示波器内置噪声二极管ESS测试装置的设计
2016-10-13宋波龙沪强
宋波,龙沪强
(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240)
示波器内置噪声二极管ESS测试装置的设计
宋波,龙沪强
(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240)
为了改善因某些噪声二极管可靠性较差导致的混合域示波器现场故障率,我们设计了示波器内置噪声二极管的ESS测试治具。我们根据噪声二极管在示波器中的工作电路,设计了测试装置的硬件设备。制定了电气测试标准和测试循环次数。我们基于Labview设计了相关的自动化测试软件。通过一年的过滤后,该测试装置将因噪声二极管故障导致的混合域示波器现场故障率从17 487×10-6改善到了2,915×10-6。
电子器件可靠性;示波器现场故障率;电应力筛选;Labview;噪声二极管;混合域示波器
当今先进的示波器中叠加了简易频谱分析仪电路,噪声二极管被运用于示波器RF电路中,作为其RF电路各频段的自检测信号源。噪声二极管是利用二极管PN结反向雪崩击穿时产生的散射噪声而输出高斯白噪声的一种器件。噪声二极管根据其工艺不同,输出白噪声的频率范围,超噪比以及噪声平坦度也不同。[1-3]现场故障率是示波器等测试测量仪器的关键质量指标。引起示波器现场故障的原因多种多样,并包含有间歇性问题,这为降低现场故障率带来了困难。然而,解决其中一些相对集中的问题是逐步提升质量水平的关键方法。我们对某一型号示波器现场故障信息收集整理后,发现前端模拟板的现场故障率较高为32 860×10-6,而噪声二极管又是前端模拟板上故障率较高的器件,为17 487×10-6。因此,降低前端模拟板上噪声二极管的现场故障率可以为提高该型号示波器的质量水平带来较大的贡献。
1 微波固体噪声二极管的应用
1.1原理及故障分析
噪声二极管的应用原理:微波固体噪声二极管是利用半导体雪崩击穿时产生的散射噪声为其噪声来源的一种微波固体噪声器件。其散射噪声是在半导体PN结处于反向雪崩状态下,载流子雪崩倍增的电流起伏所引起的。微波固体噪声二极管通常被用于频谱分析仪射频电路部分的内部自检测信号源。理想的微波固体噪声二极管的噪声输出符合AWGN的性质,即噪声信号的频率谱密度在有效输出频率范围内是均匀分布的;每个频点上幅度的概率密度是呈高斯分布的[4-5]。
图1给出了微波固体噪声二极管的在示波器中的典型应用电路示意图。
图1 微波固体噪声二极管的应用电路示意图
Vb提供微波固体噪声二极管雪崩击穿的直流电压。L1为交流阻隔电感,防止微波固体噪声二极管VR1产生的交流信号泄露到电源端,同时也阻隔了电源的高频噪声对于VR1的输出噪声影响。C1为直流电源滤波电容。R1为限流电阻,其阻值的计算是:(Vb-VR1的雪崩击穿电压)/VR1正常工作电流。
C2为高通电容,隔离由Vb经L1,R1输出的直流电压;同时VR1所产生的噪声信号经过C2输入射频运放后进入后续电路,输出噪声的截止频率由C2决定[6-8]。
故障分析:微波固体噪声二极管的故障现象表现为其雪崩击穿的电压急剧下降至接近0 V,同时输出噪声的超噪比(SNR)也由35 dB下降至1 dB以下。故障噪声二极管的V-I曲线与工作正常的噪声二极管的V-I曲线对比如图2所示。
图2 故障噪声二极管V-I曲线(a)与正常噪声二极管V-I曲线(b)对比
根据PN结雪崩击穿的原理,造成噪声二极管反向击穿电压急剧降低的原因可能有两点:(1)反向击穿时电流过大,造成共价键的不可逆破坏,从而导致器件中有大量自由电子。(2)反向击穿时电压过高,造成PN中形成隧穿通道,导致反向击穿电压急剧下降。
在该型号示波器的实际应用中,雪崩噪声二极管的直流偏置电压Vb被设定为-20 V DC;VR1的反向雪崩击穿电压为-9.2 V DC;限流电阻R1的阻值根据VR1的额定电流范围8 mA~10 mA,假设工作电流为9 mA,则电阻值设定为1.2 kΩ。
1.1极限电压测试
实验样本为10片随机抽样的噪声二极管。在电流限制在10 mA的情况下,所有被测二极管均能承受-42 V DC的反向电压。而电路板上没有超出-20 V DC的压降加在噪声二极管的两端。
1.3极限电流测试
在达到反向击穿电压的条件下,当输出电流增大到24 mA时,噪声二极管会被过流击穿。用电流探头测量实际在电路板上工作时的电流为8 mA,与过流击穿阈值24 mA尚有较大余量。
电路板上产生的电压和电流对噪声二极管不会造成破坏;并且,市场上出现的不良噪声二极管在全球范围内没有呈现特定的地域分布,所以该问题和环境温湿度没有固定的联系。因此,市场上出现的不良原因主要是因为某些噪声二极管器件本身可靠性强度不够所致。[9-11]
1.4电子器件的可靠性
通常的电子元器件的瞬时故障率随时间的变化大多都符合“U型曲线”,其形状呈现两头高、中间低,具有明显的阶段性,微波固体噪声二极管也不例外。一般来说,器件厂商在出厂时会对噪声二极管进行出厂检验。但是由于成本控制的原因,该噪声二极管采用的是塑料封装,抗环境应力能力较差,焊接和运输过程中都有可能对其造成破坏。再者,噪声二极管在市场不良的问题中表现较为集中,因此,我们可以采用ESS(电应力筛选)的方法,在生产早期阶段,将噪声二极管的潜在缺陷加速变成故障,并通过检验发现和排除故障,以此来过滤出一些潜在不良的器件。
2 噪声二极管ESS测试装置的硬件设计
ESS测试装置的硬件设计:噪声二极管的故障在用户方面的故障表现为开机自检的时候出现错误报告,噪声二极管的反向偏置电压开启只出现于开机自检、自诊断、以及用户按键运行通路补偿时。因此,设计针对噪声二极管的ESS实验只需要反复对噪声二极管电路用示波器内部命令进行反复上电循环,即可模拟用户使用时的开机、自诊断、以及运行通路补偿时对噪声二极管的操作。由此,我们设计出原理框图如图3所示的ESS测试设备。
