一種低成本的芯片老化設(shè)備

周立民

（上海季豐電子股份有限公司，上海，200233）

0 引言

近年來，我國半導(dǎo)體設(shè)備市場需求增長迅速，在中低端模擬測試機(jī)和分選機(jī)領(lǐng)域，國產(chǎn)替代明顯提速。國產(chǎn)設(shè)備在模擬、電源等細(xì)分領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力增強(qiáng)，逐步參與全球競爭[1]。同一老化區(qū)只能老化同種輸入信號器件，因而老化效率很低，嚴(yán)重限制了國內(nèi)一些重點(diǎn)設(shè)備生產(chǎn)率的提高[2]。常用的老化設(shè)備的驅(qū)動板的驅(qū)動電路采用FPGA 等可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA 相比其他的微控制器件在實(shí)時控制和并行數(shù)據(jù)采集方面所具有的先天優(yōu)勢[3]，并且電源系統(tǒng)采用大電流的集中電源方案。以上方案成本高，系統(tǒng)擴(kuò)容難，故障維修時間長，故障損失大，老化效率低。

本文提出了一種低成本的芯片老化設(shè)備，通過控制箱、驅(qū)動箱和老化箱分體組裝方式實(shí)現(xiàn)。在不改變驅(qū)動箱、控制箱箱體的情況下，可以適配不同規(guī)格容量、不同類型的老化箱，使得驅(qū)動控制組件的復(fù)用率較高，從而能夠降低整機(jī)成本。

1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文提出的芯片老化設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖1 所示。本設(shè)備具有三個溫度區(qū)域，其中驅(qū)動控制組件放置在常溫區(qū)，老化板放置在可進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的高低溫區(qū)，水平板在過渡區(qū)傳遞電源信號和驅(qū)動、測試信號。

圖1 系統(tǒng)框圖

驅(qū)動箱包括20 個驅(qū)動板、20 個水平板和多個電源模塊；每層的一個驅(qū)動板驅(qū)動一個水平板再驅(qū)動一個老化板；電源模塊用于為每個驅(qū)動板和每個老化板提供相應(yīng)工作電源。上位機(jī)通過RS485 接口與老化箱的控制柜通信，通過RJ45/RS232 接口與驅(qū)動板通信，通過RS485 與程控電源模擬通信。

老化設(shè)備的驅(qū)動控制組件采用豎向?qū)盈B式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即一組電源模塊+一塊驅(qū)動板+一塊水平板+一塊老化板。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

■1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本文將三個不同功能的獨(dú)立的可移動的箱體（老化箱100、控制箱200、驅(qū)動箱300）組裝在一起，三個箱體之間通過定位銷及螺栓連接到一起。老化箱（主箱體110、控制柜120）主要包括老化板、老化板支架、氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥（可選）、氧氣濃度傳感器（可選）、10 路溫度傳感器、獨(dú)立顯示屏的溫控器、陶瓷加熱器、耐高溫風(fēng)機(jī)、電機(jī)保護(hù)器、排風(fēng)閥和可編程邏輯控制器等。控制箱主要包括工控主機(jī)、顯示器、不間斷電源和交換機(jī)等。驅(qū)動箱主要包括水平板、驅(qū)動板、AC/DC 電源模塊、交流輸入漏電保護(hù)斷路器和交流電源輸入接口等。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。更換老化箱可以適配不同功能，比如風(fēng)冷、水冷、壓縮機(jī)制冷或氮?dú)庹{(diào)節(jié)等。控制柜120 主要實(shí)現(xiàn)老化箱自身溫度以及氧氣濃度的閉環(huán)恒定控制。箱體之間的電氣連接、通信連接均采用航空插頭等接插件連接，便于組裝與分離，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性、便捷性。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

■1.2 硬件設(shè)計(jì)方案

本設(shè)備的數(shù)據(jù)通信方式包括網(wǎng)口、RS232 接口、RS485接口。硬件電路板的連接方式是驅(qū)動板連接水平板，水平板連接到老化箱中的老化板，板和板之間采用耐高溫金手指接插件的方式連接。高溫區(qū)和低溫區(qū)的隔離過渡區(qū)，通過水平板分層嵌入到具有隔熱層的老化箱的后背板中實(shí)現(xiàn)，活動式的后背板可以整體拆卸下來，從而安裝、維修便捷。

硬件設(shè)計(jì)方案包括驅(qū)動電路及電源系統(tǒng)，并且采用豎向?qū)盈B式、每層完全獨(dú)立的一對一驅(qū)動方案，即一個驅(qū)動板驅(qū)動一個水平板再驅(qū)動一個老化板。單層驅(qū)動組件和相應(yīng)老化板的整體布局圖如圖3 所示。

