某型霍尔开关集成电路贮存特性研究

李坤兰，胡湘洪，王春辉，张博

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610）

前言

上世纪90年代初，霍尔集成电路得到迅猛发展。霍尔开关型集成电路是将霍尔器件、硅集成电路、放大器、开关三极管集成在一起的一种单片集成电路。开关型霍尔集成电路无触点，具有无火花、不产生干扰、使用寿命长、灵敏度高、线性度好、功耗小、安装方便等优点，因此，广泛应用于工业自动控制、检测技术和信息处理等领域[1,2]。

贮存状态是产品必经的历程，因此，研究其贮存状态下的性能退化特点和环境适应能力是很有必要的[3-7］。在开展长期贮存试验的基础上，本文主要研究了某型霍尔集成电路性能参数的退化特征和贮存气候环境对其性能参数的影响。

1 长期贮存试验

某型霍尔开关集成电路39只开展了长期贮存试验（带简易包装）。贮存的气候类型分别为寒温、亚湿热-入海口、亚湿热、热带海洋。贮存环境为室内无空调的库房。该种霍尔开关集成电路长期贮存试验开始于1997年7月，至2018年7月份测试时，没有失效样品。

霍尔开关集成电路的性能参数高电平-低电平磁感应强度（BH-L）表示在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值（BOP）时，霍尔开关集成电路输出管导通，输出低电平。之后磁感应强度再增加，电路仍保持导通状态，因此BH-L是霍尔开关集成电路正常工作的最低磁感应强度，即工作点。性能参数低电平-高电平磁感应强度（BL-H）是指外加磁场的磁感应强度降低到BRP时，输出管截止，输出高电平，因此BL-H是霍尔开关集成电路正常情况下停止工作的磁感应强度。性能参数BH-L和BL-H的改变直接影响到霍尔开关集成电路的正常工作。BOP-BRP就是回差，用BH表示，回差的存在使霍尔开关集成电路的抗干扰能力增强。回差的变化影响霍尔开关集成电路的电磁部分的抗干扰能力。输出低电平电压（VOL）是霍尔开关集成电路正常工作情况下的电压,该参数反映了霍尔开关集成电路中电路部分的抗干扰能力。电源电流（Icc）是指额定电流，反映了霍尔开关集成电路中电路部分的功耗情况。因此，贮存试验监测了该型号霍尔开关集成电路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5个性能参数。样品投试情况见表1。

表1 样品投试情况

为了便于后续研究的开展，需要分析研究贮存试验前的性能参数BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc的测试数据，以确定所选试验样品是否具有代表性和统计意义。贮存试验性能参数测试数据的统计分析结果见表2。

由表2可知，该种霍尔开关集成电路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5个性能参数的贮存试验前的测试数据的离散程度小，因此，可以对其开展进一步的分析研究。

表2 贮存试验前测试数据的统计量

2 性能参数的假设检验[8-11]

性能参数退化显著性研究和气候对性能参数影响的差异性研究可用假设检验来完成。在进行假设检验时，要求测试数据的方差是齐次的。因此，在进行假设检验之前，应先进行方差齐次性检验。

2.1 方差齐次性检验

方差齐次性检验的目的是要比较各总体的均值iu（i= 1, 2,…,m）是否相等，即要检验统计假设（1）：H0:u1=u2=…=um是否成立。如果影响因素A取水平A1,A2,…,Am，在水平Ai(i= 1, 2,…,m)下，将经试验得到的一切数据作为一个总体，且假设该总体为正态总体，并记这个总体的均值为iu。

根据误差平方和eS和条件偏差平方和AS可构造假设（2）的检验统计量F如下：

式中：

ijε—iA水平下，第j次检验中由随机干扰所产生的误差。

给定显著性水平α后，若F＞F1-α/2(m-1,n-m)，拒绝假设H0，认为各水平效应在显著性水平下α不全为零，水平变化对指标有显著影响。

若F＜F1-α/2(m-1,n-m)，接受假设H0，认为各水平变化对指标无显著影响。

在贮存试验中，就是要检验性能参数的测试数据总体的方差是否是齐次的。将某一性能参数的测试数据分成两个时间段，比较前一时间段的测试数据与后一时间段的测试数据的方差即可。

2.2 假设检验（显著性检验）

设ξ1，…，ξn1是取自正态母体N(u1,σ2)的子样，η1, … ,ηn2是取自正态母体N(u1,σ2)的子样。并且这两个子样相互独立。σ2是未知常数。现在要检验原假设

令这两个子样的均值与方差的无偏估计分别为：

如果原假设H0:u1=u2为真，那么应该在0的周围随机地摆动，于是统计量为：

其中：

这统计量t服从自由度为n1+n2-2的t-分布。

给出显著性水平α，在H0为真下：

则拒绝原假设H0:u1=u2，即认为两个母体的均值有显著的差异。否则，没有显著差别，也即可以认为这两个子样来自同一母体。

在贮存试验中，t—检验就是要检验前段时间的测试数据的均值与后段时间的测试数据的均值是否相等的问题。

3 结果与讨论

3.1 性能参数的退化特征研究

采用假设检验对寒温、亚湿热-入海口、亚湿热、热带海洋等4种气候下的试验样品的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5个性能参数随贮存时间的变化特征进行研究。选择显著水平为0.05，根据假设检验原理，若p值＜0.05，则有显著退化；若p值＞0.05，则无显著退化。假设检验结果见表3。

