基于ELEA-V的LVDS驅(qū)動(dòng)器的老煉技術(shù)研究與應(yīng)用

龍永佳，宋尚升

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)，471009）

0 引言

LVDS是一種低電壓差分信號(hào)，這種技術(shù)的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)。LVDS在對(duì)信號(hào)完整性、低抖動(dòng)及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 故LVDS驅(qū)動(dòng)器已廣泛的應(yīng)用在航天、航空、軍用等高可靠性領(lǐng)域。但是，限于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、工藝水平現(xiàn)狀以及控成本的要求，航天、航空、軍用等高可靠性領(lǐng)域會(huì)選用部分國(guó)外進(jìn)口工業(yè)級(jí)的LVDS驅(qū)動(dòng)器，所以它的可靠性已然成為在使用該等級(jí)LVDS驅(qū)動(dòng)器以前必須要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)LVDS驅(qū)動(dòng)器的可靠性篩選變的尤為重要。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在集成電路失效的原因中，溫度和電應(yīng)力失效的原因超過(guò)67%，這也從側(cè)面印證了溫度和電應(yīng)力是應(yīng)該在可靠性篩選項(xiàng)目中重點(diǎn)考核的項(xiàng)目，而在LVDS驅(qū)動(dòng)器可靠性篩選項(xiàng)目中，LVDS驅(qū)動(dòng)器的老煉可以對(duì)溫度和電應(yīng)力進(jìn)行充分考核，重要性變的舉足輕重。

1 LVDS驅(qū)動(dòng)器的老煉技術(shù)研究

老煉試驗(yàn)是可靠性篩選項(xiàng)目中的一項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，它是一種通過(guò)對(duì)集成電路施加溫度或者電應(yīng)力的激勵(lì)，使集成電路加速由早期失效期進(jìn)入偶然失效期的一種可靠性試驗(yàn)。而本文所使用的老煉系統(tǒng)是通過(guò)施加特定的試驗(yàn)條件，使有制造缺陷的集成電路提前暴露缺陷的一種專用試驗(yàn)設(shè)備。

1.1 LVDS驅(qū)動(dòng)器介紹

本文中選取的LVDS驅(qū)動(dòng)器為國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS90LV032ATΜC，封裝為SO，質(zhì)量等級(jí)為工業(yè)級(jí)，溫度范圍為-40℃～85℃。

該器件是一款基于CΜOS工藝的四路差分接收器，主要用于系統(tǒng)之間高速低功耗的數(shù)據(jù)傳輸。該產(chǎn)品可支持高達(dá)400Μbps（200ΜHz）頻率的信號(hào)傳輸。在內(nèi)部模塊的控制下，任一狀態(tài)的LVDS差分信號(hào)輸入都對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的CΜOS/TTL輸出狀態(tài)，即將LVDS輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成為CΜOS/TTL輸出信號(hào)。器件的真值表見(jiàn)表1所示。

表1 器件真值表

1.2 老煉系統(tǒng)簡(jiǎn)介

老煉試驗(yàn)系統(tǒng)本文采用由杭州可靠性廠生產(chǎn)的高溫動(dòng)態(tài)老煉測(cè)試系統(tǒng)ELEA-V。它主要由主控計(jì)算機(jī)、高溫試驗(yàn)箱、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和老煉電源系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。其中老煉過(guò)程施加電壓主要由二級(jí)程控電源提供，主要有VCC、VΜUX、VCLK、VEE等。其中VCC的作用是給需要老煉的集成電路提供電源電壓，VCLK的作用是給需要老煉的集成電路時(shí)鐘信號(hào)提供輸入信號(hào)電壓，VΜUX的作用是給需要老煉的集成電路的輸出端提供輸出電壓，VEE的作用是在必要時(shí)，給需要老煉的集成電路提供負(fù)的電源電壓。ELEA-V系統(tǒng)分為16個(gè)老煉區(qū)，每個(gè)老煉插槽分別對(duì)應(yīng)一套圖形驅(qū)動(dòng)板。每套圖形驅(qū)動(dòng)板可同時(shí)發(fā)生64路數(shù)字信號(hào)和4路模擬信號(hào)，每塊圖形驅(qū)動(dòng)板提供64路老煉回送波形的頻率測(cè)試功能，可提供老煉回送波形的回檢控制及定點(diǎn)頻率測(cè)試功能，可提供對(duì)二級(jí)電源電壓、電流，回檢信號(hào)頻率以及整機(jī)試驗(yàn)箱溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，并可生成EXCEL報(bào)表。

