什么原因毀掉了運(yùn)算放大器？

初步、檢查

第一種運(yùn)算放大器OP1遭到一個(gè)大型的EOS事件，其許多電路部件受到損壞。第二種運(yùn)算放大器OP2的情形是EOS事件只損壞了一只薄膜電阻器。兩個(gè)運(yùn)算放大器都有一個(gè)或多個(gè)引腳無(wú)法進(jìn)行連續(xù)性測(cè)試—這是器件失效的第一個(gè)征兆。此外，OP1的其它幾個(gè)引腳呈現(xiàn)功能退化。無(wú)論OP1還是OP2都通不過(guò)功能測(cè)試。在運(yùn)行電測(cè)試后，我們打開(kāi)每一個(gè)運(yùn)算放大器的外封裝，對(duì)失效器件進(jìn)行了檢查，從外觀上將失效器件與有效器件進(jìn)行對(duì)比可幫確定失效位置。
OP1運(yùn)算放大器呈現(xiàn)多處地方受損(圖1)，損壞大部分與器件的輸出、負(fù)輸入和正電源引腳關(guān)聯(lián)。運(yùn)算放大器輸出端上的保險(xiǎn)燒斷的金屬線路證明，運(yùn)算放大器在EOS事件出現(xiàn)時(shí)接到了大量的能量。
相反，OP2器件沒(méi)顯示常規(guī)的EOS征兆---異常的金屬印跡和灼燒標(biāo)記。僅有一只電阻可疑，顯示顏色略有不同?；诖它c(diǎn)得出結(jié)論，EOS事件沒(méi)造成失效，可能是由NiCr電阻器遭氧化或侵蝕所致。但是，同一區(qū)域的其它電阻器沒(méi)顯示類似的色變跡象，圓片制造上的問(wèn)題不可能只對(duì)單一個(gè)電阻器造成了影響。此外我們還觀察到?jīng)]有其它腐蝕存在，也沒(méi)發(fā)現(xiàn)會(huì)把腐蝕性化學(xué)品帶給電阻器的鈍化氧化物缺陷。經(jīng)分析我們發(fā)現(xiàn)是連接著OP2負(fù)輸入端的開(kāi)路電阻(圖3)造成了器件工作的不正常。當(dāng)這一電阻斷開(kāi)時(shí)，它切斷了反饋通路并造成運(yùn)算放大器輸出擺高，不管施加的輸入信號(hào)如何變化都停留在高電位。對(duì)損壞電阻進(jìn)行探查顯示，輸入端印跡正常，表示EOS事件沒(méi)有損壞運(yùn)算放大器輸入通路中的其它電路。

