電子元器件的老化測試及最新設備研究

李斌　彭勇

摘要：隨著現代化電子科學技術的迅猛發展，電子產品細致化程度不斷升高，結構逐漸細化、工序逐漸增加、制造工藝逐漸復雜，由此在生產制造環節埋下了一系列隱患。一個良好的電子產品，不僅需要在性能層面具備較高的指標，同時還需要擁有較好的穩定性能，當前國內外普遍應用高溫老化工藝，提高電子元器件的可靠性以及穩定性。該文主要針對電子元器件展開的老化測試工作進行論述，然后基于此，對新型設備展開研究，以供參考。

關鍵詞：電子元器件老化測試最新設備研究

中圖分類號：TN606? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

目前，電子產品在應用環節會面臨諸多不同的溫度、環境條件，一旦受到熱脹冷縮的影響，電子元器件的熱匹配性能就會降低，導致電子產品產生故障，并在經濟、人力層面造成較大損失。電子元器件的老化測試工作主要是，剔除一些不符合標準的元器件，從而提升電子產品的質量。所以，當前針對電子元器件的老化測試，以及最新設備研究進行分析以及探討，就目前現狀而言，擁有極其重要的現實意義。

1? 電子元器件在老化測試環節的系統類型

當前，市場中對于老化測試系統在實踐層面應用的方式相對較多，除去老化系統生產廠家制造的各種通用型號產品之外，半導體廠家內部也自己研發了一些用于自己應用的各類系統。大部分系統都是應用計算機作為主機，主要對數據進行捕獲，并對電路實現基本的控制，但是一部分非計算機系統只能將LED當作狀態指示器，而且還需要應用人工對數據進行捕獲。

目前老化測試系統可以劃分成如下兩個類型。

1.1 內存老化

內存老化測試環節在線路層面實現相對比較容易，全部器件全部都是通過統一的方式進行輸入，然后獨立對每個器件進行選中，將存儲的數據讀出，然后與原本的數值之間進行比對分析。因為具備數據收集、控制的軟件，以及故障數據的報告評估算法，所以內存老化測試對于生產商而言相對比較有用。

1.1.1 易失性內存（DRAM、SRAM）

易失性內存在測試環節相對比較容易，原因是不需要特殊的算法或者時序，就可以反復多次對其進行擦寫操作。通常情況下，都是全部器件同時寫入之后，輪流對每個器件進行選中，數據在讀出之后對其進行比對分析。因為在老化時，可以重復多次進行速度較慢的刷新測試，由此DRAM老化測試可以為后續的測試環節節約大量的時間。刷新測試首先需要將所有數據寫入內存當中，等待一段時間之后，讓存在缺陷的存儲單元實現放電操作，再從內存中對數據進行讀回，找到存在缺陷的存儲單元。此部分測試放到老化中，就表明老化之后的測試流程，不會再展開此類耗費時間的檢測，最終節約了大量的測試時間。

1.1.2 非易失性內存（EPROM、EEPROM）

非易失性內存在測試環節困難程度相對較高，主要原因是在對其進行寫入前期，需要將內部的所有內容全部消除，由此導致系統的算法相對比較困難，一般情況下，還需要應用特殊形式的電壓對接實行擦除操作。但在測試環節所應用到的方式大體類似，將數據寫入內存之后，再應用比較復雜的算法實行讀回操作[1]。

1.2 邏輯器件老化測試

邏輯器件老化測試在兩種類型中屬于難度最高的一項測試，主要原因是邏輯產品功能特性相對較多，而且器件上極有可能沒有選擇通信號引腳。為了讓一種老化測試系統能夠更好地契合全部類型的邏輯器件，就需要應用海量的輸出、輸入引線，由此系統才能形成多個引腳器件，一般情況下需要應用多種不同的信號。老化系統還需要配備一個驅動板，對于每一個信號通路而言，起到的主要作用是引腳驅動器，通常情況下會在驅動環節應用較大的電流，來克服老化板在負載層面存在的特征。

輸出信號要保證，可以針對需要進行老化操作的所有器件類型實行有效處理。如果老化板在加載環節存在問題，需要對其進行分隔操作，劃分出兩個以上的信號區，但是同時要求電路板上的信號線，在數量層面必須加大一倍。大多數平行輸出信號，都是由可重新編程以及可以下載的SRAM、預編程的EPRAM等形成，SRAM在應用環節的優勢是，可以使用計算機多次進行編程，從而讓老化系統可以同時適合多種不同的產品。目前邏輯器件在老化測試環節，主要包含串行、平行兩種實現方式。

1.2.1 串行測試方法

串行測試相比較于平行測試而言更加便捷，但是速度相對較慢，除去每個器件中的串行信號返回線之外，老化板上的所有器件一般情況下，需要對其進行并聯。而且在測試環節，所有數據在傳送前期必須對其展開譯碼操作，由此要求老化板上具備處理數據的系統。

1.2.2平行測試法

此方法在老化環節是對器件進行測試期間速度最快的一種方法，主要原因是有多條信號線同時連接在器件的輸出、輸入端口，從而導致數據在傳輸期間的體量最大，I/O線的輸入端口主要是由系統測試環節對其進行管控。平行測試方法包含三種方式。

（1）單引角信號的返回。

此種方法中所有器件全部采取并聯操作，但是除去每一個器件有一個信號需要返回到引腳之外，全部器件需要同時處于工作狀態，由系統對監測器件進行有效選擇，然后對信號返回線路進行有效讀取。此種方法與串行測試方法相對比較類似，但是信號引腳通常情況下在檢測環節接收到的是邏輯電平，抑或可以與預留值進行比對分析的一種脈沖模式。檢測環節所收到的信號一般情況下表示的都是，器件內部自我檢查的一種狀態，主要是在器件內部存在并用來供給測試環節的實踐應用，如若器件不具備自我檢測功能，只是單純地由系統對其中的一個引腳進行檢測，那最終檢測環節的精準程度將會被極大地降低。

（2）多引腳信號的返回。

此種方法與單引角信號的返回比較相似，但是每個器件在返回器件的信號會更多一些。因為每個器件擁有更多的返回信號，所以使這種方式在監測環節就需要應用更多的返回線路。同時由于需要大量的返回線路，所以導致系統的總體經濟成本會不斷上升。目前，在沒有內部自檢且復雜程度相對較高的電子元器件中，此種方法可能會被應用。

（3）各器件單選法。

如果每個老化板中的器件能夠與其他器件進行分離，系統就可以應用不同的選擇方式對于每個器件進行連接，如若應用片選引腳全部器件都需要并聯，一次只能選中一個器件用來形成返回信號。在測試環節系統所供給的專門器件，在選擇信號時一次只能選擇一個，老化室應用到的全部器具可以同時被選中，而且對相同數據進行接收。兩種方法在應用期間，全部器件都能夠輪流被選中，老化系統和器件相互之間存在的海量數據，由并行總線對其進行傳輸操作。此種方法存在的局限性是，所選擇的器件自身必須克服老化板以及其他沒有選中的部件在感性負載、容性負載層面所造成的影響[2]。

2? 影響老化測試系統性能的因素

2.1 測試方法的選取

一般情況下，理想狀況是器件在老化制作環節耗費時間相對較少，由此能夠讓總體產量得到有效提升。電能條件如果相對較為惡劣，就極其容易出現故障現象，所以可以高速展開反復測試的系統，能夠極大程度地降低總體老化所耗費的時間。內部的每個節點在單位時間里切換的次數數值越大，器件所承受的考驗也就越高，故障產生的時間也就越早。

2.2 計算機主機和測試系統相互之間的通信

因為功能測試程序相對較長，在對測試硬件進行具體設計環節，需要盡量提升速度。當前，部分系統中應用速度相對較慢的串行通信方式，比如RS-232C抑或相似協議，而另一部分系統中應用的是雙向并行的總線系統，此種方式能夠讓數據在流通率層面得到極大程度的提升。

2.3 按照時間動態性的更改，對參數能力進行測試

如若老化系統可以實時地針對參數進行更改，就能夠加快一般情況下對于產品應用后期故障的出現率。針對一些器件架構而言，動態信號功率、直流電壓偏置等發生的變換，都有可能導致晚期壽命故障更早出現。

2.4 參數測試環節系統所能提供的能力

如若老化測試系統可以針對速度進行測試，就可以獲取類似的失效數據，從而在可靠性層面對其進行研究，對于老化測試流程的簡化，能夠起到有效的促進作用[3]。

3? 電子元器件在老化測試環節應用的最新設備

傳統形式的老化設備主要包含老化室以及老化板。老化板是指按照每種產品獨特的制造以及設計形式，所形成的一種印刷式電路板，市場中大多數公司都可以對老化板進行定制以及設計。電子元器件在插到老化板上之后，再將其放入老化室中。老化板的主要作用是通電，抑或經過重復多次的斷電、通電，形成相應的脈沖電流、熱膨脹應力，從而讓早期故障得到有效加速。

將老化室維持在一個較高的溫度范圍內，也會加劇早期故障的形成。老化工藝在設計環節，主要包含老化時間以及溫度等，可以應用理論計算、數據反饋、經驗法則等形式來具體優化以及確定。老化室的溫度數值通常情況下范圍低于150℃，經驗法則一般是根據不同產品存在的不同差異，比如溫度數值每提升10℃，某一種產品出現故障的概率將會成倍增加，所以在55℃～60℃的老化室中，產品在失效層面的溫度，要比室溫高出8倍左右的數值。傳統老化室具備的主要功能就是加熱作用，然后通過人工對有關數據進行獲取。現階段應用的老化室大部分都是由電腦對其進行管控，從而對數據進行捕獲[4]。

