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(jīng)試驗(yàn)得到的一切數(shù)據(jù)作為一個(gè)總體，且假設(shè)該總體為正態(tài)總體，并記這個(gè)總體的均值為iu。

根據(jù)誤差平方和eS和條件偏差平方和AS可構(gòu)造假設(shè)（2）的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F如下：

式中：

ijε—iA水平下，第j次檢驗(yàn)中由隨機(jī)干擾所產(chǎn)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(shè)H0，認(rèn)為各水平效應(yīng)在顯著性水平下α不全為零，水平變化對(duì)指標(biāo)有顯著影響。

若F＜F1-α/2(m-1,n-m)，接受假設(shè)H0，認(rèn)為各水平變化對(duì)指標(biāo)無(wú)顯著影響。

在貯存試驗(yàn)中，就是要檢驗(yàn)性能參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)總體的方差是否是齊次的。將某一性能參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)分成兩個(gè)時(shí)間段，比較前一時(shí)間段的測(cè)試數(shù)據(jù)與后一時(shí)間段的測(cè)試數(shù)據(jù)的方差即可。

2.2 假設(shè)檢驗(yàn)（顯著性檢驗(yàn)）

設(shè)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(gè)子樣相互獨(dú)立。σ2是未知常數(shù)。現(xiàn)在要檢驗(yàn)原假設(shè)

令這兩個(gè)子樣的均值與方差的無(wú)偏估計(jì)分別為：

如果原假設(shè)H0:u1=u2為真，那么應(yīng)該在0的周圍隨機(jī)地?cái)[動(dòng)，于是統(tǒng)計(jì)量為：

其中：

這統(tǒng)計(jì)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(shè)H0:u1=u2，即認(rèn)為兩個(gè)母體的均值有顯著的差異。否則，沒(méi)有顯著差別，也即可以認(rèn)為這兩個(gè)子樣來(lái)自同一母體。

在貯存試驗(yàn)中，t—檢驗(yàn)就是要檢驗(yàn)前段時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)的均值與后段時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)的均值是否相等的問(wèn)題。

3 結(jié)果與討論

3.1 性能參數(shù)的退化特征研究

采用假設(shè)檢驗(yàn)對(duì)寒溫、亞濕熱-入海口、亞濕熱、熱帶海洋等4種氣候下的試驗(yàn)樣品的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個(gè)性能參數(shù)隨貯存時(shí)間的變化特征進(jìn)行研究。選擇顯著水平為0.05，根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)原理，若p值＜0.05，則有顯著退化；若p值＞0.05，則無(wú)顯著退化。假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 貯存248個(gè)月后性能參數(shù)的退化情況一覽表

由表3可知，BH-L、BL-H、BH在貯存248個(gè)月后4種氣候類型下均無(wú)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(wú)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(gè)月后，BH-L、BL-H、BH對(duì)貯存時(shí)間不敏感，而VOL和Icc則是貯存敏感參數(shù)。在研究退化趨勢(shì)、貯存壽命、庫(kù)存再選用等方面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

對(duì)VOL和Icc進(jìn)一步研究，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，性能參數(shù)VOL和Icc在4種氣候類型下，出現(xiàn)顯著退化貯存時(shí)間不盡相同。性能參數(shù)VOL比Icc更早出現(xiàn)顯著退化，也就是說(shuō)性能參數(shù)VOL比Icc更敏感。VOL有顯著退化的最短的貯存時(shí)間是67個(gè)月。因此性能參數(shù)VOL是決定該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的關(guān)鍵參數(shù)。

表4 VOL和ICC開(kāi)始有顯著退化的貯存時(shí)間（單位：月）

3.2 氣候?qū)π阅軈?shù)的影響差異性研究

研究寒溫、亞濕熱-入海口、亞濕熱、熱帶海洋等4種氣候類型對(duì)該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個(gè)性能參數(shù)的影響差異性。