图3 噪声二极管ESS测试设备硬件原理图
该ESS测试设备通过计算机端控制以太网口,发送示波器内部命令到主板CPU,再经由SPI总线传输到前端模拟板上的MCU。MCU接收到命令之后,便会控制DC-DC电路产生为提高噪声二极管反向工作电流而需要的反向偏置电压。该反向偏置电压的开启和关断均可由示波器内部命令控制,因此,该ESS测试设备可以实现对噪声二极管反向工作电流的循环开关控制。噪声二极管的白噪声输出结果,可以通过示波器LCD显示出来。
ESS测试的标准:为了完全模拟终端用户的实际使用情况,噪声二极管反向偏置电压、反向电流均按照实际电路板设定,即:
(1)工作状态:反向偏置电压Vb=-20 V DC,限流电阻R1=1.2 kΩ,噪声二极管反向电流:-9 mA。
(2)关闭状态:反向偏置电压Vb=-12 V DC,限流电阻R1=1.2 kΩ,噪声二极管反向电流:-2.3 mA。
(3)根据市场上出现的故障信息,用户所发现的不良噪声二极管都是在反向偏置电压开关循环75次之内出现的。增加167%裕度,我们设置偏置电压开关循环次数为200次,开关频率为1 Hz。性能正常的噪声二极管可以通过5万次的偏置电压开关循环测试[12-14]。
3 噪声二极管ESS测试装置的软件设计
我们采用了Labview作为开发工具,编写了噪声二极管ESS程序。程序与测试装置的通讯主要采用的是Labview中的TCP/IP通讯函数。其流程图如图4所示。
软件所实现的功能:该软件实现了噪声二极管的ESS自动化一键测试,最终噪声二极管的状态通过自诊断程序得出,并直观的用指示灯显示测试结果,方便操作人员使用。完成全部测试仅需20 min。
软件的可扩展性:该自动测试软件可以任意配置噪声二极管反偏电压的开关循环次数,便于后期测试条件的更改。[15]噪声二极管ESS测试装置实际工作情况如图5所示。
图5 噪声二极管ESS测试装置的实际工作情况
4 ESS测试结果及因噪声二极管导致的市场故障率跟踪
经过10个月的ESS筛选测试,共有50片潜在不良的噪声二极管被过滤出来,占该产品这10个月总出货量的4.86%。
该型号示波器因噪声二极管导致的市场不良率(FFR)从2013年1月到2014年4月的17 487×10-6,下降到了2014年5月至今的2 915×10-6,下降了83.33%。当然,通过ESS测试的噪声二极管仍有小部分会在市场上出现不良,这就需要我们进一步对ESS测试标准进行细化分析,以最大限度降低从工厂流出到市场的潜在不良噪声二极管的数量。
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宋波(1985-),2007年毕业于西安电子科技大学技术物理学院电子科学与技术专业,现就职于某测试测量仪器制造公司,长期从事测试测量仪器电子部件失效分析及产品可靠性提升等工作;
龙沪强(1956-),男,高级工程师,上海交通大学,研究方向为图像通信、数字电视及多媒体信息处理、移动通信和嵌入式系统,hqlong@sjtu.edu.cn。
Electrical Stress Sorting Fixture Design for Oscilloscope Noise Source Diode*
SONG Bo,LONG Huqiang
(Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)
In order to improve mixed-domain oscilloscope FFR which caused by the noise source of the poor reliabil⁃ity of diodes.An Electrical Stress Sorting(ESS)fixture was built,according to failure analysis and reliability theory. Based on noise source diode circuit in oscilloscope,the hardware devices of ESS fixture was designed.The electri⁃cal test standard and cycle count standard for noise diode stress testing were formulated.A software tool based on Labview has been laid down for manufacture automatically test.After one year's sorting,this ESS fixture improved mixed-domain oscilloscope FFR,which caused by defective noise diodes,from 17 487×10-6to 2 915×10-6.
electronic device reliability;oscilloscope FFR;ESS;Labview;noise diode;mixed-domain oscilloscope EEACC:0170M;5230;7230Z
10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.029
TM935.3
A
1005-9490(2016)02-0388-04
某测试测量仪器公司内部质量改进课题项目
2015-05-14修改日期:2015-07-03