電子元器件的老化測試及最新設(shè)備研究

李斌　彭勇

摘要：隨著現(xiàn)代化電子科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品細(xì)致化程度不斷升高，結(jié)構(gòu)逐漸細(xì)化、工序逐漸增加、制造工藝逐漸復(fù)雜，由此在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)埋下了一系列隱患。一個良好的電子產(chǎn)品，不僅需要在性能層面具備較高的指標(biāo)，同時還需要擁有較好的穩(wěn)定性能，當(dāng)前國內(nèi)外普遍應(yīng)用高溫老化工藝，提高電子元器件的可靠性以及穩(wěn)定性。該文主要針對電子元器件展開的老化測試工作進(jìn)行論述，然后基于此，對新型設(shè)備展開研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：電子元器件老化測試最新設(shè)備研究

中圖分類號：TN606? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

目前，電子產(chǎn)品在應(yīng)用環(huán)節(jié)會面臨諸多不同的溫度、環(huán)境條件，一旦受到熱脹冷縮的影響，電子元器件的熱匹配性能就會降低，導(dǎo)致電子產(chǎn)品產(chǎn)生故障，并在經(jīng)濟、人力層面造成較大損失。電子元器件的老化測試工作主要是，剔除一些不符合標(biāo)準(zhǔn)的元器件，從而提升電子產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，當(dāng)前針對電子元器件的老化測試，以及最新設(shè)備研究進(jìn)行分析以及探討，就目前現(xiàn)狀而言，擁有極其重要的現(xiàn)實意義。

1? 電子元器件在老化測試環(huán)節(jié)的系統(tǒng)類型

當(dāng)前，市場中對于老化測試系統(tǒng)在實踐層面應(yīng)用的方式相對較多，除去老化系統(tǒng)生產(chǎn)廠家制造的各種通用型號產(chǎn)品之外，半導(dǎo)體廠家內(nèi)部也自己研發(fā)了一些用于自己應(yīng)用的各類系統(tǒng)。大部分系統(tǒng)都是應(yīng)用計算機作為主機，主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，并對電路實現(xiàn)基本的控制，但是一部分非計算機系統(tǒng)只能將LED當(dāng)作狀態(tài)指示器，而且還需要應(yīng)用人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲。

目前老化測試系統(tǒng)可以劃分成如下兩個類型。

1.1 內(nèi)存老化

內(nèi)存老化測試環(huán)節(jié)在線路層面實現(xiàn)相對比較容易，全部器件全部都是通過統(tǒng)一的方式進(jìn)行輸入，然后獨立對每個器件進(jìn)行選中，將存儲的數(shù)據(jù)讀出，然后與原本的數(shù)值之間進(jìn)行比對分析。因為具備數(shù)據(jù)收集、控制的軟件，以及故障數(shù)據(jù)的報告評估算法，所以內(nèi)存老化測試對于生產(chǎn)商而言相對比較有用。

1.1.1 易失性內(nèi)存（DRAM、SRAM）

易失性內(nèi)存在測試環(huán)節(jié)相對比較容易，原因是不需要特殊的算法或者時序，就可以反復(fù)多次對其進(jìn)行擦寫操作。通常情況下，都是全部器件同時寫入之后，輪流對每個器件進(jìn)行選中，數(shù)據(jù)在讀出之后對其進(jìn)行比對分析。因為在老化時，可以重復(fù)多次進(jìn)行速度較慢的刷新測試，由此DRAM老化測試可以為后續(xù)的測試環(huán)節(jié)節(jié)約大量的時間。刷新測試首先需要將所有數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存當(dāng)中，等待一段時間之后，讓存在缺陷的存儲單元實現(xiàn)放電操作，再從內(nèi)存中對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀回，找到存在缺陷的存儲單元。此部分測試放到老化中，就表明老化之后的測試流程，不會再展開此類耗費時間的檢測，最終節(jié)約了大量的測試時間。

