Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №1

Повышение производительности тестирования электронных компонентов за счет улучшения согласованности работы измерительного оборудования

Абанин Игорь


Применение информационных технологий и возможность программирования измерительной аппаратуры могут значительно повысить скорость тестирования электронных компонентов.

корость тестирования важна при испытании любых электронных компонентов, но в случае недорогих двух- и трехэлектродных элементов, таких как диоды и транзисторы, она является решающей. Перед началом радиочастотного тестирования электронных компонентов они должны быть проверены по постоянному току. Для диодов эта операция включает определение прямого напряжения, обратного напряжения пробоя и тока утечки, для транзисторов — определение напряжений пробоя различных переходов, токов утечки переходов, коэффициента усиления по постоянному току hfe, характеристик коллектора или стока и т. д. Выбор подходящей аппаратуры и ее правильное подключение могут значительно ускорить процесс проведения тестирования.

Выбор аппаратуры

Необходимый для проведения тестирования набор цифровых измерительных приборов (цифровых мультиметров), источников напряжения и источников тока занимает намного больше места, чем система, объединяющая все эти функции в одном устройстве. Из-за наличия многочисленных команд, которые необходимо предварительно изучить, программирование системы и ее эксплуатация усложняются. В довершение всего, синхронизация переключений становится более сложной, возрастает вероятность ошибочных переключений. При программном управлении работой всех устройств увеличивается загрузка информационной шины, соответственно снижая производительность.

Первый путь преодоления указанных проблем состоит в объединении множества функций в одном устройстве. Измерительно-питающее устройство (ИПУ) содержит в себе прецизионный источник напряжения, прецизионный источник тока, вольтметр и амперметр, уменьшая габаритные размеры и упрощая процесс интеграции этих приборов.

Второй путь — уменьшение задержек при передаче информации между приборами и управляющим компьютером.

Минимизация коммуникационных накладных расходов

Как только высокоскоростная связь между приборами и компьютерами стала доступной, это повлекло за собой повсеместную автоматизацию систем тестирования с использованием интерфейса GPIB (шина IEEE-488) для передачи команд, управляющих каждым шагом тестирования. Это решение было существенным прогрессом в сравнении с предыдущими разработками, хотя и подразумевало существенные потери в скорости. Прежде всего, GPIB имеет значительные коммуникационные накладные расходы. Причиной другого недостатка GPIB для управления тестированием в реальном времени является операционная система Windows, используемая персональным компьютером. Эта операционная система вызывает существенные и непредсказуемые задержки при передаче информации, которые делают практически невозможной точную синхронизацию множества приборов в одной испытательной системе, если компьютер используется как единственный контроллер обмена.

Решить данную проблему можно предварительно задав конфигурацию приборов, используя GPIB и затем позволив приборам осуществлять тестирование самостоятельно. Многие современные приборы имеют встроенное программное обеспечение, что позволяет задавать до 100 тестовых последовательностей для дальнейшей работы без непосредственного участия компьютера. Каждый тест может требовать различных конфигураций приборов и условий тестирования, использовать различные источники питания, виды измерений, условного ветвления, математические функции, а также может осуществлять проверку норм годности с возможностью отсева. Некоторые устройства работают на постоянном токе или в импульсном режиме с различными параметрами и привязкой по времени (интегрирование, время задержки и т. д.), что дает возможность замедлить более точные измерения и ускорить остальные для оптимизации суммарных временных затрат. При работе с приборами, в основном работающими самостоятельно, роль GPIB заключается в пересылке программы тестирования перед тестированием и загрузке результатов в компьютер после тестирования, при этом в сам процесс тестирования вмешательства не происходит.

Переключение приборов

Рис. 1. Для создания простой вольтамперной характеристики (ВАХ) ИПУ подает последовательность напряжений и осуществляет измерения соответствующих токов. На каждом уровне напряжения ИПУ сначала подает напряжение. Изменение напряжения в цепи индуцирует ток переходного процесса, таким образом, использование времени задержки соответствующей величины между подачей напряжения и измерением является решающим для обеспечения достоверности измерений
Рис. 1. Для создания простой вольт амперной характеристики (ВАХ) ИПУ подает последовательность напряжений и осуществляет измерения соответствующих токов. На каждом уровне напряжения ИПУ сначала подает напряжение. Изменение напряжения в цепи индуцирует ток переходного процесса, таким образом, использование времени задержки соответствующей величины между подачей напряжения и измерением является решающим для обеспечения достоверности измерений

