Измеритель-регулятор параметров для зондовой станции

Размещено на http://www.allbest.ru

Измеритель-регулятор параметров для зондовой станции

А. А. Шаталов

В. М. Чайковский

Аннотация

Представлен контроль миниатюрных электронных компонентов и многовыводных микросхем, который достигается за счет применения специализированных устройств - зондовых станций. Также описаны некоторые технологические решения, предназначенные для уменьшения размеров, упрощения обеспечения температурных режимов и работы на зондовых станциях. Представлен Пельтье- элемент, работа которого основана на появлении на его противоположных сторонах разности температур, возникающей в результате протекания через элемент электрического тока. Также описана работа измерителя-регулятора для зондовой станции, которая позволяет значительно снизить массогабаритные размеры аппаратной части системы контроля параметров чип-компонентов, реализованных на полупроводниковой основе.

Ключевые слова: зондовая станция, контроль изменения характеристик, параметры чип-компонентов, Пельтье-элемент, полупроводниковая структура, цифровые приборы, температурное изменение кристаллов

регулятор зондовый станция температурный

Данная работа вызвана тем, что задача обеспечения технического уровня и повышения качества радиоэлектронной аппаратуры весьма актуальна для создания электронных компонентов, используемых в составе различных средств вооружения и военной техники. Современная электронная аппаратура содержит большое количество электронных компонентов на основе полупроводниковых структур.

Появление больших и сверхбольших интегральных микросхем с числом выводом более 100 и шагом между ними менее 0,6 мм требует разработки особых методов контроля их технических характеристик.

Зондовая станция (рис. 1) - устройство, использующееся для оценки значений параметров чип-компонента на любой стадии его технологического цикла: элементы, расположенные на подложке или пластине, представляют собой функционально законченные элементы, элементы в собранном устройстве [1].

Зондовую станцию предлагается использовать совместно с персональным компьютером. При этом с помощью цифровой камеры изображение исследуемой платы с чип - элементами выводится на экран монитора компьютера, на котором отображаются сразу значения всех контролируемых параметров исследуемого чип-компонента, расположение компонента на плате, также на экран выводится визуальное позиционирование всех элементов. Последнее позволяет фиксировать изменение их вольт-амперных и вольт- фарадных характеристик, а также наблюдать характер их изменения от действия температуры [2, 3]. С помощью зондовой станции можно определить характеристики окончательно получаемых элементов еще до завершающего этапа технологического процесса, заключающегося в резке полупроводниковой структуры на отдельные кристаллы. Данный подход позволяет увеличить процент выхода годных компонентов, уменьшает затраты на их производство и резко сокращает временные затраты на проведение исследовательских работ при разработке новых компонентов.

В состав зондовой станции входит специальная платформа с предусмотренной вакуумной фиксацией изделия для выполнения прецизионной установки контактирующих тестовых зондов, используемых для проведения измерения как на постоянном токе, так и на переменном. Для визуального контроля процесса установки контактирующих зондов используется микроскоп со светодиодной насадкой, наличие которой позволяет регулировать уровень местной освещенности участка рабочей зоны. Наглядная визуализация последнего достигается установкой на микроскоп видеомодуля, непосредственно подключенного к дисплею. Последнее позволяет оператору не только тщательно наблюдать за ходом всех этапов процесса контактирования тестовых зондов с той или иной ко н- тактной площадкой, но и при необходимости проводить ее корректировку. При этом также можно как легко проводить любые манипуляции с контактирующими тестовыми зондами, так и осуществлять при этом перемещение даже самого исследуемого изделия [4].

Рис. 1. Зондовый контроль чип-компонентов

Технологический ряд зондовых станций представлен различными типами последних, а именно: ручным, полуавтоматическим и автоматическим. В исследовательских лабораториях, разрабатывающих технологические процессы изготовления чип-компонентов, используются в основном ручные зондовые станции. Последнее обусловлено тем, что это позволяет получить достаточную гибкость процесса измерения при оценке значения того или иного контролируемого параметра, характеризующего свойства чип - компонентов. Использование полу- и автоматических зондовых станций целесообразно только при организации массового производства, когда требуется проведение огромного количества однообразных измерений при организации процесса выходного контроля параметром серийно выпускаемой продукции [5].

