基于LabVIEW 的三極管壽命測試系統

李 鵬，高天德

（西北工業大學 陜西 西安 710072）

隨著航空，航天，能源工業等領域對電子產品質量的要求日益提高，電子產品的可靠性問題受到越來越廣泛的重視。電子產品在使用過程中會遇到不同環境條件，在熱脹冷縮的應力作用下，熱匹配性能力差的電子元器件就容易失效，導致電子產品故障，造成巨大的人力和財力損失。電子元器件的老化測試就是仿照或者等效產品的使用狀態，通過測試，將不符合器件剔除，將電子產品的質量在加工初期進行有效地控制，以保證電子產品使用的可靠性和穩定性。

針對電子元器件的這種情況，我們開發了一種老化測試系統，可以主要針對功率器件（功率三極管、VDMOS，IGBT等），通過有規律給元器件通電和斷電，循環施加電應力和熱應力，檢驗其承受循環應力的能力[1]。

1 工作原理

通過給晶體管通電加熱，使晶體管在當前恒定功率下工作，通過一段時間后，晶體管因為發熱而使得器件的結溫持續升高，到達設定值后，斷開恒流源和恒壓源，給器件通風，使其溫度降低到設定值，反復這個過程，就可以較為準確的算出該器件的加熱時間和冷卻時間，達到了間歇測試的目的。基本的工作原理圖如1所示。

圖1 間歇壽命測試循環示意圖Fig.1 Intermittent life test cycle schematic

半導體器件的熱阻通常定義為[2-3]：

其中RθJX=器件結點到具體環境的熱阻（替代符號是θJX）[℃/W]；

TJ=穩定狀態測試條件下的器件結溫[℃]；TX=環境的參考溫度[℃]；

PH=設備功耗[W]；

測試條件下器件結溫可表示為：

其中TJ0=器件加熱前的初始結溫[℃]；

△TJ=器件結溫變化量

通過溫度敏感參數（TSP）來表示結溫變化量，公式為：

其中△TSP=溫度敏感參數的變化量[mV]；

K=定義TJ和TSP變化關系的常量[℃/mV]；

溫度敏感參數可表示為：

其中Ie=冷卻測量時刻加的恒流源值[mV]；

Vce=器件的結電壓值[mV]；

K系數為結溫隨結電壓的變化關系，固定器K件系數為常量，不同器件K的系數不同，可在試驗器件的資料中查出，或者廠家給出。其計算公式可表示為[4-5]：

其中TJ1和TJ2為兩個時刻的結溫，Vce1和Vce2為結溫對應的結電壓。

2 系統架構

系統采用PC機+sbRIO-9612+主控板+驅動板+老化板的結構，如圖2所示，PC和9612之間通過網口通信，9612與主控板之間通過數字I/O口通信，sbRIO-9612，主控板，驅動板供電都是由開關穩壓電源完成，程控電源為老化板上的器件提供工作電源，16路差分AD用于采集老化板上待測器件的電流，電壓以及電源溫度等信號。系統使用sbRIO-9612加擴展板構成下位機，作為系統的主控板；主控板與驅動板采用總線通訊，驅動板主要功能是將主控板進來的20對差分信號轉換后 （硬件實現）給驅動板FPGA，用20路信號與sbRIO-9612實現通信，sbRIO-9612通過控制FPGA中的寄存器來實現電源、恒流源、漏/源的通斷，從而建立功率循環及合適的采樣條件，硬件示意圖如3所示。驅動板和老化板分別采用兩個對接座連接，電流電壓采樣信號回傳到sbRIO-9612板上進行AD變換后發送到上位機。

圖3 FPGA硬件示意圖Fig.3 FPGA hardware schematic diagram

3 工作流程及實現

3.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一個程序開發環境。它使用圖形化編程語言G在流程圖中創建源程序，LabVIEW FPGA模塊將LabVIEW圖形化開發平臺擴展到基于NI可重配置I/O(RIO)架構的硬件平臺上的現場可編程門陣列[6](FPGA)。

3.2 工作流程

工作開始，上位機按照TCP/IP協議將控制命令發送給sbRIO-9612，接收到指令后，根據上位機操作,sbRIO-9612將相應指令和相關參數下發到主控板,主控板控制驅動板執行指令,進而控制老化板執行相關操作。

sbRIO-9612主要由兩大部分組成，即FPGA部分和RT部分；在工作的劃分上，由于系統對速度的要求，其中風扇控制，程控電源控制，溫度頻率量讀取，ADC采集，DAC發數，差分數據傳輸等模塊分配到速度很快的FPGA部分執行，而速度稍慢的RT部分主要實現的是上位機指令的解析，老化工作控制和下位機向上位機的數據傳輸工作的進行。

LabVIEW FPGA工作流程圖如圖4所示。

圖4 FPGA工作流程圖Fig.4 FPGA flowchart

圖5 RT工作流程圖Fig.5 RT flowchart

3.3 工作過程的實現

3.3.1 綜述

工作開始前，先連接下位機，連接成功后，調用自檢模塊，對將要做老練測試的老化板進行自檢，自檢成功后，上位機將參數下發到下位機，然后下發開始控制命令，下位機輪詢每塊板子的控制命令字，板子開始工作后，將工作需要的加熱電流和測量電流以及程控電壓等通過串行數據傳輸模塊下發到驅動板[7]，通過驅動板加載到相應的老化板上，給器件加熱，記錄此時的時間，即為加熱開始時刻，當前時刻與加熱開始時刻之差大于等于開時間的時候，停止加熱，打開風扇，記錄加熱結束時刻，開始AD采集，根據采集的電流和電壓計算出結溫，將數值傳回上位機，上位機根據溫度變化繪出一條曲線。當前時刻與加熱結束時刻之差大于等于關時間時，冷卻完成并結束測量，進入下一次循環，循環次數到達后，將此板子置于空閑狀態。