Для создания простой вольт-амперной характеристики (ВАХ) ИПУ подает последовательность напряжений и осуществляет измерения соответствующих токов (рис. 1). На каждом уровне напряжения ИПУ сначала подает напряжение. Изменение напряжения в цепи индуцирует ток переходного процесса, таким образом, использование времени задержки соответствующей величины между подачей напряжения и измерением является решающим для обеспечения достоверности измерений. Приборы должны автоматически настраивать время задержки для получения оптимальных результатов в различных диапазонах. Однако добавление дополнительных элементов в тестовую схему, таких как длинные кабели, матричные переключатели и т. д., изменит переходные характеристики цепи. Для устройств с большим сопротивлением обычно необходимо большее время тестирования. В таких случаях для обеспечения достоверности измерений будет необходимо дополнительное время задержки, определяемое пользователем.

Тестирование диодов

В нашем первом примере используется один тестовый прибор, манипулятор электронных компонентов и персональный компьютер. Заметим, каким образом внутреннее программирование устройств увеличивает скорость тестирования за счет уменьшения потока данных (трафика) через GPIB.

Процесс контроля диодов включает определение полярности проверяемого диода, за которым следует измерение прямого напряжения, напряжения пробоя и тока утечки (рис. 2). Прямое напряжение Vf — это напряжение, возникающее на диоде при определенной величине прямого тока. Величина прямого напряжения определяется путем пропускания через диод тока необходимой величины и измерения напряжения на нем. Напряжение пробоя VRM — это величина обратного напряжения, при которой ток неограниченно возрастает. Напряжение пробоя определяется путем подачи определенного обратного тока и измерения падения напряжения на диоде. Полученное значение напряжения пробоя сравнивается с минимальными нормами для того, чтобы определить годность диода. Ток утечки IR, иногда называемый обратным током насыщения IS — это ток, возникающий в случае, когда к диоду приложено обратное напряжение, меньшее напряжения пробоя. Ток утечки определяется путем подачи определенного обратного напряжения и измерения полученного тока. Для обеспечения необходимого порядка тестирования диодов в память ИПУ записывается программа. Затем по одному сигналу запуска на шине IEEE производится тестирование. Прибор переходит от операции к операции в соответствии с содержанием ячеек памяти без вмешательства компьютера.

Рис. 2. Контроль диодов в процессе изготовления включает шаги по определению полярности проверяемого диода, за которым следует измерение прямого напряжения, напряжения пробоя и тока утечки
Рис. 2. Контроль диодов в процессе изготовления включает шаги по определению полярности проверяемого диода, за которым следует измерение прямого напряжения, напряжения пробоя и тока утечки

Смоделируем испытательную установку, в которую диоды поступают с неопределенной полярностью, но манипулятор при необходимости может повернуть их для изменения полярности (рис. 3). Тестирование включает следующие шаги:

В представленной процедуре тестирования диоды поступают с неопределенной полярностью, но манипулятор при необходимости может повернуть их для изменения полярности
Рис. 3. В представленной процедуре тестирования диоды поступают с неопределенной полярностью, но манипулятор при необходимости может повернуть их для изменения полярности
  1. Оператор указывает компьютеру, что партия диодов поступила и готова к тестированию.
  2. Через GPIB компьютер предварительно задает параметры тестирования, которое ИПУ должен осуществить для каждого диода.
  3. ИПУ ждет сигнала начала теста от манипулятора.
  4. Когда первый диод размещен в рабочей позиции, манипулятор посылает сигнал начала теста ИПУ, тем самым показывая, что первый диод готов к тестированию.
  5. ИПУ осуществляет проверку полярности. Если диод подключен в прямой полярности, то ИПУ переходит к функциональным тестам (шаг 6). Если диод подключен в обратной полярности, манипулятору посылается сигнал на поворот диода, после чего происходит возврат к шагу 4.
  6. Как только диод подключен в прямой полярности, ИПУ осуществляет функциональные тесты в порядке, занесенном в ячейки памяти, определяет годность изделия и сохраняет результаты каждого теста: на определение прямого напряжения, напряжения пробоя и тока утечки.
  7. ИПУ посылает код общей годности изделия и сигнал окончания тестирования манипулятору и одновременно через GPIB пересылает результаты теста в компьютер.
  8. Шаги 3–7 повторяются для остальных диодов в партии.
  9. ИПУ возвращается в состояние ожидания. Оператор устанавливает новую партию диодов в манипуляторе.
  10. Шаги 1–9 при необходимости повторяются. Отметим, что передача данных по GPIB совершается только до или после самой процедуры тестирования.

