示波器內(nèi)置噪聲二極管ESS測試裝置的設計

宋波，龍滬強

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240）

示波器內(nèi)置噪聲二極管ESS測試裝置的設計

宋波，龍滬強

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240）

為了改善因某些噪聲二極管可靠性較差導致的混合域示波器現(xiàn)場故障率，我們設計了示波器內(nèi)置噪聲二極管的ESS測試治具。我們根據(jù)噪聲二極管在示波器中的工作電路，設計了測試裝置的硬件設備。制定了電氣測試標準和測試循環(huán)次數(shù)。我們基于Labview設計了相關(guān)的自動化測試軟件。通過一年的過濾后，該測試裝置將因噪聲二極管故障導致的混合域示波器現(xiàn)場故障率從17 487×10-6改善到了2，915×10-6。

電子器件可靠性；示波器現(xiàn)場故障率；電應力篩選；Labview；噪聲二極管；混合域示波器

當今先進的示波器中疊加了簡易頻譜分析儀電路，噪聲二極管被運用于示波器RF電路中，作為其RF電路各頻段的自檢測信號源。噪聲二極管是利用二極管PN結(jié)反向雪崩擊穿時產(chǎn)生的散射噪聲而輸出高斯白噪聲的一種器件。噪聲二極管根據(jù)其工藝不同，輸出白噪聲的頻率范圍，超噪比以及噪聲平坦度也不同。［1-3］現(xiàn)場故障率是示波器等測試測量儀器的關(guān)鍵質(zhì)量指標。引起示波器現(xiàn)場故障的原因多種多樣，并包含有間歇性問題，這為降低現(xiàn)場故障率帶來了困難。然而，解決其中一些相對集中的問題是逐步提升質(zhì)量水平的關(guān)鍵方法。我們對某一型號示波器現(xiàn)場故障信息收集整理后，發(fā)現(xiàn)前端模擬板的現(xiàn)場故障率較高為32 860×10-6，而噪聲二極管又是前端模擬板上故障率較高的器件，為17 487×10-6。因此，降低前端模擬板上噪聲二極管的現(xiàn)場故障率可以為提高該型號示波器的質(zhì)量水平帶來較大的貢獻。

1　微波固體噪聲二極管的應用

1.1原理及故障分析

噪聲二極管的應用原理：微波固體噪聲二極管是利用半導體雪崩擊穿時產(chǎn)生的散射噪聲為其噪聲來源的一種微波固體噪聲器件。其散射噪聲是在半導體PN結(jié)處于反向雪崩狀態(tài)下，載流子雪崩倍增的電流起伏所引起的。微波固體噪聲二極管通常被用于頻譜分析儀射頻電路部分的內(nèi)部自檢測信號源。理想的微波固體噪聲二極管的噪聲輸出符合AWGN的性質(zhì)，即噪聲信號的頻率譜密度在有效輸出頻率范圍內(nèi)是均勻分布的；每個頻點上幅度的概率密度是呈高斯分布的［4-5］。

圖1給出了微波固體噪聲二極管的在示波器中的典型應用電路示意圖。

圖1　微波固體噪聲二極管的應用電路示意圖

Vb提供微波固體噪聲二極管雪崩擊穿的直流電壓。L1為交流阻隔電感，防止微波固體噪聲二極管VR1產(chǎn)生的交流信號泄露到電源端，同時也阻隔了電源的高頻噪聲對于VR1的輸出噪聲影響。C1為直流電源濾波電容。R1為限流電阻，其阻值的計算是：（Vb-VR1的雪崩擊穿電壓）/VR1正常工作電流。

C2為高通電容，隔離由Vb經(jīng)L1，R1輸出的直流電壓；同時VR1所產(chǎn)生的噪聲信號經(jīng)過C2輸入射頻運放后進入后續(xù)電路，輸出噪聲的截止頻率由C2決定［6-8］。

故障分析：微波固體噪聲二極管的故障現(xiàn)象表現(xiàn)為其雪崩擊穿的電壓急劇下降至接近0 V，同時輸出噪聲的超噪比（SNR）也由35 dB下降至1 dB以下。故障噪聲二極管的V-I曲線與工作正常的噪聲二極管的V-I曲線對比如圖2所示。

