Автоматизированная установка для задания тепловых режимов при термоэлектрической тренировке полупроводниковых приборов

УДК 621.382

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАДАНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

В.В. Кондусов, В.А. Кондусов

В статье приводится описание возможностей, характеристик, а также примененных методик и средств разработки автоматизированной установки, использующейся для задания тепловых режимов при термоэлектрической тренировке полупроводниковых приборов. Представленная установка является составной частью программно-аппаратного комплекса для термоэлектрической тренировки полупроводниковых приборов в корпусах типа КТ-99-1 и 4601.3-1. В статье дано описание функциональной схемы установки, описана система управления, построенная на микроконтроллере, представлен процесс твердотельного моделирования корпуса и кинематических систем установки с использованием системы SolidWorks. Дано описание терморегулирующей подсистемы, основанной на ПИД-контроллере температуры TCN4S и используемой для задания и точного поддержания температуры рабочей зоны. Описан процесс исследования температурных характеристик рабочей зоны установки с применением гибких термоэлектрических преобразователей ТСП 9703, подключенных к многоканальному прецизионному измерителю температуры МИТ-8 с функцией самописца с выходом на ПК. По результатам исследований температурных характеристик представлены данные, указывающие на оптимальный выбор материалов и конструкции рабочей зоны. Представлено описание основного узла установки - контактного устройства, снабженного игольчатыми подпружиненными контактами, панель которого изготовлена из аморфного материала с очень высокой прочностью и жесткостью - полиэфиримида (РЕ1).

Ключевые слова: задатчик режимов, температурный ПИД-контроллер, система Solidworks, контактирующее устройство

Измерения электрических параметров полупроводниковых приборов при их производстве является важнейшей частью технологического процесса. Результаты таких измерений служат для определения их эксплуатационных возможностей, являются исходным материалом при расчете схем, а с другой стороны, позволяют косвенным образом судить о внутренних свойствах и особенностях приборов [1].

Разработанная установка является составной частью программно-аппаратного комплекса для измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов в корпусах типа КТ-99-1 и 4601.3-1, предназначена для совместного использования с задатчиком режимов и обеспечивает тестирование и снятие характеристик полупроводниковых приборов при температуре до 150оС. Количество одновременно тестируемых приборов - 50 шт. Электрическая функциональная схема установки приведена на рис. 1.

Основой установки является контактирующее устройство (КУ), предназначенное для загрузки 50 полупроводниковых приборов в корпусах КТ-99-1 с игольчатыми пружинными выводами от каждого прибора на внешнюю панель разъёмов установки для последующего соединения с задатчиком режимов. Контактирующее устройство представляет собой панель из аморфного материала - полиэфиримида (РЕ1) , обладающего высокой прочностью и термостойкостью, сохраняющего свои очень хорошие электроизоляционные и диэлектрические свойства в диапазоне температур от -50 до + 1700С.

Кондусов Виктор Васильевич - ООО «Импри», главный инженер, тел. +7 920 451-07-70, kondusov_vv@mail.ru Кондусов Василий Ананьевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. +7 920 451-07-70, kva.vrn@mail.ru

Рис. 1. Функциональная схема установки

В панели фрезерованием сделаны карманы для установки полупроводниковых приборов. Электрический и тепловой контакт приборов осуществляется прижимом термоплиты (модуль нагревателя) через электроизоляционную теплопроводящую панель. Прижим термоплиты с контактирующим устройством регулируется кнопками 1, 2, 3, расположенными на передней панели установки. Пружинные игольчатые контакты укреплены пайкой на печатной плате закреплённой на панели КУ.

Система управления установкой основана на 8-битном микроконтроллере ATmega8a и представлена модулем микроконтроллера. Управляющая программа для микроконтроллера разрабатывалась с помощью интегрированной платформы разработки (IDP) для проектирования и отладки приложений на базе микроконтроллеров Atmel ARM Cortex™-M и AVR - Atmel Studio 6.2. Исходный код программы написан на языке программирования С++.

Модуль микроконтроллера содержит цепь кварцевой стабилизации тактовой частоты, микро-

схемный стабилизатор напряжения +5В, модули драйверов шаговых двигателей М1 и М2, разъём внутрисхемного программирования.

Панель управления установкой соединена с модулем микроконтроллера, выведена на лицевую часть установки и содержит кнопочные переключатели:

«0» - установка контактирующего устройства в исходное положение для загрузки исследуемых полупроводниковых приборов, остановка и возврат в исходное положение контактирующего устройства , «1», «2», «3» - функция «Работа» с различными усилиями прижима исследуемых полупроводниковых приборов в контактирующем устройстве, соответственно: «1» - минимальное усилие прижима, «3» -максимальное усилие прижима. Внешний вид передней панели установки представлен на рис. 2

Рис. 2. Передняя панель установки

Для задания и точного поддержания температуры рабочей зоны использовался ПИД контроллер температуры TCN4S производства компании Autonics. Для измерения температуры модуля нагревателя (нагревательной плиты) использовался преобразователь термоэлектрический типа ХА (К), входящий в состав контроллера температуры. Для нагрева и поддержания заданной температуры совместно с контроллером температуры использовалось твёрдотельное реле.