要想針對目前現代化的微電子科技進行深層次、精準化的檢查，就需要應用最為先進的老化設備。老化室自身具備的一個主要功能就是加熱，在老化操作期間處在運行狀況下的被測電子元器件，自身也會有一定的熱量散發，從而導致局部的溫度不斷上升，所以在檢測環節需要劃分成不同區域對其進行分別監測，由此可以對溫度實現精準管控。目前，新型的老化室中都擁有空氣循環系統，主要作用是讓溫度可以保持一致性，與此同時有效緩解由負載在工作期間所形成的熱量。以下是當前國際范圍內先進程度最高的兩種老化室。

3.1 適合應用在大規模大功率的集成電路中

MCC公司生產的HPB-5C老化室，是目前國際范圍內受歡迎程度最廣，且最為先進的一個老化測試系統。HPB-5C的老化室所提供的功率，能供給最高150W的被測設備，并且老化室中的超溫保護功能、熱控設備，能夠精準地針對設備溫度進行有效測量，以及檢測各種大規模集成形式的電路，在老化環節有可能形成的散熱波動，保證老化時間內針對所有設備應用相當的熱應力。HPB-5C型的老化室在對被測設備進行測試環節，最多同時可以容納384個設備，每一個設備在溫度層面都可以對其進行精準、獨立的管控。每套驅動板可以單獨布設試驗區域，測試期間溫度最高可以達到150℃，時鐘頻率最高可達800MHz，在雙向通道、輸入通道、輸出通道層面的數字I/O通道，最高可以設置128個。每套驅動板中額外配備十六路的程控電源，其中包含8個低電流的電源、8個高電流的電源，待測設備總電流最高可達1080A，待測設備的總功率最高可以達到2000W。HPB-5C老化室可以對于復雜程度相對較高的設備進行靈活性的測試，其中主要包含對設備的存儲功能、設備邏輯進行測試，同時配備了內部自檢BIST的設備。HPB-5C老化設備系統自身容量相對較大，而且可以同時針對不同形式的被測設備進行有效測試，能夠讓效益得到有效提升，與此同時達到降低成本的目標。HPB-5C老化室自身在系統保護管控層面靈敏性相對較高，可以在不減少測試環節速度的前提下，對故障信息進行儲存，然后在故障檢測層面提供更加精準詳細的報告[5]。

3.2 Incal公司生產的低功率XP160系列的老化室

XP160系列的老化室一共包含160個控制通道，應用0.5～5.5V的驅動器，功率最大為25MHz，適合應用在數字集成化的電路產品當中。Incal公司研發的Inspire軟件控制系統，可以對老化室內部各個區域的電壓、溫度進行有效管控，并實時顯示電流、電壓、溫度，不僅可以通過電子郵件的方式進行報警，還可以對數據進行實時分析。另外，可以分別設置操作工、技術員、工程師等不同形式的用戶賬號訪問權限，從而實現更加便捷的管理;同時，可以對測試數據進行定期的存儲以及記錄，如果遇到緊急狀況能夠自動執行停機操作，在辦公電腦上可以單獨對其進行應用，有利于對老化測試進行文件編輯以及設置，現階段在行業內部處于領先水準。Inspire、XP160系列中軟件、硬件的相互組合，在應用環節大部分都是針對半導體的電子元器件進行老化測試[6]。

4結語

綜上所述，現階段通常情況下都是采取加速老化的方式，來消除電子產品由于缺陷所導致的諸多故障，提升電子產品在設計環節的可靠性。目前，應用到的老化測試電子產品，特別是集成電路的產品復雜程度與日俱增，現存的老化系統無法滿足現代化的諸多需求。所以，研究開發嶄新的老化測試平臺，比如老化室、老化板等新型硬件設備，以及老化環節應用到的數據實時采集、監控、分析、反饋的軟件設備，是目前急需研究以及解決的一個主要課題。

參考文獻

[1] 潘曉東，魏光輝，萬浩江，等.電子設備電磁輻射敏感度測試相關問題研究[J].強激光與粒子束，2020，32（7）：78-84.

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[3] 袁可.電子器件測試設備信息監控方法研究[J].科學咨詢，2021（38）：70-71.

[4] 徐道猛.面向廢棄線路板拆解的高值電子元器件識別與定位方法研究[D].宜昌：三峽大學，2020.

[5] 柏小娟.電子元器件可靠性篩選方案設計[D].西安：西安電子科技大學，2019.

[6] 張祖紅.電子器件熱可靠性及相關設備的研究[J].電子技術與軟件工程，2021（14）：82-83.

基金項目：本文系廣東省教育廳2021年度工程技術研究中心項目（項目編號：2021GCZX016）和東莞職業技術學院國家雙高計劃電子信息工程技術專業群專項經費資助項目“電子產品智能化老化測試設備關鍵技術研究”（項目編號：ZXF012）成果。

作者簡介：李斌（1982—），男，工程碩士，副教授，從事智能終端應用、算法研究。

彭勇（1976—），男，碩士，副教授，從事智能終端應用、算法研究。