3.3.2 精度和切換速度的實現

1)高速ADC采集

sbRIO-9612上集成有AD采集芯片，16位的AD可以保證其采樣分辨率達到1‰，同時，4 μs的轉換時間，保證了AD的采樣速度；為了消除共模噪聲的影響，將32路AD轉換為16路的差分輸入，采集時每次每個通道連續取8個數值求均值為本次采集的結果，同時配合老化板中采用的高速開關進行切換，保證了采集數據的精度要求。下圖是在設定的10 mA的測量電流和12 V的程控電壓，通過LabVIEW顯示出當前NMOS管（型號為IRFP460）的結電壓和當前時刻測量得到的管子結溫，室溫通過安裝在每塊老化板上的溫度傳感器得出為17.320 6攝氏度，從圖5中看出，AD采集回來的16通道的值都在小數點三位后開始波動，保證了計算得到的△Vf的值在小數點后二位開始波動。

圖6 AD采集結果在LabVIEW中顯示Fig.6 AD acquisition results in LabVIEW

系統在加熱狀態切入到測量狀態后20 μs內可完成所有工位結電壓的采集，為達到快速采集要求，編寫程序時候，考慮到ADC高實時性問題，將采集部分分配到sbRIO-9612的FPGA上完成，sbRIO-9612的 Onboard Clock為 40 MHz，即0.025 μs的周期，寫FPGA程序時，將ADC采集配置（即開關的切換命令執行）和采集數據放到順序結構的相鄰的兩幀之間，考慮到開關切換時間，中間加1 μs的等待，保證數據的可靠性，然后開始數據采集，ADC采集部分程序如圖6所示。

圖7 FPGA上ADC結電壓采集程序Fig.7 Junction voltage acquisition program on FPGA

2)差分數據傳輸

此模塊實現sbRIO-9612與FPGA之間的通信，通信方式為總線異步訪問的方式，通過串行DAC方式收發數據，所謂串行DAC，即在一定的時鐘下(時鐘周期為80 MHz)，按照固定的時序進行串行發數，先將地址分配到端口，地址總共為六位，即A0—A5，高四位為地址位（控制板號），低兩位為驅動板寄存器地址；然后將數據放到數據總線上，數據格式為U8，置高WR/RD，然后DR位置低，保持兩個時鐘周期，DR置高，完成串行DAC寫數據；同理，讀數據時先設置地址總線，WR/RD置低，DR置低，保持兩個時鐘周期，在兩個周期內完成數據的讀取，DR置高，完成串行DAC讀數據。整個通信模塊按照通信協議，實現了sbRIO-9612對FPGA的控制。

圖8 SbRIO讀取和寫入時序Fig.8 Timing sequence for SbRIO read and write

4 實驗結果

在環境溫度為25℃，溫升為80℃，加熱恒流源設置為50 mA，恒壓源設置為5 V，開時間設置為2 300 s，關時間設置為7 700 s，定時模式下，每隔50 ms采樣得到結溫圖，如圖7，結束時刻溫度由于周圍溫度升高，基本很難達到初始的25℃，但是在溫度降低到了誤差允許范圍內。圖中，紅線由NMOS管背部貼的傳感器測量得出的溫度變化數據繪出，黑線由采集回來的數據通過結溫計算公式計算出的數據描繪出來的，對比下，傳感器測出數據的變化趨勢和計算結果數據變化保持一致，這就說明了測量結果準確。

圖9 溫度曲線Fig.9 Temperature curve

5 結束語

文中介紹了一個在sbRIO9612上，用LabVIEW實現控制一個老化測試系統工作，該系統達到了預訂采集數據精度和分辨率，滿足了快速采集和快速控制等要求，在實際應用中，達到了很好的效果，具有很高的實用價值。

[1]ITC5230C power cycling systerm operation mannual[R].Integrated Technology Corporation 1228 North Stadem Drive Tempe.1998.

[2]GJB128A-97.半導體分立器件試驗方法[S].1995.

[3]MIL-STD-750D.半導體器件試驗方法[S].1997.

[4]曹紅,賈穎,張德駿.高功率管穩態工作壽命試驗可信度的技術措施[J].半導體技術,2001(5):34-38.CAO Hong,JIA Ying,ZHANG De-jun.Steady-state operation of high power tube life test the credibility of technical measures[J].Semiconductor Technology,2001(5):34-38.

[5]賈穎,李逗,控制結溫的功率晶體管穩態工作壽命試驗的實現.第十一屆全國可靠性物理學術討論會論文集[C]//2005.

[6]黃松嶺,吳靜,虛擬儀器設計基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2008.

[7]崔巖.采用T型電路參數法對現場電流互感器測量的研究[J].陜西電力，2011（9）：63-66.CUI Yan.Probe into the T-circuit parameter method for field CTs measurement[J].Shaanxi Electric Power,2011（9）：63-66.