УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОТЕРМОТРЕНИРОВКИ

Полезная модель относится к средствам автоматизированного контроля и диагностики и может быть использована в качестве технологического испытательного оборудования для контроля параметров радиоэлектронной аппаратуры при ее производстве и эксплуатации [H01L 21/66, G01R 31/303, G01R 31/26, G01R 31/28, H01J 9/42].
Из уровня техники известна ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА И ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО [TW 201009369, опубл. 01.03.2010], представляющая собой испытательное устройство для полупроводниковых компонентов, отличающееся тем, что полупроводниковые компоненты снабжены множеством функциональных блоков, осуществляющих ввод и вывод сигналов через главную шину и выполняющих заданную обработку сигналов; цепей BIST, установленных для каждого функционального блока в вышеупомянутых нескольких функциональных блоках, позволяющих протестировать соответствующий функциональный блок и сгенерировать цифровой сигнал результата теста, соответствующий результату теста; шина управления тестом подключена к вышеупомянутому тестовому устройству, принимает управляющий сигнал, выходящий из вышеупомянутого тестового устройства, и управляет вышеупомянутым множеством схем BIST на основе вышеупомянутого управляющего сигнала, и вышеупомянутый сигнал результата теста, обозначенный вышеупомянутым управляющим сигналом, может быть считанным тестовым устройством через тестовую шину управления; тестовое устройство включает тестовый блок, который передает и принимает сигналы к полупроводниковому элементу и от него через главную шину, так что, по крайней мере, один из функциональных блоков выполняет заданную обработку сигналов, и блок управления, который формирует первый сигнал управления и второй сигнал управления и подает первый сигнал управления и второй сигнал управления на полупроводниковый элемент через тестовую шину управления, причем первый сигнал управления используется для управления схем BIST в полупроводниковом элементе, контролирующихся индивидуально, а второй управляющий сигнал используется для считывания сигнала результата теста, генерируемого схемой BIST, из интерфейсной схемы в полупроводниковом элементе.
Недостатком аналога является отсутствие теплоотвода от подверженных нагреву микросхем, что при тестировании одновременно нескольких устройств может привести к перегреву и выходу из строя всей системы.
Также известна СИСТЕМА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОМПЛЕКТУЮЩИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ЭЛЕМЕНТА ЕГО ТЕРМОБАРЬЕРНОГО СЛОЯ [US 2019064258, опубл. 28.02.2019], включающая плату тестирования, снабженную по меньшей мере одним электрическим контактом, тестовый разъем для приема тестируемого устройства, по меньшей мере один штырь щупа, расположенный на тестовом гнезде для электрического соединения с тестируемым устройством и электрическим контактом и элемент термобарьерного слоя, расположенный между штырем зонда и электрическим контактом, электрически соединенный со штырем зонда и электрическим контактом и выполненный с возможностью, по меньшей мере, замедлять передачу тепла между штырем зонда и электрическим контактом, а также элемент термобарьерного слоя испытательной системы, содержащий изоляционную прокладку и по меньшей мере один проводящий теплоизоляционный участок, сформированный на изоляционной прокладке, при этом проводящий теплоизоляционный участок содержит аэрогель, содержащий углеродные нанотрубки, или проводящий теплоизоляционный участок содержит силикагель, содержащий углеродные нанотрубки; изоляционная прокладка содержит корпус прокладки, имеющий две противоположные поверхности, и по меньшей мере одну приемную выемку, образованную на корпусе прокладки и соединенную с двумя противоположными поверхностями корпуса прокладки, при этом токопроводящая теплоизоляционная часть сформирована за одно целое с принимающей выемкой; проводящие теплоизоляционные части расположены в форме матрицы.
Недостатком аналога является использование в качестве материала изоляционной прокладки аэрогеля (силикагеля), который в условиях сильно меняющихся температур подвержен деформациям из-за теплового расширения. Из-за этого, особенно при многократном и быстром нагревании, в материале накапливаются дефекты, что может привести к потере прочности и появлению трещин и, соответственно, отрицательно сказывается на надежности.
