Контроль электрических параметров электронных компонентов

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.