直流老煉狀態監控和故障處理系統設計

劉小文

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

直流老煉狀態監控和故障處理系統設計

劉小文

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

本文針對國內多數單位在器件篩選過程中老煉試驗樣品種類雜，批次多，試驗過程記錄的數據量大的現狀，利用虛擬儀器軟件編程，通過IBM服務器終端作為上位機與多臺老煉電源通信，從而對多批老煉試驗進行網絡控制和實時監測，并分析老煉過程中采集到的電學參數判斷老煉試驗的狀態，自動采取相應的故障處理措施，實現了緊急中斷試驗、快速保護試驗樣品，提供試驗異常時的電參數波動數據的功能，具有很強的實用性。

半導體器件；動態老化試驗；負反饋電路；功率監測

引言

隨著電子制造行業質量意識的逐漸增強，航空、航天、裝備等對質量要求較高的高精尖產業對篩選提出了越來越高的要求[1][2]。而電老煉試驗作為補充篩選過程中的重要環節，是檢驗電子產品可靠性最有效的手段之一，可以剔除大部分早期失效的產品。國內各單位的檢驗部門作為補充篩選的實施者，裝機元器件質量保證的最后一道關卡，每年都會進行大量的電老煉試驗，以保證生產的可靠性。平均每個檢測機構每年承擔的電老煉項目可達上千個批次，幾百個品種，總數超過十萬只。

面對如此繁雜的種類，密集的試驗強度和海量的過程電參數數據，試驗人員需要有一套完善的管理體制和先進的試驗監控及故障處理系統以保證老煉試驗的有序進行。但國內大多數單位的檢測部門電老煉試驗設施并不完善，往往采用試驗過程中定期巡視，人工記錄的形式實現過程監控。采取這種手段的主要缺點是當老煉過程中樣品或儀器出現故障時巡視人員很難及時發現，造成樣品完全燒毀，異常工作狀態下的電參數得不到及時的記錄，不能提供失效分析和老煉電路改進的第一手資料。

本文的研究目的是設計基于網絡和虛擬儀器的電老煉狀態監控和故障處理系統，對電老煉試驗過程中的電參數進行在線實時監測，錄入數據庫，以及樣品和儀器異常工作狀態發生時自動運行緊急處理程序，包括異常數據記錄、電源緊急斷電和聲光信號報警等應急措施。

1 直流老煉狀態監控和故障處理主要功能需求

為滿足直流老煉的需求，系統需具備以下幾類功能[3，4]：

1）遠距離通信和網絡功能；

2）正常工作狀態數據記錄和存儲功能；

3）異常工作狀態識別功能，可根據異常工作狀態等級做出相應的緊急處理；

4）數據存儲、處理和分析功能；

5）友好的用戶界面和交互功能。

2 直流老煉狀態監控和故障處理系統硬件搭建

直流老煉狀態監控和故障處理主要是對老煉試驗樣品在試驗過程中的電壓電流進行監測，在其狀態發生變化時及時做出判斷，產生中斷試驗、發出警告等反應。系統硬件組成包括監控和故障處理終端，老煉電源，通信模塊，交換機等。進行系統硬件搭建的時候主要解決以下幾個問題：

1）數據采集。為滿足電老煉試驗過程控制，直流老煉系統需對試驗過程中樣品的電壓及電流參數進行實時采集。通過查閱大量元件、半導體器件、微波電路和集成電路的產品資料，絕大多數老煉試樣的過程量監測精度需達到電壓10 mV量級，電流1 mA量級。為滿足試驗要求，監測電壓電流通常采用添加數據采集卡和利用老煉電源內部集成的測量單元兩種方式實現。經過多次調研和試驗論證，數據采集卡方式因需對電老煉 試驗電路進行修改，電流采集能力存在上限和高溫環境下測量準確度和重復性較差等缺點，并不能滿足電老煉試驗數據采集的要求。而利用老煉電源內部集成的測量單元并不額外增加外圍電路，且測量精度和準確度、重復性均達到試驗需求。

2）數據傳遞。需滿足遠通信距離和網絡功能。通常情況下各檢測部門同時進行的老煉試驗可以達到幾十批次到上百批次，不同樣品的試驗平臺的最遠距離超過100 m。根據現有的試驗場地和批次數量，常規的USB協議（通信距離5 m）、RS232協議（通信距離15 m）都不能滿足通信距離的要求。RS485協議（通信距離1 200 m）可以滿足通信距離的要求但多個下位機單元級聯性不強，很難形成可靠的網絡[5]。本文最終采用TCP/IP協議，采用Internet局域網實現控制終端和下位機電源的連接，要求終端和下位機具備LAN接口及通信模塊。

