羅欣兒，李傳業(yè)，皮志武，許建強(qiáng)，雷曉敏

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

硬件白盒測(cè)試是指在理解產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)原理、熟悉產(chǎn)品的特性并充分地了解產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景的情況下，根據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理、物理特性和應(yīng)用要求對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部的硬件電路及元器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行的測(cè)試。

傳統(tǒng)的黑盒測(cè)試是基于產(chǎn)品功能的測(cè)試驗(yàn)證，將產(chǎn)品看作一個(gè)黑匣子，從外部對(duì)其施加各種激勵(lì)并觀察產(chǎn)品的響應(yīng)，以期產(chǎn)品功能失效從而暴露產(chǎn)品的缺陷。從工程實(shí)踐的效果來(lái)看，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，這樣的黑盒測(cè)試可能對(duì)質(zhì)量和可靠性的提升有較為明顯的促進(jìn)作用。隨著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜并逐漸走向成熟后，僅依靠以產(chǎn)品功能為判定依據(jù)的黑盒測(cè)試已經(jīng)很難暴露出產(chǎn)品的缺陷。導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的原因一方面是由于施加的各種激勵(lì)和應(yīng)力（無(wú)論是電信號(hào)的輸入、機(jī)械振動(dòng)、沖擊應(yīng)力和氣候條件）往往都很難真實(shí)地再現(xiàn)使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，另一方面則是由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已日趨復(fù)雜，很多由外部注入的激勵(lì)所產(chǎn)生的異常在進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部時(shí)已被過(guò)濾掉，并不能在產(chǎn)品的整體功能或性能指標(biāo)上有所體現(xiàn)。然而真正承受異常應(yīng)力的元器件或單元電路雖然已經(jīng)工作在正常區(qū)間意外甚至是過(guò)應(yīng)力狀態(tài)，但往往不會(huì)因?yàn)橐淮萎惓；蚨虝旱倪^(guò)應(yīng)力作用而完全的失效。黑盒測(cè)試會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)品功能和性能未發(fā)生失效而認(rèn)為產(chǎn)品通過(guò)測(cè)試，導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，除了開(kāi)展基于產(chǎn)品功能、性能的黑盒測(cè)試外，還需要開(kāi)展針對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部單元電路和元器件參數(shù)的硬件白盒測(cè)試。通過(guò)硬件白盒測(cè)試可以檢查產(chǎn)品在特定環(huán)境和工況下產(chǎn)品內(nèi)部單元電路和元器件的關(guān)鍵參數(shù)，了解單元電路和元器件的工作狀態(tài)和工作區(qū)間，從而達(dá)到識(shí)別產(chǎn)品潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)的目的。

產(chǎn)品需要承受的應(yīng)力不是一成不變的，在不同的時(shí)間、不同的環(huán)境和不同的工況下產(chǎn)品所需要承受的應(yīng)力類(lèi)型和應(yīng)力強(qiáng)度都不一樣。在最壞的情況下，作用在產(chǎn)品上的應(yīng)力會(huì)達(dá)到最大值，對(duì)產(chǎn)品的影響最大。因此，在進(jìn)行硬件白盒測(cè)試時(shí)應(yīng)考慮可能存在的最壞情況。在可能存在的最壞情況下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，以求測(cè)得正常使用時(shí)施加在產(chǎn)品上的應(yīng)力的最大值。硬件白盒測(cè)試的基本要求如下：1）基于失效機(jī)理開(kāi)展測(cè)試，在可能導(dǎo)致產(chǎn)品單元電路及元器件發(fā)生失效的應(yīng)力或參數(shù)條件下進(jìn)行測(cè)試；2）盡可能地在存在的最壞工況情況下對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部單元電路和元器件進(jìn)行測(cè)試，以獲取應(yīng)力的最大值。

1 白盒測(cè)試在IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路可靠性驗(yàn)證中的應(yīng)用

1.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路的特點(diǎn)及硬件白盒測(cè)試的要點(diǎn)

IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路的系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。IGBT模塊集成兩個(gè)分立IGBT器件，分別應(yīng)用于系統(tǒng)整流逆變電路的上下橋臂。IGBT是電壓型驅(qū)動(dòng)器件[1]，為了抗干擾，IGBT的開(kāi)通關(guān)斷由柵極正負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)控制。因此IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)采用的是多路輸出，含正負(fù)電壓的雙管正激式開(kāi)關(guān)電源[2]。

