電子元器件的老化測(cè)試分析

張凡 于迎偉

引言

伴隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品與設(shè)備的復(fù)雜性越發(fā)增加，使用范圍更加廣泛。但由于長期使用與外部環(huán)境等方面的影響，電子產(chǎn)品與設(shè)備容易出現(xiàn)電子元器件老化的問題，造成其性能與可靠性的下降，因此，對(duì)電子元器件進(jìn)行老化測(cè)試，用以評(píng)價(jià)元器件在差異性條件下的工作穩(wěn)定性、使用壽命，是電子工程領(lǐng)域內(nèi)的重要課題。因此，技術(shù)人員需要深入研究電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探索更多用于元器件測(cè)試的技術(shù)，以此為社會(huì)的進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。

一、電子元器件老化測(cè)試的內(nèi)涵

老化測(cè)試本質(zhì)上是一種模擬電子元器件使用流程的測(cè)試方法，旨在檢測(cè)與去除元器件內(nèi)部的缺陷。在測(cè)試過程中，會(huì)模擬元器件的實(shí)際工作狀態(tài)，并施加特定的電應(yīng)力以加速元器件內(nèi)部的物理和化學(xué)反應(yīng)，從而使?jié)撛诘膯栴}如漏電、焊接不良、硅晶片裂紋等提前顯現(xiàn)出來。老化測(cè)試可以保證元器件參數(shù)的穩(wěn)定性，測(cè)試期間需要嚴(yán)格管控電應(yīng)力參數(shù)和環(huán)境溫度，以防元器件發(fā)生失效的現(xiàn)象[1]。

二、電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)的概述

（一）電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)的種類

（1）內(nèi)存老化型：①易失性內(nèi)存：該類型系統(tǒng)的測(cè)試工作較為簡單，原因在于在無需特殊算法、時(shí)序的情況下，便能反復(fù)對(duì)其擦寫操作。測(cè)試人員通常要將所有電子元器件寫入數(shù)據(jù)處理后，再逐個(gè)選擇元器件的種類，讀出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，再開展后續(xù)的比較分析工作。在老化測(cè)試中能夠多次組織速度較慢的刷新測(cè)試，因而可節(jié)省其他測(cè)試環(huán)節(jié)消耗的時(shí)間。刷新測(cè)試的步驟為，測(cè)試人員先將所有數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，然后對(duì)發(fā)現(xiàn)問題的存儲(chǔ)單元進(jìn)行放電操作，再從內(nèi)存中提取和讀回?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)存在故障問題的存儲(chǔ)單元。將該部分測(cè)試安排在老化測(cè)試之后，可以證實(shí)老化后的測(cè)試將不進(jìn)行耗時(shí)性的測(cè)試工作，具有節(jié)省測(cè)試時(shí)間的效果。②非易失性內(nèi)存：該類系統(tǒng)測(cè)試工作難度較大，原因在于在寫入數(shù)據(jù)之前，通常要清除掉內(nèi)部所有內(nèi)容，致使系統(tǒng)算法難度有所上升。盡管測(cè)試人員之后還要配合運(yùn)用特殊電壓開展擦除工作，但正式老化測(cè)試中應(yīng)用的方法較為相似，均為在數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存后，再憑借復(fù)雜算法的力量，進(jìn)行讀回操作處理[2]。

