一种低成本的芯片老化设备

周立民

（上海季丰电子股份有限公司，上海，200233）

0 引言

近年来，我国半导体设备市场需求增长迅速，在中低端模拟测试机和分选机领域，国产替代明显提速。国产设备在模拟、电源等细分领域技术实力增强，逐步参与全球竞争[1]。同一老化区只能老化同种输入信号器件，因而老化效率很低，严重限制了国内一些重点设备生产率的提高[2]。常用的老化设备的驱动板的驱动电路采用FPGA 等可编程逻辑器件，FPGA 相比其他的微控制器件在实时控制和并行数据采集方面所具有的先天优势[3]，并且电源系统采用大电流的集中电源方案。以上方案成本高，系统扩容难，故障维修时间长，故障损失大，老化效率低。

本文提出了一种低成本的芯片老化设备，通过控制箱、驱动箱和老化箱分体组装方式实现。在不改变驱动箱、控制箱箱体的情况下，可以适配不同规格容量、不同类型的老化箱，使得驱动控制组件的复用率较高，从而能够降低整机成本。

1 设计实现

本文提出的芯片老化设备系统框图如图1 所示。本设备具有三个温度区域，其中驱动控制组件放置在常温区，老化板放置在可进行温度调节的高低温区，水平板在过渡区传递电源信号和驱动、测试信号。

图1 系统框图

驱动箱包括20 个驱动板、20 个水平板和多个电源模块；每层的一个驱动板驱动一个水平板再驱动一个老化板；电源模块用于为每个驱动板和每个老化板提供相应工作电源。上位机通过RS485 接口与老化箱的控制柜通信，通过RJ45/RS232 接口与驱动板通信，通过RS485 与程控电源模拟通信。

老化设备的驱动控制组件采用竖向层叠式结构实现，即一组电源模块+一块驱动板+一块水平板+一块老化板。系统框图如图1 所示。

■1.1 结构设计方案

本文将三个不同功能的独立的可移动的箱体（老化箱100、控制箱200、驱动箱300）组装在一起，三个箱体之间通过定位销及螺栓连接到一起。老化箱（主箱体110、控制柜120）主要包括老化板、老化板支架、氮气调节阀（可选）、氧气浓度传感器（可选）、10 路温度传感器、独立显示屏的温控器、陶瓷加热器、耐高温风机、电机保护器、排风阀和可编程逻辑控制器等。控制箱主要包括工控主机、显示器、不间断电源和交换机等。驱动箱主要包括水平板、驱动板、AC/DC 电源模块、交流输入漏电保护断路器和交流电源输入接口等。结构示意图如图2 所示。更换老化箱可以适配不同功能，比如风冷、水冷、压缩机制冷或氮气调节等。控制柜120 主要实现老化箱自身温度以及氧气浓度的闭环恒定控制。箱体之间的电气连接、通信连接均采用航空插头等接插件连接，便于组装与分离，提高系统的可靠性、安全性、便捷性。

图2 结构示意图

■1.2 硬件设计方案

本设备的数据通信方式包括网口、RS232 接口、RS485接口。硬件电路板的连接方式是驱动板连接水平板，水平板连接到老化箱中的老化板，板和板之间采用耐高温金手指接插件的方式连接。高温区和低温区的隔离过渡区，通过水平板分层嵌入到具有隔热层的老化箱的后背板中实现，活动式的后背板可以整体拆卸下来，从而安装、维修便捷。

硬件设计方案包括驱动电路及电源系统，并且采用竖向层叠式、每层完全独立的一对一驱动方案，即一个驱动板驱动一个水平板再驱动一个老化板。单层驱动组件和相应老化板的整体布局图如图3 所示。

图3 单层驱动组件和相应老化板的整体布局图

本设备创新性的采用双MCU(意法半导体公司的STM32H723ZGT6)+IO(恩 智浦公司的PCA6416APW) 扩展芯片架构，兼有IO 电平转换功能，其成本大约是现有的FPGA+IO 电平转换芯片架构的十分之一。双MCU 间串口通信、双网口、IO 扩展的H 型架构设计，使得输入、输出通道数量配置灵活，每个通道均可单独配置方向，实用性、实时性、灵活性好，也可以配置为单MCU 输出单MCU 输 入、双MCU 输出双MCU输入、一用一备等特色功能。驱动电路的框架图如图4 所示。

图4 驱动电路的框架图

本文的驱动电路架构设计兼容模拟器件老化板、数字器件老化板。模拟器件老化板包括：3 片I2C 总线开关芯片(美信公司的MAX7357EUG+)、电压电流监测芯片(TI 公司的INA226AIDGSR)和待测模拟器件等。数字器件老化板包括：待测数字器件、I2C 总线开关芯片（可选）、电压电流监测芯片（可选）。驱动电路包括驱动板的驱动电路和老化板的驱动电路，其中，驱动板的驱动电路包括：双MCU串口互联电路、IO 扩展电路、双串口电路和双网口电路；老化板的驱动电路包括：I2C 总线开关芯片和电压电流监测芯片。每个IO 扩展芯片有两个I2C 地址，每个MCU(STM32H723ZGT6)有5 个硬件I2C 接口，其中四个硬件I2C 接口扩展出18 个I2C 扩展IO 芯片，从而扩展出288路兼有IO 电平转换功能的双向IO 口，同时节省18 个IO 电平转换芯片，其中一个硬件I2C接口扩展出3 片I2C 总线开关芯片，从而扩展出24 路I2C 总线，实现电压电流监测，节省IO口数量。单个I2C 总线开关芯片扩展8 路I2C 总线，单路I2C 总线控制16 个电压电流监测芯片，单个I2C总线开关芯片实现128 路电压电流监测，3 片I2C 总线开关芯片总共实现384 路电压电流监测。IO 扩展芯片和I2C 总线开关芯片的原理图如图5 所示。

