基于ELEA-V的LVDS驱动器的老炼技术研究与应用

龙永佳，宋尚升

（中国空空导弹研究院，河南洛阳，471009）

0 引言

LVDS是一种低电压差分信号，这种技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。LVDS在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到越来越广泛的应用， 故LVDS驱动器已广泛的应用在航天、航空、军用等高可靠性领域。但是，限于国内设计、工艺水平现状以及控成本的要求，航天、航空、军用等高可靠性领域会选用部分国外进口工业级的LVDS驱动器，所以它的可靠性已然成为在使用该等级LVDS驱动器以前必须要解决的一个重要问题，对LVDS驱动器的可靠性筛选变的尤为重要。

据不完全统计，在集成电路失效的原因中，温度和电应力失效的原因超过67%，这也从侧面印证了温度和电应力是应该在可靠性筛选项目中重点考核的项目，而在LVDS驱动器可靠性筛选项目中，LVDS驱动器的老炼可以对温度和电应力进行充分考核，重要性变的举足轻重。

1 LVDS驱动器的老炼技术研究

老炼试验是可靠性筛选项目中的一项试验项目，它是一种通过对集成电路施加温度或者电应力的激励，使集成电路加速由早期失效期进入偶然失效期的一种可靠性试验。而本文所使用的老炼系统是通过施加特定的试验条件，使有制造缺陷的集成电路提前暴露缺陷的一种专用试验设备。

1.1 LVDS驱动器介绍

本文中选取的LVDS驱动器为国家半导体公司生产的DS90LV032ATΜC，封装为SO，质量等级为工业级，温度范围为-40℃～85℃。

该器件是一款基于CΜOS工艺的四路差分接收器，主要用于系统之间高速低功耗的数据传输。该产品可支持高达400Μbps（200ΜHz）频率的信号传输。在内部模块的控制下，任一状态的LVDS差分信号输入都对应着一个确定的CΜOS/TTL输出状态，即将LVDS输入信号转换成为CΜOS/TTL输出信号。器件的真值表见表1所示。

表1 器件真值表

1.2 老炼系统简介

老炼试验系统本文采用由杭州可靠性厂生产的高温动态老炼测试系统ELEA-V。它主要由主控计算机、高温试验箱、驱动系统、网络控制系统和老炼电源系统等几个部分组成。其中老炼过程施加电压主要由二级程控电源提供，主要有VCC、VΜUX、VCLK、VEE等。其中VCC的作用是给需要老炼的集成电路提供电源电压，VCLK的作用是给需要老炼的集成电路时钟信号提供输入信号电压，VΜUX的作用是给需要老炼的集成电路的输出端提供输出电压，VEE的作用是在必要时，给需要老炼的集成电路提供负的电源电压。ELEA-V系统分为16个老炼区，每个老炼插槽分别对应一套图形驱动板。每套图形驱动板可同时发生64路数字信号和4路模拟信号，每块图形驱动板提供64路老炼回送波形的频率测试功能，可提供老炼回送波形的回检控制及定点频率测试功能，可提供对二级电源电压、电流，回检信号频率以及整机试验箱温度数据的实时记录，并可生成EXCEL报表。

1.3 老炼系统工作原理

老炼系统采用上、下位机控制模式，主要由控制计算机、主控单片机单元、图形驱动检测板（以下简称驱动板）、一级老炼电源、高温试验箱和老炼板等单元组成，设备分为1区-16区，有主控单片机单元和通讯接口，图1为老炼系统的原理框图。控制计算机（上位机）通过千兆网卡，分别与主控单片机及驱动板进行通讯。计算机以太网口设定为192.168.0.XXX。上位机（计算机）负责整机器件参数管理、发送控制命令、进行状态、数据查询、数据存储和打印等。整机共17个下位机单元（单片机），其中16个驱动板单片机单元用于16个老炼区的二级电源发生/控制、模拟信号发生/控制、工作状态监测等，1个主控单片机单元用于各区一级电源控制、老炼状态控制、试验温度监测等。

图1 老炼系统的原理框图

专用控制软件安装在控制计算机上，运行时根据各被试件的老炼参数编辑相应的电压参数和信号波形，分别发送给主控单片机和相应老炼区的驱动板单片机单元，控制设备各区的老炼开始、结束和老炼过程中的老炼参数实时监测；主控单片机将控制计算机的参数信号转发到各驱动板并控制各一级老炼电源输出和监测高温试验箱的温度；驱动板接收各种老炼参数后执行各种相应动作产生器件老炼所需的二级电源输出、模拟信号波形并进行驱动后送到老炼板上安装的被试器件，同时监测各被试件的老炼状态；高温试验箱提供被试件的温度环境。

1.4 老炼的三种模式

老炼试验可分为三种模式：静态老炼、动态老炼和老炼中测试。静态老炼是不给集成电路施加输入信号，只是给集成电路施加电路电源电压，由于没有输入信号的介入，集成电路是没有工作的，所以称为静态老炼。动态老炼则是与静态老炼相反，它不仅要给集成电路提供电源电压，还要给集成电路提供输入信号激励，要使集成电路自身工作运转起来，也就是“动起来”，所以称之为动态老炼。而老炼中测试是动态老炼和测试的结合，要在动态老炼的过程中完成对集成电路的功能测试。而在实际中很少运用，因为在当前集成电路本身发展进步与老炼系统发展不匹配的当前现状下，实现的难度较大，而本文对集成电路的老炼模式为高温动态老炼。

