Необходимость обновления парка измерительного оборудования на примере характериографов

Необходимость обновления парка измерительного оборудования на примере характериографов

7 Февраля 2020

Виктор Макаров, технический специалист направления радиотехнических измерений
Виктор Макаров,
технический специалист направления радиотехнических измерений
MakarovVV@dipaul.ru

В России, как и за рубежом, разработки изделий СВЧ-электроники отнесены к критически важным технологиям, во многом определяющим облик и технические характеристики образцов современной радиоэлектронной аппарутуры. Основой для создания новой продукции в электронной отрасли служит используемая электронно-компонентная база (ЭКБ).

При этом обеспечение высокой функциональной сложности электронных новинок невозможен без опережающего развития метрологического сопровождения всех этапов производственного цикла изделия — от контроля качества исходных материалов и компонентов до сертификации готовой продукции, включая испытания на надежность и долговечность. Важнейшим этапом технологического цикла изготовления радиоэлектронной аппаратуры является входной контроль ЭКБ как отечественного, так и иностранного производства.

Как показывает практика, очень часто при разработке ЭКБ или при осуществлении входного контроля закупаемых компонентов контрольно-измерительное оборудование (КИО) либо вообще не используется в виду его отсутствия, либо серьезно устарело. По нашим наблюдениям, до 90% парка КИО российских производителей составляют приборы, срок эксплуатации которых превышает 15–20 лет, а новые поступления отечественной контрольно-измерительной техники исчисляются единицами экземпляров.

Посещая российские предприятия, в восьми из десяти случаев мы отмечаем следующую ситуацию: на складах хранится некоторое количество наполовину разобранных измерителей, служащих донорами для единственного прибора, установленного в лаборатории. Бывает и другой вариант: приборы в лаборатории выходят из строя и сотрудникам приходится выполнять диагностику оборудования, искать неисправный элемент, а затем тратить время на поиск аналога, поскольку такие элементы уже не выпускаются. В итоге лаборатория не справляется с выполнением плана, задерживая работу остальных подразделений.

Однако часто осознавая суть проблемы, производители не видят современной альтернативы используемому оборудованию. Чтобы помочь заказчикам сориентироваться, компания «Диполь» выпускает серию статей-руководств по замене устаревших приборов. Начиная с данной статьи материалы, посвященные этой теме, будут публиковаться в журнале «Эксперт +», а также в виде отдельных брошюр.

Технические особенности

Полупроводниковые приборы являются основными компонентами современных радиоэлектронных устройств. Поэтому следует рассмотреть измерители параметров полупроводниковых приборов, которые можно условно разделить на две группы:

  1. Измерители параметров маломощных устройств.
  2. Измерители параметров мощных устройств.

К первой группе относятся измерители параметров полупроводниковых приборов, работающих в диапазоне напряжений до 200 В и токов до 10 А (табл. 1).

Измеритель параметров полупроводниковых приборов Л2-23
Рис. 1. Измеритель параметров полупроводниковых приборов Л2-23

Данные измерители параметров полупроводниковых приборов (характериографы) выполняют схожие функции и имеют близкие характеристики. Содержание и обслуживание указанных приборов влечет за собой ряд сложностей:

  • необходимо выделять средства на поверку;
  • требуется иметь большой запас ЗИП для оперативного ремонта вышедших из строя приборов;
  • невозможно найти новый прибор взамен вышедшего из строя: предлагаемые варианты будут представлять собой либо «конструктор» (из нескольких нерабочих приборов собирается один действующий), либо прибор «с хранения» (выпущенный несколько лет назад и, не будучи в эксплуатации, остававшийся на складе). И в том и в другом случае сложно гарантировать, что вновь приобретенный прибор способен беспроблемно служить несколько лет.

Для замены характериографов (табл.1), идеально подходят прецизионные источники/измерители Keysight серии B2900A, обладающие высокой точностью и широким диапазоном токов и напряжений.