圖3 單層驅(qū)動組件和相應(yīng)老化板的整體布局圖

本設(shè)備創(chuàng)新性的采用雙MCU(意法半導(dǎo)體公司的STM32H723ZGT6)+IO(恩 智浦公司的PCA6416APW) 擴(kuò)展芯片架構(gòu)，兼有IO 電平轉(zhuǎn)換功能，其成本大約是現(xiàn)有的FPGA+IO 電平轉(zhuǎn)換芯片架構(gòu)的十分之一。雙MCU 間串口通信、雙網(wǎng)口、IO 擴(kuò)展的H 型架構(gòu)設(shè)計(jì)，使得輸入、輸出通道數(shù)量配置靈活，每個通道均可單獨(dú)配置方向，實(shí)用性、實(shí)時性、靈活性好，也可以配置為單MCU 輸出單MCU 輸 入、雙MCU 輸出雙MCU輸入、一用一備等特色功能。驅(qū)動電路的框架圖如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動電路的框架圖

本文的驅(qū)動電路架構(gòu)設(shè)計(jì)兼容模擬器件老化板、數(shù)字器件老化板。模擬器件老化板包括：3 片I2C 總線開關(guān)芯片(美信公司的MAX7357EUG+)、電壓電流監(jiān)測芯片(TI 公司的INA226AIDGSR)和待測模擬器件等。數(shù)字器件老化板包括：待測數(shù)字器件、I2C 總線開關(guān)芯片（可選）、電壓電流監(jiān)測芯片（可選）。驅(qū)動電路包括驅(qū)動板的驅(qū)動電路和老化板的驅(qū)動電路，其中，驅(qū)動板的驅(qū)動電路包括：雙MCU串口互聯(lián)電路、IO 擴(kuò)展電路、雙串口電路和雙網(wǎng)口電路；老化板的驅(qū)動電路包括：I2C 總線開關(guān)芯片和電壓電流監(jiān)測芯片。每個IO 擴(kuò)展芯片有兩個I2C 地址，每個MCU(STM32H723ZGT6)有5 個硬件I2C 接口，其中四個硬件I2C 接口擴(kuò)展出18 個I2C 擴(kuò)展IO 芯片，從而擴(kuò)展出288路兼有IO 電平轉(zhuǎn)換功能的雙向IO 口，同時節(jié)省18 個IO 電平轉(zhuǎn)換芯片，其中一個硬件I2C接口擴(kuò)展出3 片I2C 總線開關(guān)芯片，從而擴(kuò)展出24 路I2C 總線，實(shí)現(xiàn)電壓電流監(jiān)測，節(jié)省IO口數(shù)量。單個I2C 總線開關(guān)芯片擴(kuò)展8 路I2C 總線，單路I2C 總線控制16 個電壓電流監(jiān)測芯片，單個I2C總線開關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)128 路電壓電流監(jiān)測，3 片I2C 總線開關(guān)芯片總共實(shí)現(xiàn)384 路電壓電流監(jiān)測。IO 擴(kuò)展芯片和I2C 總線開關(guān)芯片的原理圖如圖5 所示。

圖5 IO 擴(kuò)展芯片和I2C 總線開關(guān)芯片的原理圖

電源系統(tǒng)包括：控制箱電源、老化箱電源、驅(qū)動箱電源。控制箱電源給電腦、UPS、顯示器等設(shè)備供電，老化箱電源給風(fēng)機(jī)、加熱器、溫度傳感器、氧濃度傳感器、溫控器等顯控系統(tǒng)供電，驅(qū)動箱電源分5V 和15V 兩種AC/DC 電源模塊、驅(qū)動板上的DC/DC 電源。單個驅(qū)動板工作電源（PS）為恒壓電源模塊，單個老化板工作電源（PS1～PS8）分別為0.3～12V/40A 的程控電源模塊。單層驅(qū)動組件的整體電源架構(gòu)包括兩個供電支路，分支一：AC（220V）/DC（5V）和一個驅(qū)動板工作電源DC/DC（PS）；分支二：AC（220V）/DC（15V）和八個老化板工作電源DC/DC（PS1～PS8）。驅(qū)動箱電源采用層次化、模塊化、豎向?qū)盈B式分布式架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是通過豎向增加或減少層數(shù)，適配老化箱容量變化。當(dāng)某個電源模塊發(fā)生故障時，不會影響其他模塊的正常工作，從而減少維修時間，減少故障損失。程控電源模塊的原理圖如圖6 所示。

