SiP器件运行状态监测方法*

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

系统级封装（System In a Package，SiP）器件采用多种裸芯片进行排列组装，增强了集成电路的整合能力，降低了物理实现的成本，减少了由于工艺差异而引起的器件性能问题[1～2]。SiP能最大限度的优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度，有利于实现系统的微小型化。这些优点使其在航空航天等领域有广泛的应用价值，成为装备系统小型化的有效途径[3～4]。

由于SiP器件结构及功能的复杂性，对该类器件的可靠性评价还缺乏统一的标准和规范，尽管国产SiP器件通过了厂家实施的各种试验项目，但是在其工程应用前如果缺乏相关固有及应用可靠性的评价，很可能在工程应用中发生故障[5]，针对这种情况往往采用试验手段考核器件在应用过程中的可靠性水平。传统的作法是开展某项试验一段时间后，检测器件功能及各项参数，但某些软故障无法通过这种方式检测出来，也无法准确掌握器件试验过程中失效情况，不利于开展后续的可靠性分析。因此本文对SiP器件典型失效模式与失效机理进行分析，并设计完成了SiP功能运行状态监测系统，实时监测SiP器件在可靠性评价试验过程中的功能运行状态，为该类器件可靠性评价提供手段，提高器件使用可靠性。

2 SiP器件典型失效模式与失效机理

2.1 SiP器件典型失效模式

元器件失效模式是对元器件可靠性分析的基础，结合SiP器件的结构特点与前期失效案例积累，总结如下几种常见SiP器件失效模式[6～7]。

1）与环境应力相关的失效模式

工作不稳定；参数一致性差；无输出功能。

2）与密封和内部气体成分控制有关的失效模式

性能不稳定；电性能参数变差；工作寿命变短；内部有氧化腐蚀现象。

3）与机械应力有关的失效模式

机械缺陷；机械变形；键合点断开；粘接面沾污；粘接材料疲劳；基板开路。

2.2 SiP器件典型失效机理

根据上述SiP器件失效模式及结构特点，分析得出相应失效机理[8～9]如下。

1）与环境应力相关的失效机理

高温会使内部元器件产生机械变形或缺陷；散热条件变差会造成热量累积，热阻增大，产生热失效。

2）与密封和内部气体成分控制有关的失效机理

氧气会使腔体内的金属表面氧化，形成结构缺陷；水汽会在电极间形成并联电阻导致漏电、频率偏移等参数劣化。

3）与机械应力有关的失效机理

机械应力会导致器件壳体变形，器件材料产生疲劳，导致内部芯片损坏或者键合丝碰丝或断开等情况[10～11]。

3 SiP器件功能运行状态监测系统

SiP器件功能运行状态监测要涵盖DSP、FPGA、422接口、FDC 数据调理接口、SRAM、FLASH等内部资源，根据不同内部资源的特点，针对性的开展功能运行监测系统构建[12～13]。

3.1 SiP器件简介

本文选取复杂结构SiP器件MS50001ZZ，主要架构是FPGA+DSP，FPGA实现输入输出信号控制，DSP实现信号处理，同时集成了FLASH、SRAM、422、FDC等电路[14～15]。

该型SiP器件主要实现数据处理、通信和信号控制等功能，其内部结构见表1。

表1 MS50001ZZ型SiP器件内部芯片种类及数量

3.2 SiP器件功能运行状态监测系统硬件设计

MS50001ZZ型SiP器件结构复杂，通过分析器件功能、结构特点可知，完成数据处理及分析功能的主要芯片为内部DSP及FPGA，通过DSP实现信号处理，利用FPGA实现输入输出信号控制。因此，该型SiP器件功能运行状态监测系统设计以SiP电路的DSP和FPGA为核心，分别对DSP各总线接口、存储器（SRAM/FLASH）、电平转换电路、RS-422收发芯片和整形反相电路进行功能监测。SiP电路通过RS-422接口与监测板通讯，监测板通过RS-232接口与PC机通讯，配合上位机软件，实时反馈测试结果。

MS50001ZZ型SiP器件功能运行监测系统由SiP器件、多层PCB板、专用接插件组成（如图1所示），电路经过电装和点胶处理，试验板通过专用接插件与监测板相连。监测板由一颗ARM处理器及外围配置电路实现对试验板的控制，并提供电源（电源需求见表2）、时钟及复位等信号，控制试验板的测试过程。试验板将测试结果通过RS-422总线传递给ARM处理器，试验板固定在试验工装上。监测板设计了与PC机连接的端口，通过上位机软件可方便查看测试的具体内容和各个时间点的工作状态。

