直流老炼状态监控和故障处理系统设计

刘小文

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051）

直流老炼状态监控和故障处理系统设计

刘小文

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051）

本文针对国内多数单位在器件筛选过程中老炼试验样品种类杂，批次多，试验过程记录的数据量大的现状，利用虚拟仪器软件编程，通过IBM服务器终端作为上位机与多台老炼电源通信，从而对多批老炼试验进行网络控制和实时监测，并分析老炼过程中采集到的电学参数判断老炼试验的状态，自动采取相应的故障处理措施，实现了紧急中断试验、快速保护试验样品，提供试验异常时的电参数波动数据的功能，具有很强的实用性。

半导体器件；动态老化试验；负反馈电路；功率监测

引言

随着电子制造行业质量意识的逐渐增强，航空、航天、装备等对质量要求较高的高精尖产业对筛选提出了越来越高的要求[1][2]。而电老炼试验作为补充筛选过程中的重要环节，是检验电子产品可靠性最有效的手段之一，可以剔除大部分早期失效的产品。国内各单位的检验部门作为补充筛选的实施者，装机元器件质量保证的最后一道关卡，每年都会进行大量的电老炼试验，以保证生产的可靠性。平均每个检测机构每年承担的电老炼项目可达上千个批次，几百个品种，总数超过十万只。

面对如此繁杂的种类，密集的试验强度和海量的过程电参数数据，试验人员需要有一套完善的管理体制和先进的试验监控及故障处理系统以保证老炼试验的有序进行。但国内大多数单位的检测部门电老炼试验设施并不完善，往往采用试验过程中定期巡视，人工记录的形式实现过程监控。采取这种手段的主要缺点是当老炼过程中样品或仪器出现故障时巡视人员很难及时发现，造成样品完全烧毁，异常工作状态下的电参数得不到及时的记录，不能提供失效分析和老炼电路改进的第一手资料。

本文的研究目的是设计基于网络和虚拟仪器的电老炼状态监控和故障处理系统，对电老炼试验过程中的电参数进行在线实时监测，录入数据库，以及样品和仪器异常工作状态发生时自动运行紧急处理程序，包括异常数据记录、电源紧急断电和声光信号报警等应急措施。

1 直流老炼状态监控和故障处理主要功能需求

为满足直流老炼的需求，系统需具备以下几类功能[3，4]：

1）远距离通信和网络功能；

2）正常工作状态数据记录和存储功能；

3）异常工作状态识别功能，可根据异常工作状态等级做出相应的紧急处理；

4）数据存储、处理和分析功能；

5）友好的用户界面和交互功能。

2 直流老炼状态监控和故障处理系统硬件搭建

直流老炼状态监控和故障处理主要是对老炼试验样品在试验过程中的电压电流进行监测，在其状态发生变化时及时做出判断，产生中断试验、发出警告等反应。系统硬件组成包括监控和故障处理终端，老炼电源，通信模块，交换机等。进行系统硬件搭建的时候主要解决以下几个问题：

1）数据采集。为满足电老炼试验过程控制，直流老炼系统需对试验过程中样品的电压及电流参数进行实时采集。通过查阅大量元件、半导体器件、微波电路和集成电路的产品资料，绝大多数老炼试样的过程量监测精度需达到电压10 mV量级，电流1 mA量级。为满足试验要求，监测电压电流通常采用添加数据采集卡和利用老炼电源内部集成的测量单元两种方式实现。经过多次调研和试验论证，数据采集卡方式因需对电老炼 试验电路进行修改，电流采集能力存在上限和高温环境下测量准确度和重复性较差等缺点，并不能满足电老炼试验数据采集的要求。而利用老炼电源内部集成的测量单元并不额外增加外围电路，且测量精度和准确度、重复性均达到试验需求。

