周守利,莫 皓,顧 磊,程元飛

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.杭州蕭山技師學(xué)院，浙江 杭州 311200；3.上饒師范學(xué)院，江西 上饒 334001)

微波無線通信技術(shù)具有通信過程穩(wěn)定、通信容量大、建設(shè)速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)[1]。這些優(yōu)勢(shì)使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。作為微波無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，放大器芯片具有特別迫切的需求。按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 548B即微電子器件試驗(yàn)方法和程序要求，軍用微電子器件需要保證長(zhǎng)時(shí)間工作后其性能仍然是可靠的。壽命試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以保證其結(jié)果不具備早期失效的特征，期間還應(yīng)進(jìn)行定期觀察，以監(jiān)視失效率是否隨時(shí)間有顯著變化。為了在短期內(nèi)獲得正確結(jié)果，就必須加速試驗(yàn)條件來提供相應(yīng)的失效概率，以便使該樣本的失效分布能代表整體的潛在失效分布[2]。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使得研究人員在壽命試驗(yàn)的過程中清楚地了解芯片性能。

如今自動(dòng)化系統(tǒng)較多由LABVIEW或者VB語言編寫。LABVIEW使用數(shù)據(jù)流方式編程，因而存在靈活性差的缺點(diǎn)，修改程序很麻煩[3]。VB不支持繼承的編程特性，在大型的系統(tǒng)開發(fā)中會(huì)復(fù)寫大量代碼，不具備高效性。通常芯片的電性能測(cè)試硬件是探針臺(tái)，通過壓探針到芯片的PAD點(diǎn)上來獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。但是探針臺(tái)造價(jià)昂貴，并且無法精確地控制溫度，故該方法常用于晶圓的測(cè)試上。針對(duì)以上不足，開發(fā)搭建功率放大器芯片壽命試驗(yàn)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件利用C#編寫，面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê屠^承的特性大量減少代碼；豐富的控件使人機(jī)交互簡(jiǎn)單。硬件方面，將芯片通過微組裝技術(shù)裝架到可伐合金的殼體中，利用加熱和超聲能量將金絲焊接到芯片上連接外部電路[5]，將電源通過脈沖板實(shí)現(xiàn)脈沖方式供電，將殼體放入高溫箱內(nèi)，保證實(shí)驗(yàn)溫度的準(zhǔn)確，避免了探針臺(tái)等儀器的使用，大大減少成本。

1 芯片結(jié)構(gòu)與待監(jiān)測(cè)電流

待試驗(yàn)芯片為微波通信系統(tǒng)T/R組件中的功率放大器芯片，具有輸出功率大、效率高、非線性失真小、散熱性好的性能，接收發(fā)射端的匹配阻抗為50 Ω，圖1為該芯片的原理圖。

1,2,3,4—待測(cè)漏極電流；5—待測(cè)柵極電流。圖1 功率放大芯片原理圖Fig.1 The schematic diagram of power amplifier chips

T/R組件包括一個(gè)低躁放芯片主要用于接收并放大微弱信號(hào)[6]，一個(gè)多功能控制芯片主要用于將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)和控制多功能芯片，一個(gè)多功能芯片用于控制信號(hào)的移相和衰減以及發(fā)射與接收轉(zhuǎn)換，一個(gè)功放芯片主要用于放大信號(hào)。信號(hào)通過多功能芯片進(jìn)行移相處理后傳入功率放大器芯片，將信號(hào)進(jìn)一步放大，使該信號(hào)的能量達(dá)到規(guī)定要求后輸出。往往一個(gè)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)就需要幾十個(gè)或更多的T/R組件[7]。T/R組件中的各芯片連接示意圖如圖2所示。

圖2 T/R組件各芯片連接示意圖Fig.2 The image of chips connection in T/R component

在后續(xù)的可靠性壽命試驗(yàn)中主要針對(duì)功率放大器芯片的柵極偏置電流、漏極供電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。柵極供電用于控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電通道，柵極電流是判斷芯片是否會(huì)燒毀的重要指標(biāo)。漏極供電為信號(hào)放大提供能量，可通過漏極電流判斷芯片是否正常工作[8]。