图5 IO 扩展芯片和I2C 总线开关芯片的原理图

电源系统包括：控制箱电源、老化箱电源、驱动箱电源。控制箱电源给电脑、UPS、显示器等设备供电，老化箱电源给风机、加热器、温度传感器、氧浓度传感器、温控器等显控系统供电，驱动箱电源分5V 和15V 两种AC/DC 电源模块、驱动板上的DC/DC 电源。单个驱动板工作电源（PS）为恒压电源模块，单个老化板工作电源（PS1～PS8）分别为0.3～12V/40A 的程控电源模块。单层驱动组件的整体电源架构包括两个供电支路，分支一：AC（220V）/DC（5V）和一个驱动板工作电源DC/DC（PS）；分支二：AC（220V）/DC（15V）和八个老化板工作电源DC/DC（PS1～PS8）。驱动箱电源采用层次化、模块化、竖向层叠式分布式架构，优点是通过竖向增加或减少层数，适配老化箱容量变化。当某个电源模块发生故障时，不会影响其他模块的正常工作，从而减少维修时间，减少故障损失。程控电源模块的原理图如图6 所示。

图6 程控电源模块的原理图

■1.3 软件设计方案

驱动板的嵌入式软件使用FreeRTOS 实时操作系统，主要包括四个任务：老化芯片的IO 状态监测任务、老化芯片的电压电流监测任务、RS232 串口通信任务、网口通信任务。其中IO 状态监测任务用于读取老化芯片的IO 口的高低电平状态信息，当出现老化芯片故障时，IO 口的输出电平就无法周期性变化或计数停止，也可以驱动IO 输出电平信号给老化芯片；电压电流监测任务用于读取电压电流监测芯片的电压和电流，进行电压电流监测，当出现异常变化、超出老化芯片的合理范围时，可以判断老化芯片故障；RS232串口通信任务用于RS232 调试信息输出及双MCU 间的数据通信；网口通信任务用于驱动板和上位机软件的双向数据通信，上位机为服务端，下位机为客户端。

控制箱上位机人机交互界面包括六个子界面。老化界面包括；电压电流监测、IO 状态监测。软件包括20 个老化子界面，要查看某个老化板的状态，可选择相应的老化板编号（1 到20 号），从下到上依次对应实际老化板。老化子界面显示全部工位图标，可双击想要查看的工位编号的方形图标，即显示“单工位视图”对话框。如果测试模拟器件即显示输入输出电压、电流数值，如果测试数字器件即显示输入输出IO 电平、频率，如果测试模拟和数字混合器件即都显示。

温控界面包括温度显示、温控器配置。根据设定的采集周期，采集、显示、存储所有温度传感器的温度值，实时记录到基于日期和时间的温度报告文件中，以便以后进行相关分析。上位机软件通过RS485 通信接口配置控制柜中的温控器，并读取温控器数据。

电源界面包括程控电源显示控制、其他常规电源采集。定期对系统内程控电源和其他常规电源进行采样，将采样的测量值记录到基于日期和时间的电源报告文件中，用于后期的相关故障分析。

报告界面包括历史报告、系统事件报告。其中历史报告记录了老化过程中发生的不同等级的事件（严重错误、一般错误、警告、提示等级别），此文件通常很重要，以确定该批次在老化过程中是否遇到任何设备故障或警报，其中系统事件报告记录特定日期内发生的系统级事件，例如用户登录、注销、电脑开关机、室门打开关闭、系统电源开关等。

工具界面包括用户类型，创建、修改、删除用户，用户权限设置，应用配置选项。

帮助界面包括软件使用说明，版本号。本文的老化设备上位机软件采用统一通信协议格式，提高通信效率和一致性，通信协议如表1 所示。

表1 通信协议

控制箱的上位机软件功能主要包括八个子功能。身份验证功能指登录验证、权限管理；界面显示功能指人机交互的全部显示界面；数据库功能指SQL Server 数据库存储；网口数据通信功能指实现与上位机的双向数据通信，上位机为Server；下位机Client；RS232 串口功能指调试功能接口；RS485 电源通信功能指程控电源接口功能；RS485 温控通信功能指老化箱通信接口功能；MES 系统互联功能指老化箱与外部MES 系统的信息交互功能。

2 结论

本文实现的分体组装方式的低成本的芯片老化设备，可以提高箱体利用率，适配不同容量、不同类型的老化箱，降低箱体成本。层次化、模块化的分布式、竖向层叠架构可以提高驱动控制组件的复用率，降低成本，可以提高可靠性，降低维修时间。通过对比两种驱动板方案得出，双MCU+IO扩展芯片+双网口的H 型架构的成本大约是FPGA+IO 电平转换芯片架构的十分之一。本文提出的设计方案可以解决现有方案的成本高，设备容量、电源系统扩容难，故障维修时间长，故障损失大，老化效率低等问题，可以有效提高设备容量扩展性及不同类型老化箱的兼容性，提高芯片老化效率，降低驱动电路成本，降低电源系统成本，降低设备成本。