圖2　故障噪聲二極管V-I曲線（a）與正常噪聲二極管V-I曲線（b）對比

根據(jù)PN結(jié)雪崩擊穿的原理，造成噪聲二極管反向擊穿電壓急劇降低的原因可能有兩點：（1）反向擊穿時電流過大，造成共價鍵的不可逆破壞，從而導致器件中有大量自由電子。（2）反向擊穿時電壓過高，造成PN中形成隧穿通道，導致反向擊穿電壓急劇下降。

在該型號示波器的實際應用中，雪崩噪聲二極管的直流偏置電壓Vb被設定為-20 V DC；VR1的反向雪崩擊穿電壓為-9.2 V DC；限流電阻R1的阻值根據(jù)VR1的額定電流范圍8 mA～10 mA，假設工作電流為9 mA，則電阻值設定為1.2 kΩ。

1.1極限電壓測試

實驗樣本為10片隨機抽樣的噪聲二極管。在電流限制在10 mA的情況下，所有被測二極管均能承受-42 V DC的反向電壓。而電路板上沒有超出-20 V DC的壓降加在噪聲二極管的兩端。

1.3極限電流測試

在達到反向擊穿電壓的條件下，當輸出電流增大到24 mA時，噪聲二極管會被過流擊穿。用電流探頭測量實際在電路板上工作時的電流為8 mA，與過流擊穿閾值24 mA尚有較大余量。

電路板上產(chǎn)生的電壓和電流對噪聲二極管不會造成破壞；并且，市場上出現(xiàn)的不良噪聲二極管在全球范圍內(nèi)沒有呈現(xiàn)特定的地域分布，所以該問題和環(huán)境溫濕度沒有固定的聯(lián)系。因此，市場上出現(xiàn)的不良原因主要是因為某些噪聲二極管器件本身可靠性強度不夠所致。［9-11］

1.4電子器件的可靠性

通常的電子元器件的瞬時故障率隨時間的變化大多都符合“U型曲線”，其形狀呈現(xiàn)兩頭高、中間低，具有明顯的階段性，微波固體噪聲二極管也不例外。一般來說，器件廠商在出廠時會對噪聲二極管進行出廠檢驗。但是由于成本控制的原因，該噪聲二極管采用的是塑料封裝，抗環(huán)境應力能力較差，焊接和運輸過程中都有可能對其造成破壞。再者，噪聲二極管在市場不良的問題中表現(xiàn)較為集中，因此，我們可以采用ESS（電應力篩選）的方法，在生產(chǎn)早期階段，將噪聲二極管的潛在缺陷加速變成故障，并通過檢驗發(fā)現(xiàn)和排除故障，以此來過濾出一些潛在不良的器件。

2　噪聲二極管ESS測試裝置的硬件設計

ESS測試裝置的硬件設計：噪聲二極管的故障在用戶方面的故障表現(xiàn)為開機自檢的時候出現(xiàn)錯誤報告，噪聲二極管的反向偏置電壓開啟只出現(xiàn)于開機自檢、自診斷、以及用戶按鍵運行通路補償時。因此，設計針對噪聲二極管的ESS實驗只需要反復對噪聲二極管電路用示波器內(nèi)部命令進行反復上電循環(huán)，即可模擬用戶使用時的開機、自診斷、以及運行通路補償時對噪聲二極管的操作。由此，我們設計出原理框圖如圖3所示的ESS測試設備。

圖3　噪聲二極管ESS測試設備硬件原理圖

該ESS測試設備通過計算機端控制以太網(wǎng)口，發(fā)送示波器內(nèi)部命令到主板CPU，再經(jīng)由SPI總線傳輸?shù)角岸四M板上的MCU。MCU接收到命令之后，便會控制DC-DC電路產(chǎn)生為提高噪聲二極管反向工作電流而需要的反向偏置電壓。該反向偏置電壓的開啟和關(guān)斷均可由示波器內(nèi)部命令控制，因此，該ESS測試設備可以實現(xiàn)對噪聲二極管反向工作電流的循環(huán)開關(guān)控制。噪聲二極管的白噪聲輸出結(jié)果，可以通過示波器LCD顯示出來。