1.3 老煉系統(tǒng)工作原理

老煉系統(tǒng)采用上、下位機(jī)控制模式，主要由控制計(jì)算機(jī)、主控單片機(jī)單元、圖形驅(qū)動(dòng)檢測(cè)板（以下簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)板）、一級(jí)老煉電源、高溫試驗(yàn)箱和老煉板等單元組成，設(shè)備分為1區(qū)-16區(qū)，有主控單片機(jī)單元和通訊接口，圖1為老煉系統(tǒng)的原理框圖。控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）通過(guò)千兆網(wǎng)卡，分別與主控單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行通訊。計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)口設(shè)定為192.168.0.XXX。上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）負(fù)責(zé)整機(jī)器件參數(shù)管理、發(fā)送控制命令、進(jìn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印等。整機(jī)共17個(gè)下位機(jī)單元（單片機(jī)），其中16個(gè)驅(qū)動(dòng)板單片機(jī)單元用于16個(gè)老煉區(qū)的二級(jí)電源發(fā)生/控制、模擬信號(hào)發(fā)生/控制、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，1個(gè)主控單片機(jī)單元用于各區(qū)一級(jí)電源控制、老煉狀態(tài)控制、試驗(yàn)溫度監(jiān)測(cè)等。

圖1 老煉系統(tǒng)的原理框圖

專用控制軟件安裝在控制計(jì)算機(jī)上，運(yùn)行時(shí)根據(jù)各被試件的老煉參數(shù)編輯相應(yīng)的電壓參數(shù)和信號(hào)波形，分別發(fā)送給主控單片機(jī)和相應(yīng)老煉區(qū)的驅(qū)動(dòng)板單片機(jī)單元，控制設(shè)備各區(qū)的老煉開(kāi)始、結(jié)束和老煉過(guò)程中的老煉參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；主控單片機(jī)將控制計(jì)算機(jī)的參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到各驅(qū)動(dòng)板并控制各一級(jí)老煉電源輸出和監(jiān)測(cè)高溫試驗(yàn)箱的溫度；驅(qū)動(dòng)板接收各種老煉參數(shù)后執(zhí)行各種相應(yīng)動(dòng)作產(chǎn)生器件老煉所需的二級(jí)電源輸出、模擬信號(hào)波形并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后送到老煉板上安裝的被試器件，同時(shí)監(jiān)測(cè)各被試件的老煉狀態(tài)；高溫試驗(yàn)箱提供被試件的溫度環(huán)境。

1.4 老煉的三種模式

老煉試驗(yàn)可分為三種模式：靜態(tài)老煉、動(dòng)態(tài)老煉和老煉中測(cè)試。靜態(tài)老煉是不給集成電路施加輸入信號(hào)，只是給集成電路施加電路電源電壓，由于沒(méi)有輸入信號(hào)的介入，集成電路是沒(méi)有工作的，所以稱為靜態(tài)老煉。動(dòng)態(tài)老煉則是與靜態(tài)老煉相反，它不僅要給集成電路提供電源電壓，還要給集成電路提供輸入信號(hào)激勵(lì)，要使集成電路自身工作運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，也就是“動(dòng)起來(lái)”，所以稱之為動(dòng)態(tài)老煉。而老煉中測(cè)試是動(dòng)態(tài)老煉和測(cè)試的結(jié)合，要在動(dòng)態(tài)老煉的過(guò)程中完成對(duì)集成電路的功能測(cè)試。而在實(shí)際中很少運(yùn)用，因?yàn)樵诋?dāng)前集成電路本身發(fā)展進(jìn)步與老煉系統(tǒng)發(fā)展不匹配的當(dāng)前現(xiàn)狀下，實(shí)現(xiàn)的難度較大，而本文對(duì)集成電路的老煉模式為高溫動(dòng)態(tài)老煉。

