电子元器件的老化测试分析

张凡 于迎伟

引言

伴随现代科技的发展，电子产品与设备的复杂性越发增加，使用范围更加广泛。但由于长期使用与外部环境等方面的影响，电子产品与设备容易出现电子元器件老化的问题，造成其性能与可靠性的下降，因此，对电子元器件进行老化测试，用以评价元器件在差异性条件下的工作稳定性、使用寿命，是电子工程领域内的重要课题。因此，技术人员需要深入研究电子元器件老化测试系统的设计，探索更多用于元器件测试的技术，以此为社会的进步作出贡献。

一、电子元器件老化测试的内涵

老化测试本质上是一种模拟电子元器件使用流程的测试方法，旨在检测与去除元器件内部的缺陷。在测试过程中，会模拟元器件的实际工作状态，并施加特定的电应力以加速元器件内部的物理和化学反应，从而使潜在的问题如漏电、焊接不良、硅晶片裂纹等提前显现出来。老化测试可以保证元器件参数的稳定性，测试期间需要严格管控电应力参数和环境温度，以防元器件发生失效的现象[1]。

二、电子元器件老化测试系统的概述

（一）电子元器件老化测试系统的种类

（1）内存老化型：①易失性内存：该类型系统的测试工作较为简单，原因在于在无需特殊算法、时序的情况下，便能反复对其擦写操作。测试人员通常要将所有电子元器件写入数据处理后，再逐个选择元器件的种类，读出对应的数据，再开展后续的比较分析工作。在老化测试中能够多次组织速度较慢的刷新测试，因而可节省其他测试环节消耗的时间。刷新测试的步骤为，测试人员先将所有数据写入内存，然后对发现问题的存储单元进行放电操作，再从内存中提取和读回数据，进而发现存在故障问题的存储单元。将该部分测试安排在老化测试之后，可以证实老化后的测试将不进行耗时性的测试工作，具有节省测试时间的效果。②非易失性内存：该类系统测试工作难度较大，原因在于在写入数据之前，通常要清除掉内部所有内容，致使系统算法难度有所上升。尽管测试人员之后还要配合运用特殊电压开展擦除工作，但正式老化测试中应用的方法较为相似，均为在数据写入内存后，再凭借复杂算法的力量，进行读回操作处理[2]。

（2）逻辑器件老化型：①平行测试：在元器件老化测试中，该类型测试速度最快，主要采用若干信号线同时与元器件输入、输出端口加以衔接而实现，而I/O线的输入端口则受到系统测试环节的控制，该类型测试的实现方式可划分为3类。I.单选元器件：在各老化板内元器件可以同其他元器件分离的状态下，系统便能采取差异性的方法衔接各个元器件。比如，在使用片选引脚的条件下，需要并联处理元器件，每次只能选择一个元器件，从而构成返回信号。该方法的缺陷在于，选择的元器件要具备克服感性、容性复杂对老化板，以及其他未选中元器件影响的能力。II.返回单引脚信号：该类型测试需要以并联操作为核心，让所有元器件处于工作状态，但保留至少一个信号返回至引脚，之后由系统负责选择监测模块，再读取信号返回的线路。该类测试与串行测试存在相似点，但信号引脚在测试中接收到的信息为逻辑电平，或经过和预留值对比后存在的脉冲模式。在检测中接收到的信号主要体现的是元器件自我检查的状态，但在元器件不存在自我检测性能的情况下，而由系统单纯检查某个引脚，则容易对检测的精准性产生负面影响。III.返回多引脚信号：该类型测试同单引脚测试类似，但各元器件可返回更多信号，使得监测中要使用更多返回线路，造成系统的经济成本投入有所增加。该类测试目前适用于缺少内部自检，或者结构较为复杂的元器件老化测试中。②串行测试：与平行测试相比，该类型测试尽管速度相对较慢，但操作上更加便捷。在老化板上，除了每个元器件内的串行信号返回线以外，要对所有元器件实施并联测试。在具体测试工作开展中，由于老化板内通常要继承数据处理的系统，说明还要在数据传输前期做好译码处理工作[3]。

