Андрей Насонов
Разумеется, речь не о том, что полупроводниковые приборы бывают разные по типу и назначению, мощности и быстродействию. Это – очевидно, поэтому речь пойдет совсем о другом. Чтобы абстрагироваться от многообразия полупроводниковых приборов, рассмотрим на примере какого-либо транзистора или диода, в каких случаях подходы к измерению их характеристик могут быть принципиально разными.
Определяющей тут является серийность изделий.
Причем серийность – это не о количестве. Это, скорее, о том, какое количество изделий определенной категории качества производится. И категория качества – это не абстрактное понятие, а вполне конкретные
характеристики, приведенные в стандартах, например, в ГОСТ Р 58857—2020. По сути, один и тот же кристалл стоит на два порядка дороже, если, например, это 2Т3117А ОСМ по сравнению с КТ3117А. И эта разница абсолютно обоснована – и не потому, что корпус разный. Соответственно, обоснована разница и в трудоемкости их тестирования. Получается, что если изделие
категории качества ОТК, то нужен автоматизированный тестер, обеспечивающий контроль по принципу «годен/не годен» по ограниченному количеству параметров, а для изделий более высоких категорий качества
нужны средства измерения, обеспечивающие контроль всех характеристик полупроводникового прибора.
Автоматизированные тестеры или, точнее говоря, тестеры, предназначенные для работы в составе автоматических линий, удовольствие весьма дорогое. Тут полностью выполняется правило: чем более массовое производство необходимо, тем дороже будет стоить технологическое оборудование, даже если изготавливаются дешевые компоненты. Автоматизация и быстродействие – это дорого. И нужно учитывать, что это приборы, предназначенные для решения определенной задачи, иначе говоря, для конкретных измерений конкретного компонента. На РИС 1 приведен пример такого устройства.
Чтобы выполнить измерение другого компонента, необходимо будет серьёзно переконфигурировать тестер, причем не только программно, но и аппаратно.
Кроме того, на различных этапах жизненного цикла полупроводникового прибора предъявляются различные требования к средствам измерения. Именно в привязке к этим этапам имеет смысл рассмотреть вопрос.
Первый этап – это, разумеется, НИОКР. При разработке трудоемкость измерений не принципиальна, а вот возможность измерить всё мыслимое и не мыслимое – это главное. Автоматизация тут не нужна что бы ни разрабатывалось, но возможность сохранения результатов весьма желательна.
На этом этапе необходим максимально универсальный измеритель параметров полупроводниковых приборов, способный работать при токах от 1 нА до 20 А и напряжениях от 0 до 2000 В. Таким прибором является
характериограф Л2-156 (РИС 2).
С этим прибором связана определенная история.
В 80-х годах прошлого века в СССР выпускался прибор Л2-56 (РИС 3).
В те времена выпускали много различных измерительных приборов и весьма неплохих. Потом, в определенный исторический момент, отечественная промышленность практически прекратила производство
средств измерения. И советские измерительные приборы на предприятиях были практически все заменены на импортные. Все, кроме Л2-56 – ему не нашлось достойной замены. Речь идет о совокупности метрологических характеристик и потребительских свойств.
Надо сказать, что с задачей не справились не только китайские приборы под марками Л2-100 и Прогресс 3000, но и весьма неплохие и недешевые, такие как, например, keysight b1500a. Keysight b1500a – хороший прибор для научных исследований, но он не предназначен для применения в серийном производстве. Поэтому продолжается эксплуатация приборов Л2-56. Но поддерживать работоспособность столь возрастных и в принципе
морально устаревших приборов весьма затруднительно.