1.5 老煉的應(yīng)力選擇

由于在可靠性篩選失效原因中，溫度和電應(yīng)力的占比極大，所以在老煉試驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)盡量使集成電路處在滿負(fù)荷狀態(tài)當(dāng)中，也就是根據(jù)集成電路的器件手冊(cè)要求和老煉設(shè)備的指標(biāo)，在對(duì)集成電路施加最大的電源電壓和電流的情況下，通過(guò)升高高溫箱中的環(huán)境溫度，提升集成電路自身結(jié)溫至其所能承受的最大結(jié)溫，使其工作在其滿負(fù)荷的狀態(tài)下，快速有效的激發(fā)自身潛在的制造缺陷，達(dá)到提早暴露早期缺陷的目的。所以我們應(yīng)該著重從控制器件老煉篩選的溫度應(yīng)力和電應(yīng)力著手。

1.6 溫度應(yīng)力選擇

根據(jù)器件手冊(cè)資料顯示，最大功率P為866mW，在溫度25℃之上每1℃功耗損失6.9 mW，最大溫度接近125℃，即最大TA為125℃。而在實(shí)際的老煉過(guò)程中，選擇的是器件的最高的額定工作溫度85℃，低于125℃的極限溫度限制要求。

1.7 電應(yīng)力選擇

一般來(lái)講，電應(yīng)力的選擇和施加電源電壓、施加頻率以及施加的老煉激勵(lì)信號(hào)等有關(guān)。

(1)電源電壓的選擇

電源電壓是給集成電路提供電源的作用，一般只要不超過(guò)集成電路手冊(cè)電源電壓范圍即可，但是為了保證好的老煉效果，在實(shí)際試驗(yàn)的老煉中，我們施加集成電路的老煉電源電壓為器件最高的工作電壓3.6V。

(2)激勵(lì)信號(hào)的選擇

對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的選擇，我們采取的是對(duì)集成電路輸入實(shí)施動(dòng)態(tài)變化的波形，使得對(duì)集成電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)集成電路可以工作起來(lái)的動(dòng)態(tài)目的。如果在集成電路老煉時(shí)，輸入電壓和電源電壓施加條件都按照手冊(cè)進(jìn)行最大化施加，那么作為數(shù)字電路，信號(hào)頻率的選擇是我們需要考慮的另一個(gè)方面。信號(hào)頻率選擇為電路最大的工作頻率，集成電路就可以在老煉過(guò)程中達(dá)到由電應(yīng)力引發(fā)的集成電路結(jié)溫溫升充分，電應(yīng)力和溫度應(yīng)力所激發(fā)出的集成電路缺陷就越明顯，效果越顯著。但實(shí)際情況是老煉設(shè)備與集成電路工藝水平發(fā)展不匹配，老煉系統(tǒng)所能提供的最大工作頻率遠(yuǎn)不能滿足集成電路所要求的最大工作頻率，例如本文選取的DS90LV032ATΜC最大支持的工作頻率為200 ΜHz，而本次采用的老煉設(shè)備所能提供的最大頻率10ΜHz，差距較大。

2 老煉的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

按照國(guó)軍標(biāo)548B的要求，老煉板應(yīng)選擇與老煉系統(tǒng)適應(yīng)的老煉專用板，動(dòng)態(tài)老煉過(guò)程中應(yīng)使集成電路的電源和地與老煉板中的電源和地相連接，輸入管腳與老煉板設(shè)計(jì)中的信號(hào)通道相連接，輸出管腳與老煉板上的負(fù)載連接即可，老煉時(shí)間需要滿足施加溫度和電應(yīng)力時(shí)間達(dá)到至少48小時(shí)。由于該器件是一個(gè)四路的差分信號(hào)輸入，只要對(duì)差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓差滿足為正的350mV或負(fù)的350mV就能實(shí)現(xiàn)輸出H或L，所以結(jié)合老煉設(shè)備的功能，可以有兩種激勵(lì)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方式：數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)。