對(duì)不同氣候類型下的性能參數(shù)BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，寒溫-熱帶海洋、亞濕熱（入海口）-熱帶海洋、亞濕熱-熱帶海洋對(duì)性能參數(shù)BH-L影響有顯著差異。進(jìn)一步分析開(kāi)始出現(xiàn)顯著差異的貯存時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 貯存248個(gè)月后不同氣候類型下性能參數(shù)BH-L、BL-H、BH、VOL、ICC的假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果

表6 BH-L、BL-H、BH、VOL、ICC開(kāi)始出現(xiàn)顯著差異的貯存時(shí)間（單位：月）

綜上所述，該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的性能參數(shù)BH-L、BL-H、BH在貯存248個(gè)月后4種氣候類型下均未出現(xiàn)顯著退化，BH-L、BL-H、BH對(duì)貯存時(shí)間不敏感。而性能參數(shù)VOL則在4種氣候下均有顯著退化，是貯存敏感參數(shù)。性能參數(shù)Icc在寒溫氣候條件下無(wú)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(shù)。在研究退化趨勢(shì)、貯存壽命、庫(kù)存再選用等方面應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

性能參數(shù)VOL和Icc出現(xiàn)顯著退化貯存時(shí)間不盡相同。性能參數(shù)VOL比Icc更早出現(xiàn)顯著退化，也就是說(shuō)性能參數(shù)VOL比Icc更敏感，該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的貯存壽命由性能參數(shù)VOL決定。因此在進(jìn)行貯存壽命研究時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮性能參數(shù)VOL。另外，在庫(kù)房貯存67個(gè)月前，該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路性能穩(wěn)定，能夠滿足各種應(yīng)用。

4種氣候類型下的庫(kù)房環(huán)境對(duì)性能參數(shù)VOL的影響均無(wú)顯著差異，對(duì)BH-L、BL-H、BH、Icc的影響則有顯著差異。性能參數(shù)BH-L、BL-H最早出現(xiàn)顯著差異的貯存時(shí)間是18個(gè)月。因此BH-L、BL-H是影響該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵性能參數(shù)。

4 分析

該型號(hào)霍爾開(kāi)關(guān)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(hào)霍爾開(kāi)關(guān)集成電路貯存試驗(yàn)期間所經(jīng)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(xì)情況見(jiàn)表7。

表7 環(huán)境因子（平均值）

對(duì)表7中的溫度、濕度進(jìn)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(guān)，溫度越高，磁性就越弱。濕度對(duì)磁性材料影響較小，但對(duì)電路部分會(huì)有影響。該型號(hào)霍爾開(kāi)關(guān)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(lái)說(shuō)，寒溫的特點(diǎn)是溫度低，但溫度的年極端值又很高；亞濕熱-入海口和亞濕熱都是濕熱氣候；熱帶海洋的特點(diǎn)是常年高溫高濕。

溫度對(duì)性能參數(shù)BH-L、BL-H、BH產(chǎn)生的影響比時(shí)間對(duì)其的影響更大。四種氣候下，寒溫對(duì)該型號(hào)霍爾開(kāi)關(guān)集成電路最有利；熱帶海洋的高溫高濕則對(duì)型號(hào)霍爾開(kāi)關(guān)集成電路最為不利。

5 結(jié)論

該型霍爾開(kāi)關(guān)集成電路貯存248個(gè)月后，對(duì)樣品的主要性能參數(shù)BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc進(jìn)行了假設(shè)檢驗(yàn)及分析，結(jié)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(duì)該型號(hào)霍爾開(kāi)關(guān)集成電路最有利。

2）BH-L、BL-H是影響該種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵性能參數(shù)。

3）VOL是貯存敏感參數(shù)，決定該型霍爾開(kāi)關(guān)集成電路貯存壽命的關(guān)鍵性能參數(shù)。在寒溫和熱帶海洋氣候下的庫(kù)房中貯存67個(gè)月后開(kāi)始出現(xiàn)顯著退化。