Прецизионный источник/измеритель B2912A
Рис. 2. Прецизионный источник/измеритель B2912A

Если для испытаний полупроводниковых устройств требуется напряжение больше 200 В и/или ток свыше 10 А, возникает потребность в измерителях параметров мощных полупроводниковых приборов (табл. 2).

Измеритель параметров транзисторов и диодов Л2-76
Рис. 3. Измеритель параметров транзисторов и диодов Л2-76

При эксплуатации данного измерительного оборудования возникают те же трудности, что и с предыдущей группой приборов.

Следует отметить, что устаревшие характериографы лишены возможности сохранения результатов измерений — протоколировать полученные данные приходилось вручную. Таким образом. в результатах измерений могут встречаться ошибки, обусловленные человеческим фактором. Говорить об автоматизации измерений при эксплуатации такого оборудования тем более не приходится.

Для измерения параметров мощных полупроводниковых приборов в качестве альтернативы можно использовать характериографы Keysight B1505/06A.

Новые возможности

В начале 1980-х годов компания Keysight (в то время часть Hewlett-Packard) представила свой первый цифровой параметрический анализатор. Это был первый прибор, объединивший в одном корпусе четыре модуля «источника/измерителя» (SMU) и поставляемый вместе со специальным программным обеспечением (ПО). Подобно характериографу, анализатор 4145A отображал информацию в виде кривых. Но кривые состояли из отдельных точек, чьи цифровые координаты могли сохраняться и анализироваться с помощью ПО. Появление данного прибора стало революцией в полупроводниковой промышленности. Сегодня в портфолио компании Keysight представлено более десяти решений, которые перекрывают все возможные потребности инженеров.

Подобные разработки позволяют получать высочайшую точность измерений токов и напряжений (до 0,1 фА и до 100 нВ) и проводить измерения на всех этапах производства полупроводниковых устройств — от измерений на пластинах до контроля параметров готовой продукции. При этом специализированное ПО обеспечивает создание тестовых последовательностей и протоколирование полученных результатов. Кроме того, полученные данные можно экспортировать в САПРы для формирования моделей, необходимых при проектировании устройств.

Анализатор мощных полупроводниковых приборов B1506A
Рис. 4. Анализатор мощных полупроводниковых приборов B1506A

Если возникает потребность заменить измерители параметров полупроводниковых приборов, рекомендуется придерживаться следующих критериев:

  • Тип измеряемых устройств (диоды, варисторы, термисторы, транзисторы, измерение на пластинах и пр). Данный критерий определяет, какое количество измерительных каналов потребуется для решения задачи и какие устройства подключения будут использоваться. Например, для тестирования выводных диодов, варисторов или термисторов достаточно одного измерительного канала и зажимов Кельвина, измерительных щупов или колодки для подключения выводных компонентов. Для тестирования выводных транзисторов, тиристоров и пр. понадобится два измерительных канала и колодка для подключения. При тестировании компонентов поверхностного монтажа необходимо использовать колодку подключения соответствующего типоразмера. Измерения на пластинах потребуют приименения зондовых станций.
  • Диапазон токов и напряжений. Если нужно проводить измерения маломощных полупроводниковых устройств, можно рассмотреть прецизионные источники/измерители серии B2900A или параметрический анализатор B1500A. Для определения характеристик силовых полупроводниковых приборов можно рекомендовать анализаторы мощных устройств B1505A или B1506A. Эти приборы предназначены не только для тестирования и осуществления входного/выходного контроля, но и для создания моделей, необходимых разработчикам силовых электронных схем.
  • Требуемая точность измерений. Анализаторы параметров полупроводниковых приборов компании Keysight Technologies обладают высокими техническими характеристиками и позволяют проводить измерения параметров устройств с разрешением до десятых долей фА и до десятых долей мкВ. Подробные характеристики измерителей параметров полупроводниковых приборов приведены в таблице 3.

