什么原因毀掉了運算放大器？

初步、檢查

第一種運算放大器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)運算放大器都有一個(gè)或多個(gè)引腳無(wú)法進(jìn)行連續性測試—這是器件失效的第一個(gè)征兆。此外，OP1的其它幾個(gè)引腳呈現功能退化。無(wú)論OP1還是OP2都通不過(guò)功能測試。在運行電測試后，我們打開(kāi)每一個(gè)運算放大器的外封裝，對失效器件進(jìn)行了檢查，從外觀(guān)上將失效器件與有效器件進(jìn)行對比可幫確定失效位置。
OP1運算放大器呈現多處地方受損(圖1)，損壞大部分與器件的輸出、負輸入和正電源引腳關(guān)聯(lián)。運算放大器輸出端上的保險燒斷的金屬線(xiàn)路證明，運算放大器在EOS事件出現時(shí)接到了大量的能量。
相反，OP2器件沒(méi)顯示常規的EOS征兆---異常的金屬印跡和灼燒標記。僅有一只電阻可疑，顯示顏色略有不同?；诖它c(diǎn)得出結論，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，同一區域的其它電阻器沒(méi)顯示類(lèi)似的色變跡象，圓片制造上的問(wèn)題不可能只對單一個(gè)電阻器造成了影響。此外我們還觀(guān)察到?jīng)]有其它腐蝕存在，也沒(méi)發(fā)現會(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)現是連接著(zhù)OP2負輸入端的開(kāi)路電阻(圖3)造成了器件工作的不正常。當這一電阻斷開(kāi)時(shí)，它切斷了反饋通路并造成運算放大器輸出擺高，不管施加的輸入信號如何變化都停留在高電位。對損壞電阻進(jìn)行探查顯示，輸入端印跡正常，表示EOS事件沒(méi)有損壞運算放大器輸入通路中的其它電路。

圖1 運算放大器OP1許多地方出現損壞，得出結論是：高能量事件造成了運算放大器的失效

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

對原因追根溯源

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，這涉及到從失效報告人處取得的信息。因為我們需要知道發(fā)生失效時(shí)哪些電路和線(xiàn)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試或使用之后到底發(fā)生了什么樣的事件。包含每一種運算放大器的電路示意圖給出的運算放大器與所有其它元件以及“外界”信號間的連接。
查看在每種運算放大器上觀(guān)察到的損壞圖案，基于這些圖案以及對每種運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)源和強度的信息，如通過(guò)大阻抗的外部信號過(guò)小可能成為EOS事件的能量供源。阻抗使電流量變小，具有某種保護功能。由電源及其它器件的引腳直接與運算放大器相連雖會(huì )產(chǎn)生低阻抗，卻因而更容易向半導體器件傳導EOS能量。
含有OP1的電路將器件當作一只一致性增益非反相放大器使用，其輸出與線(xiàn)路板上一根電纜導線(xiàn)連接。在這種結構中，運算放大器的輸出直接與其負輸入連接。針對放大器的輸入信號直接與來(lái)自線(xiàn)路板電源的OP1正輸入連接。
基于我們的觀(guān)察以及運算放大器的應用，認為發(fā)生損壞是因為對運算放大器的輸出腳施加了正電壓。OP1的局部示意圖(圖4)顯示出電流從運算放大器的輸出腳流經(jīng)Q70及Q75到達V+線(xiàn)路的路徑。Q70是一個(gè)大的輸出晶體管，可以應付EOS事件的功率，但Q75不能，正如我們在Q75的基極-發(fā)射結處發(fā)現鋁“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。在電流達到臨界電平后，通向焊盤(pán)(bond pad)一端的金屬輸出線(xiàn)路燒斷，如圖2所示一大段線(xiàn)路燒壞。燒掉如此大段的金屬線(xiàn)需要短時(shí)間內的大電流脈沖(1~2A)。
OP1還出現了其它損壞。當金屬輸出線(xiàn)路斷開(kāi)時(shí)，電流迅速降為0，電壓迅速增加。由于運算放大器的輸出與其負輸入直接相接，因此在運算放大器Input連接的周?chē)^(guān)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(pán)和輸入級之間。對于由焊盤(pán)到負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，理應出現其它電路損壞。由此，EOS能量脈沖必是進(jìn)入了負輸入引腳。
最低電阻擊穿路徑存在于負輸入和負電源線(xiàn)之間，于是EOS電流便流經(jīng)了這條線(xiàn)路。而由于除該電阻器以外我們沒(méi)看到金屬線(xiàn)或其它元件受損，因此得到結論，這一EOS事件只產(chǎn)生了少量的能量。還有，如果是慢脈沖理應損壞NiCr電阻器的中心而非損壞全部電阻區域。因此，我們認定EOS事件的出現十分迅捷，有一個(gè)快速上升時(shí)間。