Наиболее близким по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМОТРЕНИРОВКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ [RU1582902, опубл. 27.08.1995], содержащее камеру с входными и выходными патрубками для подачи и отвода теплоносителя, электровводы, соединенные с разъемами для подключения интегральных схем, блок питания интегральных схем, блок подачи входных сигналов к интегральным схемам, выходы которого соединены с электровводами, управляемый блок аварийной защиты, отличающееся тем, что, с целью увеличения производительности и уменьшения габаритов, в него введен блок циклической коммутации, входы которого соединены с выходом источника питания интегральных схем, а выходы соединены с электровводами, каждый из которых соединен с входом соответствующего интегрирующего звена, выход которого соединен с анодом диода, а катод диода подключен к входу общего компаратора, выход которого соединен с управляющим входом блока аварийной защиты; целью изобретения является увеличение производительности и уменьшение габаритов, которая достигается путем циклической подачи питания на обрабатываемые изделия.
Основной технической проблемой прототипа является невысокая надежность конструкции: вентиляция в камере осуществляется посредством одного вентилятора, что в случае выхода его из строя может привести к остановке работы, то есть снижается надежность; к тому же, напряжение от блока питания подается в любой момент времени только к одному испытываемому изделию, и в случае выхода из строя блока циклической коммутации дальнейшая работа всего устройства также становится невозможной.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство электротермотренировки, включающее печатную плату, на которой смонтированы блок универсальных каналов, локальные источники питания, входы которых соединены с внешним источником электропитания, устройство синхронизации генератора тестовой последовательности, входы которого соединены с выходами блока программирования ПЛИС и генератора опорной частоты, а выходы подключены ко входам блока универсальных каналов, разъемы для подключения источников питания объектов контроля, разъемы для подключения объектов контроля, при этом входы  разъемов для подключения объектов контроля соединены с выходами разъемов для подключения источников питания объектов контроля и выходами блока универсальных каналов, аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены ко входам блока универсальных каналов, выходы локальных источников питания подключены ко входам блока универсальных каналов, устройства синхронизации генератора тестовой последовательности, блока программирования ПЛИС, генератора опорной частоты, разъемов для подключения источников питания объектов контроля, разъемов для подключения объектов контроля и аналого-цифровых преобразователей, отличающееся тем, что печатная плата дополнительно содержит смонтированный на ней блок диагностики каналов, входы которого подключены к выходам локальных источников питания, а выходы подключены ко входам блока универсальных каналов, разъемы для установки модуля Ethernet, входы которых подключены к выходам локальных источников питания и выходам  блока универсальных каналов, и радиаторы теплоотвода, тепловые контакты которых подключены к выходам блока универсальных каналов, а выходы локальных источников питания подключены ко входам разъемов для подключения объектов контроля и всех разъемов для подключения источников питания объектов контроля таким образом, что обеспечивают электропитанием все подключаемые тестируемые объекты контроля одновременно.
В частности, печатная плата дополнительно содержит смонтированные на ней разъемы для установки сменных субмодулей.
В частности, печатная плата дополнительно содержит смонтированные на ней разъемы для подключения субмодулей генератора тестовой последовательности.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показан общий вид устройства электротермотренировки.
На фиг. 2 показана схема работы устройства электротермотренировки.
На фиг. 3 показана схема универсального канала.
На фиг. 4 показана схема монтажа радиатора теплоотвода.
На фигурах обозначено: 1 - печатная плата, 2 - блок универсальных каналов, 3 - локальные источники питания, 4 - фильтрующие конденсаторы, 5 - разъемы для установки модуля Ethernet, 6 - разъёмы для установки сменных субмодулей, 7 - блок программирования ПЛИС, 8 - устройство синхронизации генератора тестовой последовательности, 9 - блок диагностики каналов, 10 - разъёмы для подключения источников питания объектов контроля, 11 - разъемы для подключения объектов контроля, 12 - цифроаналоговые преобразователи, 13 - разъемы для подключения субмодулей генератора тестовой последовательности, 14 - радиатор теплоотвода, 15 - точки теплового контакта, 16 - контактная площадка, 17 - генератор опорной частоты, 18 - охлаждаемые микросхемы, 201 - блок операционного усилителя DA4B с цепями защиты и коррекции амплитудно-частотной характеристики, 202 - блок операционного усилителя DA5B с цепями защиты и коррекции амплитудно-частотной характеристики, 203 - блок драйвера и компаратора.