Независимо от того, какой анализатор параметров полупроводниковых приборов компании Keysight будет выбран, процесс тестирования и протоколирования упрощается с помощью ПО EasyEXPERT group+. Это программное обеспечение содержит сотни готовых к использованию тестов для различных типов устройств и позволяет настроить автоматическое сохранение данных измерений.

Ниже приведено несколько возможных вариантов современных аналогов характериографов в зависимости от решаемых задач:

  • Если надо проводить измерения маломощных полупроводниковых устройств, можно рассмотреть прецизионные параметрические анализаторы серии B2900A.
    Отличительные особенности:
    • 1 или 2 канала.
    • Минимальное разрешение:
    • B290xA: 1 пА/1 мкВ (для источника), 100 фA/100 нВ (для измерителя);
    • B291xA: 10 фA/100 нВ (для источника), 10 фA/100 нВ (для измерителя).
    • Максимальное выходное напряжение: 210 В.
    • Максимальный выходной ток: 3 A (в режиме постоянного тока), 10,5 A (в импульсном режиме).
    • Генератор сигналов произвольной формы и оцифровка сигналов с интервалом от 20 мкс (B290xA) или 10 мкс (B291xA).
  • Если разрешения в 10 фА недостаточно, рекомендуется обратить внимание на анализаторы полупроводниковых приборов B1500A.
    Отличительные особенности:
    • Измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) в диапазоне 0,1 фА — 1 А и 0,5 мкВ — 200 В.
    • Многочастотное измерение емкости в диапазоне частот 1 кГц — 5 МГц, измерение квазистатической вольт-фарадной характеристики (ВФХ).
    • Расширенные измерения импульсных ВАХ и сверхскоростные измерения ВАХ с минимальным периодом выборки от 5 нс (200 Мвыб./с).
    • Генерирование высоковольтных импульсов до 40 В для тестирования ячеек энергонезависимой памяти.
    • Гибкая модернизируемая модульная архитектура с десятью слотами для сменных измерительных модулей.
  • Если требуется проводить измерения параметров полупроводниковых устройств при токах, превышающих 10 А, и напряжениях, превышающих 200 В при сохранении высоких точностных характеристик, рекомендуется использовать анализаторы параметров мощных устройств B1505A или B1506A.
    Отличительные особенности:
    • Тестирование в широком диапазоне напряжений и тока: до 3 кВ (B1506A) или до 10 кВ (B1505A) и до 1500 А.
    • Измерение ВАХ и ВФХ.
    • Возможность проведения измерений в широком диапазоне температур –50…+250 °C.
    • Минимальное разрешение измерений: 10 фА/200 нВ.

Для справки

Помимо необходимости выполнять измерения компонентной базы полупроводниковых приборов, производителю может потребоваться проведение климатических и механических испытаний компонентов и изготавливаемых с их помощью устройств. Сотрудники компании «Диполь» готовы помочь с выбором испытательного оборудования.

Следует отметить, что полупроводниковые устройства часто крайне чувствительны к статическому электричеству и условиям хранения. Антистатическая мебель и системы хранения, разработанные «Диполь», обеспечивают сохранение работоспособности производимых устройств.

Как уже отмечалось, перечисленные приборы управляются с помощью ПО EasyEXPERT group+, позволяющего конфигурировать тесты под различные устройства и протоколировать результаты измерений.

Обобщая сказанное, можно сделать следующие заключения:

  • для измерения маломощных полупроводниковых приборов доступны бюджетное (B29xxA) и высокоточное (B1500A) решения;
  • для измерения параметров мощных полупроводниковых устройств имеется возможность сконфигурировать прибор под конкретную измерительную задачу (B1505A) или использовать сконфигурированное на заводе решение (B1506A). Эти анализаторы позволяют проводить всесторонние измерения в широких диапазонах и будут полезны на предприятиях, выполняющих измерения мощных полупроводниковых приборов с высокой точностью.