（2）邏輯器件老化型：①平行測(cè)試：在元器件老化測(cè)試中，該類型測(cè)試速度最快，主要采用若干信號(hào)線同時(shí)與元器件輸入、輸出端口加以銜接而實(shí)現(xiàn)，而I/O線的輸入端口則受到系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)的控制，該類型測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方式可劃分為3類。I.單選元器件：在各老化板內(nèi)元器件可以同其他元器件分離的狀態(tài)下，系統(tǒng)便能采取差異性的方法銜接各個(gè)元器件。比如，在使用片選引腳的條件下，需要并聯(lián)處理元器件，每次只能選擇一個(gè)元器件，從而構(gòu)成返回信號(hào)。該方法的缺陷在于，選擇的元器件要具備克服感性、容性復(fù)雜對(duì)老化板，以及其他未選中元器件影響的能力。II.返回單引腳信號(hào)：該類型測(cè)試需要以并聯(lián)操作為核心，讓所有元器件處于工作狀態(tài)，但保留至少一個(gè)信號(hào)返回至引腳，之后由系統(tǒng)負(fù)責(zé)選擇監(jiān)測(cè)模塊，再讀取信號(hào)返回的線路。該類測(cè)試與串行測(cè)試存在相似點(diǎn)，但信號(hào)引腳在測(cè)試中接收到的信息為邏輯電平，或經(jīng)過和預(yù)留值對(duì)比后存在的脈沖模式。在檢測(cè)中接收到的信號(hào)主要體現(xiàn)的是元器件自我檢查的狀態(tài)，但在元器件不存在自我檢測(cè)性能的情況下，而由系統(tǒng)單純檢查某個(gè)引腳，則容易對(duì)檢測(cè)的精準(zhǔn)性產(chǎn)生負(fù)面影響。III.返回多引腳信號(hào)：該類型測(cè)試同單引腳測(cè)試類似，但各元器件可返回更多信號(hào)，使得監(jiān)測(cè)中要使用更多返回線路，造成系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本投入有所增加。該類測(cè)試目前適用于缺少內(nèi)部自檢，或者結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的元器件老化測(cè)試中。②串行測(cè)試：與平行測(cè)試相比，該類型測(cè)試盡管速度相對(duì)較慢，但操作上更加便捷。在老化板上，除了每個(gè)元器件內(nèi)的串行信號(hào)返回線以外，要對(duì)所有元器件實(shí)施并聯(lián)測(cè)試。在具體測(cè)試工作開展中，由于老化板內(nèi)通常要繼承數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)，說明還要在數(shù)據(jù)傳輸前期做好譯碼處理工作[3]。

（二）電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)性能的影響因素

（1）選擇的測(cè)試方法：理想狀態(tài)下，電子元器件在老化測(cè)試中盡可能減少時(shí)間消耗，以提高整體產(chǎn)量。若電能條件較差，可能增加故障問題的發(fā)生概率，采用高速反復(fù)測(cè)試的方式可以大幅度減少老化處理需要的時(shí)間。當(dāng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)切換次數(shù)增加時(shí)，元器件受到更大的壓力，從而可能導(dǎo)致故障的提前出現(xiàn)。

（2）參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的能力：如果老化測(cè)試系統(tǒng)具備速度測(cè)試能力，那么在實(shí)際檢測(cè)中就可以獲得具有較高相似度的數(shù)據(jù)信息。這類信息對(duì)于可靠性的研究非常有益，可以簡化老化測(cè)試的流程，提高測(cè)試效率[4]。

（3）主機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)間的通信：由于功能測(cè)試程序的運(yùn)行時(shí)間通常較長，為了提高測(cè)試硬件設(shè)計(jì)的效率，需要在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提高測(cè)試速度。目前，部分老化測(cè)試系統(tǒng)仍然使用運(yùn)行速度相對(duì)較慢的串行通信方法，如RS-232C協(xié)議。如果將系統(tǒng)改造為雙向并行總線系統(tǒng)，將大幅度提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。

（4）時(shí)間動(dòng)態(tài)性與參數(shù)能力：當(dāng)老化測(cè)試系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整參數(shù)之時(shí)，便存在降低產(chǎn)品在使用后發(fā)生故障的可能性，而在部分元器件的結(jié)構(gòu)中，直流電壓偏置、動(dòng)態(tài)信號(hào)功率的變化，均容易提前引發(fā)元器件在晚期使用中才會(huì)發(fā)生的故障問題[5]。

三、電子元器件老化測(cè)試的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

（一）整體設(shè)計(jì)

以電容器為例，在設(shè)計(jì)老化測(cè)試系統(tǒng)之前，需要明確電容器失效的原因，包括機(jī)械應(yīng)力造成的扭曲破裂、溫濕外界環(huán)境造成的漏電等，由此確定電容器老化測(cè)試系統(tǒng)的組成部分，包括供電電源、開關(guān)電源、變壓器、0V～15V直流電壓源、高壓模塊電源、采樣電阻板、數(shù)據(jù)顯示模塊、監(jiān)測(cè)采集模塊、老化測(cè)試夾具、RS232通信模塊、USB通信模塊、主控計(jì)算機(jī)等。

該系統(tǒng)具備批量可靠性測(cè)試電容器的主要功能，如提供溫濕度、步進(jìn)電壓等滿足老化測(cè)試的環(huán)境，模擬電容器在工作中具體環(huán)境條件下的強(qiáng)化試驗(yàn)。直流電壓源要具備提供多測(cè)試通道、獨(dú)立輸出0kV～1kV工作電壓的能力，且高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱的溫控范圍應(yīng)該為-40℃～150℃。監(jiān)測(cè)采集模塊應(yīng)該可以同時(shí)觀察多個(gè)待測(cè)電容器的漏電流、工作電壓，上位機(jī)軟件界面中包含命令控制、自動(dòng)測(cè)試、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出與保存等功能。