1.1.2 非易失性內(nèi)存（EPROM、EEPROM）

非易失性內(nèi)存在測試環(huán)節(jié)困難程度相對較高，主要原因是在對其進(jìn)行寫入前期，需要將內(nèi)部的所有內(nèi)容全部消除，由此導(dǎo)致系統(tǒng)的算法相對比較困難，一般情況下，還需要應(yīng)用特殊形式的電壓對接實行擦除操作。但在測試環(huán)節(jié)所應(yīng)用到的方式大體類似，將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存之后，再應(yīng)用比較復(fù)雜的算法實行讀回操作[1]。

1.2 邏輯器件老化測試

邏輯器件老化測試在兩種類型中屬于難度最高的一項測試，主要原因是邏輯產(chǎn)品功能特性相對較多，而且器件上極有可能沒有選擇通信號引腳。為了讓一種老化測試系統(tǒng)能夠更好地契合全部類型的邏輯器件，就需要應(yīng)用海量的輸出、輸入引線，由此系統(tǒng)才能形成多個引腳器件，一般情況下需要應(yīng)用多種不同的信號。老化系統(tǒng)還需要配備一個驅(qū)動板，對于每一個信號通路而言，起到的主要作用是引腳驅(qū)動器，通常情況下會在驅(qū)動環(huán)節(jié)應(yīng)用較大的電流，來克服老化板在負(fù)載層面存在的特征。

輸出信號要保證，可以針對需要進(jìn)行老化操作的所有器件類型實行有效處理。如果老化板在加載環(huán)節(jié)存在問題，需要對其進(jìn)行分隔操作，劃分出兩個以上的信號區(qū)，但是同時要求電路板上的信號線，在數(shù)量層面必須加大一倍。大多數(shù)平行輸出信號，都是由可重新編程以及可以下載的SRAM、預(yù)編程的EPRAM等形成，SRAM在應(yīng)用環(huán)節(jié)的優(yōu)勢是，可以使用計算機多次進(jìn)行編程，從而讓老化系統(tǒng)可以同時適合多種不同的產(chǎn)品。目前邏輯器件在老化測試環(huán)節(jié)，主要包含串行、平行兩種實現(xiàn)方式。

1.2.1 串行測試方法

串行測試相比較于平行測試而言更加便捷，但是速度相對較慢，除去每個器件中的串行信號返回線之外，老化板上的所有器件一般情況下，需要對其進(jìn)行并聯(lián)。而且在測試環(huán)節(jié)，所有數(shù)據(jù)在傳送前期必須對其展開譯碼操作，由此要求老化板上具備處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

1.2.2平行測試法

此方法在老化環(huán)節(jié)是對器件進(jìn)行測試期間速度最快的一種方法，主要原因是有多條信號線同時連接在器件的輸出、輸入端口，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸期間的體量最大，I/O線的輸入端口主要是由系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)對其進(jìn)行管控。平行測試方法包含三種方式。

（1）單引角信號的返回。

此種方法中所有器件全部采取并聯(lián)操作，但是除去每一個器件有一個信號需要返回到引腳之外，全部器件需要同時處于工作狀態(tài)，由系統(tǒng)對監(jiān)測器件進(jìn)行有效選擇，然后對信號返回線路進(jìn)行有效讀取。此種方法與串行測試方法相對比較類似，但是信號引腳通常情況下在檢測環(huán)節(jié)接收到的是邏輯電平，抑或可以與預(yù)留值進(jìn)行比對分析的一種脈沖模式。檢測環(huán)節(jié)所收到的信號一般情況下表示的都是，器件內(nèi)部自我檢查的一種狀態(tài)，主要是在器件內(nèi)部存在并用來供給測試環(huán)節(jié)的實踐應(yīng)用，如若器件不具備自我檢測功能，只是單純地由系統(tǒng)對其中的一個引腳進(jìn)行檢測，那最終檢測環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)程度將會被極大地降低。

