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。兩個運(yùn)算放大器都有一個或多個引腳無法進(jìn)行連續(xù)性測試—這是器件失效的第一個征兆。此外，OP1的其它幾個引腳呈現(xiàn)功能退化。無論OP1還是OP2都通不過功能測試。在運(yùn)行電測試后，我們打開每一個運(yùn)算放大器的外封裝，對失效器件進(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燒斷的金屬線路證明，運(yùn)算放大器在EOS事件出現(xiàn)時接到了大量的能量。
相反，OP2器件沒顯示常規(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)域的其它電阻器沒顯示類似的色變跡象，圓片制造上的問題不可能只對單一個電阻器造成了影響。此外我們還觀察到?jīng)]有其它腐蝕存在，也沒發(fā)現(xiàn)會把腐蝕性化學(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)輸入端的開路電阻(圖3)造成了器件工作的不正常。當(dāng)這一電阻斷開時，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。這時保險絲斷開連接

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?yàn)槲覀冃枰腊l(fā)生失效時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刻測試條件是什么，以及在經(jīng)過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(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事件的來源和強(qiáng)度的信息，如通過大阻抗的外部信號過小可能成為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。針對放大器的輸入信號直接與來自線路板電源的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\(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，正如我們在Q75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)金屬輸出線路斷開時，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，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OP2比OP1損壞輕---僅有一個開路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。該電阻器連于焊盤和輸入級之間。對于由焊盤到負(fù)電源的正電壓存在一個最低擊穿路徑。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，有一個快速上升時間。