（二）工作原理

（1）將待測(cè)電容器固定在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)的老化測(cè)試夾具上，夾具內(nèi)存在固定作用的金屬探針兩側(cè)，引出具有耐高壓、高溫性能的電壓線，其中的2條電壓線可以同直流電壓源形成主要回路，其他2條電壓線則負(fù)責(zé)銜接監(jiān)測(cè)采集模塊。（2）每條測(cè)試回路中均串聯(lián)采樣電阻，同時(shí)和監(jiān)測(cè)采集模塊加以連接，目的在于讓電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而計(jì)算出電容器的漏電流具體參數(shù)。（3）經(jīng)由通信協(xié)議的靈活運(yùn)用，將該系統(tǒng)和直流電壓源、監(jiān)測(cè)采集模塊、環(huán)境測(cè)試箱加以銜接，在確認(rèn)硬件設(shè)備連接無差錯(cuò)的情況下，正式開展對(duì)電容器的老化測(cè)試工作。

（三）可程控直流電壓源設(shè)計(jì)

該直流電壓源內(nèi)具備多獨(dú)立輸出通道的0V～15V可程控直流電壓源，紋波不超過10mV，輸出電流60mA，經(jīng)過調(diào)整后的精準(zhǔn)度可超過0.5%，在輸出電壓為10V時(shí)，擴(kuò)展不確定度為2.21mV。核心控制單元為IAP15W4K58S4單片機(jī)，為了符合I/O接口引腳占用較大的需求，則封裝選擇型號(hào)為LQFP64L的64引腳。在輔助電源設(shè)計(jì)上，需要將220V 50Hz的市電電壓轉(zhuǎn)化為0V～15V的可程控直流電壓源所需的電壓，再憑借整流橋的力量，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。整流橋?yàn)镮N4007整流二極管4支，通過濾波電路便可過濾掉直流電壓內(nèi)的紋路，在電壓穩(wěn)定之后，直流電壓可以通過AMS1117-2.5、AMS1117-5.0的芯片，分別產(chǎn)生2.5V、5V的基準(zhǔn)電壓和工作電壓。

（四）串口通信設(shè)計(jì)

由于可程控直流電壓源、監(jiān)測(cè)采集單元均采取USB串口通信的方法，實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成通信連接的功能，可以說明USB串口通信將作為上位機(jī)、下位機(jī)之間通信的紐帶。且USB為相對(duì)常見的串口通信模式，計(jì)算機(jī)通常存在若干USB接口，能夠滿足計(jì)算機(jī)和有關(guān)設(shè)備的通信需求。該系統(tǒng)內(nèi)的USB串口通信電路可選擇CH340芯片，芯片內(nèi)存在電源上電復(fù)位電路，無需單獨(dú)提供其他電源復(fù)位，支持3.3V、5V的外部電源供電，還支持50bps～2Mbps的通訊波特率。串行數(shù)據(jù)輸出引腳將和輸入引腳、控制單元的單片機(jī)I/O接口加以銜接，外圍電路是頻率為12MHz的晶振與22pF高頻振蕩電容，可以為CH340芯片提供頻率時(shí)鐘信號(hào)。串口通信電路整體上將經(jīng)由USB總線接口和計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、下位機(jī)之間通信的功能。

（五）環(huán)境試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可選擇ZB-HT-S-225環(huán)境試驗(yàn)箱，具備高低溫交變濕熱的能力。該環(huán)境試驗(yàn)箱具備多種類型的保護(hù)裝置，操作安全且運(yùn)行平穩(wěn)，噪音較小，抗腐蝕和生銹能力較強(qiáng)。存在可外接式的供水系統(tǒng)，提供自動(dòng)回收使用的功能，便于用戶隨時(shí)觀察加濕桶水位。還具有照明視窗燈、耐高溫除霧設(shè)備，為用戶觀察試驗(yàn)箱內(nèi)的具體測(cè)試情況提供諸多便捷。內(nèi)部的電源、控制電路和加濕管路相分離，用于規(guī)避漏水引發(fā)的安全事故。該環(huán)境試驗(yàn)箱以可操作觸摸屏為主要的人機(jī)交互硬件，或可經(jīng)過RS232串口通信和主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信連接，為用戶提供遠(yuǎn)程控制的服務(wù)。該環(huán)境試驗(yàn)箱主控制器的功能可概括為監(jiān)視畫面、曲線顯示、操作設(shè)置、程式設(shè)置、預(yù)約設(shè)置、畫面設(shè)置，其中，用戶可直接觸摸屏幕設(shè)定操作選項(xiàng)，顯示屏上可顯示各項(xiàng)參數(shù)和箱內(nèi)的測(cè)試狀態(tài)，將測(cè)試中的溫濕度變化以曲線的方式進(jìn)行顯示等。表1為該環(huán)境試驗(yàn)箱的主要參數(shù)。