2 硬件系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)整體展示

圖3為硬件系統(tǒng)整體圖。

圖3 系統(tǒng)整體圖Fig.3 The image of whole system

2.2 硬件系統(tǒng)連接

硬件系統(tǒng)主要包括由計(jì)算機(jī)、脈沖供電板、芯片夾具、直流電源、電源板、通用串行總線、通用接口總線、通用串行總線集線器、射頻信號(hào)源及函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等構(gòu)成的主監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及高溫箱等環(huán)境設(shè)備。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊與信號(hào)源模塊相連，使信號(hào)源輸出脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)再通過功分器模塊為多個(gè)芯片提供信號(hào)。并且函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊也與脈沖板模塊相連，使得電源模塊通過脈沖板后可實(shí)現(xiàn)脈沖供電。各模塊組合成一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，圖4(a，b)為單個(gè)壽命試驗(yàn)系統(tǒng)圖。

圖4 壽命試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.4 The image of life testing system

計(jì)算機(jī)擔(dān)任系統(tǒng)的總指揮，通過通用接口總線與信號(hào)源模塊、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊相連，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的設(shè)置，通過多條通用串行總線與多個(gè)直流電源模塊相連，實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖4(c，d)為多個(gè)壽命試驗(yàn)系統(tǒng)連接圖。計(jì)算機(jī)同時(shí)也存儲(chǔ)與處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將從電源讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)，并將此數(shù)據(jù)通過圖表形式顯示。

系統(tǒng)選用KEYSIGHT廠商的N5173B作為信號(hào)源，該信號(hào)源可工作在9 kHz～40 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率可達(dá)20 dBm。選用Agilent廠商的33220A(或33250A)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供脈沖，該函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生方波、脈沖波等多種波形，最高頻率可達(dá)到20 MHz。

系統(tǒng)主要選用GwinStek公司的GPD-4303S可編程4 通道直流電源供電，該電源具有恒壓輸出模式，電壓輸出范圍在0～30 V之間，滿足系統(tǒng)需要[9]。

2.3 脈沖供電板與電源供電板設(shè)計(jì)

芯片的工作條件為柵源負(fù)偏壓VG：-0.9～-0.7 V，漏源正偏壓VD：+9 V(占空比10%，脈沖寬度120 μs)。圖5為芯片工作條件波形圖。為了達(dá)到該工作條件設(shè)計(jì)脈沖供電板，主要通過一顆脈沖芯片為電源芯片提供相應(yīng)電平，實(shí)現(xiàn)脈沖供電。圖6(a，c)為脈沖板設(shè)計(jì)圖及電路原理圖。

圖5 芯片工作條件波形圖Fig.5 The waveform of chip working conditions

圖6 脈沖板及供電板圖Fig.6 The image of pulse and power supply PCB

為了提高試驗(yàn)的效率，節(jié)約高溫箱和電源等試驗(yàn)的資源，特設(shè)計(jì)電源供電板。該供電板將12 個(gè)芯片的漏極和柵極分別進(jìn)行并聯(lián)，借此可同時(shí)試驗(yàn)多個(gè)芯片。圖6(b，d)就是供電板的設(shè)計(jì)圖及原理圖。

2.4 測(cè)試夾具及外圍電路設(shè)計(jì)

為適應(yīng)壽命試驗(yàn)高溫環(huán)境，使用微組裝技術(shù)將芯片裝入測(cè)試夾具中，以此代替使用探針臺(tái)的裸片測(cè)試方法?？紤]到芯片的實(shí)際工作環(huán)境，該夾具需具備耐高溫能力，故選用含鎳29%，鈷17%的硬玻璃鐵基封接合金為材料?？紤]金絲焊接間距等設(shè)計(jì)要求，夾具長(zhǎng)22.6 mm，寬9.4 mm。圖7為測(cè)試夾具圖。將芯片上的柵極漏極供電點(diǎn)與夾具上的傳輸線通過金絲焊接相連，再由傳輸線穿過絕緣玻珠與外部電路相連，實(shí)現(xiàn)供電[10]。圖8為測(cè)試夾具外圍電路圖。

圖7 測(cè)試夾具圖Fig.7 The image of test fixture

圖8 測(cè)試夾具外圍電路圖Fig.8 The image of peripheral circuit

3 軟件系統(tǒng)組成

3.1 軟件運(yùn)行流程

軟件運(yùn)行主要包括兩個(gè)線程，主線程用于人機(jī)交互，讓使用者可以選擇是否開始監(jiān)測(cè)。后臺(tái)線程用于執(zhí)行電流的監(jiān)測(cè)。圖9為軟件運(yùn)行流程圖。