2.1 數(shù)字信號(hào)老煉板設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，將RIN+信號(hào)和RIN-信號(hào)與老煉設(shè)備的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行連接，通過(guò)軟件編程對(duì)RIN+信號(hào)和RIN-信號(hào)設(shè)置為波形信號(hào)相反的方波以實(shí)現(xiàn)差分功能，軟件設(shè)置數(shù)字信號(hào)高電壓為1.2V，低為0V即可完成軟件編程設(shè)計(jì)。具體的老煉板設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖2所示。

其中：R1~R14為貼片電阻（0805）RΜK2012-0.15W-10kW±5%,C1為 貼片電容（0805）CC41-0805-X7R-63V-0.1mF-Μ。F1~F4為數(shù)字信號(hào)，頻率為10ΜHz。器件第15腳為檢測(cè)點(diǎn)，多工位回檢，在老煉系統(tǒng)的信號(hào)輸出端可以對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)，方便快捷。

2.2 模擬信號(hào)老煉板設(shè)計(jì)

由于該老煉系統(tǒng)指標(biāo)具有兩個(gè)模擬變量信號(hào)，所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，將RIN+信號(hào)和RIN-信號(hào)分別與老煉設(shè)備的模擬變量信號(hào)進(jìn)行連接，通過(guò)軟件編程對(duì)兩路模擬信號(hào)設(shè)置為波形信號(hào)相反的方波以實(shí)現(xiàn)差分功能，軟件設(shè)置模擬信號(hào)電壓為1.2V，低為0V即可完成軟件編程設(shè)置。具體的老煉板設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖3所示。

其 中：R1～R14為 貼 片 電 阻（0805）RΜK2012-0.15W-10kW±5%,C1為 貼 片 電 容（0805）CC41-0805-X7R-100V-0.1mF-Μ。F1～F4為 數(shù) 字 信 號(hào)，頻 率 為10ΜHz。器件第3、5、11、13腳為檢測(cè)點(diǎn)，多工位回檢。在老煉系統(tǒng)的信號(hào)輸出端可以對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)，方便快捷。

在實(shí)際的老煉過(guò)程中，按照?qǐng)D2和圖3的原理圖，對(duì)器件的各個(gè)輸入和輸出均施加了保護(hù)電阻，同時(shí)為了得到更好的老煉效果，對(duì)電源端施加了濾波電容，起到了濾除交流成分的作用。整個(gè)老煉試驗(yàn)中，集成電路沒(méi)有完全工作在滿負(fù)荷狀態(tài)下，但是對(duì)集成電路施加一定的溫度和電應(yīng)力，老煉試驗(yàn)也取得了一定激發(fā)缺陷的效果。

圖2 數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)老煉原理圖

圖3 模擬信號(hào)設(shè)計(jì)老煉原理圖

2.3 老煉結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證老煉的結(jié)果，我們用美國(guó)泰克公司生產(chǎn)的示波器TDS3014B對(duì)老煉工位上的回檢輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了一個(gè)方波，這是符合軟件設(shè)置輸入為相位相反的方波的預(yù)期輸出結(jié)果，具體結(jié)果見(jiàn)圖4所示；另外，從示波器的顯示結(jié)果來(lái)看，輸出的幅值為3.24V，與使用測(cè)試機(jī)測(cè)試的該器件的VOH值相差無(wú)幾，從另一個(gè)方面驗(yàn)證了該老煉動(dòng)態(tài)過(guò)程的正確性。

圖4 集成電路輸出波形監(jiān)測(cè)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LVDS驅(qū)動(dòng)器DS90LV032ATΜC為例，對(duì)該器件的老煉方法和老煉方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的講解，結(jié)合杭州可靠性儀器廠生產(chǎn)的ELEA-V，著重對(duì)該LVDS驅(qū)動(dòng)器的老煉方案提出了兩種設(shè)計(jì)思路，分別利用老煉系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)激勵(lì)和模擬信號(hào)激勵(lì)對(duì)該LVDS驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了高溫動(dòng)態(tài)老煉，對(duì)后續(xù)的該類驅(qū)動(dòng)器老煉提供了可行的思路；但是整個(gè)老煉試驗(yàn)中，由于集成電路沒(méi)有完全工作在滿負(fù)荷狀態(tài)下，從而影響了集成電路的老煉效果。