圖1 IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路系統(tǒng)框圖

IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路是純硬件電路，是由MOSFET、二極管和電源控制芯片等分立器件組成的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。根據(jù)電源電路可能的失效機(jī)理，綜合分析系統(tǒng)工作原理、電路板卡在產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下所承受的應(yīng)力情況和節(jié)點(diǎn)電路及器件在此系統(tǒng)下的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)其單元電路及元器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。驗(yàn)證電路在實(shí)際工作時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，從而有針對(duì)性地提前發(fā)現(xiàn)電路（產(chǎn)品）的潛在缺陷和風(fēng)險(xiǎn)。IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路硬件白盒測(cè)試主要從電應(yīng)力降額測(cè)試、電源完整性測(cè)試、信號(hào)完整性測(cè)試和熱應(yīng)力測(cè)試等維度去設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案。電應(yīng)力降額測(cè)試是評(píng)估器件電應(yīng)力余量是否滿足設(shè)計(jì)要求。電源完整性評(píng)估各個(gè)電源信號(hào)的性能參數(shù)是否符合受電電路（器件）需求。信號(hào)完整性重點(diǎn)關(guān)注功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量。熱應(yīng)力測(cè)試評(píng)估器件實(shí)際使用是否滿足熱降額使用要求。

1.2 硬件白盒測(cè)試在IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路可靠性評(píng)估中的應(yīng)用

1.2.1 電應(yīng)力降額測(cè)試

過(guò)電應(yīng)力是器件的主要失效機(jī)理[3]，也是導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障的主要原因之一。產(chǎn)品在外場(chǎng)的實(shí)際使用環(huán)境往往會(huì)比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更惡劣、更復(fù)雜、更多變，如果產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用時(shí)，元器件應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，則在外場(chǎng)使用時(shí)有很大的概率會(huì)發(fā)生失效。此外，部分元器件長(zhǎng)時(shí)間工作在強(qiáng)電應(yīng)力狀態(tài)會(huì)加速其退化，縮短產(chǎn)品的使用壽命。因此有必要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮元器件的電應(yīng)力降額，使元器件留有足夠的設(shè)計(jì)余量。元器件降額使用可以有效地降低其失效風(fēng)險(xiǎn)。

白盒測(cè)試能有效地驗(yàn)證電路器件的電應(yīng)力降額設(shè)計(jì)[4]。結(jié)合元器件的主要失效機(jī)理進(jìn)行電路分析，識(shí)別能夠?qū)е略骷У闹饕姂?yīng)力及可能誘發(fā)過(guò)電應(yīng)力的影響因素。根據(jù)這些因素設(shè)計(jì)白盒測(cè)試方案，盡可能地使元器件工作于最壞工況下。并在最壞工況下，測(cè)試可能導(dǎo)致元器件失效的主要應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度。元器件的實(shí)測(cè)電應(yīng)力強(qiáng)度與元器件規(guī)格書(shū)中電應(yīng)力的額定值之比即是元器件在最壞工況下的應(yīng)力比。降額標(biāo)準(zhǔn)可以參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如：本文論述電路板卡應(yīng)用于民品上時(shí)的降額標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以參考民品和工業(yè)品的標(biāo)準(zhǔn)IPC-9592B 2012“Requirements for Power Conversion Devices for the Computer and Telecommunications Industries”[5]。

IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路的主要器件的失效機(jī)理及白盒測(cè)試點(diǎn)如表1所示。值得注意的是，在條件允許的情況下，硬件白盒測(cè)試應(yīng)盡可能地覆蓋電路板卡中所有器件的測(cè)試。某濾波電解電容紋波電流白盒測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表2中可以發(fā)現(xiàn)器件在某特定工況下存在紋波電流降額不足的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

表1 IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路板卡主要器件失效機(jī)理及白盒測(cè)試點(diǎn)

表2 IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路板卡某電解電容白盒測(cè)試結(jié)果

1.2.2 信號(hào)完整性測(cè)試

信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量，即信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力。如果電路中信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度達(dá)到接收器，則可以確定該電路具有較好的信號(hào)完整性；反之，當(dāng)信號(hào)不能正確響應(yīng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。信號(hào)完整性包括由于互連、電源和器件等所引起的所有信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題[5]。信號(hào)完整性問(wèn)題能導(dǎo)致或者直接帶來(lái)諸如信號(hào)失真、控制失誤等問(wèn)題，甚至使系統(tǒng)崩潰。

硬件白盒測(cè)試是驗(yàn)證電路信號(hào)完整性的有效手段。各類(lèi)信號(hào)包括電平信號(hào)、控制信號(hào)和各種總線信號(hào)等，與其信號(hào)完整性相關(guān)的參數(shù)都是有限的且基本相同的（如信號(hào)電平、信號(hào)質(zhì)量、信號(hào)頻率、上升下降時(shí)間、占空比和時(shí)序等）。白盒測(cè)試驗(yàn)證這些參數(shù)在電路系統(tǒng)各種工況下是否符合設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足器件產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格要求。

在IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路中，信號(hào)完整性測(cè)試重點(diǎn)關(guān)注功率MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量。MOSFET柵極信號(hào)（Vgs）由電源芯片控制發(fā)出。在單板中傳輸時(shí)，因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)和線路干擾等原因，可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET Vgs出現(xiàn)過(guò)沖、毛刺、回勾和振蕩等信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題。幾類(lèi)典型信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題如圖2所示。MOSFET的開(kāi)通關(guān)斷有固定的閾值，這些信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題可能會(huì)引起MOSFET開(kāi)關(guān)動(dòng)作錯(cuò)誤，導(dǎo)致電源工作異常，甚至損壞器件。白盒測(cè)試在各種工況組合下，用示波器監(jiān)測(cè)MOFET Vgs信號(hào)波形，觀察是否出現(xiàn)上述信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題。