Измерительная система для моделирования мощных полупроводниковых приборов PD1000A
Рис. 5. Измерительная система для моделирования мощных полупроводниковых приборов PD1000A

Кстати говоря

Рынок гибридных автомобилей и электромобилей стремительно развивается. Растущий уровень электрификации автомобилей порождает новые проблемы разработки и производства. Для повышения КПД и получения большей удельной мощности при меньшем тепловыделении многие производители подобной техники начинают использовать в силовых преобразователях полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной (WBG), например, на основе карбида кремния (SiC) или нитрида галия (GaN). Однако им необходимо обеспечивать надежность и безопасность этих устройств.

Использование традиционных инструментов для анализа параметров полупроводниковых приборов во временной области и простых моделей с сосредоточенными параметрами не обеспечит надежных и достоверных результатов для устройств WBG. Частота коммутации WBG-устройства может составлять сотни килогерц, а его граничная частота как минимум в пять раз выше, чем у прибора, изготовленного на основе кремния, что приводит к возникновению частотных составляющих в сотни мегагерц. Традиционные модели полупроводниковых приборов не содержат паразитных параметров, реагирующих на эти высокие частоты, то есть с их помощью невозможно предсказать, какие условия будут влиять на безопасность и надежность схемы. В качестве примера таких условий можно привести пусковые токи, выбросы, звоны и время переключения. Без соответствующего моделирования этих условий можно неверно оценить мощность, не заметить некоторые проблемы ЭМС, проблемы надежности, связанные с выходом параметров за допустимые пределы, и даже получить неработающие прототипы. Все это приводит к увеличению времени разработки и потенциальным убыткам.

В ноябре 2018 года компания Keysight представила измерительную систему для моделирования мощных полупроводниковых приборов.

Испытательный комплекс, в состав которого входит анализатор мощных полупроводниковых приборов, а также системы измерения S-параметров и параметров сдвоенных импульсов, выполняет измерения характеристик реальных WBG-устройств, а также использует программные средства моделирования для создания достоверных моделей WBG-устройств. Полученные модели можно использовать в САПР Keysight для моделирования и анализа влияния высокочастотных компонентов на надежность и электромагнитные помехи. Изменения в конструкцию можно вносить еще до изготовления первого прототипа, что экономит время и деньги, исключая необходимость дорогостоящих переработок.

Таблица 1. Измерители параметров полупроводниковых приборов, работающих в диапазоне напряжений до 200В и токов до 10А

№ п/п Прибор Диапазон напряжения Диапазон токов
1. ИППП-1 0,1–120 В 1 нА — 200 мА
2. ИППП-1/1 0,1 –120 В 1 нА — 200 мА
3. ИППП-1/2 0,1–120 В 1 нА — 200 мА
4. ИППП-1/3 0,1–120 В 1 нА — 200 мА
5. ИППП-1/4 0,1–120 В 1 нА — 200 мА
6. ИППП-1/5 0,1–120 В 1 нА — 200 мА
7. ИППП-1/6 0,1–120 В 1 нА — 200 мА
8. Л2-1 (ИПТ-1) не менее 4,5 В не менее 1 мА
9. Л2-12 2–100 В 0,5–30 мА
10. Л2-18 2–200 В 0,1–199 мА
11. Л2-22 2–99 В 0,03–29,9 мА
12. Л2-23 4,5 В 1 мА, 5 мА
13. Л2-26 30–1500 мВ 0,1–120 мА
14. Л2-27 не превышает 15 мВ 30–300 мкА
15. Л2-28 0,25–99,9 В 0,03–100 мкА
16. Л2-31 0,3–50 В 0–50 мА
17. Л2-32 от –50 до –0,3 В; 0,3–50 В 0–50 мА
18. Л2-34 1–29,9 В 50 мА
19. Л2-35А 0,5–10 В до 120 мА
20. Л2-38 0,3–50 В до 50 мА
21. Л2-43 до 30 В до 20 мА
22. Л2-44 4–12 В 0–20 мА
23. Л2-47 3–4–5–6–9–12–15–24–30 В до 30 мкА
24. Л2-48 от ±0,3 до ±30 В 30 мА
25. Л2-50 до 20 В 1 нА — 1 мА
26. Л2-51 1–99,9 В 0,1–30 мА
27. Л2-60 до 10 В до 60 мА
28. Л2-65 не более 30 В 100 мА
29. Л2-68 1–29,9В 0,5–49,9 мА
30. Л2-70 0,5–199,9В 0,1–199,9 мА
31. Л2-71 3–51,15 В до 100 мА
32. Л2-78 0,1–30 В 5∙мкА — 0,05 А
33. Л2-81 0,1–30 В 0,1–100 мА
34. Л2-82 до 5,1 В 100 мА
35. Л2-9 2–100 В 0,1–20 мА
36. Л4-4 до 50 В до 50 мА