圖1 運(yùn)算放大器OP1許多地方出現(xiàn)損壞，得出結(jié)論是：高能量事件造成了運(yùn)算放大器的失效

圖2 運(yùn)算放大器中輸出線路燒斷顯示EOS事件造成損壞。這時(shí)保險(xiǎn)絲斷開(kāi)連接

對(duì)原因追根溯源

在知道了造成兩種失效的損壞之后，我們還得對(duì)原因進(jìn)行追根溯源。第一步是辨別EOS事件的原因，這涉及到從失效報(bào)告人處取得的信息。因?yàn)槲覀冃枰腊l(fā)生失效時(shí)哪些電路和線路板配置在使用，在最后一次得知部件正常工作的時(shí)刻測(cè)試條件是什么，以及在經(jīng)過(guò)部件功能正常情況下的最后一次測(cè)試或使用之后到底發(fā)生了什么樣的事件。包含每一種運(yùn)算放大器的電路示意圖給出的運(yùn)算放大器與所有其它元件以及“外界”信號(hào)間的連接。
查看在每種運(yùn)算放大器上觀察到的損壞圖案，基于這些圖案以及對(duì)每種運(yùn)算放大器周邊電路元件的了解，獲到了有關(guān)EOS事件的來(lái)源和強(qiáng)度的信息，如通過(guò)大阻抗的外部信號(hào)過(guò)小可能成為EOS事件的能量供源。阻抗使電流量變小，具有某種保護(hù)功能。由電源及其它器件的引腳直接與運(yùn)算放大器相連雖會(huì)產(chǎn)生低阻抗，卻因而更容易向半導(dǎo)體器件傳導(dǎo)EOS能量。
含有OP1的電路將器件當(dāng)作一只一致性增益非反相放大器使用，其輸出與線路板上一根電纜導(dǎo)線連接。在這種結(jié)構(gòu)中，運(yùn)算放大器的輸出直接與其負(fù)輸入連接。針對(duì)放大器的輸入信號(hào)直接與來(lái)自線路板電源的OP1正輸入連接。
基于我們的觀察以及運(yùn)算放大器的應(yīng)用，認(rèn)為發(fā)生損壞是因?yàn)閷?duì)運(yùn)算放大器的輸出腳施加了正電壓。OP1的局部示意圖(圖4)顯示出電流從運(yùn)算放大器的輸出腳流經(jīng)Q70及Q75到達(dá)V+線路的路徑。Q70是一個(gè)大的輸出晶體管，可以應(yīng)付EOS事件的功率，但Q75不能，正如我們?cè)赒75的基極-發(fā)射結(jié)處發(fā)現(xiàn)鋁“短路”所反映的一樣。這種小的晶體管在不短路的情況下是不能消掉EOS事件的大量能量的。在電流達(dá)到臨界電平后，通向焊盤(bond pad)一端的金屬輸出線路燒斷，如圖2所示一大段線路燒壞。燒掉如此大段的金屬線需要短時(shí)間內(nèi)的大電流脈沖(1~2A)。
OP1還出現(xiàn)了其它損壞。當(dāng)金屬輸出線路斷開(kāi)時(shí)，電流迅速降為0，電壓迅速增加。由于運(yùn)算放大器的輸出與其負(fù)輸入直接相接，因此在運(yùn)算放大器Input連接的周圍觀察到了由EOS電壓脈沖造成的損壞(圖1)。在我看來(lái)，是EOS信號(hào)源的寄生電感造成了輸出電壓的迅速升高。
看起來(lái)OP2比OP1損壞輕---僅有一個(gè)開(kāi)路NiCr電阻，這使得難于判斷引起器件失效的原因。電測(cè)試表明與NiCr電阻器相連的其它元件工作正常。該電阻器連于焊盤和輸入級(jí)之間。對(duì)于由焊盤到負(fù)電源的正電壓存在一個(gè)最低擊穿路徑。如果電荷采取了不同的路徑，理應(yīng)出現(xiàn)其它電路損壞。由此，EOS能量脈沖必是進(jìn)入了負(fù)輸入引腳。
最低電阻擊穿路徑存在于負(fù)輸入和負(fù)電源線之間，于是EOS電流便流經(jīng)了這條線路。而由于除該電阻器以外我們沒(méi)看到金屬線或其它元件受損，因此得到結(jié)論，這一EOS事件只產(chǎn)生了少量的能量。還有，如果是慢脈沖理應(yīng)損壞NiCr電阻器的中心而非損壞全部電阻區(qū)域。因此，我們認(rèn)定EOS事件的出現(xiàn)十分迅捷，有一個(gè)快速上升時(shí)間。

圖3 另一種不同類型的運(yùn)算放大器(OP2)受到輕度損壞，只毀壞了一只電阻器

圖4 OP1運(yùn)算放大器局部示意圖示出EOS事件發(fā)生時(shí)電流通過(guò)的路徑

我們來(lái)做試驗(yàn)