Модуль блока питания 24В использовался в качестве источника питания шаговых двигателей М1 и М2, подключаемых через драйвера, управляемые микроконтроллером а также для получения стабильного напряжения +5В, необходимого для питания модуля микроконтроллера..

Модуль нагревателя и контактирующее устройство приводились в движение с помощью винтовых передач шаговыми двигателями М1 и М2 соответственно, с точностью позиционирования 27 мкм.

Общий вид и задняя панель установки представлены на рис. 3.

Проектирование шасси, кинематических взаимосвязей и инженерные расчеты осуществлялось в системе Solidworks (Солидворкс) — программном комплексе САПР, обеспечивающем разработку изделий любой степени сложности и назначения.

Рис. 3. Общий вид и задняя панель установки

Для исследования температурных характеристик рабочей зоны установки использовалось пять термоэлектрических преобразователей ТСП 9703 (платиновые) , представляющих собой гибкое основание с закреплённым на нём чувствительным элементом , установленные по периметру рабочей зоны и один в центре. Термопреобразователи подключались к многоканальному прецизионному измерителю температуры МИТ-8 с функцией самописца с выходом на ПК. По результатам исследований температурных характеристик выявлены данные указанные в табл. 1.

Таблица 1 Температурные характеристики

№ п/ п Характеристика Ед. изм. Знач.

1. Время выхода на температурный режим 1000С мин 5

2. Время стабилизации температурного режима мин 2

3. Максимальное отклонение температуры в рабочей зоне от заданного значения, при Траб<1000С 0С ±0,5

4. Максимальное отклонение температуры в рабочей зоне от заданного значения, при Траб>1000С 0С ±0,7

5. Градиент распределения температуры рабочей зоны 0С 0,5

Полученные данные указывают на оптимальный выбор материалов и конструкции рабочей зоны. Температурные характеристики рабочей зоны в несколько раз превосходят требования, предъявляемые к установкам такого типа.

При исследовании температурных характеристик рабочей зоны установки использовались следующие настройки температурного контроллера: диапазон пропорционального регулирования (Р) -5.7, интегральная составляющая (I) -100, дифференциальная составляющая (О) - 20, корректировка входа (ГЫ-В) - 2,0.

В табл. 2 представлены технические характеристики разработанной установки.

Таблица 2

Основные технические характеристики

№ Характеристика Ед. изм. Значение

Общие характеристики

1 Напряжение питания В 220 ± 10%

2 Частота питающей сети Гц 50 ± 0,4

3 Потребляемая мощность, не более Вт 700

4 Температура эксплуатации 0С от +10 до +35

5 Размеры (ШхДхВ) мм 270х410х36 0

6 Масса, нетто кг 32,5

Характеристики рабочей зоны

7 Габариты рабочей зоны (ШхДхВ) мм 170х120х5

8 Диапазон рабочих температур ОС 50-150

9 Время выхода на температурный режим, не более мин 10

Продолжение табл. 2

Время стабилизации тем-

10 пературного режима, не более мин 7

Максимальное отклонение

11 температуры в рабочей ОС ± 0,7

зоне от заданного значения, при Траб.<1000С

Максимальное отклонение

12 температуры в рабочей ОС ± 1

зоне от заданного значения, при Траб>1000С

13 Градиент распределения температуры рабочей зоны, не более ОС 0,7

14 Точность задания темпера- ОС 1

туры

Литература

1. Аронов, В. Л. Испытание и исследование полупроводниковых приборов: учеб. пособие для специальностей полупроводниковой техники вузов / В.Л. Аронов, Я.А. Федотов. -М.: Высш. Шк., 1975. - 325 с.

ООО «Импри», г. Воронеж

Воронежский государственный технический университет

AUTOMATED INSTALLATION TO DEFINE THERMAL REGIMES IN THE EXERCISE OF THERMOELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES

V.V. Kondusov, chief engineer, LLC «Impri», Voronezh, Russian Federation, e-mail: kondusov_vv@mail.ru V.A. Kondusov, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: kva.vrn@mail.ru

The article describes the features, characteristics, and applied methodologies and tools to develop an automated setup used to define thermal regimes in thermoelectric tre-mirovka semiconductor devices. Presented installation is an integral part of software-hardware complex for training of the thermoelectric semiconductor devices in packages of the type KT-99-1 and 4601.3-1. In article the description of the functional diagram of the installation described, the control system is based on a microcontroller, and process of solid modeling of the hull and kinematic mounting systems using the SolidWorks system. The description of the thermal-control subsystem is based on PID temperature controller TCN4S and used to set and maintain precise temperature operating area. Described the process of research of the temperature characteristics of the working zone of the installation with the use of flexible thermoelectric transducers TSP 9703 connected to multi-channel precision temperature meter MIT-8 with the function of the recorder with the PC. The results of studies of the temperature characteristics data indicating the optimal choice of materials and design of the working area. The description of the primary node installation - contact device, provided with a spring-loaded needle contacts the panel which is made of amorphous material with very high strength and stiffness of polyetherimide

Key words: adjuster regimes, temperature PID controller, SolidWorks, contacting device

References

1. Aronov V. L., Fedotov Ja. A. Ispytanie i issledovanie poluprovodnikovyh priborov [Testing and research of semiconductor devices], Uchebnoe posobie dlja special'nostej poluprovodnikovoj tehniki vuzov, M., «Vysshaja shko-la», 1975. - 325s.