（2）多引腳信號的返回。

此種方法與單引角信號的返回比較相似，但是每個器件在返回器件的信號會更多一些。因為每個器件擁有更多的返回信號，所以使這種方式在監(jiān)測環(huán)節(jié)就需要應(yīng)用更多的返回線路。同時由于需要大量的返回線路，所以導(dǎo)致系統(tǒng)的總體經(jīng)濟成本會不斷上升。目前，在沒有內(nèi)部自檢且復(fù)雜程度相對較高的電子元器件中，此種方法可能會被應(yīng)用。

（3）各器件單選法。

如果每個老化板中的器件能夠與其他器件進(jìn)行分離，系統(tǒng)就可以應(yīng)用不同的選擇方式對于每個器件進(jìn)行連接，如若應(yīng)用片選引腳全部器件都需要并聯(lián)，一次只能選中一個器件用來形成返回信號。在測試環(huán)節(jié)系統(tǒng)所供給的專門器件，在選擇信號時一次只能選擇一個，老化室應(yīng)用到的全部器具可以同時被選中，而且對相同數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。兩種方法在應(yīng)用期間，全部器件都能夠輪流被選中，老化系統(tǒng)和器件相互之間存在的海量數(shù)據(jù)，由并行總線對其進(jìn)行傳輸操作。此種方法存在的局限性是，所選擇的器件自身必須克服老化板以及其他沒有選中的部件在感性負(fù)載、容性負(fù)載層面所造成的影響[2]。

2? 影響老化測試系統(tǒng)性能的因素

2.1 測試方法的選取

一般情況下，理想狀況是器件在老化制作環(huán)節(jié)耗費時間相對較少，由此能夠讓總體產(chǎn)量得到有效提升。電能條件如果相對較為惡劣，就極其容易出現(xiàn)故障現(xiàn)象，所以可以高速展開反復(fù)測試的系統(tǒng)，能夠極大程度地降低總體老化所耗費的時間。內(nèi)部的每個節(jié)點在單位時間里切換的次數(shù)數(shù)值越大，器件所承受的考驗也就越高，故障產(chǎn)生的時間也就越早。

2.2 計算機主機和測試系統(tǒng)相互之間的通信

因為功能測試程序相對較長，在對測試硬件進(jìn)行具體設(shè)計環(huán)節(jié)，需要盡量提升速度。當(dāng)前，部分系統(tǒng)中應(yīng)用速度相對較慢的串行通信方式，比如RS-232C抑或相似協(xié)議，而另一部分系統(tǒng)中應(yīng)用的是雙向并行的總線系統(tǒng)，此種方式能夠讓數(shù)據(jù)在流通率層面得到極大程度的提升。

2.3 按照時間動態(tài)性的更改，對參數(shù)能力進(jìn)行測試

如若老化系統(tǒng)可以實時地針對參數(shù)進(jìn)行更改，就能夠加快一般情況下對于產(chǎn)品應(yīng)用后期故障的出現(xiàn)率。針對一些器件架構(gòu)而言，動態(tài)信號功率、直流電壓偏置等發(fā)生的變換，都有可能導(dǎo)致晚期壽命故障更早出現(xiàn)。

2.4 參數(shù)測試環(huán)節(jié)系統(tǒng)所能提供的能力

如若老化測試系統(tǒng)可以針對速度進(jìn)行測試，就可以獲取類似的失效數(shù)據(jù)，從而在可靠性層面對其進(jìn)行研究，對于老化測試流程的簡化，能夠起到有效的促進(jìn)作用[3]。

3? 電子元器件在老化測試環(huán)節(jié)應(yīng)用的最新設(shè)備

傳統(tǒng)形式的老化設(shè)備主要包含老化室以及老化板。老化板是指按照每種產(chǎn)品獨特的制造以及設(shè)計形式，所形成的一種印刷式電路板，市場中大多數(shù)公司都可以對老化板進(jìn)行定制以及設(shè)計。電子元器件在插到老化板上之后，再將其放入老化室中。老化板的主要作用是通電，抑或經(jīng)過重復(fù)多次的斷電、通電，形成相應(yīng)的脈沖電流、熱膨脹應(yīng)力，從而讓早期故障得到有效加速。