表3 贮存248个月后性能参数的退化情况一览表

由表3可知，BH-L、BL-H、BH在贮存248个月后4种气候类型下均无显著退化。而VOL则在4种气候下均有显著退化。Icc在寒温气候条件下无显著退化，其他3种气候类型下则有显著退化。

由此可知，在贮存248个月后，BH-L、BL-H、BH对贮存时间不敏感，而VOL和Icc则是贮存敏感参数。在研究退化趋势、贮存寿命、库存再选用等方面应重点关注。

对VOL和Icc进一步研究，结果见表4。

由表4可知，性能参数VOL和Icc在4种气候类型下，出现显著退化贮存时间不尽相同。性能参数VOL比Icc更早出现显著退化，也就是说性能参数VOL比Icc更敏感。VOL有显著退化的最短的贮存时间是67个月。因此性能参数VOL是决定该种霍尔开关集成电路的关键参数。

表4 VOL和ICC开始有显著退化的贮存时间（单位：月）

3.2 气候对性能参数的影响差异性研究

研究寒温、亚湿热-入海口、亚湿热、热带海洋等4种气候类型对该种霍尔开关集成电路的BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5个性能参数的影响差异性。

对不同气候类型下的性能参数BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc等5个性能参数进行假设检验，结果见表5。

由表5可知，寒温-热带海洋、亚湿热（入海口）-热带海洋、亚湿热-热带海洋对性能参数BH-L影响有显著差异。进一步分析开始出现显著差异的贮存时间，结果见表6。

表5 贮存248个月后不同气候类型下性能参数BH-L、BL-H、BH、VOL、ICC的假设检验结果

表6 BH-L、BL-H、BH、VOL、ICC开始出现显著差异的贮存时间（单位：月）

综上所述，该种霍尔开关集成电路的性能参数BH-L、BL-H、BH在贮存248个月后4种气候类型下均未出现显著退化，BH-L、BL-H、BH对贮存时间不敏感。而性能参数VOL则在4种气候下均有显著退化，是贮存敏感参数。性能参数Icc在寒温气候条件下无显著退化，其他3种气候类型下则有显著退化，也是贮存敏感参数。在研究退化趋势、贮存寿命、库存再选用等方面应该重点关注。

性能参数VOL和Icc出现显著退化贮存时间不尽相同。性能参数VOL比Icc更早出现显著退化，也就是说性能参数VOL比Icc更敏感，该种霍尔开关集成电路的贮存寿命由性能参数VOL决定。因此在进行贮存寿命研究时，应优先考虑性能参数VOL。另外，在库房贮存67个月前，该种霍尔开关集成电路性能稳定，能够满足各种应用。

4种气候类型下的库房环境对性能参数VOL的影响均无显著差异，对BH-L、BL-H、BH、Icc的影响则有显著差异。性能参数BH-L、BL-H最早出现显著差异的贮存时间是18个月。因此BH-L、BL-H是影响该种霍尔开关集成电路环境适应性的关键性能参数。

4 分析

该型号霍尔开关集成电路的封装为金属陶瓷封装。具有较好的抗湿能力。

该型号霍尔开关集成电路贮存试验期间所经历的平均温度、年极端最高温度、年极端最低温度、温度较差、平均湿度、年极端最高湿度、年极端最低湿度、湿度较差等的详细情况见表7。

表7 环境因子（平均值）

对表7中的温度、湿度进行分析可知，从北往南温度和湿度均逐渐升高，且温度较差和湿度较差逐渐减小。而磁性材料的性能与温度密切相关，温度越高，磁性就越弱。湿度对磁性材料影响较小，但对电路部分会有影响。该型号霍尔开关集成电路的抗湿性能较好，因此其主要的影响因素是温度。

就温度来说，寒温的特点是温度低，但温度的年极端值又很高；亚湿热-入海口和亚湿热都是湿热气候；热带海洋的特点是常年高温高湿。

温度对性能参数BH-L、BL-H、BH产生的影响比时间对其的影响更大。四种气候下，寒温对该型号霍尔开关集成电路最有利；热带海洋的高温高湿则对型号霍尔开关集成电路最为不利。

5 结论

该型霍尔开关集成电路贮存248个月后，对样品的主要性能参数BH-L、BL-H、BH、VOL、Icc进行了假设检验及分析，结果表明：

1）贮存温度是BH-L、BL-H、BH的主要影响因素，4种气候类型中，寒温对该型号霍尔开关集成电路最有利。

2）BH-L、BL-H是影响该种霍尔开关集成电路环境适应性的关键性能参数。

3）VOL是贮存敏感参数，决定该型霍尔开关集成电路贮存寿命的关键性能参数。在寒温和热带海洋气候下的库房中贮存67个月后开始出现显著退化。