На фигурах приняты следующие аббревиатуры: ГТП - генератор тестовой последовательности, ЦАП - цифроаналоговый преобразователь, ВУ - высокий уровень, НУ - низкий уровень, УК - уровень компарирования, ОК - объект контроля.
Осуществление полезной модели
Устройство электротермотренировки состоит из печатной платы 1, на которой смонтированы 256 двунаправленных и 80 дополнительных каналов ввода-вывода, объединенных в блоке универсальных каналов 2, при этом основные универсальные каналы располагаются непосредственно на печатной плате 1, а дополнительные универсальные каналы располагаются на подключаемых к разъемам для подключения объектов контроля 11 сменных субмодулях (на фигурах не показаны).
Печатная плата 1 также содержит смонтированные на ней модули локальных источников питания 3, входы которых соединены с внешним источником электропитания, с фильтрующими конденсаторами 4, устройство синхронизации генератора тестовой последовательности 8, входы которого соединены с выходами блока программирования ПЛИС 7 и генератора опорной частоты 17, а выходы подключены к входам блока универсальных каналов 2, разъемы для установки модуля Ethernet 5, входы которых подключены к выходам локальных источников питания 3 и выходам  блока универсальных каналов 2, разъёмы для установки сменных субмодулей 6, блок диагностики каналов 9, реализованный в виде разъемов для подключения внешних измерительных приборов. На фиг. 2 в виде большого пунктирного контура показано условное объединение смонтированных на печатной плате 1 элементов, входы которых соединены с выходами локальных источников питания 3.
Печатная плата 1 также содержит смонтированные на ней разъемы для подключения источников питания объектов контроля 10 и разъемы для подключения объектов контроля 11, при этом входы разъемов для подключения объектов контроля 11 соединены с выходами разъемов для подключения источников питания объектов контроля 10 и выходами блока универсальных каналов 2.
Печатная плата 1 также содержит аналого-цифровые преобразователи 12, выходы которых подключены к входам блока универсальных каналов 2, разъемы для подключения субмодулей генератора тестовой последовательности 13 и радиаторы теплоотвода 14, тепловые контакты которых подключены к выходам блока универсальных каналов 2, при этом радиаторы теплоотвода 14 соединены с печатной платой 1 в точках теплового контакта 15.
Для обеспечения возможности модернизации модуль генератора тестовой последовательности каждой группы из 64 каналов выполнен в виде съёмного субмодуля, подключаемого к разъемам для подключения субмодулей генератора тестовой последовательности 13.
Назначение метода электротермотренировки заключается в длительной выдержке компонентов при повышенной температуре среды и при одновременной подаче на них электрических режимов в течение всего времени проведения испытания. Тренируемые компоненты искусственно проходят процесс «старения», проходя временной отрезок, характеризующийся наибольшим количеством отказов, и таким образом отбраковываются потенциально ненадёжные компоненты.
Предлагаемое техническое решение представляет собой базовую многослойную печатную плату со сменными субмодулями, предназначенными для расширения функциональных возможностей устройства электротермотренировки. Одно из посадочных мест аналогового субмодуля может использоваться для объединения нескольких устройств электротермотренировки в один функциональный модуль с соответствующим увеличением числа каналов.
Устройство электротермотренировки эксплуатируется в составе стендового контрольно-измерительного комплекса для тестирования, испытаний и электротермотренировки высокотехнологичной электронной компонентной базы (на фигурах не показан) и работает следующим образом.
Основной частью устройства электротермотренировки является блок универсальных каналов 2, содержащий 256 универсальных каналов драйверов и компараторов, разбитые на 4 группы по 64 канала.
Каждая группа по 64 канала содержит блок цифроаналогового преобразователя 12, обеспечивающий драйверы и компараторы блоков драйвера и компаратора 203 необходимым набором аналоговых уровней. Синхронизация работы четырех групп каналов осуществляется посредством устройства синхронизации генератора тестовой последовательности 8, на вход которого подаётся опорная частота с генератора опорной частоты 15, а также при необходимости подключается программатор через блок программирования ПЛИС 7. При необходимости устройство синхронизации генератора тестовой последовательности 8 может быть синхронизировано с аналогичным устройством другого устройства электротермотренировки. Для этого с устройства синхронизации генератора тестовой последовательности 8 выведена группа сигналов расширения (на фигурах не показаны).