圖9 軟件運(yùn)行流程圖Fig.9 Flow chart of software operation

3.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將人工的電流檢查提升為軟件的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性與軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是密不可分的。系統(tǒng)主要由3 個(gè)部分逐級(jí)向下構(gòu)成，包括使用界面、各類儀器驅(qū)動(dòng)模塊、VISA庫以及.NET庫。圖10為軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖10 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 The image of current monitoring system structure

3.2.1 使用界面

使用界面是用戶直接面對(duì)的界面，主要是為了人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)，包括儀器設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的交互等。圖11為電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用界面窗口。

圖11 使用界面窗口圖Fig.11 The image of current monitoring system window

3.2.2 各類儀器驅(qū)動(dòng)模塊

電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含各類儀器，例如電源、信號(hào)源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等。不同類型儀器功能天差地別，故指令集常常大不相同，但相同類型不同型號(hào)的儀器功能相近，故往往存在部分相同的指令集。為減少代碼的復(fù)寫，使用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê虲#繼承的特性以及多態(tài)技術(shù)，將各類儀器封裝成單獨(dú)的庫類文件，不同型號(hào)的設(shè)備則為繼承這些庫類的子類，后續(xù)再調(diào)用。

3.2.3 VISA庫及.NET Framework庫

VISA全稱Virtual instrument software architecture，即虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范的總稱。虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)提供了應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫，稱為VISA庫。VISA庫是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的函數(shù)庫，儀器和計(jì)算機(jī)之間的通信，包括向儀器發(fā)送指令和讀取數(shù)據(jù)等，都依靠VISA庫提供的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信接口來實(shí)現(xiàn)[11]。

.NET Framework庫是一個(gè)由Microsoft .NET Framework SDK中包含的類、接口和值類型組成的庫。該庫提供對(duì)系統(tǒng)功能的訪問，是建立.NET Framework應(yīng)用程序、組件和控件的基礎(chǔ)[12]。例如.NET Framework類庫下的System.Windows.Forms命名空間包含用于創(chuàng)建基于Windows的應(yīng)用程序類，需要實(shí)現(xiàn)一種特定的功能只要聲明相應(yīng)的命名空間即可。

3.3 軟件系統(tǒng)編寫

3.3.1 用戶使用界面編寫

使用界面的編寫利用較多的C#控件例如Lable和Timer等，通過可視化編程開發(fā)者可將控件拖拽到窗口里，調(diào)整控件的參數(shù)，例如大小、位置等。用戶可以使用這些控件來調(diào)整數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，定時(shí)查詢時(shí)間間隔等。同時(shí)使用界面還包括Button和TextBox等控件，由開發(fā)者通過動(dòng)態(tài)生成的方式添加到窗口中，這些控件將通過判斷接入電源的數(shù)量來相應(yīng)生成。用戶將通過這些控件來設(shè)置儀器的參數(shù)以及控制儀器的輸入輸出。

3.3.2 儀器類庫的編寫

在儀器的類庫編寫中運(yùn)用C#的繼承特性，用少量代碼實(shí)現(xiàn)功能，并可由其他項(xiàng)目調(diào)用。每種儀器類庫都包含子父類繼承關(guān)系，圖12為各儀器類圖。

圖12 各儀器類圖Fig.12 The image of instruments class

電源類儀器類庫將power作為父類，該父類作為一個(gè)抽象類并沒有完全實(shí)現(xiàn)所有型號(hào)電源設(shè)備的每一個(gè)功能，而是將通用功能寫入方法之中，例如與計(jì)算機(jī)連接的建立和斷開buildio()/closeio()，指令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的回讀sengmessage()/readmessage()。繼承了父類的子類GPD_4303S，GPD_3303D，E3631A等則完全實(shí)現(xiàn)特定型號(hào)電源的所有功能，包括電壓與限流的設(shè)置，輸出的開啟與關(guān)閉，電壓與電流數(shù)據(jù)的回讀等。這些不同型號(hào)的電源雖然有相同的方法名，但方法內(nèi)部則需要根據(jù)相應(yīng)型號(hào)的儀器指令集編寫。信號(hào)源和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在類庫的編寫上與電源相似。圖13為電源類儀器類圖。程序?qū)⒂脩粼诳丶袀魅氲膬x器地址作為buildio()方法的參數(shù)使得儀器與計(jì)算機(jī)相連，使用Iset()/Vset()方法設(shè)置電源的電壓值以及限流值，使用Itrue()/Vtrue()方法回讀電流與電壓數(shù)據(jù)。最后使用closeio()方法斷開計(jì)算機(jī)與儀器的連接，將占用的資源釋放。

