電子元器件的老化測試分析

張凡 于迎偉

引言

伴隨現代科技的發展，電子產品與設備的復雜性越發增加，使用范圍更加廣泛。但由于長期使用與外部環境等方面的影響，電子產品與設備容易出現電子元器件老化的問題，造成其性能與可靠性的下降，因此，對電子元器件進行老化測試，用以評價元器件在差異性條件下的工作穩定性、使用壽命，是電子工程領域內的重要課題。因此，技術人員需要深入研究電子元器件老化測試系統的設計，探索更多用于元器件測試的技術，以此為社會的進步作出貢獻。

一、電子元器件老化測試的內涵

老化測試本質上是一種模擬電子元器件使用流程的測試方法，旨在檢測與去除元器件內部的缺陷。在測試過程中，會模擬元器件的實際工作狀態，并施加特定的電應力以加速元器件內部的物理和化學反應，從而使潛在的問題如漏電、焊接不良、硅晶片裂紋等提前顯現出來。老化測試可以保證元器件參數的穩定性，測試期間需要嚴格管控電應力參數和環境溫度，以防元器件發生失效的現象[1]。

二、電子元器件老化測試系統的概述

（一）電子元器件老化測試系統的種類

（1）內存老化型：①易失性內存：該類型系統的測試工作較為簡單，原因在于在無需特殊算法、時序的情況下，便能反復對其擦寫操作。測試人員通常要將所有電子元器件寫入數據處理后，再逐個選擇元器件的種類，讀出對應的數據，再開展后續的比較分析工作。在老化測試中能夠多次組織速度較慢的刷新測試，因而可節省其他測試環節消耗的時間。刷新測試的步驟為，測試人員先將所有數據寫入內存，然后對發現問題的存儲單元進行放電操作，再從內存中提取和讀回數據，進而發現存在故障問題的存儲單元。將該部分測試安排在老化測試之后，可以證實老化后的測試將不進行耗時性的測試工作，具有節省測試時間的效果。②非易失性內存：該類系統測試工作難度較大，原因在于在寫入數據之前，通常要清除掉內部所有內容，致使系統算法難度有所上升。盡管測試人員之后還要配合運用特殊電壓開展擦除工作，但正式老化測試中應用的方法較為相似，均為在數據寫入內存后，再憑借復雜算法的力量，進行讀回操作處理[2]。

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

（二）電子元器件老化測試系統性能的影響因素

（1）選擇的測試方法：理想狀態下，電子元器件在老化測試中盡可能減少時間消耗，以提高整體產量。若電能條件較差，可能增加故障問題的發生概率，采用高速反復測試的方式可以大幅度減少老化處理需要的時間。當內部各節點在單位時間內切換次數增加時，元器件受到更大的壓力，從而可能導致故障的提前出現。

（2）參數測試系統的能力：如果老化測試系統具備速度測試能力，那么在實際檢測中就可以獲得具有較高相似度的數據信息。這類信息對于可靠性的研究非常有益，可以簡化老化測試的流程，提高測試效率[4]。

（3）主機與測試系統間的通信：由于功能測試程序的運行時間通常較長，為了提高測試硬件設計的效率，需要在實際系統設計中提高測試速度。目前，部分老化測試系統仍然使用運行速度相對較慢的串行通信方法，如RS-232C協議。如果將系統改造為雙向并行總線系統，將大幅度提高數據的傳輸速率。

（4）時間動態性與參數能力：當老化測試系統能夠及時調整參數之時，便存在降低產品在使用后發生故障的可能性，而在部分元器件的結構中，直流電壓偏置、動態信號功率的變化，均容易提前引發元器件在晚期使用中才會發生的故障問題[5]。

三、電子元器件老化測試的系統設計實踐

（一）整體設計

以電容器為例，在設計老化測試系統之前，需要明確電容器失效的原因，包括機械應力造成的扭曲破裂、溫濕外界環境造成的漏電等，由此確定電容器老化測試系統的組成部分，包括供電電源、開關電源、變壓器、0V～15V直流電壓源、高壓模塊電源、采樣電阻板、數據顯示模塊、監測采集模塊、老化測試夾具、RS232通信模塊、USB通信模塊、主控計算機等。

該系統具備批量可靠性測試電容器的主要功能，如提供溫濕度、步進電壓等滿足老化測試的環境，模擬電容器在工作中具體環境條件下的強化試驗。直流電壓源要具備提供多測試通道、獨立輸出0kV～1kV工作電壓的能力，且高低溫交變濕熱試驗箱的溫控范圍應該為-40℃～150℃。監測采集模塊應該可以同時觀察多個待測電容器的漏電流、工作電壓，上位機軟件界面中包含命令控制、自動測試、測試數據輸出與保存等功能。

（二）工作原理

（1）將待測電容器固定在高低溫交變濕熱試驗箱內的老化測試夾具上，夾具內存在固定作用的金屬探針兩側，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條電壓線則負責銜接監測采集模塊。（2）每條測試回路中均串聯采樣電阻，同時和監測采集模塊加以連接，目的在于讓電流信號轉化為電壓信號，從而計算出電容器的漏電流具體參數。（3）經由通信協議的靈活運用，將該系統和直流電壓源、監測采集模塊、環境測試箱加以銜接，在確認硬件設備連接無差錯的情況下，正式開展對電容器的老化測試工作。

