Позвоните нам:
Б.Н. Лисенков, ст. н. сотр., ОАО “МНИПИ”
Н.В. Грицев, инж.-констр. ОАО “МНИПИ”
А.Г. Петрович, нач. отдела, ОАО “МНИПИ”
Контроль электрических параметров электронных компонентов
Электронные компоненты (ЭК), применяемые в изделиях специального назначения, в аэрокосмической аппаратуре и в радиоэлектронных системах сопряженных с источниками повышенной опасности (транспорт, экология, энергетика) должны удовлетворять высоким требованиям к надежности их функционирования в жестких условиях эксплуатации.
Контроль электрических параметров ЭК, предназначенных для создания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) высокой надежности, осуществляют изготовители ЭК, начиная от отработки технологии изготовления до выходного контроля, и изготовители РЭА на этапе входного контроля.
Особый интерес, с точки зрения повышения надежности РЭА, представляет контроль ЭК, которые должны обеспечить надежное функционирование при работе с токами и напряжениями сопоставимыми с предельными значениями параметров этих компонентов.
К таким ЭК можно отнести, например, элементы используемые в высокоомных цепях, которые должны гарантировать минимальные токи утечки в условиях эксплуатации, и силовые компоненты, режим работы которых в преобразователях электроэнергии и в выходных каскадах передающих устройств, как правило, сопоставим с их предельными возможностями по току, напряжению и рассеиваемой мощности.
Даже небольшое изменение параметров этих компонентов может существенно увеличить вероятность отказа РЭА. Поэтому, контрольно-измерительная аппаратура должна обеспечить контроль электрических параметров ЭК в широких диапазонах тока и напряжения.
Наиболее универсальными приборами, которые выполняют измерение, расчет и контроль по признаку годности электрических параметров ЭК являются программируемые анализаторы вольтамперных характеристик (ВАХ).
Эти приборы оперативно определяют искомые параметры и их функциональные зависимости путем непосредственного измерения или расчета, но ни один из них не обеспечивает контроль во всем диапазоне токов и напряжений, в котором работают современные ЭК.
Ниже рассмотрены возможности программируемых измерителей и анализаторов ВАХ выполненных на основе компьютера ведущих приборостроительных фирм с точки зрения достигнутых диапазонов измерения по току и по напряжению и используемые в этих приборах методы формирования испытательного сигнала развертки, благодаря которым эти диапазоны достигнуты.
На основании используемых методов формирования испытательного сигнала современные измерители ВАХ можно разделить на три группы.
К первой группе относятся прецизионные приборы, основанные на формировании ступенчатого сигнала развертки с помощью глубокой отрицательной обратной связи, получившие наибольшее распространение. В приборах этого типа каждая ступенька испытательного сигнала, тока или напряжения, представлена в виде постоянного уровня.
Рисунок 1а иллюстрирует области измерения ВАХ в координатах напряжение – ток для трех рассмотренных ниже методов формирования сигнала развертки воздействующего на объект тестирования, а рисунок 1б - соответствие между максимальными значениями мощности и тока сигнала развертки формируемого согласно этим методам.
|
|
|
|
а) - области измерения ВАХ в координатах напряжение – ток. |
б) - соответствие диапазонов тока и мощности измерителей ВАХ. |
|
Методы формирования сигнала развертки: 1 - сигнал прецизионного уровня, формируемый с помощью ООС, 2 - напряжение синусоидальной формы, формируемое с помощью трансформатора, 3 - импульсы напряжения, формируемые с помощью разряда конденсатора. |
|
|
Рис. 1 – Сравнение основных характеристик измерителей ВАХ реализующих известные методы формирования сигнала развертки |
|
Прецизионный ступенчатый сигнал развертки реализован в системе 4200-SCS фирмы “Keithley” (США) [1], в анализаторах НР4155В, НР4156В, B1500, B1505 фирмы “Agilent” (США) [2, 3, 4], тестере “Formula TT” фирмы “Форма” (Россия) [5] и в измерителе ИППП-1 ОАО “МНИПИ” [6], которые могут содержать от 2-х до 10-х измерительных каналов.