Для решения этой проблемы был разработан характериограф Л2-156. Этот прибор не является копией Л2-56. В нем использованы совершенно другие, более современные схемные решения, что позволило создать прибор, отвечающий современным требованиям как по точности, так и по возможности совместной работы с цифровыми информационными системами. При этом в процессе разработки были проанализированы причины успеха Л2-56 и неуспеха приборов типа Л2-100 и keysight b1500а, и сделанные выводы учтены в схемных решениях и конструкции. В частности, органы управления
Л2-156 полностью идентичны Л2-56, но более надежны механически, что дает возможность оператору легко освоить новый прибор. Устройство подключения объекта измерения тоже идентично, а это позволяет предприятиям использовать специализированные адаптеры, которые были разработаны за долгие годы эксплуатации Л2-56. Вместо электронно-лучевой трубки в качестве индикатора используется цветной сенсорный дисплей
HDMI высокого разрешения. Это существенно повышает точность измерения прибора, так как точность отсчета зависит от разрешающей способности дисплея, а она на порядок выше, чем у ЭЛТ. Экран более информативен
и имеет функцию управления за счет сенсорных возможностей (РИС 4). К прибору может быть подключен дополнительный внешний дисплей HDMI, а также обеспечена связь с внешним компьютером. На лицевой панели имеется разъем USB, позволяющий оперативно сохранять информацию на флеш-накопителе.
На этапе разработки полупроводникового прибора важно обеспечить работу прибора совместно с зондовой станцией, чтобы иметь возможность проводить
измерения характеристик на пластине. С точки зрения подключения зондовая станция – это просто адаптер. Но адаптер с длинными связями. И учитывая, что при зондовых измерениях возникают вопросы, связанные с влиянием внешних помех, может потребоваться применение экранированной камеры. И в таком варианте необходимо, чтобы сам измерительный прибор не являлся источником помех. Характериограф Л2-156 разработан именно с учетом этих требований. В его составе нет импульсных источников питания и других
источников помех. У Л2-156 появилась функция получения ВФХ полупроводниковых приборов, которой не было в Л2-56 (РИС 5). Имеется возможность измерения емкости p-n-перехода при изменении обратного напряжения на нем от 0 до 400 В. Измерение емкости производится
на частоте 1 МГц, что соответствует стандартам, например, в ГОСТ 18986.4-73 оговорено, что она не должна быть менее 0,1 МГц. Эта функция весьма полезна при использовании прибора на входном контроле. Емкости переходов часто оговорены в ТУ, и их несоответствие однозначно указывает, что внутри компонента не тот кристалл.
Следующий этап – производство. Тут возможны принципиально различные варианты. Дело в том, что определенные типы приборов предназначены для массового производства, и для его обеспечения необходимы
высокоавтоматизированные средства без излишней детализации по параметрам. И в тоже время некоторые полупроводниковые приборы изначально разрабатываются для производства в относительно небольших количествах. Как правило, эти изделия имеют повышенные требования по качеству, точности и надежности. Стоимость таких приборов может быть на порядки выше массовых изделий. Понятно, что для них допустима
большая стоимость тестирования, которая в основном определяется не ценой оборудования, а трудоемкостью процесса. Тут ничего не поделаешь, ведь отличие цены изделий с более высокой категорией качества в основном обусловлено именно затратами на тестирования и испытания. Л2-156 для этого полностью подходит, и здесь возможен определенный уровень автоматизации благодаря связи с компьютером. Да и процесс документирования результатов может быть полностью автоматизирован.
За этапом производства следует этап эксплуатации изделия. Применительно к полупроводниковым компонентам, которые сами по себе, строго говоря, не
законченное изделие, а комплектация: на предприятии, производящем изделия электронной техники, куда они поступают, следует рассматривать их тестирование при входном контроле как следующий этап их жизненного цикла. Тут применение прибора Л2-156 практически безальтернативно. На входной контроль попадают различные полупроводниковые приборы: от мощных диодов до туннельных диодов, от маломощных транзисторов до мощных MOSFET. Благодаря своей универсальности характериограф Л2-156 позволяет проводить исследования практически любых ПП-приборов. При
использовании на входном контроле может оказаться весьма полезной функция электронного технического описания, подсказывающая оператору, какие режимы установить для конкретного прибора. Необходимо только ввести тип тестируемого прибора, обозначить, какую характеристику необходимо отобразить, и на экран будет выведено изображение нужного положения органов управления прибора для выбранного компонента (РИС 6).
При использовании характериографа Л2-156 на входном контроле легко организовать документирования результатов и подготовку материалов для претензионной работы.
Наличие в составе прибора Л2-156 достаточно мощных вычислительных
средств и возможность подключения внешнего компьютера открывают
большие возможности для построения программно-аппаратных комплексов как с целью организации сложных программ исследования характеристик, так и для построения структур системы качества предприятия.