（二）电子元器件老化测试系统性能的影响因素

（1）选择的测试方法：理想状态下，电子元器件在老化测试中尽可能减少时间消耗，以提高整体产量。若电能条件较差，可能增加故障问题的发生概率，采用高速反复测试的方式可以大幅度减少老化处理需要的时间。当内部各节点在单位时间内切换次数增加时，元器件受到更大的压力，从而可能导致故障的提前出现。

（2）参数测试系统的能力：如果老化测试系统具备速度测试能力，那么在实际检测中就可以获得具有较高相似度的数据信息。这类信息对于可靠性的研究非常有益，可以简化老化测试的流程，提高测试效率[4]。

（3）主机与测试系统间的通信：由于功能测试程序的运行时间通常较长，为了提高测试硬件设计的效率，需要在实际系统设计中提高测试速度。目前，部分老化测试系统仍然使用运行速度相对较慢的串行通信方法，如RS-232C协议。如果将系统改造为双向并行总线系统，将大幅度提高数据的传输速率。

（4）时间动态性与参数能力：当老化测试系统能够及时调整参数之时，便存在降低产品在使用后发生故障的可能性，而在部分元器件的结构中，直流电压偏置、动态信号功率的变化，均容易提前引发元器件在晚期使用中才会发生的故障问题[5]。

三、电子元器件老化测试的系统设计实践

（一）整体设计

以电容器为例，在设计老化测试系统之前，需要明确电容器失效的原因，包括机械应力造成的扭曲破裂、温湿外界环境造成的漏电等，由此确定电容器老化测试系统的组成部分，包括供电电源、开关电源、变压器、0V～15V直流电压源、高压模块电源、采样电阻板、数据显示模块、监测采集模块、老化测试夹具、RS232通信模块、USB通信模块、主控计算机等。

该系统具备批量可靠性测试电容器的主要功能，如提供温湿度、步进电压等满足老化测试的环境，模拟电容器在工作中具体环境条件下的强化试验。直流电压源要具备提供多测试通道、独立输出0kV～1kV工作电压的能力，且高低温交变湿热试验箱的温控范围应该为-40℃～150℃。监测采集模块应该可以同时观察多个待测电容器的漏电流、工作电压，上位机软件界面中包含命令控制、自动测试、测试数据输出与保存等功能。

（二）工作原理

（1）将待测电容器固定在高低温交变湿热试验箱内的老化测试夹具上，夹具内存在固定作用的金属探针两侧，引出具有耐高压、高温性能的电压线，其中的2条电压线可以同直流电压源形成主要回路，其他2条电压线则负责衔接监测采集模块。（2）每条测试回路中均串联采样电阻，同时和监测采集模块加以连接，目的在于让电流信号转化为电压信号，从而计算出电容器的漏电流具体参数。（3）经由通信协议的灵活运用，将该系统和直流电压源、监测采集模块、环境测试箱加以衔接，在确认硬件设备连接无差错的情况下，正式开展对电容器的老化测试工作。

（三）可程控直流电压源设计

该直流电压源内具备多独立输出通道的0V～15V可程控直流电压源，纹波不超过10mV，输出电流60mA，经过调整后的精准度可超过0.5%，在输出电压为10V时，扩展不确定度为2.21mV。核心控制单元为IAP15W4K58S4单片机，为了符合I/O接口引脚占用较大的需求，则封装选择型号为LQFP64L的64引脚。在辅助电源设计上，需要将220V 50Hz的市电电压转化为0V～15V的可程控直流电压源所需的电压，再凭借整流桥的力量，将交流电转化为直流电。整流桥为IN4007整流二极管4支，通过滤波电路便可过滤掉直流电压内的纹路，在电压稳定之后，直流电压可以通过AMS1117-2.5、AMS1117-5.0的芯片，分别产生2.5V、5V的基准电压和工作电压。

（四）串口通信设计

由于可程控直流电压源、监测采集单元均采取USB串口通信的方法，实现和计算机构成通信连接的功能，可以说明USB串口通信将作为上位机、下位机之间通信的纽带。且USB为相对常见的串口通信模式，计算机通常存在若干USB接口，能够满足计算机和有关设备的通信需求。该系统内的USB串口通信电路可选择CH340芯片，芯片内存在电源上电复位电路，无需单独提供其他电源复位，支持3.3V、5V的外部电源供电，还支持50bps～2Mbps的通讯波特率。串行数据输出引脚将和输入引脚、控制单元的单片机I/O接口加以衔接，外围电路是频率为12MHz的晶振与22pF高频振荡电容，可以为CH340芯片提供频率时钟信号。串口通信电路整体上将经由USB总线接口和计算机连接，实现上位机、下位机之间通信的功能。

