劉小文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

直流老煉狀態(tài)監(jiān)控和故障處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)單位在器件篩選過(guò)程中老煉試驗(yàn)樣品種類雜，批次多，試驗(yàn)過(guò)程記錄的數(shù)據(jù)量大的現(xiàn)狀，利用虛擬儀器軟件編程，通過(guò)IBM服務(wù)器終端作為上位機(jī)與多臺(tái)老煉電源通信，從而對(duì)多批老煉試驗(yàn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并分析老煉過(guò)程中采集到的電學(xué)參數(shù)判斷老煉試驗(yàn)的狀態(tài)，自動(dòng)采取相應(yīng)的故障處理措施，實(shí)現(xiàn)了緊急中斷試驗(yàn)、快速保護(hù)試驗(yàn)樣品，提供試驗(yàn)異常時(shí)的電參數(shù)波動(dòng)數(shù)據(jù)的功能，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

半導(dǎo)體器件；動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)；負(fù)反饋電路；功率監(jiān)測(cè)

引言

隨著電子制造行業(yè)質(zhì)量意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，航空、航天、裝備等對(duì)質(zhì)量要求較高的高精尖產(chǎn)業(yè)對(duì)篩選提出了越來(lái)越高的要求[1][2]。而電老煉試驗(yàn)作為補(bǔ)充篩選過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)電子產(chǎn)品可靠性最有效的手段之一，可以剔除大部分早期失效的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)各單位的檢驗(yàn)部門(mén)作為補(bǔ)充篩選的實(shí)施者，裝機(jī)元器件質(zhì)量保證的最后一道關(guān)卡，每年都會(huì)進(jìn)行大量的電老煉試驗(yàn)，以保證生產(chǎn)的可靠性。平均每個(gè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)每年承擔(dān)的電老煉項(xiàng)目可達(dá)上千個(gè)批次，幾百個(gè)品種，總數(shù)超過(guò)十萬(wàn)只。

面對(duì)如此繁雜的種類，密集的試驗(yàn)強(qiáng)度和海量的過(guò)程電參數(shù)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)人員需要有一套完善的管理體制和先進(jìn)的試驗(yàn)監(jiān)控及故障處理系統(tǒng)以保證老煉試驗(yàn)的有序進(jìn)行。但國(guó)內(nèi)大多數(shù)單位的檢測(cè)部門(mén)電老煉試驗(yàn)設(shè)施并不完善，往往采用試驗(yàn)過(guò)程中定期巡視，人工記錄的形式實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控。采取這種手段的主要缺點(diǎn)是當(dāng)老煉過(guò)程中樣品或儀器出現(xiàn)故障時(shí)巡視人員很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成樣品完全燒毀，異常工作狀態(tài)下的電參數(shù)得不到及時(shí)的記錄，不能提供失效分析和老煉電路改進(jìn)的第一手資料。

本文的研究目的是設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)和虛擬儀器的電老煉狀態(tài)監(jiān)控和故障處理系統(tǒng)，對(duì)電老煉試驗(yàn)過(guò)程中的電參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，以及樣品和儀器異常工作狀態(tài)發(fā)生時(shí)自動(dòng)運(yùn)行緊急處理程序，包括異常數(shù)據(jù)記錄、電源緊急斷電和聲光信號(hào)報(bào)警等應(yīng)急措施。

1 直流老煉狀態(tài)監(jiān)控和故障處理主要功能需求

為滿足直流老煉的需求，系統(tǒng)需具備以下幾類功能[3，4]：

1）遠(yuǎn)距離通信和網(wǎng)絡(luò)功能；

2）正常工作狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)功能；

3）異常工作狀態(tài)識(shí)別功能，可根據(jù)異常工作狀態(tài)等級(jí)做出相應(yīng)的緊急處理；

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和分析功能；

5）友好的用戶界面和交互功能。

2 直流老煉狀態(tài)監(jiān)控和故障處理系統(tǒng)硬件搭建

直流老煉狀態(tài)監(jiān)控和故障處理主要是對(duì)老煉試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)過(guò)程中的電壓電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在其狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)及時(shí)做出判斷，產(chǎn)生中斷試驗(yàn)、發(fā)出警告等反應(yīng)。系統(tǒng)硬件組成包括監(jiān)控和故障處理終端，老煉電源，通信模塊，交換機(jī)等。進(jìn)行系統(tǒng)硬件搭建的時(shí)候主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）數(shù)據(jù)采集。為滿足電老煉試驗(yàn)過(guò)程控制，直流老煉系統(tǒng)需對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中樣品的電壓及電流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過(guò)查閱大量元件、半導(dǎo)體器件、微波電路和集成電路的產(chǎn)品資料，絕大多數(shù)老煉試樣的過(guò)程量監(jiān)測(cè)精度需達(dá)到電壓10 mV量級(jí)，電流1 mA量級(jí)。為滿足試驗(yàn)要求，監(jiān)測(cè)電壓電流通常采用添加數(shù)據(jù)采集卡和利用老煉電源內(nèi)部集成的測(cè)量單元兩種方式實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)研和試驗(yàn)論證，數(shù)據(jù)采集卡方式因需對(duì)電老煉 試驗(yàn)電路進(jìn)行修改，電流采集能力存在上限和高溫環(huán)境下測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性較差等缺點(diǎn)，并不能滿足電老煉試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求。而利用老煉電源內(nèi)部集成的測(cè)量單元并不額外增加外圍電路，且測(cè)量精度和準(zhǔn)確度、重復(fù)性均達(dá)到試驗(yàn)需求。