3.4 各語言對(duì)比

在儀器自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)最常用的軟件編寫語言是VB，LABVIEW，C#。VB語言是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，但是又不包含繼承的編程特性，往往要復(fù)寫大量代碼，開發(fā)效率低[13]，并且VB不支持原生多線程，對(duì)于異常的處理不完善也是重要的缺點(diǎn)。LABVIEW采用可視化的編程方法，編程過程中將虛擬儀器進(jìn)行拖拽組合，采用數(shù)據(jù)流的編程方式，缺點(diǎn)在于這種編程方式導(dǎo)致靈活性較差，不利于深度開發(fā)，當(dāng)程序出現(xiàn)問題時(shí)不便于修改。

本系統(tǒng)使用C#作為軟件的編寫語言是因?yàn)镃#是最適合.NET開發(fā)的語言，可以說C#是完全為.NET Framework設(shè)計(jì)的，是移植到其他操作系統(tǒng)上的.NET版本中主要使用的語言。其他語言例如VB在移植到其他操作系統(tǒng)上的.NET版本時(shí)將不能完全支持.NET代碼庫的某些功能，至少需要不常見的語法[14]。C#的繼承特性可以將方法、變量等由父類繼承到子類，可以減少代碼的復(fù)寫，提高開發(fā)效率。該語言的多態(tài)技術(shù)使得父類引用變量可以指向子類對(duì)象，當(dāng)有子父類關(guān)系時(shí)在使用多態(tài)后的父類引用變量調(diào)用方法時(shí)會(huì)調(diào)用子類重寫后的方法，多態(tài)技術(shù)使得程序更加高效[15]。利用C#的相應(yīng)類庫可以輕松地使用數(shù)據(jù)庫，使監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)更簡(jiǎn)單[16]。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估

以穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)中的2 000 h壽命試驗(yàn)為例，對(duì)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行使用評(píng)估。GJB 548B規(guī)定軍用微電子器件需經(jīng)過壽命試驗(yàn)，并滿足該標(biāo)準(zhǔn)的可靠性要求。高溫壽命試驗(yàn)時(shí)間與溫度的關(guān)系可通過阿倫尼斯方程得出，其計(jì)算式為

式中：Tnomal為室溫絕對(duì)溫度；Tstress為高溫下的絕對(duì)溫度；Ea為失效反應(yīng)的活化能；k為玻爾茲曼常數(shù)；Timefact為設(shè)計(jì)實(shí)際使用時(shí)間；Timetest為壽命試驗(yàn)所需時(shí)間[17-18]。

選取兩種試驗(yàn)進(jìn)行比較，試驗(yàn)條件：溫度145 ℃，柵極-0.9 V供電，漏極+9 V脈沖供電。圖14，15分別為20 組系統(tǒng)自動(dòng)記錄和人工手動(dòng)記錄的漏極及柵極電流對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)芯片漏極在脈沖供電的情況下電流呈現(xiàn)高低起伏的變化，并且系統(tǒng)數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致，變化的最大值與最小值的數(shù)值接近。由于儀器顯示位數(shù)有限，故人工記錄的柵極電流數(shù)據(jù)以1 mA為間距跳變，而系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)則在一個(gè)范圍內(nèi)變化，但兩者的變化范圍均在2 mA以內(nèi)，符合實(shí)際情況。通過數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并且及時(shí)，人工記錄一次數(shù)據(jù)大約需要1 min，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則只需要40～60 ms，數(shù)據(jù)越多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性將會(huì)越明顯。

圖15 第二種電流記錄結(jié)果對(duì)比Fig.15 The comparison of second group data

5 結(jié) 論

基于C#的功率放大器芯片電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)自主研發(fā)的功率放大器芯片開發(fā)設(shè)計(jì)。為了解決高溫條件下的電流監(jiān)測(cè)需求，利用金絲焊接技術(shù)及外圍電路設(shè)計(jì)代替了探針臺(tái)測(cè)試方案。軟件系統(tǒng)綜合了面向?qū)ο缶幊獭?dòng)態(tài)界面編程、虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)和串口通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了儀器的任意設(shè)置、多臺(tái)儀器同時(shí)控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示以及異常報(bào)警等功能。經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)滿足及時(shí)性好，準(zhǔn)確性高，操作簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)需求，很大程度上減少了人工作業(yè)，通過1 000 h或2 000 h的試驗(yàn)就能夠驗(yàn)證10～20 年期間使用的可靠性，提高了試驗(yàn)的效率。