Отличие зондовых станций между собой также возможно по размеру диаметра тестируемых полупроводниковых пластин, изменяющемуся в достаточно широком диапазоне: от нескольких десятков миллиметров до нескольких сантиметров. Также могут контролироваться параметры пластин с диаметром более 10 см, которые предназначены для изготовления сильноточных радиокомпонентов. Крупногабаритные зондовые станции предназначены для автоматического тестирования при организации серийного производства, они также могут дополняться системами автоматики, осуществляющими подачу тестируемых пластин, дополняться камерами, экранирующими всю станцию от воздействия различных электромагнитных полей, так как часто измерение осуществляется на сигнале «малой» амплитуды. Дополнительно они могут снабжаться микроскопом для контроля процесса установки тестового зондового щупа на соответствующую контактную площадку. Малоразмерные станции предпочтительнее использовать при пров едение ручного тестировании, когда станцию можно разместить непосредственно на рабочем столе технолога-исследователя [6]. При этом необходимо помнить, что зондовая станция не должна подвергаться различным вибрациям и деформациям, а поэтому необходимо размещать ее на металлической конструкции, имеющей массивную станину и жесткое основание. К числу основных задач, стоящих при контроле чип-компонентов, относится измерение параметров при воздействии на кристалл температуры. Кардинальным решением обеспечения требуемого температурного режима является размещение зондовой станции в камере, охлаждение которой достигается путем использования жидкого азота, а нагрев - с помощью мощных нагревателей, расположенных в камере. Это решение приводит к необходимости использовать громоздкое оборудование, прим е- нять специальные меры по работе с сосудами, находящимися под давлением.

Для обеспечения температурных режимов кристалла в процессе контроля предлагается использовать Пельтье-элемент (рис. 2).

Рис. 2. Обеспечение температурных режимов чип-компонентов с использованием Пельтье-элементов

Принцип действия Пельтье-элемента, являющегося термоэлектрическим преобразователем, основан на использовании различия уровней энергии электронов, когда один проводящий элемент можно представить как область с высокой проводимостью, а другой - с низкой проводимостью. В случае совмещения последних и пропускания через них тока электрону для прохождения из области с низкой энергией в область с высокой потребуется накопить энергию. В области, в которой энергия поглощается, начнется процесс охлаждения, при смене полярности подключения элемента в месте охлаждения начнется процесс нагрева [7, 8].

Подобное явление имеет место у большинства любых элементов, но особо ярко это проявляется в случае с полупроводником.

Отличительными свойствами Пельтье-элемента являются его малые размеры, исключение движущихся элементов. Вторым достоинством является наличие возможности термостатирования при смене температуры окружающей среды в ту или иную сторону, реализуемого за счет смены направления протекания тока [9].

К недостаткам Пельтье-элемента следует отнести достаточно низкий его коэффициент полезного действия, в сравнении с компрессорными холодильными установками, использующими компрессоры на фреоне, что вызывает потребление значительной мощности, чтобы добиться ощутимой разности температур. Однако в настоящее время продолжаются работы по созданию устройств, обладающих повышенным значением теплового КПД, с использованием Пельтье-элементов, так как их применение позволяет достичь нулевого значения температуры и даже еще более низкого значения.

Наибольшую сложность в создании Пельтье-элементов, обеспечивающих большое значение коэффициента полезного действия, вызывает необходимость двойного использования свободных электронов в теле материала, являющихся заряженными частицами, перемещение которых вызывает электрический ток, причем одновременно с этим электроны также должны являться и переносчиками тепла. При этом материал, используемый для создания Пельтье-элемента (рис. 3), должен характеризоваться свойствами, исключающими наличие друг друга, а именно: иметь высокую проводимость, чтобы без потерь проводить ток, и обладать низкой теплопроводностью, чтобы не проводить тепло [10].

В батареях, собранных из Пельтье-элементов, получение значительной разницы температур возможно, но значение мощности получаемого при этом охлаждения будет мало. Практическое использование показывает, эффект стабилизации температуры будет достигаться значительней, если в качестве источника питания будет использоваться импульсный источник [11], последнее приводит к росту эффективности всей системы. Также замечено, что сглаживание пульсаций тока не только приводит к росту эффективности Пельтье-элементов, но и позволяет продлить их срок службы.

Рис. 3. Внутреннее устройство термоэлемента Пельтье

Рис. 4. Использование виртуальных измерительных приборов для контроля чип-компонентов

В настоящее время для измерения параметров чип-компонентов требуется одновременное использование достаточно большого количества приборов [12]. Использование технологии виртуального прибора позволяет превратить обычный ПК в устройство с произвольной функциональностью, при этом мощности ПК сегодня таковы, что алгоритмы получения сигнала в виртуальном приборе аналогичны алгоритмам обработки сигнала в традиционном цифровом приборе [13]. На рис. 4 показана реальная замена всего одним персональным компьютером целой измерительной лаборатории при организации контроля параметров чип-компонентов.

Заключение

Разработка измерителя-регулятора для зондовой станции позволит значительно снизить массогабаритные размеры аппаратной части системы контроля параметров чип- компонентов, а также за счет ускоренного получения результатов измерения с использованием аппаратных средств виртуальной лаборатории резко улучшить качество проводимых испытаний.

Список литературы

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии : учеб. пособие. Н. Новгород, 2004. С. 8-27.

Дансарунова Т. Д. Зондовые манипуляции : учеб. пособие. Кяхта, 2014. URL: multiurok.ru

Ручная зондовая станция. URL: https://www.tbs-semi.ru

Васильев И. Зондовые измерения параметров полупроводников. 2017. URL: https:// www.electronics.ru

Анатычук Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: справочник. Киев : Наукова думка, 1979. 385 с.

Бернштейн А. С. