作者：王朝志 （北京泛華恒興科技有限公司， 北京 100083）
源自：《自動(dòng)化博覽》 2011年10月增刊
摘 要：針對(duì)電子元器件可靠性問題設(shè)計(jì)了電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在仿真的溫度環(huán)境下對(duì)電子元器件進(jìn)行老化測(cè)試，自動(dòng)檢測(cè)出元器件潛在故障缺陷，保證電子產(chǎn)品良好的加工質(zhì)量與可靠性，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量提供有效保障。
關(guān)鍵詞：元器件 溫度環(huán)境 老化測(cè)試
Abstract：In this Paper，an burn-in test system is developed for the reliability problem of electronic component. The system features reliable, accurate, high efficiency that meets the needs of electronic component tested in the temperature environment. The system can detect the potential fault，ensure the product quality and reliability.
Key words: Electronic component Temperature environment Burn-in test
引言
隨著航空、航天、能源工業(yè)等領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，電子產(chǎn)品的可靠性問題受到了越來越廣泛的重視。電子產(chǎn)品在使用過程中會(huì)遇到不同的環(huán)境溫度條件， 在熱脹冷縮的應(yīng)力作用下， 熱匹配性能差的電子元器件就容易失效，致使電子產(chǎn)品故障，造成巨大的人力和財(cái)力損失。電子元器件的老化和測(cè)試就是仿照或者等效產(chǎn)品的使用狀態(tài)，通過測(cè)試，將不合格元器件剔除，將電子產(chǎn)品的質(zhì)量在加工初期進(jìn)行有效的控制，以保證電子產(chǎn)品使用的可靠性和穩(wěn)定性。
針對(duì)電子元器件的可靠性與穩(wěn)定性，我們開發(fā)了一種測(cè)量精度、自動(dòng)化程度、可擴(kuò)展性較高的電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)，將高溫老化、功率老化、溫度循環(huán)、性能檢測(cè)等過程在一套系統(tǒng)中綜合實(shí)現(xiàn)，不僅可以滿足電子元器件不僅能夠滿足電子元器件產(chǎn)品多樣性的需求，還能適應(yīng)生產(chǎn)線或?qū)嶒?yàn)室大批量快速檢測(cè)的要求。
該系統(tǒng)作為航空、汽車、家電、科研等電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域必備的測(cè)試設(shè)備，用于電阻、電容、電感、二極管、穩(wěn)壓器、變壓器、繼電器等多種元器件進(jìn)行老化測(cè)試，以檢測(cè)電子元器件的參數(shù)和性能指標(biāo)隨溫度變化是否可靠穩(wěn)定，從而節(jié)約成本提高效率。
1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由三大部分組成：測(cè)量與控制、調(diào)理與路由、溫度環(huán)境。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)量與控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要組成硬件有LCR表，數(shù)字萬(wàn)用表，耐壓儀，漏電流測(cè)試儀、示波器、信號(hào)發(fā)生器、功率發(fā)生器、精密編程電源等儀器。所有的硬件測(cè)量與控制資源通過信號(hào)調(diào)理和大規(guī)模的矩陣路由接入溫度控制環(huán)境中，可以對(duì)各類電子元器件進(jìn)行環(huán)境溫度控制和在線測(cè)試。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)通過顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并通過GPIB或RS232與LCR表、數(shù)字萬(wàn)用表、信等儀器進(jìn)行通信，控制儀器實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)。同時(shí)計(jì)算機(jī)中集成NI公司的數(shù)字I/O板卡主要用于系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和動(dòng)作控制。老化板的辨識(shí)、信號(hào)通道切換模塊的動(dòng)作、報(bào)警燈和蜂鳴器等狀態(tài)指示的實(shí)現(xiàn)都是利用數(shù)字I/O板卡配合相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路來完成的。
LCR表主要用于測(cè)量元器件的容性、感性阻抗參數(shù)，在本系統(tǒng)中主要利用四線法原理檢測(cè)電阻、電容、電感等參數(shù)；
數(shù)字萬(wàn)用表主要用于測(cè)量元器件的電壓和電流等參數(shù)，在本系統(tǒng)中主要用于檢測(cè)功率變壓器的輸入輸出電壓和電流、三端穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓和電流，二極管的正向壓降等參數(shù)。
耐壓儀可以用于測(cè)量元器件的絕緣阻抗和測(cè)點(diǎn)間耐壓，本系統(tǒng)中主要用于測(cè)試?yán)^電器、變壓器等元器件觸點(diǎn)之間的絕緣阻抗和耐壓；
漏電流測(cè)試儀主要用于電容的耐壓測(cè)試；
信號(hào)發(fā)生器和示波器主要用于元器件的輸入和輸出信號(hào)檢測(cè)，本系統(tǒng)中主要用于三端穩(wěn)壓器的輸入和輸出波形檢測(cè)，變壓器的輸出和輸出波形檢測(cè)；
精密編程電源用于給元器件提供工作電壓激勵(lì)和直流電壓偏置。
如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量線路通過信號(hào)調(diào)理模塊和大規(guī)模矩陣系統(tǒng)進(jìn)行路由，最終通過多路復(fù)用開關(guān)連接測(cè)試儀表與被測(cè)元器件，這種設(shè)計(jì)既可以保證測(cè)試內(nèi)容的靈活多樣，也可以保證測(cè)量線路對(duì)不同被測(cè)件所產(chǎn)成的誤差影響最小，保證多個(gè)元器件連續(xù)測(cè)試的測(cè)試一致性和高精度。
矩陣系統(tǒng)是針對(duì)環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備專門開發(fā)的綜合性矩陣系統(tǒng)，可以搭載16塊模式為16×8的子矩陣，形成16×96矩陣系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有交流250V，3A功率信號(hào)的承載能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)10MHz帶寬的高頻信號(hào)通過能力�？墒菍�(shí)現(xiàn)矩陣系統(tǒng)之間級(jí)聯(lián)，最多可以16個(gè)矩陣系統(tǒng)級(jí)聯(lián)。本系統(tǒng)中采用一個(gè)矩陣系統(tǒng)，具有16路儀器資源的接入能力，可以將需要的儀器資源切入測(cè)量通道與被測(cè)老化板進(jìn)行連接；4路為公用儀器資源，可以為老化板提供并行的激勵(lì)。每個(gè)老化板的元器件測(cè)試數(shù)量最多為24個(gè)、系統(tǒng)最多可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)元器件老化板的同時(shí)測(cè)試。