3）數據處理。終端需具備LAN通信接口，十年以上的連續工作能力以及足夠的存儲空間和數據運算能力。本文選用IBM公司生產的中檔服務器，雙電源供電增加其運行可靠性，除定期維護以外可長時間連續工作，配備多種接口，采用1TB存儲硬盤，按現有工作量計算可滿足十年以上老煉數據存儲。裝有WNIDOWS NT系統，可兼容運行Labviwe等虛擬儀器軟件。

最終搭建的系統硬件結構示意圖如下圖1。

圖1 系統硬件結構示意圖

3 系統軟件工作流程

上位機軟件是系統運轉的核心，需實現的基本功能包括[6，7]：電源狀態初始化；儀器的IP地址分配和向量設置；電源實時控制和參數設置；試驗電壓電流回讀和存儲；老煉故障判斷和實時處理。上位機軟件的流程圖如圖2所示。

圖2 軟件的流程圖

系統軟件框架結構采用狀態機模式，軟件開始運行的時候可根據需要執行電源狀態初始化、電源IP地址分配和向量設置、以及初始參數設置等基本功能。基本設置完成后軟件進入實時監控、電壓電流回讀和存儲功能循環模式，等待中斷事件發生。當操作人員通過終端對電源狀態進行更改或者回讀的電壓電流值超過報警值時，系統軟件進入中斷處理子程序，優先處理中斷事件。

故障處理程序是整個系統的核心部分。當老煉試驗發生異常狀態時，故障處理子程序會產生兩種處理方式：①動作于聲光信號，當某通道實時采集到的老煉參數有明顯波動，但未超過斷電限值的時候，上位機發出報警聲音，異常指示燈亮。數據采集和記錄功能對異常通道的采集進行調整，加快采集速率。如樣品失效，異常數據可作為失效分析的第一手資料；②動作于直流電源斷電。當電老煉參數超過斷電限值的時候，上位機報警， 斷電指示燈亮，電源斷電。

4 軟件系統界面

本文應用的系統軟件為Labview[8～10]虛擬儀器，可通過圖形化的編程實現系統功能，操作界面友好。軟件前面板和后面板如圖3和圖4所示。

圖3 前面板

5 小結

圖4 后面板

本文利用虛擬儀器軟件編程，實現了對多批老煉試驗的網絡控制和實時監測，并通過老煉過程中采集到的電學參數判斷老煉試驗的狀態，自動采取相應的故障處理措施，實現及時中斷試驗、盡快的保護老煉試驗樣品、提供試驗異常時的電參數波動。故障處理時采集的數據可作為失效分析的第一手資料，具有很強的實用性。

[1]半導體器件可靠性編寫組.半導體器件可靠性[M].北京:國防工業出版社, 1978:86-87.

[2]史保華,賈新章,張德勝.微電子器件可靠性[M].西安:西安電子科技大學出版社, 1999.

[3]廖娟,郝彥爽. LabVIEW及其在電源老化監測系統中的應用[J].儀器儀表用戶, 2006,13(1):46-48.

[4]王中武.電源老化測試系統[J].電子質量, 2005(6):22-25.

[5]賴應杰，駱德漢.基于RS485總線的電源老化測試系統的設計[J].高家電科技, 2009(12):51-53.

[6]周箭.虛擬儀器及其技術研究[J].浙江大學學報（工學版）, 2000(6):686-689.

[7]張易知,肖嘯,張喜斌 等.虛擬儀器的設計與實現[M].西安：西安電子科技大學出版社, 2002.

[8]胡英勃.LABVIEW在并行程序設計中的應用[J].測控技術, 1997(5):14-17.

[9]楊樂平.LabVIEW 程序設計與應用[M].北京:電子工業出版社, 2005.

[10]王建群,南京瑞,孫逢春.基于LabVIEW的數據采集系統的實現[J].計算機工程與應用, 2003, 39(21):122-125.

Monitoring of DC Burn-in Condition and Design for Fault Disposal System

Liu Xiao-Wen
(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051)

In the process of device selection in China, it was found that the burning-in test samples are miscellaneous, the batch quantity and the amount of data recorded during the test process are large in the current situation. Programmed by the virtual instrument software and communication with multiple burning-in power sources through the IBM server terminal as the host computer, it could realize the network control and real time monitoring of burning-in test. By analyzing the electrical parameters collected during the burning-in process, the state of the burning-in test could be determined to take automatic fault treatment. It could interrupt the test and protect test sample quickly. It also could provide the fluctuation of electrical parameters in abnormal test which has very strong practicability.

semiconductor devices；dynamic burn-in test；the negative feedback circuits；power monitoring and measuring

TN406

A

1004-7204(2017)04-0015-04

劉小文，2010年畢業于吉林大學光學工程專業，工學碩士 ，從事半導體器件研發工作。