硬件可靠性測試方法詳解

從硬件角度出發(fā)，可靠性測試分為兩類：

以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的可靠性測試。比如電磁兼容試驗(yàn)、氣候類環(huán)境試驗(yàn)、機(jī)械類環(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)所開發(fā)的測試項(xiàng)目。比如一些故障模擬測試、電壓拉偏測試、快速上下電測試等。

下面分別介紹這兩類可靠性測試。

1 基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測試方法

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)、國家標(biāo)準(zhǔn)制定者給出了某類產(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)品測試規(guī)格。

在產(chǎn)品的測試階段，我們必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)足夠的測試樣本一一施加相應(yīng)的應(yīng)力類型和應(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，常見的測試項(xiàng)目至少包括電磁兼容試驗(yàn)、安規(guī)試驗(yàn)、氣候類環(huán)境試驗(yàn)和機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)，而上述四類測試項(xiàng)目還包含很多測試子項(xiàng)，比如氣候類環(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。此類測試項(xiàng)目還有很多，這里就不做詳細(xì)介紹?？偟亩?，所有的測試項(xiàng)目都屬于規(guī)格符合性測試（即PASS或者FAIL測試），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)的可靠性測試方法

由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的功能千差萬別，應(yīng)用場合可能是各種各樣的，而與可靠性測試相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下只給出了某類產(chǎn)品的測試應(yīng)力條件，并沒有指明被測設(shè)備在何種工作狀態(tài)或配置組合下接受測試，因此在測試設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)遺漏某些測試組合。比如機(jī)框式產(chǎn)品，線卡種類、線卡安裝位置、報(bào)文類型、系統(tǒng)電源配置均可靈活搭配，這涉及到的測試組合會(huì)較多，這測試組合中必然會(huì)存在比較極端的測試組合。再如驗(yàn)證該機(jī)框的系統(tǒng)散熱性能，最差的測試組合是在散熱條件機(jī)框上滿配最大功率的線卡板；如果考慮其某線卡板低溫工作性能，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，在做測試設(shè)計(jì)時(shí)，需要跳出傳統(tǒng)測試規(guī)格和測試標(biāo)準(zhǔn)的限制，以產(chǎn)品應(yīng)用的角度進(jìn)行測試設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品的典型應(yīng)用組合、滿配置組合或者極端測試組合下的每一個(gè)硬件特性、硬件功能都充分暴露在各種測試應(yīng)力下，這個(gè)環(huán)節(jié)的測試保證了，產(chǎn)品的可靠性才得到保證。

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

2.1 實(shí)例一：包處理器外掛緩存（Buffer）的并行總線測試

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)訪問存儲(chǔ)器(即RAM)用來緩存包。由于包處理和RAM之間通過高速并行總線互連，一般該并行總線的工作時(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)品器件密度越來越高的情況下，產(chǎn)品很可能遇到串?dāng)_、開關(guān)同步噪音（SSN）等嚴(yán)重的信號(hào)質(zhì)量問題，針對(duì)上述可能遇到的問題，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)_，簡單的來說是一種干擾，由于ASIC內(nèi)部、外部走線的原因，一根信號(hào)線上的跳動(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)的可靠性帶來很大影響。在測試設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)被測設(shè)備施加一種特殊的業(yè)務(wù)負(fù)荷，讓被測試總線出現(xiàn)大量的特定的信號(hào)跳變，即讓總線暴露在盡可能大的串?dāng)_條件下，并用示波器觀察個(gè)總線信號(hào)質(zhì)量是否可接受、監(jiān)控業(yè)務(wù)是否正常。以16位并行總線為例，為了將這種串?dāng)_影響極端化，設(shè)計(jì)測試報(bào)文時(shí)將16根信號(hào)中有15根線（即攻擊信號(hào)線Agressor）的跳變方向一致，即15根信號(hào)線都同時(shí)從0跳變到1，同時(shí)讓另一根被干擾的信號(hào)線（即Victim）從1下跳到0，讓16根線都要遍歷這個(gè)情況。

開關(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)開關(guān)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬間變化的大電流，在經(jīng)過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，必須被測設(shè)備（DUT）加上一種特殊的測試負(fù)荷，即特殊的測試報(bào)文。

舉例：
如果被測總線為16位寬，要使所有16跟信號(hào)線同步翻轉(zhuǎn)，報(bào)文內(nèi)容應(yīng)該為：
FFFF 0000 FFFF 0000
如果被測總線為32位寬，要使所有32跟信號(hào)線同步翻轉(zhuǎn)，測試報(bào)文內(nèi)容應(yīng)該為：
FFFF FFFF 0000 0000 FFFF FFFF 0000 0000
如果被測總線為64位寬，要使所有64根信號(hào)線同步翻轉(zhuǎn)，測試報(bào)文內(nèi)容應(yīng)該為：
FFFF FFFF FFFF FFFF 0000 0000 0000 0000 FFFF FFFF FFFF FFFF 0000 0000 0000 0000
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，業(yè)務(wù)測試必須加載上述的報(bào)文，看DUT UUT在每種報(bào)文下工作是否正常，同時(shí)在相應(yīng)總線上進(jìn)行信號(hào)測試，看信號(hào)是否正常。

2.2 實(shí)例二：熱測試

熱測試通過使用多通道點(diǎn)溫計(jì)測量產(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)測的輸入條件，它是產(chǎn)品開發(fā)過程中的一個(gè)重要的可靠性活動(dòng)。

一般而言，熱測試主要是為了驗(yàn)證產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)是否滿足產(chǎn)品的工作溫度范圍規(guī)格，是實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)測試，這意味著為了保證測試結(jié)果的一致性，必然對(duì)測試環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格要求，比如要求被測設(shè)備在一定范圍內(nèi)無熱源和強(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，測試此類設(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)備擺放在桌子熱測試通過，并不代表設(shè)備掛在墻上熱測試也能通過。

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，做類似產(chǎn)品的熱測試時(shí)，必須考慮到產(chǎn)品在此情況下熱測試是否符合要求。

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，熱測試時(shí)必須將被測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，后讓被測單板輔助單板和滿負(fù)荷工作，在這種業(yè)務(wù)配置條件下進(jìn)行熱測試。

3 總結(jié)

針對(duì)不同的產(chǎn)品形態(tài)，硬件可靠性測試項(xiàng)目可能有所差異，但是其測試的基本思想是一致的，其基本的思路都是完備分析測試對(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、改變設(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，遺漏任何一種測試組合必然會(huì)影響到對(duì)產(chǎn)品的可靠性。