矩陣系統(tǒng)與老化板之間通過多路復(fù)用開關(guān)進(jìn)行連接，并在老化板端進(jìn)行阻抗與屏蔽處理，可以保證任意老化板上任意器件安裝位置上被測(cè)對(duì)象的高精度測(cè)量。
圖2 系統(tǒng)路由
2系統(tǒng)原理
系統(tǒng)需要人工將元器件安裝到老化板上，并插入系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的插槽中。系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試工作之前，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)目前系統(tǒng)中的硬件資源的狀態(tài)，并對(duì)儀器資源進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作。
在系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)自身狀態(tài)處于正常測(cè)試狀態(tài)后，會(huì)通過數(shù)字IO編碼檢測(cè)老化板的插入插槽位置和老化板的類型編號(hào)。每個(gè)老化板有多個(gè)元器件安裝，所以系統(tǒng)會(huì)利用通斷原理檢測(cè)老化板上元器件的安裝情況，建立相應(yīng)的檢測(cè)列表和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以存放測(cè)試數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)按照相應(yīng)的測(cè)試流程和選定測(cè)試參數(shù)進(jìn)行溫度控制和測(cè)試工作，如圖3所示。系統(tǒng)最大可以提供-45℃～200℃的溫度環(huán)境，全溫度范圍升溫時(shí)間小于23分鐘，降溫時(shí)間小于25分鐘。系統(tǒng)測(cè)試過程提供三種模式：指定溫度范圍內(nèi)階梯式升\降溫連續(xù)測(cè)量；多個(gè)指定溫度點(diǎn)定時(shí)保溫循環(huán)測(cè)量；在升\降溫過程的指定溫度點(diǎn)的恒溫老化、室溫測(cè)量。環(huán)境控制精度可以達(dá)到±0.1℃。
圖3 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)通過巡檢方式對(duì)各個(gè)老化板上對(duì)應(yīng)元器件進(jìn)行性能測(cè)試�？梢詼y(cè)試元器件的電阻（阻值）、電容（電容、耐壓值或漏電流），電感（感抗），三端穩(wěn)壓器（輸入輸出電壓、紋波抑制比）、二極管（正向壓降、向擊穿電壓）、高頻變壓器（線圈電感、轉(zhuǎn)換比、空載特性、掃頻特性），網(wǎng)絡(luò)變壓器（線圈電感、轉(zhuǎn)換比、空載特性、高頻特性），功率變壓器（線圈電感、轉(zhuǎn)換比、空載特性、負(fù)載特性）等。
3軟件實(shí)現(xiàn)
測(cè)試系統(tǒng)軟件基于Lab VIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，主要采用狀態(tài)機(jī)并行處理結(jié)構(gòu)，將事件響應(yīng)與數(shù)據(jù)流執(zhí)行方式有機(jī)結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性。
軟件在功能實(shí)現(xiàn)上采用模塊化的方式，特定的模塊實(shí)現(xiàn)特定的功能，主要組成模塊有測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊，外部操作驅(qū)動(dòng)模塊，硬件維護(hù)模塊，系統(tǒng)安全保護(hù)模塊，用戶登錄與權(quán)限管理模塊，參數(shù)配置模塊，數(shù)據(jù)分析與顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出模塊等，如圖4所示。
圖4軟件組成模塊
測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊主要控制儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能；溫度控制模塊采用閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的溫度控制；外部操作驅(qū)動(dòng)模塊通過對(duì)數(shù)字 I/O 端口的監(jiān)控，完成各種動(dòng)作狀態(tài)的監(jiān)視，并通過報(bào)警驅(qū)動(dòng)功能，用報(bào)警燈對(duì)測(cè)試進(jìn)程及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行直觀的指示；為了生產(chǎn)安全和質(zhì)量保障的需要，在軟件中設(shè)計(jì)了專門的用戶登錄與權(quán)限管理模塊，可以分配管理員與一般操作者兩種權(quán)限，一般操作者只具有操作權(quán)限；軟件通過參數(shù)配置模塊實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定、存儲(chǔ)、加載和保存等功能；檢測(cè)過程中，數(shù)據(jù)分析與顯示模塊會(huì)對(duì)檢測(cè)參數(shù)、測(cè)試過程、測(cè)量數(shù)據(jù)與波形、最終結(jié)果等進(jìn)行動(dòng)態(tài)、直觀的顯示，同時(shí)利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出模塊將測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在Excel文件中，并可通過數(shù)據(jù)回放功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看；硬件維護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)試功能，可對(duì)各個(gè)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行維護(hù)操作。
4結(jié)束語(yǔ)
電子元器件老化測(cè)試系統(tǒng)是在我公司電子測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，可以對(duì)多種電子元器件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試精度穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)外觀如圖5所示。
圖5 設(shè)備外觀
目前已經(jīng)成功應(yīng)用與某石油研究院電子元器件的老化測(cè)試與性能指標(biāo)分析，以保證其電子產(chǎn)品在加工及使用過程中的質(zhì)量與可靠性。
參考文獻(xiàn)
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