Благодаря проведению измерений на ступенях постоянного уровня, эти приборы обладают высокой точностью (базовая погрешность 0,01% ÷ 0,5%), высоким разрешением (0,0001% ÷ 0,001%) и высокой чувствительностью. Например, чувствительность по току системы 4200-SCS составляет доли фемтоампера (50·10-17 А), а по напряжению - один микровольт.
Однако, увеличение мощности непрерывного сигнала развертки постоянного уровня приводит к выделению избыточного тепла, поэтому, область измерений для приборов такого типа ограничена сверху значениями тока 0,2÷1 А, при мощности 4÷20 ВА, в режиме непрерывного сигнала, и током до 20 А (анализатор B1505) в импульсном режиме.
В рамках научно-технической программы “Космические системы и технологии”, в ОАО “МНИПИ” разработан “Комплекс измерительный” с расширенными, относительно измерителя ИППП-1, диапазонами измерения по току и напряжению, который, совместно с измерителем емкости Е7-20, обеспечивает измерение вольт-фарадных характеристик.
Внешний вид разработанных нами приборов этого типа показан на рисунке 2.
|
|
|
|
а) - ИППП-1
|
б) - Комплекс измерительный
|
|
Диапазоны измерения: - по току от 0,1 нА до 0,2 А, (минимальный дискрет 1пА); - по напряжению от 1 мВ до 120 В. |
Диапазоны измерения: - по току от 2 пА до 1 А, (минимальный дискрет 0,1пА); - по напряжению от 20 мкВ до 180 В. |
|
Рис.2- Приборы ОАО “МНИПИ” со ступенчатой разверткой ВАХ по току и по напряжению. |
|
Очевидно, что для контроля силовых компонентов необходимы приборы, обеспечивающие более широкие диапазоны измерения.
Увеличение тока и мощности сигнала развертки обеспечивают приборы, формирующие напряжение синусоидальной формы непосредственно из переменного напряжения сети с помощью трансформатора.
К этой группе относятся характериографы моделей 370, 371 фирмы Tektronix (США) [7, 8], серии характериографов CS-3000, CS-5000, CS-10000 фирмы Iwatsu (Япония) [9] и измеритель ИППП-3 ОАО “МНИПИ” [10], представленный на рисунке 3а.
Данные приборы содержат каналы коллектора (стока), базы (затвора), эмиттера (истока) и подложки. Они обеспечивают максимальный диапазон измерения ВАХ по току до 10 А (ИППП-3), при мощности сигнала развертки до 160 ÷ 390 ВА.
Базовая погрешность измерения мгновенных значений тока и напряжения, при развертке ВАХ напряжением синусоидальной формы, составляет 1,5 % ÷ 2%.
С точки зрения мощности, рассеиваемой на объекте тестирования (ОТ), следует отметить, что в приборах зарубежных изготовителей испытательный сигнал развертки поступающий с трансформатора на ОТ, представлен в виде синусоидального напряжения или получен путем его двухполупериодного выпрямления. Скважность такого сигнала невелика и с увеличением его мощности пропорционально возрастает количество тепла выделяемого на ОТ.
В измерителе ИППП-3, рассеиваемую мощность снижают путем формирования сигнала развертки в виде отрезков синусоиды или выпрямленной полусинусоиды с паузами между ними длительностью до 6 периодов сети. При этом, скважность сигнала развертки многократно увеличивается, а выделение тепловой энергии и, соответственно, нагревание ОТ уменьшается.
Третью группу образуют приборы, принцип работы которых основан на использовании сигнала развертки в виде последовательности мощных импульсов возрастающей амплитуды формируемых за счет энергии накопленной в конденсаторе.
Формирование развертки ВАХ в виде последовательности импульсов полученных с помощью разряда конденсатора, как правило, используют в приборах совместно с формированием сигнала развертки с помощью трансформатора.
К таким приборам относятся характериограф 371 Tektronix [8] и серии характериографов CS-3000, CS-5000, CS-10000 Iwatsu [9].
Этот метод формирования развертки обеспечивает наибольшие значения тока, например, до сотен ампер в модели 371 и сериях приборов CS-3000, CS-5000, и до тысяч ампер в серии CS-10000, при мощности сигнала развертки до десятков киловатт, как показано на рисунке 1.
Погрешность импульсных измерителей ВАХ большой мощности составляет от 2% до 10% и во многом определяется существующими средствами и методиками метрологической аттестации.