Локальные источники питания 3 обеспечивают все узлы устройства электротермотренировки необходимыми напряжениями электропитания.
Монтируемый на разъемах для установки модуля Ethernet 5 блок (на фигурах не показан) обеспечивает связь устройства электротермотренировки с центральной ЭВМ по каналу Ethernet.
Непосредственное (или через дополнительное согласующее устройство) сопряжение устройства электротермотренировки с объектами контроля происходит через модули (на фигурах не показаны), монтируемые на разъемах для подключения объектов контроля 11. Эти модули содержит 4 120-контактных печатных разъёма, на которые выводятся:
256 каналов, объединенных блоком  универсальных каналов 2;
необходимое число общих контактов («земля»);
измерительные земли, относительно которой формируются аналоговые уровни цифроаналогового преобразования;
опорные уровни, которые при необходимости могут использоваться для питания объектов контроля;
вспомогательные сигналы, используемые, например, для идентификации плат, на которых смонтированы объекты контроля;
сигналы с монтируемых на разъёмы для установки сменных субмодулей 6 сменных субмодулей (на фигурах не показаны), которые служат при необходимости в качестве дополнительных источников или измерителей.
Основное сильноточное питание на платы, на которых смонтированы объекты контроля, подаётся со сменных модулей, управление которыми осуществляется через блоки (на фигурах не показаны), смонтированные на разъёмах для подключения источников питания объектов контроля 10.
Для настройки, калибровки и ремонта устройства электротермотренировки предусмотрен блок диагностики каналов 9.
Блок универсальных каналов 2 работает следующим образом.
Выходной сигнал драйвера блока драйвера и компаратора 203 поступает на выход канала и далее по согласованной линии передачи (на фиг. 2 показаны частично, обозначены стрелками) на объект контроля (испытываемое устройство). По этой же линии на вход компаратора блока драйвера и компаратора 203 поступает ответный сигнал от объекта контроля.
На вход канала к блокам операционных усилителей DA4B 201 и DA5B 202 с цепями защиты и коррекции поступают от цифроаналогового преобразователя 12 аналоговые сигналы, определяющие высокий и низкий уровни выходных сигналов, а к блоку драйвера и компаратора 203 - аналоговый сигнал, определяющий уровень компарирования.
С генератора тестовой последовательности на канал поступают сигналы, определяющие моменты переключения драйвера блока драйвера и компаратора 203 с низкого уровня на высокий и наоборот (на фиг. 2 «у»), а также его включения и выключения в реальном масштабе времени (на фиг. 2 «в»).
На генератор тестовой последовательности с компаратора блока драйвера и компаратора 203 поступает сигнал, определяющий результат контроля ответного сигнала от объекта контроля. Генератор тестовой последовательности сравнивает сигнал, поступающий с компаратора блока драйвера и компаратора 203, с эталоном и выносит решение о пригодности к эксплуатации объекта контроля.
Схема отвода тепла от подверженных нагреву микросхем из состава устройства электротермотренировки работает следующим образом (см. фиг. 4).
Радиатор теплоотвода 14 и охлаждаемые микросхемы 18 (из состава блока универсальных каналов 2, фильтрующие конденсаторы 4, блок программирования ПЛИС 7 и др.) расположены с разных сторон плоскости печатной платы 1 в местах точек теплового контакта 15.
Охлаждаемые микросхемы 18 припаяны к печатной плате 1 своими дополнительными теплоотводящими контактными площадками 16 таким образом, что контактные площадки 16 располагаются с нижней стороны корпуса охлаждаемой микросхемы 18 и служат для улучшения теплоотвода от нее, позволяя повысить ее рассеиваемую мощность.
Тепловое сопротивление «контактная площадка 16 - печатная плата 1» существенно (в 4-5 и более раз) ниже теплового сопротивление «корпус охлаждаемой микросхемы 18 - печатная плата 1», что обеспечивает более эффективную передачу тепла от охлаждаемой микросхемы 18 к радиатору теплоотвода 14.