（三）可程控直流電壓源設計

該直流電壓源內具備多獨立輸出通道的0V～15V可程控直流電壓源，紋波不超過10mV，輸出電流60mA，經過調整后的精準度可超過0.5%，在輸出電壓為10V時，擴展不確定度為2.21mV。核心控制單元為IAP15W4K58S4單片機，為了符合I/O接口引腳占用較大的需求，則封裝選擇型號為LQFP64L的64引腳。在輔助電源設計上，需要將220V 50Hz的市電電壓轉化為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，將交流電轉化為直流電。整流橋為IN4007整流二極管4支，通過濾波電路便可過濾掉直流電壓內的紋路，在電壓穩定之后，直流電壓可以通過AMS1117-2.5、AMS1117-5.0的芯片，分別產生2.5V、5V的基準電壓和工作電壓。

（四）串口通信設計

由于可程控直流電壓源、監測采集單元均采取USB串口通信的方法，實現和計算機構成通信連接的功能，可以說明USB串口通信將作為上位機、下位機之間通信的紐帶。且USB為相對常見的串口通信模式，計算機通常存在若干USB接口，能夠滿足計算機和有關設備的通信需求。該系統內的USB串口通信電路可選擇CH340芯片，芯片內存在電源上電復位電路，無需單獨提供其他電源復位，支持3.3V、5V的外部電源供電，還支持50bps～2Mbps的通訊波特率。串行數據輸出引腳將和輸入引腳、控制單元的單片機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芯片提供頻率時鐘信號。串口通信電路整體上將經由USB總線接口和計算機連接，實現上位機、下位機之間通信的功能。

（五）環境試驗箱設計

該系統可選擇ZB-HT-S-225環境試驗箱，具備高低溫交變濕熱的能力。該環境試驗箱具備多種類型的保護裝置，操作安全且運行平穩，噪音較小，抗腐蝕和生銹能力較強。存在可外接式的供水系統，提供自動回收使用的功能，便于用戶隨時觀察加濕桶水位。還具有照明視窗燈、耐高溫除霧設備，為用戶觀察試驗箱內的具體測試情況提供諸多便捷。內部的電源、控制電路和加濕管路相分離，用于規避漏水引發的安全事故。該環境試驗箱以可操作觸摸屏為主要的人機交互硬件，或可經過RS232串口通信和主控計算機進行通信連接，為用戶提供遠程控制的服務。該環境試驗箱主控制器的功能可概括為監視畫面、曲線顯示、操作設置、程式設置、預約設置、畫面設置，其中，用戶可直接觸摸屏幕設定操作選項，顯示屏上可顯示各項參數和箱內的測試狀態，將測試中的溫濕度變化以曲線的方式進行顯示等。表1為該環境試驗箱的主要參數。

表1 ZB-HT-S-225環境試驗箱主要參數

（六）老化測試夾具設計

測試用夾具可劃分為固定支架、金屬探針、老化板3個部分，支架具有支撐作用，探針用于固定待測電容器，而老化板則是探針和待測電容器的載體。考慮到老化測試需要在可變溫濕度環境下開展，說明測試用夾具應具有耐高壓、耐高溫、耐腐蝕的特點。因此固定支架的材料上可選擇316#不銹鋼，便于機械結構的焊接，且在高溫環境中仍然可以維持物理機械性能而不出現變形的問題。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，符合老化測試夾具的基本需求。由于環境試驗箱內部空間尺寸限制的緣故，測試用夾具可采取分層結構，每一層均安裝2塊老化板，2個金屬探針構成1個測試工位，同時設置好導軌，便于用戶以推拉的形式裝載待測電容器。測試用夾具同直流電壓源、監測采集模塊的連接方法為插拔式，能夠防止該系統因長期使用而出現的線路損壞問題，便于用戶開展各種設備連線工作，在出現故障問題之時還具有調試便捷的優勢。參考該系統的老化測試要求，構成設備之間的連線均可運用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、材質柔軟的顯著優點。為防止沿用傳統走線方法后出現問題，可以在固定支架的后板上安裝香蕉頭插座，以及對應相同數量的金屬探針，便于明確每對金屬探針相應的正負極。使用AGG硅橡膠高壓電線直接連接香蕉頭插座和金屬探針，而其他設備則只需要經過香蕉插頭，連接各工位對應的香蕉頭插座。該走線方法便于用戶調試系統、排查故障時，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象，避免電壓線的損壞。

結束語

綜上所述，在科技迅速發展的趨勢下，提升電子元器件的穩定性、可靠性對于未來的科技進步具有現實意義。因此，技術人員要做好電子元器件老化測試系統設計工作，為測試的科學開展提供保障條件，通過明確整體設計思路和工作原理，設計好直流電壓源、串口通信、環境試驗箱、測試用夾具等部分，帶動我國電子元器件檢測產業的長遠發展。

然而，我們也應認識到，隨著電子元器件的復雜性和微型化趨勢，老化測試系統的設計將面臨更多的挑戰。例如，如何在微型化的元器件上進行精確的測試，以及如何在復雜的環境條件下保持測試的精度和穩定性，都是我們需要關注和研究的問題。因此，未來的研究應該更加深入地探討這些問題，以便我們能夠設計出更加高效、精確的電子元器件老化測試系統。