В приборах, выделенных нами во 2-ю и в 3-ю группы, различают режим высокого напряжения,соответствующий формированию сигнала развертки с помощью трансформатора, и режим большого тока, в котором для этой цели используется разряд конденсатора.
В ОАО “МНИПИ”, в рамках научно-технической программы “Эталоны и научные приборы”, разработан и изготовлен как единичное изделие “Анализатор вольтамперных характеристик силовых полупроводниковых приборов”.
Анализатор предназначен для контроля параметров и отработки технологии изготовления полупроводниковых компонентов в Центре коллективного пользования “Радиационный центр” при ГО “НПЦ НАН Беларуси по материаловедению”
В анализаторе, представленном на рисунке 3б, реализован режим высокого напряжения (до 3000 В) и режим большого тока (100 А в диапазоне до 50 В), при мощности испытательного сигнала до 5000 ВА.
|
|
|
|
а) - ИППП-3 |
б) - Анализатор ВАХ |
|
Диапазоны измерения: - по току от 1 нА до 10 А, (минимальный дискрет 5пА); - по напряжению от 50 мВ до 2000 В. |
Диапазоны измерения: - по току от 1 нА до 100 А, (минимальный дискрет 5пА); - по напряжению от 50 мВ до 3000 В. |
|
Рис.3- Приборы ОАО “МНИПИ” с разверткой ВАХ, в режиме “высокого напряжения”, напряжением синусоидальной формы. |
|
Оперативность контроля параметров ЭК с помощью программируемых измерителей ВАХ обеспечивается путем использования тестов, в каждом из которых указаны все настройки режимов измерения и расчета соответствующего параметра.
Создание и редактирование тестов в современных измерителях ВАХ не требует специальных знаний в области программирования. При этом, создание пользовательских тестов может быть выполнено на основе имеющейся библиотеки стандартных тестов.
Примеры отображения измеренной Ic = F (Uc) и расчетной Beta = F(Ic) функциональной зависимости на экране измерителя ИППП-3, выполненного на основе встроенного компьютера, приведены на рисунке 4.
|
|
|
а) – ВАХ диода в прямом включении |
|
|
|
б) – зависимость коэффициента передачи тока (Beta) биполярного транзистора от тока коллектора в измеренных точках |
|
Рис.4- Отображение результатов выполнения тестов на экране ИППП-3. |
На основании технических характеристик современных измерителей ВАХ и сравнительного анализа материалов, графически представленных на рисунке 1, можно заключить, что:
- контроль, измерение и анализ электрических параметров ЭК, а также обработку и документирование полученных результатов, целесообразно выполнять с помощью программируемых измерителей ВАХ,
- для контроля параметров ЭК в достаточно широких диапазонах тока, напряжения и мощности требуется несколько моделей измерителей, которые реализуют различные методы формирования испытательного сигнала развертки.
1 Model 4200-SCS Semiconductor Characterization System ® Reference Manual. 4200-901-01 Rev. H / October, 2007. – 1504 с.
2 Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer, Agilent 4156C Precision Semiconductor Parameter Analyzer.- Datasheet. Agilent Technologies, Inc. 2009 -14 с.
3 Agilent B1500A Semiconductor Device Analyzer. Datasheet. Agilent Technologies, Inc. 2011 -22 с
4 Agilent B1505A Power Device Analyzer/Curve Tracer. Datasheet. Agilent Technologies, Inc. 2011 -20 с
5 Тестеры FORMULA каталог 2008г - 20с. -
Режим доступа: - http://www.form.ru
6 Измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-1. Руководство по эксплуатации. УШЯИ.411251.003 РЭ. – 40 с
7 370B Programmable Curve Tracer. User Manual. – USA.: Tektronix,Inc 1990.- 238c.
8 371B Programmable High Power Curve Tracer. User Manual. – USA.: Tektronix, 1991.- 187c.
9 IWATSU Test and Measuring Catalog 2012. – 35p. Japan.: IWATSU Test Instruments Corporation – Режим доступа: http://www.iti.iwatsu.co.jp
10 Измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-3. Руководство по эксплуатации. УШЯИ.411251.005 РЭ. – 41 с.