2）數(shù)據(jù)傳遞。需滿足遠(yuǎn)通信距離和網(wǎng)絡(luò)功能。通常情況下各檢測(cè)部門(mén)同時(shí)進(jìn)行的老煉試驗(yàn)可以達(dá)到幾十批次到上百批次，不同樣品的試驗(yàn)平臺(tái)的最遠(yuǎn)距離超過(guò)100 m。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)場(chǎng)地和批次數(shù)量，常規(guī)的USB協(xié)議（通信距離5 m）、RS232協(xié)議（通信距離15 m）都不能滿足通信距離的要求。RS485協(xié)議（通信距離1 200 m）可以滿足通信距離的要求但多個(gè)下位機(jī)單元級(jí)聯(lián)性不強(qiáng)，很難形成可靠的網(wǎng)絡(luò)[5]。本文最終采用TCP/IP協(xié)議，采用Internet局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制終端和下位機(jī)電源的連接，要求終端和下位機(jī)具備LAN接口及通信模塊。

3）數(shù)據(jù)處理。終端需具備LAN通信接口，十年以上的連續(xù)工作能力以及足夠的存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。本文選用IBM公司生產(chǎn)的中檔服務(wù)器，雙電源供電增加其運(yùn)行可靠性，除定期維護(hù)以外可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，配備多種接口，采用1TB存儲(chǔ)硬盤(pán)，按現(xiàn)有工作量計(jì)算可滿足十年以上老煉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。裝有WNIDOWS NT系統(tǒng)，可兼容運(yùn)行Labviwe等虛擬儀器軟件。

最終搭建的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)軟件工作流程

上位機(jī)軟件是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，需實(shí)現(xiàn)的基本功能包括[6，7]：電源狀態(tài)初始化；儀器的IP地址分配和向量設(shè)置；電源實(shí)時(shí)控制和參數(shù)設(shè)置；試驗(yàn)電壓電流回讀和存儲(chǔ)；老煉故障判斷和實(shí)時(shí)處理。上位機(jī)軟件的流程圖如圖2所示。

圖2 軟件的流程圖

系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)采用狀態(tài)機(jī)模式，軟件開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候可根據(jù)需要執(zhí)行電源狀態(tài)初始化、電源IP地址分配和向量設(shè)置、以及初始參數(shù)設(shè)置等基本功能?；驹O(shè)置完成后軟件進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控、電壓電流回讀和存儲(chǔ)功能循環(huán)模式，等待中斷事件發(fā)生。當(dāng)操作人員通過(guò)終端對(duì)電源狀態(tài)進(jìn)行更改或者回讀的電壓電流值超過(guò)報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)軟件進(jìn)入中斷處理子程序，優(yōu)先處理中斷事件。

故障處理程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。當(dāng)老煉試驗(yàn)發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)，故障處理子程序會(huì)產(chǎn)生兩種處理方式：①動(dòng)作于聲光信號(hào)，當(dāng)某通道實(shí)時(shí)采集到的老煉參數(shù)有明顯波動(dòng)，但未超過(guò)斷電限值的時(shí)候，上位機(jī)發(fā)出報(bào)警聲音，異常指示燈亮。數(shù)據(jù)采集和記錄功能對(duì)異常通道的采集進(jìn)行調(diào)整，加快采集速率。如樣品失效，異常數(shù)據(jù)可作為失效分析的第一手資料；②動(dòng)作于直流電源斷電。當(dāng)電老煉參數(shù)超過(guò)斷電限值的時(shí)候，上位機(jī)報(bào)警， 斷電指示燈亮，電源斷電。

4 軟件系統(tǒng)界面

本文應(yīng)用的系統(tǒng)軟件為L(zhǎng)abview[8～10]虛擬儀器，可通過(guò)圖形化的編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，操作界面友好。軟件前面板和后面板如圖3和圖4所示。

圖3 前面板

5 小結(jié)

圖4 后面板

本文利用虛擬儀器軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多批老煉試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)老煉過(guò)程中采集到的電學(xué)參數(shù)判斷老煉試驗(yàn)的狀態(tài)，自動(dòng)采取相應(yīng)的故障處理措施，實(shí)現(xiàn)及時(shí)中斷試驗(yàn)、盡快的保護(hù)老煉試驗(yàn)樣品、提供試驗(yàn)異常時(shí)的電參數(shù)波動(dòng)。故障處理時(shí)采集的數(shù)據(jù)可作為失效分析的第一手資料，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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Monitoring of DC Burn-in Condition and Design for Fault Disposal System

Liu Xiao-Wen
(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051)

In the process of device selection in China, it was found that the burning-in test samples are miscellaneous, the batch quantity and the amount of data recorded during the test process are large in the current situation. Programmed by the virtual instrument software and communication with multiple burning-in power sources through the IBM server terminal as the host computer, it could realize the network control and real time monitoring of burning-in test. By analyzing the electrical parameters collected during the burning-in process, the state of the burning-in test could be determined to take automatic fault treatment. It could interrupt the test and protect test sample quickly. It also could provide the fluctuation of electrical parameters in abnormal test which has very strong practicability.

semiconductor devices；dynamic burn-in test；the negative feedback circuits；power monitoring and measuring

TN406

A

1004-7204(2017)04-0015-04

劉小文，2010年畢業(yè)于吉林大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，工學(xué)碩士 ，從事半導(dǎo)體器件研發(fā)工作。