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硬件可靠性測(cè)試設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2011-03-23

中心議題:
  • 基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測(cè)試方法
  • 企業(yè)設(shè)計(jì)的可靠性測(cè)試方法
解決方案:
  • 包處理器外掛緩存(Buffer)的并行總線(xiàn)測(cè)試
  • 產(chǎn)品設(shè)計(jì)熱測(cè)試

從硬件角度出發(fā),可靠性測(cè)試分為兩類(lèi):

以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的可靠性測(cè)試。比如電磁兼容試驗(yàn)、氣候類(lèi)環(huán)境試驗(yàn)、機(jī)械類(lèi)環(huán)境試驗(yàn)和安規(guī)試驗(yàn)等。

企業(yè)自身根據(jù)其產(chǎn)品特點(diǎn)和對(duì)質(zhì)量的認(rèn)識(shí)所開(kāi)發(fā)的測(cè)試項(xiàng)目。比如一些故障模擬測(cè)試、電壓拉偏測(cè)試、快速上下電測(cè)試等。

下面分別介紹這兩類(lèi)可靠性測(cè)試。

1基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測(cè)試方法

產(chǎn)品在生命周期內(nèi)必然承受很多外界應(yīng)力,常見(jiàn)的應(yīng)力有業(yè)務(wù)負(fù)荷、溫度、濕度、粉塵、氣壓、機(jī)械應(yīng)力等。各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定者給出了某類(lèi)產(chǎn)品在何種應(yīng)用環(huán)境下會(huì)存在多大的應(yīng)力等級(jí),而標(biāo)準(zhǔn)使用者要根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境和對(duì)質(zhì)量的要求選定相應(yīng)的測(cè)試條件即應(yīng)力等級(jí),這個(gè)選定的應(yīng)力等級(jí)實(shí)質(zhì)上就是產(chǎn)品測(cè)試規(guī)格。

在產(chǎn)品的測(cè)試階段,我們必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)足夠的測(cè)試樣本一一施加相應(yīng)的應(yīng)力類(lèi)型和應(yīng)力等級(jí),考察產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性。對(duì)于通信設(shè)備而言,常見(jiàn)的測(cè)試項(xiàng)目至少包括電磁兼容試驗(yàn)、安規(guī)試驗(yàn)、氣候類(lèi)環(huán)境試驗(yàn)和機(jī)械環(huán)境試驗(yàn),而上述四類(lèi)測(cè)試項(xiàng)目還包含很多測(cè)試子項(xiàng),比如氣候類(lèi)環(huán)境試驗(yàn)還包括高溫工作試驗(yàn)、低溫工作試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)等。此類(lèi)測(cè)試項(xiàng)目還有很多,這里就不做詳細(xì)介紹??偟亩?,所有的測(cè)試項(xiàng)目都屬于規(guī)格符合性測(cè)試(即PASS或者FAIL測(cè)試),試驗(yàn)的目的都是模擬產(chǎn)品在生命周期內(nèi)承受應(yīng)力類(lèi)型和應(yīng)力等級(jí),考察其工作穩(wěn)定性。

2企業(yè)設(shè)計(jì)的可靠性測(cè)試方法

由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的功能千差萬(wàn)別,應(yīng)用場(chǎng)合可能是各種各樣的,而與可靠性測(cè)試相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),一般情況下只給出了某類(lèi)產(chǎn)品的測(cè)試應(yīng)力條件,并沒(méi)有指明被測(cè)設(shè)備在何種工作狀態(tài)或配置組合下接受測(cè)試,因此在測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)遺漏某些測(cè)試組合。比如機(jī)框式產(chǎn)品,線(xiàn)卡種類(lèi)、線(xiàn)卡安裝位置、報(bào)文類(lèi)型、系統(tǒng)電源配置均可靈活搭配,這涉及到的測(cè)試組合會(huì)較多,這測(cè)試組合中必然會(huì)存在比較極端的測(cè)試組合。再如驗(yàn)證該機(jī)框的系統(tǒng)散熱性能,最差的測(cè)試組合是在散熱條件機(jī)框上滿(mǎn)配最大功率的線(xiàn)卡板;如果考慮其某線(xiàn)卡板低溫工作性能,比較極端的組合時(shí)是在散熱條件最好的機(jī)框上配置最少的單板且配置的單板功耗最小,并且把單板放置在散熱最好的槽位上。