圖2 典型的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題

1.2.3 電源完整性測(cè)試

電源完整性測(cè)試的目的是確認(rèn)電源來(lái)源及目的端的電壓及電流是否符合需求。在電路設(shè)計(jì)中，電源質(zhì)量的好壞對(duì)單板能否穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，一旦電源出現(xiàn)問(wèn)題，輕則導(dǎo)致單板部分功能失效、邏輯錯(cuò)誤，重則使系統(tǒng)功能崩潰甚至損傷器件。對(duì)電源質(zhì)量的測(cè)試一方面可以評(píng)估電源本身的性能，另一方面也可以發(fā)現(xiàn)因設(shè)計(jì)和布局布線等導(dǎo)致的電源質(zhì)量不佳等問(wèn)題。

在電源完整性白盒測(cè)試中，理論上應(yīng)評(píng)價(jià)電路系統(tǒng)中所有涉及電源信號(hào)的質(zhì)量，例如：轉(zhuǎn)換芯片（如線型穩(wěn)壓器）、電源模塊（如DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、AC/DC轉(zhuǎn)換模塊）和芯片的電源端（如VDD、VCC）的電源信號(hào)質(zhì)量。與電源信號(hào)質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)有幅值、紋波、噪聲、電流/功率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及上/下電沖擊和上/下電時(shí)序等。在電路系統(tǒng)各種工況組合下，測(cè)試電源質(zhì)量參數(shù)，電源參數(shù)測(cè)試的合格判據(jù)以滿足受電器件的用電要求為原則。以IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路白盒測(cè)試為例，電源完整性白盒測(cè)試覆蓋電路中的每個(gè)電源信號(hào)，包括雙管正激電路兩組主輸出正負(fù)電壓、輔助繞組電壓和電源控制芯片VCC信號(hào)等。

1.2.4 熱應(yīng)力測(cè)試

過(guò)熱應(yīng)力是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效的主要因素之一。因此，器件熱應(yīng)力測(cè)試對(duì)產(chǎn)品可靠性評(píng)估至關(guān)重要。理論上，硬件白盒測(cè)試的熱應(yīng)力評(píng)估應(yīng)覆蓋電路板卡的所有元器件，實(shí)際上，由于測(cè)試設(shè)備資源的限制，通常會(huì)根據(jù)電路、產(chǎn)品工作原理和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，篩選出受熱應(yīng)力影響較大或發(fā)熱量較大的關(guān)鍵器件進(jìn)行溫升評(píng)估。IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路板卡關(guān)鍵器件熱失效機(jī)理和白盒測(cè)試測(cè)試點(diǎn)如表3所示[6]。綜合考慮產(chǎn)品的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件，設(shè)計(jì)出器件承受最?lèi)毫訜釕?yīng)力工況（如設(shè)置負(fù)載為最重載，輸入高低電壓等），測(cè)試器件的溫度。在電源穩(wěn)定運(yùn)行和所測(cè)器件溫度穩(wěn)定后，通過(guò)測(cè)溫儀器（如熱電偶儀等）直接測(cè)量和記錄器件的殼溫。元器件的實(shí)測(cè)溫度與元器件規(guī)格書(shū)額定值溫度之比即是元器件的熱應(yīng)力比，降額標(biāo)準(zhǔn)可以通過(guò)查詢相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)獲得。

表3 IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路關(guān)鍵器件熱失效機(jī)理和白盒測(cè)試測(cè)試點(diǎn)

值得注意的是，半導(dǎo)體器件和集成電路規(guī)格中給出的溫度規(guī)格值一般均為最高結(jié)溫。降額標(biāo)準(zhǔn)中，一般也以結(jié)溫作為降額對(duì)象。因此，測(cè)得的外殼溫升需要通過(guò)換算才能得到目標(biāo)元器件的最高結(jié)溫[7]。

2 結(jié)束語(yǔ)

IGBT驅(qū)動(dòng)電源電路中，硬件白盒測(cè)試針對(duì)電子器件和單元電路的失效機(jī)理，從電應(yīng)力降額測(cè)試、電源完整性測(cè)試、信號(hào)完整性測(cè)試和熱應(yīng)力測(cè)試等維度去設(shè)計(jì)測(cè)試驗(yàn)證方案，測(cè)試在各種工況下器件的參數(shù)和電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電參數(shù)。判斷測(cè)試結(jié)果是否符合可靠性要求，暴露電路（產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)缺陷，從而達(dá)到提前識(shí)別產(chǎn)品的潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)和可靠性評(píng)估的目標(biāo)。