张运坤++张扬
摘 要：电子元器件的老炼试验是剔除早期失效的有效手段。为了提高系统的可靠性同时弥补老炼试验设备能力不足的问题，文中设计了一款适用于OPA2541功率运放老炼，且操作简单的试验设备。本设计有效解决了该系列功率运放的老炼试验问题，同时为后续开发其他功率器件的老炼试验提供了一定的参考依据。
关键词：OPA2541功率运放；可靠性；老炼
中图分类号：TN60 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0056-02
1 引言
目前国内通用集成电路的筛选老炼由筛选设备生产厂家提供筛选设备和筛选老炼程序，由集成电路生产商或元器件可靠性机构进行筛选老炼[1]。对于部分特殊集成电路，如OPA2541功率型运算放大器的老炼由于没有专门的设备一直没有开展。没有经过老炼试验筛选的器件用在型号产品上会产生一定的风险。本文依据GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》以OPA2541为例开展功率型集成运算放大器老炼技术研究。
2 集成电路老炼的必要性
电功率老炼是在规定的温度下给元器件通上规定时间的电应力，使器件具有潜在缺陷提前暴露，是提高产品批次可靠性的一种非常有效的手段。被筛选的器件一般加额定功率，温度基本恒定，大部分集成电路在高温下老炼。在高温下加电应力的老炼称为高温电老炼，这项试验是具有加速度的筛选。集成电路的失效状况可由寿命浴盆曲线表示，如图1所示。集成电路缺陷引起的早期失效理论上一般产生在1000h以内，之后器件的失效率保持一个非常低的常数。如果对所有器件都进行1000h仿工作状态试验是难以实现的。通过实践证明，如果提高老化温度及偏压能加速使器件产生早期失效[2]。
3 老炼方法研究
3.1 OPA2541性能参数分析
OPA2541型双功率高压运算放大器是电源电压高达±40V的通用型高压运算放大器，具有电源电压高（±40V）、电源电压范围宽（±10V～±40V）、输出电流大（7A）、输入阻抗高以及内设热关闭的特点，并具有较大的安全裕量，可用于电机驱动、功率放大等场合。
3.2 老炼难点分析
按GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》的规定，集成电路的老炼方法是在一定的时间段内给器件施加上额定电压和相应的温度应力。在实际老炼试验中也有部分集成电路如大功率电源模块（DC/DC）可在室温环境下通过施加一定的老炼功率使其壳温达到并控制在工作温度范围内，不需要再额外提供试验温度应力。
OPA2541与DC/DC电源模块虽然都属于混合集成电路，但各院、送筛厂的筛选标准中对两种器件的试验条件规定不同。如航天科工集团第十研究院标准Q/EG22-2012中混合集成电路的老炼试验条件规定“DC/DC电源模块：在常温下，控制器件壳温在工作温度范围内，老炼功率取额定功率的70%～100%。其他混合集成电路：老炼温度、电压、电流和偏置按器件技术手册规范或协议规定。”对于自身发热较明显的集成电路高温老炼时烘箱温度设定规则[3]为：
烘箱设定温度=最高壳温-器件在自然条件下的温升
（1）
其中器件自然条件下的温升与施加的功率及散热条件有关。因此，开展OPA2541的老炼试验其难点是确定和控制老炼试验温度。
3.3 试验电路的设计
参照产品手册在确定可行性的基础上，为了减少输入信号接口和输出信号监测端口将OPA2541内部两个运放设计成放大倍数为负1的反向比例运算放大电路，将运放A的输出做为运放B的输入。只需监测运放B的输出信号即可以确认被监测器件在老炼过程中是否失效。老炼试验中的输入信号采用频率为50Hz、幅值可调的正弦波信号，老炼试验原理图如图2所示。其中RL1、RL2为30Ω/20W的电阻器。
3.4 老炼温度的确定和控制
为了确认OPA2541老炼试验的环境温度，按照图2所示的原理图搭建了试验电路，在室温25℃、无外加散热片、无散热风扇的情况对10只OPA2541进行了试验，试验数据如表1所示。
从表1中可以看出，在无外加散热片，无输入信号的情况下OPA2541壳温在自然条件下的温升可以达到63℃。输入信号幅值为2.2V时其壳温可到125℃，已满足老炼试验对壳温的要求。
从表1中还可以看出，在无外加散热片的情况下，10只被試验器件的壳温温差较大，达到8℃左右。在试验过程中选取较高温度点作为参考，将导致部分器件达不到老炼效果，选取较低温度点作为参考将出现部分器件壳温超限造成器件损伤。参照电源模块（DC/DC）的老炼试验方法，在器件与试验夹具间加入散热片，在室温25℃、无散热风扇的情况下对前期试验的10只OPA2541重新进行了试验，试验数据如表2所示。
从表2中可以看出，增加散热片后10只被试验器件的壳温温差缩小到3.5℃，壳温稳定在相应温度区间内的输入信号幅值有所增加，但都未超出该器件的最大输入信号幅值。
因此本设计中OPA2541的老炼试验不再使用高温烘箱提供温度应力，在常温环境中通过控制器件的老炼功率来达到相应的老炼壳温要求，同时通过增加散热片的方式来缩小各器件壳温的温差。
4 试验装置设计制作
根据前期的试验，设计出如图3所示的老炼试验装置，主要有老炼试验板、信号源、散热装置、供电电源、示波器等部分组成。
考虑到老炼试验的便捷性和可操作性，同时尽可能缩短设计周期。老炼装置所需的电源和示波器均采用市场上的现有产品。其中选用的供电电源电压应大于35V、电流大于20A（或根据实际情况选用）。
老炼试验中的输入信号采用频率为50Hz正弦波信号，信号幅度在0V-20V范围内可调。简单的50Hz正弦波可通过如图4所示的电路产生，T1为隔离变压器。
5 结语
在依据国军标和筛选标准的前提下，结合多次试验测试所得数据，研究出了OPA2541型双功率高压运算放大器老炼试验技术，该技术同时适用于MSK2541、FH0189等功率型运放。通过举一反三，其技术成果可推广应用，用以解决其他特殊元器件的老炼试验难题，进而提高对型号用元器件的质量控制和保障能力。
参考文献：
[1]姚鼎.专用集成电路老炼技术研究[J].环境适应性和可靠性，2015（08）.
[2]王晓霞.电子元器件二次筛选质量控制方法[J].计算机与数字工程，2010（09）.
[3]梅亮.大功率DC/DC电源模块满功率壳温控制方法[J].计算机与数字工程，2015（01）.
