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:
- Измерители параметров маломощных устройств.
- 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).
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.
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).
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.
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.
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 |
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 | |