表1 ZB-HT-S-225環(huán)境試驗(yàn)箱主要參數(shù)

（六）老化測(cè)試夾具設(shè)計(jì)

測(cè)試用夾具可劃分為固定支架、金屬探針、老化板3個(gè)部分，支架具有支撐作用，探針用于固定待測(cè)電容器，而老化板則是探針和待測(cè)電容器的載體?？紤]到老化測(cè)試需要在可變溫濕度環(huán)境下開展，說明測(cè)試用夾具應(yīng)具有耐高壓、耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)。因此固定支架的材料上可選擇316#不銹鋼，便于機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接，且在高溫環(huán)境中仍然可以維持物理機(jī)械性能而不出現(xiàn)變形的問題。金屬探針材料可選擇黃銅鍍金，探針長度、針頭直徑應(yīng)分別控制為4.8cm、5mm，允許通過最大電流為15A，采用彈簧伸縮的原理固定好待測(cè)電容器，而探針針桿尾部則和外部接線銅柱加以配合。老化板材料可選擇聚四氟乙烯，具有耐高低溫、耐腐蝕、高潤滑、高絕緣、無毒無害的特點(diǎn)，符合老化測(cè)試夾具的基本需求。由于環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)部空間尺寸限制的緣故，測(cè)試用夾具可采取分層結(jié)構(gòu)，每一層均安裝2塊老化板，2個(gè)金屬探針構(gòu)成1個(gè)測(cè)試工位，同時(shí)設(shè)置好導(dǎo)軌，便于用戶以推拉的形式裝載待測(cè)電容器。測(cè)試用夾具同直流電壓源、監(jiān)測(cè)采集模塊的連接方法為插拔式，能夠防止該系統(tǒng)因長期使用而出現(xiàn)的線路損壞問題，便于用戶開展各種設(shè)備連線工作，在出現(xiàn)故障問題之時(shí)還具有調(diào)試便捷的優(yōu)勢(shì)。參考該系統(tǒng)的老化測(cè)試要求，構(gòu)成設(shè)備之間的連線均可運(yùn)用AGG硅橡膠高壓電線，額定電壓、工作溫度分別為5kV、-60℃～180℃，具有方便安裝、材質(zhì)柔軟的顯著優(yōu)點(diǎn)。為防止沿用傳統(tǒng)走線方法后出現(xiàn)問題，可以在固定支架的后板上安裝香蕉頭插座，以及對(duì)應(yīng)相同數(shù)量的金屬探針，便于明確每對(duì)金屬探針相應(yīng)的正負(fù)極。使用AGG硅橡膠高壓電線直接連接香蕉頭插座和金屬探針，而其他設(shè)備則只需要經(jīng)過香蕉插頭，連接各工位對(duì)應(yīng)的香蕉頭插座。該走線方法便于用戶調(diào)試系統(tǒng)、排查故障時(shí)，只需將外接插頭更換連接位置，而無需接觸金屬探針，不存在連接線折疊的現(xiàn)象，避免電壓線的損壞。

結(jié)束語

綜上所述，在科技迅速發(fā)展的趨勢(shì)下，提升電子元器件的穩(wěn)定性、可靠性對(duì)于未來的科技進(jìn)步具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，技術(shù)人員要做好電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，為測(cè)試的科學(xué)開展提供保障條件，通過明確整體設(shè)計(jì)思路和工作原理，設(shè)計(jì)好直流電壓源、串口通信、環(huán)境試驗(yàn)箱、測(cè)試用夾具等部分，帶動(dòng)我國電子元器件檢測(cè)產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

然而，我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，隨著電子元器件的復(fù)雜性和微型化趨勢(shì)，老化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將面臨更多的挑戰(zhàn)。例如，如何在微型化的元器件上進(jìn)行精確的測(cè)試，以及如何在復(fù)雜的環(huán)境條件下保持測(cè)試的精度和穩(wěn)定性，都是我們需要關(guān)注和研究的問題。因此，未來的研究應(yīng)該更加深入地探討這些問題，以便我們能夠設(shè)計(jì)出更加高效、精確的電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)。