Тестирование мощных радиочастотных транзисторов

Поскольку существует много типов радиочастотных транзисторов, в качестве примера рассмотрим биполярный транзистор с гетеропереходом (ГБТ). Аналогичные тесты применяются и для других транзисторов. Так как транзистор — это трехэлектродный прибор, обычно используются два ИПУ. На рис. 4 показаны два ИПУ, присоединенных к ГБТ, первый — между базой ГБТ и эмиттером и второй — между коллектором и эмиттером. Для получения семейства коллекторных кривых ГБТ базовый ИПУ устанавливается на подачу тока и измерение напряжения. Коллекторный ИПУ устанавливается на варьирование напряжения и измерение тока. После того как начальный ток базы установлен, варьируется напряжение на коллекторе при одновременном измерении коллекторного тока. Затем ток базы ступенчато повышается и коллекторное напряжение снова варьируется при измерении тока коллектора. Этот процесс повторяется, пока не будут сняты все коллекторные ВАХ при различных значениях тока базы.

При тестировании транзисторов обычно используются два ИПУ, причем первый включается между базой и эмиттером, второй — между коллектором и эмиттером
Рис. 4. При тестировании транзисторов обычно используются два ИПУ, причем первый включается между базой и эмиттером, второй — между коллектором и эмиттером

Синхронизация приборов

Поскольку желательно предварительно запрограммировать оба прибора (чтобы избежать задержек в GPIB), необходимо, чтобы все приборы испытательной системы работали синхронно. На первый взгляд, проблем не должно возникать: если, например, различные ИПУ имеют одинаковое программное обеспечение (микропрограммы) и программируются для одинаковых параметров теста, время выполнения каждого шага должно быть одинаковым. Трудности возникают при опросе ячеек памяти и выполнении тестов с автоматически устанавливаемыми параметрами, что требует дополнительных затрат времени, которые заранее неизвестны (см. таблицу).

Таблица
* Режим переключения источников питания
предполагает прекращение выдачи сигналов
и, чаще всего, изменение как тока, так и напряжения.

В подобных случаях для того, чтобы обеспечить синхронность измерений, необходимо использовать внешний специализированный пусковой контроллер. Это особенно удобно, когда испытательная система содержит приборы разных производителей или приборы, произведенные одним производителем с использованием различных методов переключения.

Описание порядка работы представлено ниже. Хотя для конкретного примера используются приборы Keithley, аналогичные методы могут использоваться и с применением приборов других производителей.

  1. Пусковой контроллер выдает сигнал запуска, который принимается всеми приборами (source input).
  2. Из памяти загружаются адреса ячеек памяти источников информации.
  3. Всем приборам разрешается передача выходных сигналов (source output).
  4. Каждый прибор осуществляет определенную пользователем временную задержку.
  5. Каждый прибор посылает отклик контроллеру по истечении времени задержки.
  6. Пусковой контроллер ждет отклик от каждого прибора (delay output).
  7. Пусковой контроллер выдает сигнал, принимаемый всеми приборами (measure input).
  8. Каждый прибор начинает операцию измерения.
  9. Каждый прибор подает сигнал контроллеру по окончании измерения.
  10. Пусковой контроллер ждет сигнала от каждого из приборов (measure output).
  11. Переход к шагу 1 для начала следующего теста.

Рис. 5 иллюстрирует описанный способ синхронизации.