總之,在做測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí),需要跳出傳統(tǒng)測(cè)試規(guī)格和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的限制,以產(chǎn)品應(yīng)用的角度進(jìn)行測(cè)試設(shè)計(jì),保證產(chǎn)品的典型應(yīng)用組合、滿(mǎn)配置組合或者極端測(cè)試組合下的每一個(gè)硬件特性、硬件功能都充分暴露在各種測(cè)試應(yīng)力下,這個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試保證了,產(chǎn)品的可靠性才得到保證。

以下舉兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)計(jì)出可靠性測(cè)試方法。

2.1實(shí)例一:包處理器外掛緩存(Buffer)的并行總線(xiàn)測(cè)試

為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)流量和進(jìn)行流量管理,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的包處理器通常都外掛了各種隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器(即RAM)用來(lái)緩存包。由于包處理和RAM之間通過(guò)高速并行總線(xiàn)互連,一般該并行總線(xiàn)的工作時(shí)鐘頻率可能高達(dá)800Mhz,并且信號(hào)數(shù)量眾多,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,在產(chǎn)品器件密度越來(lái)越高的情況下,產(chǎn)品很可能遇到串?dāng)_、開(kāi)關(guān)同步噪音(SSN)等嚴(yán)重的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題,針對(duì)上述可能遇到的問(wèn)題,我們需進(jìn)行仔細(xì)的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì),讓相應(yīng)硬件電路的充分暴露在不利的物理?xiàng)l件下,看其工作是否穩(wěn)定。

串?dāng)_,簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)是一種干擾,由于ASIC內(nèi)部、外部走線(xiàn)的原因,一根信號(hào)線(xiàn)上的跳動(dòng)會(huì)對(duì)其他信號(hào)產(chǎn)生不期望的電壓噪聲干擾。為了提高電路工作速率和減少低功耗,信號(hào)的幅度往往很低,一個(gè)很小的信號(hào)干擾可能導(dǎo)致數(shù)字0或者1電平識(shí)別錯(cuò)誤,這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)很大影響。在測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)被測(cè)設(shè)備施加一種特殊的業(yè)務(wù)負(fù)荷,讓被測(cè)試總線(xiàn)出現(xiàn)大量的特定的信號(hào)跳變,即讓總線(xiàn)暴露在盡可能大的串?dāng)_條件下,并用示波器觀察個(gè)總線(xiàn)信號(hào)質(zhì)量是否可接受、監(jiān)控業(yè)務(wù)是否正常。以16位并行總線(xiàn)為例,為了將這種串?dāng)_影響極端化,設(shè)計(jì)測(cè)試報(bào)文時(shí)將16根信號(hào)中有15根線(xiàn)(即攻擊信號(hào)線(xiàn)Agressor)的跳變方向一致,即15根信號(hào)線(xiàn)都同時(shí)從0跳變到1,同時(shí)讓另一根被干擾的信號(hào)線(xiàn)(即Victim)從1下跳到0,讓16根線(xiàn)都要遍歷這個(gè)情況。

開(kāi)關(guān)同步噪音也是RAM高速并行接口可能出現(xiàn)的我們所不期望的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)IC的驅(qū)動(dòng)器同時(shí)開(kāi)關(guān)時(shí),會(huì)產(chǎn)生瞬間變化的大電流,在經(jīng)過(guò)回流途徑上存在的電感時(shí),形成交流壓降,從而產(chǎn)生噪音噪聲(稱(chēng)為SSN),它可能影響信號(hào)接收端的信號(hào)電平判決。這是并行總線(xiàn)非常惡劣的一種工作狀態(tài),對(duì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的高速信號(hào)轉(zhuǎn)變能力、驅(qū)動(dòng)能力、電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、電源的濾波設(shè)計(jì)構(gòu)成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了驗(yàn)證產(chǎn)品在這種的工作條件下工作是否可靠,必須被測(cè)設(shè)備(DUT)加上一種特殊的測(cè)試負(fù)荷,即特殊的測(cè)試報(bào)文。
舉例:
如果被測(cè)總線(xiàn)為16位寬,要使所有16跟信號(hào)線(xiàn)同步翻轉(zhuǎn),報(bào)文內(nèi)容應(yīng)該為:
FFFF0000FFFF0000
如果被測(cè)總線(xiàn)為32位寬,要使所有32跟信號(hào)線(xiàn)同步翻轉(zhuǎn),測(cè)試報(bào)文內(nèi)容應(yīng)該為:
FFFFFFFF00000000FFFFFFFF00000000
如果被測(cè)總線(xiàn)為64位寬,要使所有64根信號(hào)線(xiàn)同步翻轉(zhuǎn),測(cè)試報(bào)文內(nèi)容應(yīng)該為:
FFFFFFFFFFFFFFFF0000000000000000FFFFFFFFFFFFFFFF0000000000000000

如果報(bào)文在DUT內(nèi)部的業(yè)務(wù)通道同時(shí)存在上述位寬的總線(xiàn),業(yè)務(wù)測(cè)試必須加載上述的報(bào)文,看DUTUUT在每種報(bào)文下工作是否正常,同時(shí)在相應(yīng)總線(xiàn)上進(jìn)行信號(hào)測(cè)試,看信號(hào)是否正常。

2.2實(shí)例二:熱測(cè)試

熱測(cè)試通過(guò)使用多通道點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量產(chǎn)品內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵器件的溫度分布狀況,測(cè)試結(jié)果是計(jì)算器件壽命(如E-Cap)、以及產(chǎn)品可靠性指標(biāo)預(yù)測(cè)的輸入條件,它是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要的可靠性活動(dòng)。

一般而言,熱測(cè)試主要是為了驗(yàn)證產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足產(chǎn)品的工作溫度范圍規(guī)格,是實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)測(cè)試,這意味著為了保證測(cè)試結(jié)果的一致性,必然對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格要求,比如要求被測(cè)設(shè)備在一定范圍內(nèi)無(wú)熱源和強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)備運(yùn)行、表面不能覆蓋任何異物。但實(shí)際上很多產(chǎn)品的工作環(huán)境跟上述測(cè)試環(huán)境是有差異的:

有些產(chǎn)品使用時(shí)可能放在桌子上,也可能掛在墻上,而這些設(shè)備基本上靠自然散熱,安裝方法不同會(huì)直接影響到設(shè)備的熱對(duì)流,進(jìn)而影響到設(shè)備內(nèi)部的溫度分布。因此,測(cè)試此類(lèi)設(shè)備時(shí)必須考慮不同的安裝位置,在實(shí)驗(yàn)室條件把設(shè)備擺放在桌子熱測(cè)試通過(guò),并不代表設(shè)備掛在墻上熱測(cè)試也能通過(guò)。

有些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在網(wǎng)吧行業(yè)用得比較多,幾臺(tái)設(shè)備疊在一起使用比較常見(jiàn),做類(lèi)似產(chǎn)品的熱測(cè)試時(shí),必須考慮到產(chǎn)品在此情況下熱測(cè)試是否符合要求。

一些機(jī)框式設(shè)備,由于槽位比較多,風(fēng)道設(shè)計(jì)可能存在一定的死角。如果被測(cè)對(duì)象是一塊業(yè)務(wù)板,而這塊可以隨便插在多個(gè)業(yè)務(wù)卡槽位,熱測(cè)試時(shí)必須將被測(cè)板放在散熱最差的槽位,并且在其旁邊槽位插入規(guī)格所能支持的大功耗業(yè)務(wù)板,后讓被測(cè)單板輔助單板和滿(mǎn)負(fù)荷工作,在這種業(yè)務(wù)配置條件下進(jìn)行熱測(cè)試。

針對(duì)不同的產(chǎn)品形態(tài),硬件可靠性測(cè)試項(xiàng)目可能有所差異,但是其測(cè)試的基本思想是一致的,其基本的思路都是完備分析測(cè)試對(duì)象可能的應(yīng)用環(huán)境,在可能的應(yīng)用環(huán)境下會(huì)承受可能工作狀態(tài)包括極限工作狀態(tài),在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制造各種應(yīng)力條件、改變?cè)O(shè)備工作狀態(tài),設(shè)法讓產(chǎn)品的每一個(gè)硬件特性、硬件功能都一一暴露在各種極限應(yīng)力下,遺漏任何一種測(cè)試組合必然會(huì)影響到對(duì)產(chǎn)品的可靠性。
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