ESS測試的標準：為了完全模擬終端用戶的實際使用情況，噪聲二極管反向偏置電壓、反向電流均按照實際電路板設定，即：

（1）工作狀態(tài)：反向偏置電壓Vb=-20 V DC，限流電阻R1=1.2 kΩ，噪聲二極管反向電流：-9 mA。

（2）關(guān)閉狀態(tài)：反向偏置電壓Vb=-12 V DC，限流電阻R1=1.2 kΩ，噪聲二極管反向電流：-2.3 mA。

（3）根據(jù)市場上出現(xiàn)的故障信息，用戶所發(fā)現(xiàn)的不良噪聲二極管都是在反向偏置電壓開關(guān)循環(huán)75次之內(nèi)出現(xiàn)的。增加167%裕度，我們設置偏置電壓開關(guān)循環(huán)次數(shù)為200次，開關(guān)頻率為1 Hz。性能正常的噪聲二極管可以通過5萬次的偏置電壓開關(guān)循環(huán)測試［12-14］。

3　噪聲二極管ESS測試裝置的軟件設計

我們采用了Labview作為開發(fā)工具，編寫了噪聲二極管ESS程序。程序與測試裝置的通訊主要采用的是Labview中的TCP/IP通訊函數(shù)。其流程圖如圖4所示。

軟件所實現(xiàn)的功能：該軟件實現(xiàn)了噪聲二極管的ESS自動化一鍵測試，最終噪聲二極管的狀態(tài)通過自診斷程序得出，并直觀的用指示燈顯示測試結(jié)果，方便操作人員使用。完成全部測試僅需20 min。

軟件的可擴展性：該自動測試軟件可以任意配置噪聲二極管反偏電壓的開關(guān)循環(huán)次數(shù)，便于后期測試條件的更改。［15］噪聲二極管ESS測試裝置實際工作情況如圖5所示。

圖5　噪聲二極管ESS測試裝置的實際工作情況

4　ESS測試結(jié)果及因噪聲二極管導致的市場故障率跟蹤

經(jīng)過10個月的ESS篩選測試，共有50片潛在不良的噪聲二極管被過濾出來，占該產(chǎn)品這10個月總出貨量的4.86%。

該型號示波器因噪聲二極管導致的市場不良率（FFR）從2013年1月到2014年4月的17 487×10-6，下降到了2014年5月至今的2 915×10-6，下降了83.33%。當然，通過ESS測試的噪聲二極管仍有小部分會在市場上出現(xiàn)不良，這就需要我們進一步對ESS測試標準進行細化分析，以最大限度降低從工廠流出到市場的潛在不良噪聲二極管的數(shù)量。

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宋波（1985-），2007年畢業(yè)于西安電子科技大學技術(shù)物理學院電子科學與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)就職于某測試測量儀器制造公司，長期從事測試測量儀器電子部件失效分析及產(chǎn)品可靠性提升等工作；

龍滬強（1956-），男，高級工程師，上海交通大學，研究方向為圖像通信、數(shù)字電視及多媒體信息處理、移動通信和嵌入式系統(tǒng)，hqlong@sjtu.edu.cn。

Electrical Stress Sorting Fixture Design for Oscilloscope Noise Source Diode*

SONG Bo，LONG Huqiang
（Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In order to improve mixed-domain oscilloscope FFR which caused by the noise source of the poor reliabil?ity of diodes.An Electrical Stress Sorting（ESS）fixture was built，according to failure analysis and reliability theory. Based on noise source diode circuit in oscilloscope，the hardware devices of ESS fixture was designed.The electri?cal test standard and cycle count standard for noise diode stress testing were formulated.A software tool based on Labview has been laid down for manufacture automatically test.After one year's sorting，this ESS fixture improved mixed-domain oscilloscope FFR，which caused by defective noise diodes，from 17 487×10-6to 2 915×10-6.

electronic device reliability；oscilloscope FFR；ESS；Labview；noise diode；mixed-domain oscilloscope EEACC：0170M；5230；7230Z

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.029

TM935.3

A

1005-9490（2016）02-0388-04

某測試測量儀器公司內(nèi)部質(zhì)量改進課題項目

2015-05-14修改日期：2015-07-03