尋查工作的下一步是通過(guò)試驗(yàn)試再現(xiàn)失效過(guò)程。我們對(duì)造成損壞的EOS事件類型進(jìn)行了某些假設(shè)。例如，假定測(cè)試導(dǎo)線能提供充足的電感量(~2mH)造成電壓尖峰，這樣在測(cè)試電路中就不用放置額外的電感了。我們還對(duì)電壓和電流水平、提供給電路的能量以及EOS事件的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了一些猜測(cè)。
對(duì)OP1器件進(jìn)行測(cè)試，我們用一臺(tái)Tektronix曲線跟蹤儀提供25V脈沖，持續(xù)時(shí)間范圍10~50ms。3英尺的測(cè)試導(dǎo)線將曲線跟蹤儀連于DUT。在這些條件下，測(cè)試部件沒(méi)產(chǎn)生像我們?cè)贠P1器件中觀察到的那樣失效。將電壓設(shè)定到350V、使用串聯(lián)電阻將峰值電流限制在2.5 A進(jìn)行第二次嘗試，所產(chǎn)生的損壞與在OP1中見(jiàn)到的類似。脈沖不僅損壞了與OP1相同的電路區(qū)域，而且我們還觀察到對(duì)測(cè)試部件更為嚴(yán)重的損壞。降低電壓水平或者串聯(lián)電阻增大可能會(huì)使損壞程度減小，但我們覺(jué)得我們已找到了損壞的原因，因此我們沒(méi)做進(jìn)一步的試驗(yàn)。
通過(guò)我們的測(cè)試結(jié)果，用戶找到了可能的失效原因---測(cè)試臺(tái)的非接地測(cè)試電纜存在失效。非接地電纜能充電到極高的電壓，且當(dāng)與線路板相連時(shí)，它將放電到線路板電路中，損壞運(yùn)算放大器和其它元件。
增加更多能量
OP2的失效源顯得更難以查明。首先，我們?cè)跍y(cè)試器件上施加一電壓給負(fù)輸入并增大這一電壓直到運(yùn)算放大的輸入電阻器開(kāi)路。運(yùn)算放大器負(fù)輸入上的+17V信號(hào)造成了電阻器的燒毀，但這似乎與OP2中的失效電阻有所不同。
并非顯示整個(gè)電阻完全失效，測(cè)試器件中的電阻器顯示跨電阻有一條線。我們決定施加更多的能量使電阻器完全燒斷，且快速施加能量以防電阻器熱損。
曲線跟蹤儀提供的脈沖太慢不能使整個(gè)電阻器迅速受熱，于是我們嘗試使用傳輸線脈沖(TLP)測(cè)試儀。這種類型的測(cè)試儀將一定長(zhǎng)度的同軸電纜充電至預(yù)置電壓，然后將電纜放電到DUT中。TLP測(cè)試儀能產(chǎn)生一種上升時(shí)間小于2 ns、脈寬可變的矩形電流脈沖。當(dāng)我們給電纜充電充到250V時(shí)，它產(chǎn)生了0.5A的峰值電流，在55 ns內(nèi)燒壞了運(yùn)算放大器的電阻器。這種脈沖測(cè)試的結(jié)果與在OP2中所見(jiàn)到的損壞相吻合。
這一結(jié)果雖不意味著來(lái)自電纜組件的電量造成了部件的損壞，但它的確預(yù)示出，具有迅速上升時(shí)間的快速脈沖，以及約0.5A的電流，會(huì)造成類似的損壞。用戶進(jìn)一步的工作查到了一種可能誘因是緊挨著測(cè)板的示波器。
用戶發(fā)現(xiàn)示波器輻射產(chǎn)生一種高能電場(chǎng)，從而在近鄰部件上感應(yīng)電荷。當(dāng)技師們用測(cè)試儀器接觸線路板時(shí)，產(chǎn)生了放電。采取適當(dāng)?shù)钠帘问侄我迫ル姾?，就消除了在測(cè)板運(yùn)算放大器的失效問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

某些情況下，失效分析師無(wú)需對(duì)失效部件充分了解便能明白它是如何引起的。供應(yīng)商對(duì)部件最為清楚，而用戶則對(duì)部件的實(shí)際應(yīng)用了解最多。因此雙方需要毫無(wú)保留地共享信息以解決令人頭痛的EOS相關(guān)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

1 詹姆士文森.“找尋難解的EOS怪問(wèn)題”.第27屆國(guó)際測(cè)試與失效分析會(huì)議錄.電子器件失效分析協(xié)會(huì)，ASM國(guó)際組織,2001.

作者簡(jiǎn)介：詹姆士.文森是一名資深的主任工程師，在Intersil公司從事可靠性分析領(lǐng)域方面的研究工作。他從事可靠性認(rèn)證和失效分析工作超過(guò)18年以上，其專長(zhǎng)集中在電過(guò)載失效機(jī)制方面。