圖6 程控電源模塊的原理圖

■1.3 軟件設(shè)計(jì)方案

驅(qū)動板的嵌入式軟件使用FreeRTOS 實(shí)時操作系統(tǒng)，主要包括四個任務(wù)：老化芯片的IO 狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)、老化芯片的電壓電流監(jiān)測任務(wù)、RS232 串口通信任務(wù)、網(wǎng)口通信任務(wù)。其中IO 狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)用于讀取老化芯片的IO 口的高低電平狀態(tài)信息，當(dāng)出現(xiàn)老化芯片故障時，IO 口的輸出電平就無法周期性變化或計(jì)數(shù)停止，也可以驅(qū)動IO 輸出電平信號給老化芯片；電壓電流監(jiān)測任務(wù)用于讀取電壓電流監(jiān)測芯片的電壓和電流，進(jìn)行電壓電流監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常變化、超出老化芯片的合理范圍時，可以判斷老化芯片故障；RS232串口通信任務(wù)用于RS232 調(diào)試信息輸出及雙MCU 間的數(shù)據(jù)通信；網(wǎng)口通信任務(wù)用于驅(qū)動板和上位機(jī)軟件的雙向數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)為服務(wù)端，下位機(jī)為客戶端。

控制箱上位機(jī)人機(jī)交互界面包括六個子界面。老化界面包括；電壓電流監(jiān)測、IO 狀態(tài)監(jiān)測。軟件包括20 個老化子界面，要查看某個老化板的狀態(tài)，可選擇相應(yīng)的老化板編號（1 到20 號），從下到上依次對應(yīng)實(shí)際老化板。老化子界面顯示全部工位圖標(biāo)，可雙擊想要查看的工位編號的方形圖標(biāo)，即顯示“單工位視圖”對話框。如果測試模擬器件即顯示輸入輸出電壓、電流數(shù)值，如果測試數(shù)字器件即顯示輸入輸出IO 電平、頻率，如果測試模擬和數(shù)字混合器件即都顯示。

溫控界面包括溫度顯示、溫控器配置。根據(jù)設(shè)定的采集周期，采集、顯示、存儲所有溫度傳感器的溫度值，實(shí)時記錄到基于日期和時間的溫度報(bào)告文件中，以便以后進(jìn)行相關(guān)分析。上位機(jī)軟件通過RS485 通信接口配置控制柜中的溫控器，并讀取溫控器數(shù)據(jù)。

電源界面包括程控電源顯示控制、其他常規(guī)電源采集。定期對系統(tǒng)內(nèi)程控電源和其他常規(guī)電源進(jìn)行采樣，將采樣的測量值記錄到基于日期和時間的電源報(bào)告文件中，用于后期的相關(guān)故障分析。

報(bào)告界面包括歷史報(bào)告、系統(tǒng)事件報(bào)告。其中歷史報(bào)告記錄了老化過程中發(fā)生的不同等級的事件（嚴(yán)重錯誤、一般錯誤、警告、提示等級別），此文件通常很重要，以確定該批次在老化過程中是否遇到任何設(shè)備故障或警報(bào)，其中系統(tǒng)事件報(bào)告記錄特定日期內(nèi)發(fā)生的系統(tǒng)級事件，例如用戶登錄、注銷、電腦開關(guān)機(jī)、室門打開關(guān)閉、系統(tǒng)電源開關(guān)等。

工具界面包括用戶類型，創(chuàng)建、修改、刪除用戶，用戶權(quán)限設(shè)置，應(yīng)用配置選項(xiàng)。

幫助界面包括軟件使用說明，版本號。本文的老化設(shè)備上位機(jī)軟件采用統(tǒng)一通信協(xié)議格式，提高通信效率和一致性，通信協(xié)議如表1 所示。

表1 通信協(xié)議

控制箱的上位機(jī)軟件功能主要包括八個子功能。身份驗(yàn)證功能指登錄驗(yàn)證、權(quán)限管理；界面顯示功能指人機(jī)交互的全部顯示界面；數(shù)據(jù)庫功能指SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲；網(wǎng)口數(shù)據(jù)通信功能指實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的雙向數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)為Server；下位機(jī)Client；RS232 串口功能指調(diào)試功能接口；RS485 電源通信功能指程控電源接口功能；RS485 溫控通信功能指老化箱通信接口功能；MES 系統(tǒng)互聯(lián)功能指老化箱與外部MES 系統(tǒng)的信息交互功能。

2 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)的分體組裝方式的低成本的芯片老化設(shè)備，可以提高箱體利用率，適配不同容量、不同類型的老化箱，降低箱體成本。層次化、模塊化的分布式、豎向?qū)盈B架構(gòu)可以提高驅(qū)動控制組件的復(fù)用率，降低成本，可以提高可靠性，降低維修時間。通過對比兩種驅(qū)動板方案得出，雙MCU+IO擴(kuò)展芯片+雙網(wǎng)口的H 型架構(gòu)的成本大約是FPGA+IO 電平轉(zhuǎn)換芯片架構(gòu)的十分之一。本文提出的設(shè)計(jì)方案可以解決現(xiàn)有方案的成本高，設(shè)備容量、電源系統(tǒng)擴(kuò)容難，故障維修時間長，故障損失大，老化效率低等問題，可以有效提高設(shè)備容量擴(kuò)展性及不同類型老化箱的兼容性，提高芯片老化效率，降低驅(qū)動電路成本，降低電源系統(tǒng)成本，降低設(shè)備成本。