2）数据传递。需满足远通信距离和网络功能。通常情况下各检测部门同时进行的老炼试验可以达到几十批次到上百批次，不同样品的试验平台的最远距离超过100 m。根据现有的试验场地和批次数量，常规的USB协议（通信距离5 m）、RS232协议（通信距离15 m）都不能满足通信距离的要求。RS485协议（通信距离1 200 m）可以满足通信距离的要求但多个下位机单元级联性不强，很难形成可靠的网络[5]。本文最终采用TCP/IP协议，采用Internet局域网实现控制终端和下位机电源的连接，要求终端和下位机具备LAN接口及通信模块。

3）数据处理。终端需具备LAN通信接口，十年以上的连续工作能力以及足够的存储空间和数据运算能力。本文选用IBM公司生产的中档服务器，双电源供电增加其运行可靠性，除定期维护以外可长时间连续工作，配备多种接口，采用1TB存储硬盘，按现有工作量计算可满足十年以上老炼数据存储。装有WNIDOWS NT系统，可兼容运行Labviwe等虚拟仪器软件。

最终搭建的系统硬件结构示意图如下图1。

图1 系统硬件结构示意图

3 系统软件工作流程

上位机软件是系统运转的核心，需实现的基本功能包括[6，7]：电源状态初始化；仪器的IP地址分配和向量设置；电源实时控制和参数设置；试验电压电流回读和存储；老炼故障判断和实时处理。上位机软件的流程图如图2所示。

图2 软件的流程图

系统软件框架结构采用状态机模式，软件开始运行的时候可根据需要执行电源状态初始化、电源IP地址分配和向量设置、以及初始参数设置等基本功能。基本设置完成后软件进入实时监控、电压电流回读和存储功能循环模式，等待中断事件发生。当操作人员通过终端对电源状态进行更改或者回读的电压电流值超过报警值时，系统软件进入中断处理子程序，优先处理中断事件。

故障处理程序是整个系统的核心部分。当老炼试验发生异常状态时，故障处理子程序会产生两种处理方式：①动作于声光信号，当某通道实时采集到的老炼参数有明显波动，但未超过断电限值的时候，上位机发出报警声音，异常指示灯亮。数据采集和记录功能对异常通道的采集进行调整，加快采集速率。如样品失效，异常数据可作为失效分析的第一手资料；②动作于直流电源断电。当电老炼参数超过断电限值的时候，上位机报警， 断电指示灯亮，电源断电。

4 软件系统界面

本文应用的系统软件为Labview[8～10]虚拟仪器，可通过图形化的编程实现系统功能，操作界面友好。软件前面板和后面板如图3和图4所示。

图3 前面板

5 小结

图4 后面板

本文利用虚拟仪器软件编程，实现了对多批老炼试验的网络控制和实时监测，并通过老炼过程中采集到的电学参数判断老炼试验的状态，自动采取相应的故障处理措施，实现及时中断试验、尽快的保护老炼试验样品、提供试验异常时的电参数波动。故障处理时采集的数据可作为失效分析的第一手资料，具有很强的实用性。

[1]半导体器件可靠性编写组.半导体器件可靠性[M].北京:国防工业出版社, 1978:86-87.

[2]史保华,贾新章,张德胜.微电子器件可靠性[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1999.

[3]廖娟,郝彦爽. LabVIEW及其在电源老化监测系统中的应用[J].仪器仪表用户, 2006,13(1):46-48.

[4]王中武.电源老化测试系统[J].电子质量, 2005(6):22-25.

[5]赖应杰，骆德汉.基于RS485总线的电源老化测试系统的设计[J].高家电科技, 2009(12):51-53.

[6]周箭.虚拟仪器及其技术研究[J].浙江大学学报（工学版）, 2000(6):686-689.

[7]张易知,肖啸,张喜斌 等.虚拟仪器的设计与实现[M].西安：西安电子科技大学出版社, 2002.

[8]胡英勃.LABVIEW在并行程序设计中的应用[J].测控技术, 1997(5):14-17.

[9]杨乐平.LabVIEW 程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[10]王建群,南京瑞,孙逢春.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用, 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

刘小文，2010年毕业于吉林大学光学工程专业，工学硕士 ，从事半导体器件研发工作。