將老化室維持在一個較高的溫度范圍內(nèi)，也會加劇早期故障的形成。老化工藝在設(shè)計環(huán)節(jié)，主要包含老化時間以及溫度等，可以應(yīng)用理論計算、數(shù)據(jù)反饋、經(jīng)驗法則等形式來具體優(yōu)化以及確定。老化室的溫度數(shù)值通常情況下范圍低于150℃，經(jīng)驗法則一般是根據(jù)不同產(chǎn)品存在的不同差異，比如溫度數(shù)值每提升10℃，某一種產(chǎn)品出現(xiàn)故障的概率將會成倍增加，所以在55℃～60℃的老化室中，產(chǎn)品在失效層面的溫度，要比室溫高出8倍左右的數(shù)值。傳統(tǒng)老化室具備的主要功能就是加熱作用，然后通過人工對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取?，F(xiàn)階段應(yīng)用的老化室大部分都是由電腦對其進(jìn)行管控，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲[4]。

要想針對目前現(xiàn)代化的微電子科技進(jìn)行深層次、精準(zhǔn)化的檢查，就需要應(yīng)用最為先進(jìn)的老化設(shè)備。老化室自身具備的一個主要功能就是加熱，在老化操作期間處在運行狀況下的被測電子元器件，自身也會有一定的熱量散發(fā)，從而導(dǎo)致局部的溫度不斷上升，所以在檢測環(huán)節(jié)需要劃分成不同區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行分別監(jiān)測，由此可以對溫度實現(xiàn)精準(zhǔn)管控。目前，新型的老化室中都擁有空氣循環(huán)系統(tǒng)，主要作用是讓溫度可以保持一致性，與此同時有效緩解由負(fù)載在工作期間所形成的熱量。以下是當(dāng)前國際范圍內(nèi)先進(jìn)程度最高的兩種老化室。

3.1 適合應(yīng)用在大規(guī)模大功率的集成電路中

MCC公司生產(chǎn)的HPB-5C老化室，是目前國際范圍內(nèi)受歡迎程度最廣，且最為先進(jìn)的一個老化測試系統(tǒng)。HPB-5C的老化室所提供的功率，能供給最高150W的被測設(shè)備，并且老化室中的超溫保護(hù)功能、熱控設(shè)備，能夠精準(zhǔn)地針對設(shè)備溫度進(jìn)行有效測量，以及檢測各種大規(guī)模集成形式的電路，在老化環(huán)節(jié)有可能形成的散熱波動，保證老化時間內(nèi)針對所有設(shè)備應(yīng)用相當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力。HPB-5C型的老化室在對被測設(shè)備進(jìn)行測試環(huán)節(jié)，最多同時可以容納384個設(shè)備，每一個設(shè)備在溫度層面都可以對其進(jìn)行精準(zhǔn)、獨立的管控。每套驅(qū)動板可以單獨布設(shè)試驗區(qū)域，測試期間溫度最高可以達(dá)到150℃，時鐘頻率最高可達(dá)800MHz，在雙向通道、輸入通道、輸出通道層面的數(shù)字I/O通道，最高可以設(shè)置128個。每套驅(qū)動板中額外配備十六路的程控電源，其中包含8個低電流的電源、8個高電流的電源，待測設(shè)備總電流最高可達(dá)1080A，待測設(shè)備的總功率最高可以達(dá)到2000W。HPB-5C老化室可以對于復(fù)雜程度相對較高的設(shè)備進(jìn)行靈活性的測試，其中主要包含對設(shè)備的存儲功能、設(shè)備邏輯進(jìn)行測試，同時配備了內(nèi)部自檢BIST的設(shè)備。HPB-5C老化設(shè)備系統(tǒng)自身容量相對較大，而且可以同時針對不同形式的被測設(shè)備進(jìn)行有效測試，能夠讓效益得到有效提升，與此同時達(dá)到降低成本的目標(biāo)。HPB-5C老化室自身在系統(tǒng)保護(hù)管控層面靈敏性相對較高，可以在不減少測試環(huán)節(jié)速度的前提下，對故障信息進(jìn)行儲存，然后在故障檢測層面提供更加精準(zhǔn)詳細(xì)的報告[5]。