（五）环境试验箱设计

该系统可选择ZB-HT-S-225环境试验箱，具备高低温交变湿热的能力。该环境试验箱具备多种类型的保护装置，操作安全且运行平稳，噪音较小，抗腐蚀和生锈能力较强。存在可外接式的供水系统，提供自动回收使用的功能，便于用户随时观察加湿桶水位。还具有照明视窗灯、耐高温除雾设备，为用户观察试验箱内的具体测试情况提供诸多便捷。内部的电源、控制电路和加湿管路相分离，用于规避漏水引发的安全事故。该环境试验箱以可操作触摸屏为主要的人机交互硬件，或可经过RS232串口通信和主控计算机进行通信连接，为用户提供远程控制的服务。该环境试验箱主控制器的功能可概括为监视画面、曲线显示、操作设置、程式设置、预约设置、画面设置，其中，用户可直接触摸屏幕设定操作选项，显示屏上可显示各项参数和箱内的测试状态，将测试中的温湿度变化以曲线的方式进行显示等。表1为该环境试验箱的主要参数。

表1 ZB-HT-S-225环境试验箱主要参数

（六）老化测试夹具设计

测试用夹具可划分为固定支架、金属探针、老化板3个部分，支架具有支撑作用，探针用于固定待测电容器，而老化板则是探针和待测电容器的载体。考虑到老化测试需要在可变温湿度环境下开展，说明测试用夹具应具有耐高压、耐高温、耐腐蚀的特点。因此固定支架的材料上可选择316#不锈钢，便于机械结构的焊接，且在高温环境中仍然可以维持物理机械性能而不出现变形的问题。金属探针材料可选择黄铜镀金，探针长度、针头直径应分别控制为4.8cm、5mm，允许通过最大电流为15A，采用弹簧伸缩的原理固定好待测电容器，而探针针杆尾部则和外部接线铜柱加以配合。老化板材料可选择聚四氟乙烯，具有耐高低温、耐腐蚀、高润滑、高绝缘、无毒无害的特点，符合老化测试夹具的基本需求。由于环境试验箱内部空间尺寸限制的缘故，测试用夹具可采取分层结构，每一层均安装2块老化板，2个金属探针构成1个测试工位，同时设置好导轨，便于用户以推拉的形式装载待测电容器。测试用夹具同直流电压源、监测采集模块的连接方法为插拔式，能够防止该系统因长期使用而出现的线路损坏问题，便于用户开展各种设备连线工作，在出现故障问题之时还具有调试便捷的优势。参考该系统的老化测试要求，构成设备之间的连线均可运用AGG硅橡胶高压电线，额定电压、工作温度分别为5kV、-60℃～180℃，具有方便安装、材质柔软的显著优点。为防止沿用传统走线方法后出现问题，可以在固定支架的后板上安装香蕉头插座，以及对应相同数量的金属探针，便于明确每对金属探针相应的正负极。使用AGG硅橡胶高压电线直接连接香蕉头插座和金属探针，而其他设备则只需要经过香蕉插头，连接各工位对应的香蕉头插座。该走线方法便于用户调试系统、排查故障时，只需将外接插头更换连接位置，而无需接触金属探针，不存在连接线折叠的现象，避免电压线的损坏。

结束语

综上所述，在科技迅速发展的趋势下，提升电子元器件的稳定性、可靠性对于未来的科技进步具有现实意义。因此，技术人员要做好电子元器件老化测试系统设计工作，为测试的科学开展提供保障条件，通过明确整体设计思路和工作原理，设计好直流电压源、串口通信、环境试验箱、测试用夹具等部分，带动我国电子元器件检测产业的长远发展。

然而，我们也应认识到，随着电子元器件的复杂性和微型化趋势，老化测试系统的设计将面临更多的挑战。例如，如何在微型化的元器件上进行精确的测试，以及如何在复杂的环境条件下保持测试的精度和稳定性，都是我们需要关注和研究的问题。因此，未来的研究应该更加深入地探讨这些问题，以便我们能够设计出更加高效、精确的电子元器件老化测试系统。