DSP 芯片动态老炼系统设计与实现

王 涛，钱昀莹，韦 凯，田 旭

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214062；2.中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院，北京 100083）

数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种专门用于数字信号处理的微处理器芯片，能够高效地执行数字信号处理算法，已广泛应用于多媒体通信、工业自动化控制、智能化仪器仪表、汽车电子以及航空航天等领域。为了确保航空航天等领域设备在极端恶劣应用环境下运行的稳定性和可靠性，对DSP 等核心关键芯片的可靠性要求也越来越高。

在集成电路的可靠性筛选试验中，老炼试验是最重要和最有效的试验之一，决定了集成电路筛选的质量。通过电路的老炼试验可以剔除具有缺陷的电路，从而提高产品的可靠性[1]。文献[2]提出了一种多程序动态刷新老炼系统，并开发了FPGA 老炼程序，提高了FPGA的老炼覆盖率。文献[3]研究了1553B芯片的老炼试验方法，设计了自动化老炼试验设备，试验软件可以监控试验数据。文献[4]基于存储器老炼测试进行了控制系统设计，采用C/S 架构完成了菜单管理、器件库管理和老炼控制三部分功能的实现。

目前国内大部分微处理器研制单位对电路的老炼方式采取静态老炼或者传统动态老炼方式[5]，静态老炼方式测试覆盖率低且无法监测老炼过程中电路的工作状态；传统动态老炼方式需要在老炼试验前给待老炼电路固化老炼程序，只能依靠人工记录固定的输出结果，并且无法在老炼过程中及时将失效电路剔除。

针对静态老炼和传统动态老炼方式的局限性，该文提出了一种DSP 芯片动态老炼系统的设计与实现方法，从动态老炼试验方案、系统设计以及软件开发等方面进行了论述。该动态老炼系统可以将试验过程中的数据和结果自动存储在外部存储器中，便于后期进行试验结果分析，为进一步提高老炼测试覆盖率提供依据。

1 动态老炼试验方案

1.1 老炼理论

集成电路的整个生产工艺流程包括晶体生长、晶圆制备、光刻、腐蚀、离子注入、金属电镀、封装、打标等数百道工序。由于原材料、工艺和净化环境等因素的影响，不可避免会产生一些局部微缺陷。根据可靠性工程理论，集成电路在使用寿命周期中总的失效率符合标准的浴盆曲线，分为三个阶段，即早期失效、偶然失效和损耗失效期[7]。

如果不进行老炼试验，有缺陷的电路在使用过程中会出现初期致命失效或早期寿命失效[8]。早期失效的特点是集成电路在使用初期失效率较高，但随着使用时间的增长，失效率逐步下降。集成电路在失效率达到稳定状态并保持低失效率之前发生的失效都属于早期失效，该失效与集成电路的潜在缺陷有关[6]。

应对早期失效的有效手段就是对集成电路进行老炼，通过老炼试验对电路施加合适的激励和应力，加速电路内部的物理、化学反应[9]，以剔除具有栅氧化层介质击穿、热载流子效应以及金属电迁移等缺陷的电路，使电路尽早进入失效率较低的偶然失效期，从而提高电路的可靠性[1]。

集成电路失效的反应速率与温度的关系可以用阿伦尼乌斯（Arrhennius）公式来表示[5]：

式中，dM/dt表示温度为T时的反应速率，E表示物质在温度为T时的激活能，k为玻尔兹曼常数(k=8.617×10-5ev/℃)，A为常数。

通过式（1）可以看出，集成电路的反应速率随着温度的升高而加快，即集成电路失效加快。

1.2 试验方案

集成电路老炼的效果与老炼时间和老炼试验中施加的温度应力、电应力有关，其中电应力与施加的电压偏置、时钟频率和测试向量等相关[11]。

老炼试验分为静态老炼和动态老炼两种，静态老炼仅给集成电路施加恒定的温度应力和直流电压偏置，内部晶体管不进行翻转，电路处于静态工作状态，老炼过程中无法监测电路的工作状态[12]。

动态老炼除了对集成电路施加恒定的温度应力和直流电压偏置外，还对电路内部逻辑单元施加激励信号，使电路内部的晶体管得到翻转，即电路所有功能运行起来。动态老炼能更有效地激发集成电路潜在的缺陷，同时可以输出测试结果，实时监测电路工作状态[12]。

DSP 电路依据《GJB 548B-2005 微电子器件试验方法和程序》方法1015.1 制定了老炼试验要求：所有电路100%进行老炼，老炼时间为160 h，老炼试验施加125 ℃温度应力，端口和内核分别施加3.3 V 和1.9 V 的直流电压偏置[13]，输入时钟频率为30 MHz，并开发了动态老炼程序，老炼程序覆盖了DSP 电路所有功能模块，实现了电路的动态老炼。

2 动态老炼系统设计

2.1 系统架构

DSP 芯片动态老炼试验系统框图如图1 所示。

图1 老炼试验系统框图

动态老炼系统主要由老炼板、驱动板和稳压直流电源等部分组成，老炼板置于高温箱内，稳压直流电源和驱动板置于常温环境中，两部分通过金手指连接。

2.2 硬件设计

老炼板与驱动板硬件原理框图如图2 所示，稳压直流电源给电源模块提供5 V 输入电压。电源模块分别产生1.9 V 和3.3 V 给老炼板上DSP 内核和IO端口供电，分别产生1.2、1.9、2.5 和3.3 V 给驱动板上FPGA 提供相应的直流电压。