3.2 Incal公司生產(chǎn)的低功率XP160系列的老化室

XP160系列的老化室一共包含160個控制通道，應(yīng)用0.5～5.5V的驅(qū)動器，功率最大為25MHz，適合應(yīng)用在數(shù)字集成化的電路產(chǎn)品當(dāng)中。Incal公司研發(fā)的Inspire軟件控制系統(tǒng)，可以對老化室內(nèi)部各個區(qū)域的電壓、溫度進(jìn)行有效管控，并實時顯示電流、電壓、溫度，不僅可以通過電子郵件的方式進(jìn)行報警，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析。另外，可以分別設(shè)置操作工、技術(shù)員、工程師等不同形式的用戶賬號訪問權(quán)限，從而實現(xiàn)更加便捷的管理;同時，可以對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行定期的存儲以及記錄，如果遇到緊急狀況能夠自動執(zhí)行停機操作，在辦公電腦上可以單獨對其進(jìn)行應(yīng)用，有利于對老化測試進(jìn)行文件編輯以及設(shè)置，現(xiàn)階段在行業(yè)內(nèi)部處于領(lǐng)先水準(zhǔn)。Inspire、XP160系列中軟件、硬件的相互組合，在應(yīng)用環(huán)節(jié)大部分都是針對半導(dǎo)體的電子元器件進(jìn)行老化測試[6]。

4結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段通常情況下都是采取加速老化的方式，來消除電子產(chǎn)品由于缺陷所導(dǎo)致的諸多故障，提升電子產(chǎn)品在設(shè)計環(huán)節(jié)的可靠性。目前，應(yīng)用到的老化測試電子產(chǎn)品，特別是集成電路的產(chǎn)品復(fù)雜程度與日俱增，現(xiàn)存的老化系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)代化的諸多需求。所以，研究開發(fā)嶄新的老化測試平臺，比如老化室、老化板等新型硬件設(shè)備，以及老化環(huán)節(jié)應(yīng)用到的數(shù)據(jù)實時采集、監(jiān)控、分析、反饋的軟件設(shè)備，是目前急需研究以及解決的一個主要課題。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘曉東，魏光輝，萬浩江，等.電子設(shè)備電磁輻射敏感度測試相關(guān)問題研究[J].強激光與粒子束，2020，32（7）：78-84.

[2] 宋鑫，趙勝.電務(wù)設(shè)備智能測試終端研究[J].鐵道通信信號，2019，55（11）：35-36.

[3] 袁可.電子器件測試設(shè)備信息監(jiān)控方法研究[J].科學(xué)咨詢，2021（38）：70-71.

[4] 徐道猛.面向廢棄線路板拆解的高值電子元器件識別與定位方法研究[D].宜昌：三峽大學(xué)，2020.

[5] 柏小娟.電子元器件可靠性篩選方案設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2019.

[6] 張祖紅.電子器件熱可靠性及相關(guān)設(shè)備的研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（14）：82-83.

基金項目：本文系廣東省教育廳2021年度工程技術(shù)研究中心項目（項目編號：2021GCZX016）和東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院國家雙高計劃電子信息工程技術(shù)專業(yè)群專項經(jīng)費資助項目“電子產(chǎn)品智能化老化測試設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號：ZXF012）成果。

作者簡介：李斌（1982—），男，工程碩士，副教授，從事智能終端應(yīng)用、算法研究。

彭勇（1976—），男，碩士，副教授，從事智能終端應(yīng)用、算法研究。