Структура Измерительной системы PD1000A
Рис. 6. Структура Измерительной системы PD1000A

Измерительная система для моделирования мощных полупроводниковых приборов PD1000A состоит из трех элементов, работающих под управлением системного управляющего ПО PD1000A System Control Software:

  • Анализатор мощных полупроводниковых приборов (на базе B1506A с принадлежностями).
    Анализатор мощных полупроводниковых приборов выполняет измерения ВАХ и ВФХ. По этим характеристикам модель «обучается» реагировать на определенные токи и напряжения.
  • Система измерений S-параметров (на базе анализатора цепей E5080A серии ENА, источника/измерителя серии B2902A и аксессуаров).
    Система измерений S-параметров измеряет частотную характеристику устройства при нулевом смещении (в закрытом состоянии) и при наличии смещения (в открытом состоянии). Это позволяет «научить» модель, как будет функционировать разрабатываемое устройство в частотной области.
  • Система измерений сдвоенных импульсов.
    Система измерения сдвоенных импульсов выполняет измерения вольт-амперных характеристик с расширенным диапазоном. Это позволяет точно моделировать поведение WBG-устройств при высоких напряжениях и рабочих токах.

Управляющее ПО автоматизирует практически все измерения и создает файлы, которые можно загрузить в программный генератор моделей силовых компонентов (PEMG) Keysight W8598BP/BT. После загрузки в PEMG пользователь может выбирать нужные модели WBG. PEMG создает модели на основе выполненных измерений и выбранной формулы моделирования. Затем модель можно использовать в САПР Advanced Design System, EMPro и Momentum компании Keysight для точной имитации реальных условий.

Таблица 2. Измерители параметров мощных полупроводниковых приборов

№ п/п Прибор Диапазон напряжения Диапазон токов
1. ИЛ-14 0,2–300 В 3; 7,5; 15; 30; 75; 150 мА
2. ИППП-3 0,05–2000 В 1 нА — 20 А
3. Л1-3 –100 В, от -65 до 300 В 0,75; 1,5; 3; 7,5; 15; 300 мА
4. Л2-42 до 100 В до 20 А
5. Л2-46 0,1–200 В 30 А
6. Л2-54 4,5–400 В 5–300 мА
7. Л2-56 10–400 В 5-300 х
8. Л2-56А 0–2000 В 1 мкВ — 400 мВ
9. Л2-64 до 200 В 30 А
10. Л2-69 0,5–200 В 0,1–50 А
11. Л2-76 до 400 В до 1 A
12. Л2-77 10–400 В 5–300 мА
13. Л3-3 до 300 В до 3 А

Таблица 3.Характеристики измерителей параметров полупроводниковых приборов

  Серия B2900 B1500A B1505A B1506A
Максимальное выходное напряжение, В ±210 ±200 ±10000 ±3000
Максимальный выходной ток, А ±10,5 ±1 ±1500
Минимальное разрешение при измерении напряжения, мкВ 0,1 0,5 0,2 0,5
Минимальное разрешение при измерении тока, фА 10 0,1 10
Товаров в сравнении: 0