图2 硬件原理框图

老炼板设置了八个老炼工位，每个工位由一只待老炼的DSP 及其外围电路组成，DSP 芯片安放在老炼插座中，时钟输入由30 MHz 高温晶振提供。

驱动板由FPGA、显示模块、按键阵列和片外存储器等组成，其中FPGA 选用Spartan-6 系列XC6SLX 100T，FPGA程序固化在配置存储器XCF32PVOG 48C中，主要用于IO 口扩展以及信号切换等。FPGA 控制DSP 的上电复位，按键阵列也可以控制各个工位DSP 复位重启。DSP 电路动态老炼程序存储在片外型号为AT25HP256 的EEPROM 中，通过SPI 接口引导加载老炼程序[17]。DSP 电路通过串口SCI 将自测试的数据和结果发送给FPGA，显示实时工作状态，同时将测试结果保存在EEPROM 中。

3 动态老炼软件开发

3.1 工作流程

动态老炼系统工作流程如图3 所示，老炼系统供电后，FPGA 通 过GPIO 给DSP 的XRS引脚输入一定时间的低电平，对DSP 进行上电复位。复位完成后，DSP 通过SPI 接口引导加载老炼程序，若加载失败，则FPGA 再次复位DSP；若加载成功，则DSP 自动循环执行动态老炼程序。当老炼过程中DSP 执行老炼程序自测试出现功能异常时，DSP 通过串口SCI 将详细的故障信息发送给FPGA，并保存在片外EEPROM 中，而后FPGA 复位DSP，重新执行老炼程序。

图3 系统工作流程

3.2 软件设计

动态老炼系统软件包括FPGA 控制程序和DSP老炼程序开发，其中FPGA 程序控制老炼板上所有DSP 芯片的上电复位。上电复位结束后，FPGA 通过SPI 接口将存储在片外EEPROM 中的老炼程序发送给DSP，DSP 进行引导加载。在老炼系统运行过程中，FPGA 通过SCI 接口实时接收DSP 传输过来的自测试结果和故障信息，并将其保存在EEPROM 中。

实现DSP 芯片动态老炼的关键在于动态老炼程序的开发，动态老炼程序测试用例的覆盖率决定了动态老炼的质量。动态老炼系统通过SPI 接口给待老炼的DSP 芯片引导加载老炼程序，加载完成后DSP 自动循环执行老炼程序，老炼程序覆盖了DSP芯片所有功能模块，部分模块配置如下：

1）PLL 模块PLLCR 寄存器配置为10，DIVSEL 寄存器配置为2，DSP 芯片工作频率为150 MHz；

2）16 路ADC 通道连续采样；

3）XINTF 总线进行32 位读写，覆盖所有地址线和数据线；

4）12 路ePWM 通道输出周期性方波；

5）eCAN 模块所有32 个邮箱执行回环自测，测试内容包括0-15 邮箱作为发或收，16-31 邮箱作为收或发，0-31 邮箱全部作为接收，0-31 邮箱全部作为发送，单个收其余全发以及单个发其余全收，进行数据收发测试，收发数据为递增数据；

6）SCI 模块（FIFO 模式）回环自测，收发数据为递增数据；

7）SPI 模块（FIFO 模式）回环自测，收发数据为递增数据；

8）I2C 模块工作频率配置为10 MHz，在FIFO 模式下执行回环自测，收发数据为递增数据；

9）McBSP 模块执行回环自测，收发数据为递增数据；

10）其余GPIO 管脚通过定时器定时翻转高低电平；

11）片内SRAM 存储器进行反复读写遍历、校验；片内FLASH 存储器均写0，进行数据保持。

4 实现效果评估

4.1 试验结果

为了评估所设计DSP 芯片动态老炼系统的实现效果，制作了如图4 所示的老炼板和驱动板实物。

图4 实物图

随机查看在线生产的五批DSP 芯片筛选和质量一致性测试结果，筛选项目包括温循试验、PIND 试验、160 h 高温老炼试验等，平均PDA 不合格品率为1.02%，平均筛选合格率为95.4%。筛选测试完成后，随机抽取了116 只电路进行了质量一致性检验，检验项目包括A 组三温参数和功能测试、B 组可焊性等试验、C 组1 000 h 稳态寿命试验、D 组环境应力试验，试验结果均为0 失效，验证了该文所设计DSP 芯片动态老炼系统的有效性。

4.2 对比分析

将所设计DSP 芯片动态老炼系统与静态老炼、传统动态老炼装置进行了多方面对比，对比结果见表1。

表1 效果评估对比

从表1 可以看出，该文所设计DSP 芯片动态老炼系统实现了动态老炼程序的自动加载，可以实时监测每个工位的动态老炼试验情况，可以将老炼过程中发现的失效电路及时剔除，试验结果可以自动存储，便于后期进行试验结果分析。相比静态老炼和传统动态老炼装置，测试覆盖率更高，提高了产品可靠性。

5 结论

针对静态老炼和传统动态老炼方式的局限性，该文提出了一种DSP 芯片动态老炼系统的设计与实现方法，并且成功运用到了实际科研生产工作中。

该动态老炼系统实现了老炼程序的自动加载，可以实时监测每个工位的老炼试验情况，可以将老炼过程中发现的失效电路及时剔除，试验结果可以自动存储，便于后期进行试验结果分析。相比静态老炼和传统动态老炼装置，测试覆盖率更高，提高了产品可靠性。

所提设计方法具有普适性，可推广至其他微处理器，对其他微处理器电路的动态老炼系统设计起到了较好的指导作用。