图1 功能运行监测装置结构框图

表2 功能运行状态监测系统电源需求

MS50001ZZ型SiP器件基本功能测试项如表3所示。

表3 MS50001ZZ型SiP器件基本功能测试项

1）I2C接口功能测试

使用FPGA两个普通口实现I2C总线接口功能，作为从设备与DSP的I2C总线接口进行通信，具体测试示意图如图2所示。

如果没有接收到或者接收到了错误的数据，则将变量RR的第0位置1，错误状态不清零。

图2 I2C接口功能测试示意图

2）McBSP接口功能测试

设定McBSP0工作于SPI主模式，McBSP1工作于SPI从模式，McBSP0通过提供移位时钟和从设备使能信号来控制通信的过程，实现McBSP1的通信。如果没有接收到或者接收到了错误的数据，则将变量RR的第1位置1，错误状态不清零。

3）外部中断功能测试

由上位机提供4路外部中断信号给DSP，实现外部中断功能测试。如果中断未响应则将变量RR的第2位置1，错误状态不清零。

4）SRAM（FLASH）功能测试

使用DSP/FPGA通过EMIF总线对两片SRAM（FLASH）进行读、写、擦出功能测试。SRAM（FLASH）读写采用测试程序先写后读的方法测试。测试程序每隔若干秒向SRAM（FLASH）中写入若干个测试数据，然后读出，如果读出的数据和写入的一致，表明SRAM（FLASH）正常，否则表示SDRAM（FLASH）故障，此时测试程序将变量RR的第3（4）位置1，错误状态不清零。

5）DSP与FPGA通过EMIF总线通信测试

配置好DSP和FPGA，将FPGA配置为DSP外设，由DSP通过EMIF总线对FPGA进行访问，实现DSP与FPGA通信。如果没有接收到或者接收到了错误的数据，则将变量RR的第5位置1，错误状态不清零。

6）54LVC14功能测试

在54LVC14的输入端施加设定频率和幅值的正弦波，经54LVC14整形和反相后将矩形波输出给FPGA。由FPGA抓取该矩形波信号，确定脉宽、占空比、频率等参数，并通过串行接口反馈给上位机，具体测试示意图如图3所示。如果读出信号的脉宽、频率与输入信号相同，表明54LVC14正常，否则表示故障，此时测试程序将变量RR的第6位置1，错误状态不清零。

图3 54LVC14功能测试示意图

7）164245 电平转换测试

电平转换输入信号在内部由FPGA提供，故采用 有 FPGA 的 F_0_BAK[0..9]、FTL1SEL、FTL2SEL、FTL3SEL端口提供一定频率方波给JS164245的A端，JS164245的B端输出5V方波反馈给监测板（必须保证3.3V与5V同时上电），具体测试示意图如图4所示。如果读出信号的脉宽、频率与输入信号相同，表明54LVC14正常，否则表示故障，此时测试程序将变量RR的第7位置1，错误状态不清零。

图4 164245电平转换测试示意图

8）SM3490功能测试

将7组SM3490的发送端和接收端分别并联，由监测板采用轮询的方式一次访问各个端口，实现该型SiP电路与监测板或上位机的通信，所有测试项的测试结果也是通过RS-422接口反馈给监测板或上位机。如果读出的数据和写入的一致，表明SM3490正常，否则表示SM3490故障，此时测试程序将变量RR的第8位置1，错误状态不清零。

3.3 SiP器件功能运行状态监测系统软件设计

通过分析该型SiP器件功能可知，内部DSP和FPGA为核心功能器件，为实现SiP器件功能，需为内部DSP和FPGA烧写程序，进行板级可靠性强化试验过程时，将SiP器件放置在试验板的特制工装上，通过功能运行监测装置实时反馈器件运行状态，从而达到准确掌握强化试验器件故障信息。

1）FPGA程序加载：使用ISE 10.1完成FPGA程序烧写；

2）DSP程序加载：利用CCS3.3对DSP程序进行加载；

3）动态功能测试：（1）在完成FPGA和DSP程序烧写后，必须拔下仿真器，并且重新上电，才能继续进行动态功能测试。（2）打开电源输出，打开测试程序。（3）观察测试软件的接收区，监测板会将变量RR传给上位机，针对SiP器件的核心功能运行状态进行实时监测，并实时反馈故障信息。

4 结语

通过论文对SiP器件失效情况的分析，明确该类器件典型失效模式与失效机理。设计完成SiP器件运行状态监测系统，可以对复杂结构SiP器件功能运行状态进行实时监测，从而得到评价器件可靠性的关键电性能参数，避免了无法准确掌握器件试验过程中失效情况，支撑可靠性试验及结果评价，为SiP器件可靠性分析提供检测手段。