Заявленное техническое решение используют следующим образом.
Устройство электротермотренировки устанавливают в соответствующий слот стендового контрольно-измерительного комплекса для тестирования, испытаний и электротермотренировки высокотехнологичной электронной компонентной базы.
Испытуемое устройство подключают к разъему для подключения объектов контроля 11, при этом источник питания испытуемого устройства подключают к разъему для подключения источников питания объектов контроля 10. При необходимости устанавливают дополнительные сменные субмодули на разъемы для установки сменных субмодулей 6.
К разъемам для подключения субмодулей генератора тестовой последовательности 13 подключают соответствующие субмодули.
От общего источника электропитания подают питание на локальные источники питания 3.
Необходимые настройки процесса электротермотренировки производят с центральной ЭВМ по каналу Ethernet через блок, установленный на разъеме для установки модуля Ethernet 5. При необходимости производят диагностику каналов, управляя этим процессом с ЭВМ через блок диагностики каналов 9.
Используя генератор опорной частоты 17, подают на устройство синхронизации генератора тестовой последовательности 8 требуемую опорную частоту, запуская описанный выше механизм передачи сигналов между блоком универсальных каналов 2, генераторами тестовой последовательности, установленными на разъемах для подключения субмодулей генератора тестовой последовательности 13, и цифроаналоговым преобразователем 12, производят электротермотренировку упомянутого испытуемого устройства, осуществляя контроль параметров с помощью центральной ЭВМ.
Технический результат полезной модели - повышение надежности устройства - достигается за счет:
обеспечения электропитанием каждого устройства электротермотренировки из состава стендового контрольно-измерительного комплекса, что позволяет продолжить работу при отказе даже нескольких источников, а также существенно уменьшает выходной ток каждого источника, что снижает нагрузку на подверженные нагреву элементы микросхем и, таким образом, снижает вероятность их выхода из строя и, соответственно, повышает надежность;
обеспечения электропитанием от локальных источников питания всех подключаемые объекты контроля одновременно;
наличия на печатной плате блока диагностики каналов, посредством которого осуществляется диагностика, настройка, регулировка и ремонт устройства, что позволяет предупреждать и оперативно устранять возникающие ошибки и, таким образом, повысить надежность устройства;
обеспечения радиатором теплоотвода каждого драйвера, что способствует более эффективному и равномерному охлаждению подверженных повышенному нагреву драйверов и, соответственно, повышению их ресурса и общей надежности устройства электротермотренировки.
Также заявленное техническое решение обеспечивает:
возможность контроля процесса электротермотренировки с центральной ЭВМ благодаря наличию на печатной плате разъема для установки модуля Ethernet, что, в свою очередь, также положительно сказывается на надежности устройства;
снижение стоимости устройства электротермотренировки благодаря возможности использования нескольких более простых ПЛИС вместо одной многовыводной;
увеличение производительности и расширение функционала за счет обеспечения возможности одновременной электротермотренировки различных типов объектов контроля и за счет упрощения и универсализации процессов установки сменных субмодулей.
Результаты испытаний в 2021-2022 годах опытных образцов, созданных в соответствии с предлагаемым описанием, подтвердили заявленные технические характеристики и технический результат в сравнении с экспериментальным образцом, созданным в соответствии с описанием прототипа.
Максимальные значения температуры подвергаемых нагреву микросхем при испытаниях предлагаемого технического решения были зафиксированы в среднем на отметках 37,3…37,9°С, в то время как у прототипа до 49,4°С.
Организация электропитания каждого устройства электротермотренировки из состава стендового контрольно-измерительного комплекса от локального источника питания напряжением +18В при многократных имитациях перегрузки линии электропитания (в том числе при неисправностях внешних источников бесперебойного питания) позволила обеспечить функционирование без выхода из строя 90-95% устройств электротермотренировки из состава стендового контрольно-измерительного комплекса, в то время как выход из строя элементов централизованного электропитания экспериментальных образцов, изготовленных в соответствии с описаниями прототипа и аналогов, на 25-30% чаще провоцировал критические ошибки питания и управления всего стендового контрольно-измерительного комплекса, что в целом приводило к снижению надежности и качества процессов электротермотренировки.