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

Компоненты и технологии, № 1'2005

Повышение производительности тестирования радиокомпонентов

за счет улучшения согласованности работы измерительного оборудования

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

е-

Игорь Абанин

abanin@rodnik.ru

Скорость 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 Ь&, 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 ОР1Б (шина 1ЕЕЕ-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, ОР1Б имеет значительные коммуникационные накладные расходы. Причиной другого недостатка ОР1Б 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 ОР1Б 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,

Компоненты и технологии, № 1'2005

I і Задержка Измерение

і Задержка Измерение

1 Подача

1 Задержка Измерение . напряжения

Подача

напряжения

Подача

напряжения

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

в основном работающими самостоятельно, роль ОРІБ 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

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 ОРІБ.

Процесс контроля диодов включает определение полярности проверяемого диода, за которым следует измерение прямого напряжения, напряжения пробоя и тока утечки (рис. 2). Прямое напряжение Уг — 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 Укм — это величина обратного напряже---------------------www.finestreet.ru -

ния, 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 1к, иногда называемый обратным током насыщения 15 — 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 1ЕЕЕ производится тестирование. Прибор переходит от операции к операции в соответствии с содержанием ячеек памяти без вмешательства компьютера.

Смоделируем испытательную установку, в которую диоды поступают с неопределен-

I

ґ\

/Ч

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

ной полярностью, но манипулятор при необходимости может повернуть их для изменения полярности (рис. 3). Тестирование включает следующие шаги:

1. Оператор указывает компьютеру, что партия диодов поступила и готова к тестированию.

2. Через ОР1Б 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 ОР1Б 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 ОР1Б

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.

Манипулятор электронных компонентов

Цифровой

ввод-вывод

Механическая

связь

ІЕЕЕ-488 л Ч Измерительно- Электрические

ПК соединения Испытываемое

ч.  устройство устройство

Рис. 3. В представленной процедуре тестирования диоды поступают с неопределенной полярностью, но манипулятор при необходимости может повернуть их для изменения полярности

Испытательное зажимное приспособление

Компоненты и технологии, № 1'2005

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.

Синхронизация приборов

Поскольку желательно предварительно запрограммировать оба прибора (чтобы избежать задержек в ОР1Б), 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. Время, затрачиваемое на изменение

параметров

Описание Ориентировочное время

Изменение величины тока 5

Изменение величины напряжения 5

Переключение с источника тока на источник напряжения* 11

* 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 КейЫеу, аналогичные методы могут использоваться и с применением приборов других производителей.

SMU

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

SMU

Сигнал

запуска

ИПУ 1

ИПУ 2

ИПУЗ

Синхронизация

подключением

переключателя

11 мс

Близкий к наиболее “ неблагоприятному варианту

" Задержка переключения

5 мс

Типичный

вариант

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

Начало Завершение измерения измерения

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.

Специфические испытания транзисторов

Напряжение пробоя. Обычно для ГБТ измеряются два напряжения пробоя. Первое — это коллектор-эмиттерное напряжение пробоя, которое может быть измерено как при разомкнутой, так и при закороченной цепи базы. Рис. 6а показывает схему измерения кол-лектор-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. 6 с 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.

Другими параметрами, наиболее часто измеряемыми в мощных радиочастотных транзисторах, являются постоянное рабочее напряжение коллектор-эмиттер (BVCEO(SUS) или VCE(sus)), коллектор-эмиттерное напряжение

SMU

SMU

SMU

I Source

с) V

Рис. 6. Измерение коллектор-эмиттерного напряжения пробоя при разомкнутой цепи базы М; измерение коллектор-эмиттерного напряжения пробоя при закороченной цепи базы (б);

Измерение коллекторного тока отсечки и напряжения пробоя коллектор-база при разомкнутой цепи эмиттера Н

Компоненты и технологии, № 1'2005

0,3

0,5

0,7

0,9

1,3

Vbe,B

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.

пробоя при обратном смещении, приложенном к переходу база-эмиттер (БУсеу или БУсех), и напряжение пробоя эмиттер-база при разомкнутой цепи коллектора (БУебо) (рис. 7).

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 1сбо, 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 (1ебо). 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 (в), показатель идеальности базы и коллектора, сопротивлений потерь и т. д.

О компании

Компания Keithley Instruments, Inc. (www. keithley.com) является одним из крупнейших мировых производителей измерительной техники, специализируется, в частности, на создании измерительных комплексов и систем для лабораторных и промышленных испытаний полупроводниковых и оптоэлектронных приборов. Широкое распространение получили источники-измерители (SMU), обеспечивающие программируемую подачу напряжения (тока) с одновременным измерением тока (напряжения) при уровне шума, приведенного ко входу, до 1E-16 А, с количеством уровней квантования АЦП в каждом диапазоне до 20 000 000 и частотой дискретизации до 2000 Гц. К ним относятся модели Keithley 24xx, 6430, а также высокопроизводительные комплексы 4200 и 4500, интегрирующие в одном корпусе до 8 и до 36 SMU соответственно. Данные модели при помощи IEEE-488 (GPIB), RS-232C и триггерных интерфейсов позволяют создавать системы любого уровня сложности, в частности, комбинированные I-V/C-V системы с применением коммутационных матриц 70xx, 71xx и C-V-метров 59x. Возможности указанных моделей позволяют гибко перестраиваться как для проведения промышленных испытаний приборов и материалов, так и для высокоточных измерений в наноэлектронике.

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.