1.5 老炼的应力选择

由于在可靠性筛选失效原因中，温度和电应力的占比极大，所以在老炼试验中，应当尽量使集成电路处在满负荷状态当中，也就是根据集成电路的器件手册要求和老炼设备的指标，在对集成电路施加最大的电源电压和电流的情况下，通过升高高温箱中的环境温度，提升集成电路自身结温至其所能承受的最大结温，使其工作在其满负荷的状态下，快速有效的激发自身潜在的制造缺陷，达到提早暴露早期缺陷的目的。所以我们应该着重从控制器件老炼筛选的温度应力和电应力着手。

1.6 温度应力选择

根据器件手册资料显示，最大功率P为866mW，在温度25℃之上每1℃功耗损失6.9 mW，最大温度接近125℃，即最大TA为125℃。而在实际的老炼过程中，选择的是器件的最高的额定工作温度85℃，低于125℃的极限温度限制要求。

1.7 电应力选择

一般来讲，电应力的选择和施加电源电压、施加频率以及施加的老炼激励信号等有关。

(1)电源电压的选择

电源电压是给集成电路提供电源的作用，一般只要不超过集成电路手册电源电压范围即可，但是为了保证好的老炼效果，在实际试验的老炼中，我们施加集成电路的老炼电源电压为器件最高的工作电压3.6V。

(2)激励信号的选择

对于激励信号的选择，我们采取的是对集成电路输入实施动态变化的波形，使得对集成电路进行动态输出，从而实现对集成电路可以工作起来的动态目的。如果在集成电路老炼时，输入电压和电源电压施加条件都按照手册进行最大化施加，那么作为数字电路，信号频率的选择是我们需要考虑的另一个方面。信号频率选择为电路最大的工作频率，集成电路就可以在老炼过程中达到由电应力引发的集成电路结温温升充分，电应力和温度应力所激发出的集成电路缺陷就越明显，效果越显著。但实际情况是老炼设备与集成电路工艺水平发展不匹配，老炼系统所能提供的最大工作频率远不能满足集成电路所要求的最大工作频率，例如本文选取的DS90LV032ATΜC最大支持的工作频率为200 ΜHz，而本次采用的老炼设备所能提供的最大频率10ΜHz，差距较大。

2 老炼的试验方案设计

按照国军标548B的要求，老炼板应选择与老炼系统适应的老炼专用板，动态老炼过程中应使集成电路的电源和地与老炼板中的电源和地相连接，输入管脚与老炼板设计中的信号通道相连接，输出管脚与老炼板上的负载连接即可，老炼时间需要满足施加温度和电应力时间达到至少48小时。由于该器件是一个四路的差分信号输入，只要对差分信号实现压差满足为正的350mV或负的350mV就能实现输出H或L，所以结合老炼设备的功能，可以有两种激励信号的实现方式：数字信号或模拟信号。

2.1 数字信号老炼板设计

在硬件设计的时候，将RIN+信号和RIN-信号与老炼设备的数字信号进行连接，通过软件编程对RIN+信号和RIN-信号设置为波形信号相反的方波以实现差分功能，软件设置数字信号高电压为1.2V，低为0V即可完成软件编程设计。具体的老炼板设计原理图见图2所示。

其中：R1~R14为贴片电阻（0805）RΜK2012-0.15W-10kW±5%,C1为 贴片电容（0805）CC41-0805-X7R-63V-0.1mF-Μ。F1~F4为数字信号，频率为10ΜHz。器件第15脚为检测点，多工位回检，在老炼系统的信号输出端可以对检测点进行输出信号的监测，方便快捷。

2.2 模拟信号老炼板设计

由于该老炼系统指标具有两个模拟变量信号，所以在硬件设计的时候，将RIN+信号和RIN-信号分别与老炼设备的模拟变量信号进行连接，通过软件编程对两路模拟信号设置为波形信号相反的方波以实现差分功能，软件设置模拟信号电压为1.2V，低为0V即可完成软件编程设置。具体的老炼板设计原理图见图3所示。

其 中：R1～R14为 贴 片 电 阻（0805）RΜK2012-0.15W-10kW±5%,C1为 贴 片 电 容（0805）CC41-0805-X7R-100V-0.1mF-Μ。F1～F4为 数 字 信 号，频 率 为10ΜHz。器件第3、5、11、13脚为检测点，多工位回检。在老炼系统的信号输出端可以对检测点进行输出信号的监测，方便快捷。

在实际的老炼过程中，按照图2和图3的原理图，对器件的各个输入和输出均施加了保护电阻，同时为了得到更好的老炼效果，对电源端施加了滤波电容，起到了滤除交流成分的作用。整个老炼试验中，集成电路没有完全工作在满负荷状态下，但是对集成电路施加一定的温度和电应力，老炼试验也取得了一定激发缺陷的效果。

图2 数字信号设计老炼原理图

图3 模拟信号设计老炼原理图

2.3 老炼结果验证

为了验证老炼的结果，我们用美国泰克公司生产的示波器TDS3014B对老炼工位上的回检输出进行监测，得到了一个方波，这是符合软件设置输入为相位相反的方波的预期输出结果，具体结果见图4所示；另外，从示波器的显示结果来看，输出的幅值为3.24V，与使用测试机测试的该器件的VOH值相差无几，从另一个方面验证了该老炼动态过程的正确性。

图4 集成电路输出波形监测图

3 结束语

本文以国家半导体公司生产的LVDS驱动器DS90LV032ATΜC为例，对该器件的老炼方法和老炼方案设计进行了详细的讲解，结合杭州可靠性仪器厂生产的ELEA-V，着重对该LVDS驱动器的老炼方案提出了两种设计思路，分别利用老炼系统中的数字信号激励和模拟信号激励对该LVDS驱动器实现了高温动态老炼，对后续的该类驱动器老炼提供了可行的思路；但是整个老炼试验中，由于集成电路没有完全工作在满负荷状态下，从而影响了集成电路的老炼效果。