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

圖4 OP1運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

尋查工作的下一步是通過(guò)試驗試再現失效過(guò)程。我們對造成損壞的EOS事件類(lèi)型進(jìn)行了某些假設。例如，假定測試導線(xiàn)能提供充足的電感量(~2mH)造成電壓尖峰，這樣在測試電路中就不用放置額外的電感了。我們還對電壓和電流水平、提供給電路的能量以及EOS事件的持續時(shí)間進(jìn)行了一些猜測。
對OP1器件進(jìn)行測試，我們用一臺Tektronix曲線(xiàn)跟蹤儀提供25V脈沖，持續時(shí)間范圍10~50ms。3英尺的測試導線(xiàn)將曲線(xiàn)跟蹤儀連于DUT。在這些條件下，測試部件沒(méi)產(chǎn)生像我們在OP1器件中觀(guān)察到的那樣失效。將電壓設定到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(lèi)似。脈沖不僅損壞了與OP1相同的電路區域，而且我們還觀(guān)察到對測試部件更為嚴重的損壞。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。
通過(guò)我們的測試結果，用戶(hù)找到了可能的失效原因---測試臺的非接地測試電纜存在失效。非接地電纜能充電到極高的電壓，且當與線(xiàn)路板相連時(shí)，它將放電到線(xiàn)路板電路中，損壞運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，我們在測試器件上施加一電壓給負輸入并增大這一電壓直到運算放大的輸入電阻器開(kāi)路。運算放大器負輸入上的+17V信號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，測試器件中的電阻器顯示跨電阻有一條線(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)脈沖(TLP)測試儀。這種類(lèi)型的測試儀將一定長(cháng)度的同軸電纜充電至預置電壓，然后將電纜放電到DUT中。TLP測試儀能產(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內燒壞了運算放大器的電阻器。這種脈沖測試的結果與在OP2中所見(jiàn)到的損壞相吻合。
這一結果雖不意味著(zhù)來(lái)自電纜組件的電量造成了部件的損壞，但它的確預示出，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(lèi)似的損壞。用戶(hù)進(jìn)一步的工作查到了一種可能誘因是緊挨著(zhù)測板的示波器。
用戶(hù)發(fā)現示波器輻射產(chǎn)生一種高能電場(chǎng)，從而在近鄰部件上感應電荷。當技師們用測試儀器接觸線(xiàn)路板時(shí)，產(chǎn)生了放電。采取適當的屏蔽手段移去電荷，就消除了在測板運算放大器的失效問(wèn)題。

結語(yǔ)

某些情況下，失效分析師無(wú)需對失效部件充分了解便能明白它是如何引起的。供應商對部件最為清楚，而用戶(hù)則對部件的實(shí)際應用了解最多。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

1 詹姆士文森.“找尋難解的EOS怪問(wèn)題”.第27屆國際測試與失效分析會(huì )議錄.電子器件失效分析協(xié)會(huì )，ASM國際組織,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。他從事可靠性認證和失效分析工作超過(guò)18年以上，其專(zhuān)長(cháng)集中在電過(guò)載失效機制方面。