Синхронизация переключений обеспечивает проведение тестирования в правильной последовательности
Рис. 5. Синхронизация переключений обеспечивает проведение тестирования в правильной последовательности

Специфические испытания транзисторов

Напряжение пробоя. Обычно для ГБТ из- меряются два напряжения пробоя. Первоеэто коллектор-эмиттерное напряжение пробоя, которое может быть измерено как при разомкнутой, так и при закороченной цепи базы. Рис. 6a показывает схему измерения коллектор-эмиттерного напряжения пробоя при разомкнутой цепи базы (BVCEO или BV(BR)CEO), а рис. 6b — при замкнутой (BVCES или BV(BR)CES). Другое напряжение пробоя — это напряжение пробоя коллектор-база (BVCBO или BV(BR)CBO), которое обычно измеряется при разомкнутой цепи эмиттера. Рис. 6с показывает такую схему измерения. При таких измерениях ИПУ варьирует напряжение на ГБТ при одновременном измерении тока. Ток должен оставаться достаточно постоянным до достижения напряжения пробоя, при котором происходит резкое увеличение тока.

Рис. 6. Измерение коллектор эмиттерного напряжения пробоя при разомкнутой цепи базы (a); измерение коллектор эмиттерного напряжения пробоя при закороченной цепи базы (б); Измерение коллекторного тока отсечкии напряжения пробоя коллектор база при разомкнутой цепи эмиттера (c)
Рис. 6. Измерение коллектор эмиттерного напряжения пробоя при разомкнутой цепи базы (a); измерение коллекторэмиттерного напряжения пробоя при закороченной цепи базы (б); Измерение коллекторного тока отсечки и напряжения пробоя коллектор база при разомкнутой цепи эмиттера (c)

Другими параметрами, наиболее часто измеряемыми в мощных радиочастотных транзисторах, являются постоянное рабочее напряжение коллектор-эмиттер (BVCEO(SUS) или VCE(SUS)), коллектор-эмиттерное напряжение пробоя при обратном смещении, приложенном к переходу база-эмиттер (BVCEV или BVCEX), и напряжение пробоя эмиттер-база при разомкнутой цепи коллектора (BVEBO) (рис. 7).

Рис. 7. B VEBO и IEBO измеряются при разомкнутой цепи коллектора
Рис. 7. B VEBO и IEBO измеряются при разомкнутой цепи коллектора

Ток утечки через переход

Большое значение имеет также измерение токов утечки полупроводниковых элементов, так как эти токи могут приводить к потерям мощности в нерабочем режиме и уменьшать срок службы автономных устройств, питающихся от батарей. Чаще всего для характеристики токов утечки измеряют коллекторный ток отсечки ICBO, который измеряется в цепи коллектор-база при разомкнутой цепи эмиттера, а также базовый ток утечки при обратном смещении на базе, называемый также эмиттерным током отсечки, или током отсечки эмиттер-база (IEBO). Он показывает утечку тока базы при выключенном транзисторе. На рис. 7 показана соответствующая схема измерения.

Коэффициент усиления по постоянному току

Коэффициент усиления по постоянному току радиочастотных усилителей мощности тесно связан с его коэффициентом усиления на высоких частотах. Он может быть измерен непосредственно и достаточно быстро путем подачи тока базы и измерения соответствующего тока коллектора, как это показано выше. Другой метод, который часто используется,это варьирование напряжения базы и коллектора при одновременном измерении тока базы и коллектора. После выполнения измерений токи базы и коллектора наносятся на полулогарифмическую шкалу для получения так называемой кривой Гуммеля (рис. 8). Из нее может быть получено множество полезных параметров, включая коэффициент усиления по постоянному току (γ), показатель идеальности базы и коллектора, сопротивлений потерь и т. д.

Рис. 8. Коэффициент усиления по постоянному току может быть измерен варьированием напряжения базы и коллектора при одновременном измерении тока базы и коллектора. После выполнения измерений токи базы и коллектора наносятся на полулогарифмическую шкалу для получения так называемой кривой Гуммеля. Из нее могут быть получены коэффициент усиления по постоянному току, показатель идеальности базы и коллектора, сопротивления потерь и т. д.
Рис. 8. Коэффициент усиления по постоянному току может быть измерен варьированием напряжения базы и коллектора при одновременном измерении тока базы и коллектора. После выполнения измерений токи базы и коллектора наносятся на полулогарифмическую шкалу для получения так называемой кривой Гуммеля. Из нее могут быть получены коэффициент усиления по постоянному току, показатель идеальности базы и коллектора, сопротивления потерь и т. д.

Выводы

Для производителей полупроводниковых элементов производительность тестирования может иметь существенное влияние на рентабельность. Корректное использование современных многофункциональных программируемых приборов может способствовать значительному уменьшению стоимости тестирования и повышению качества серийного производства.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке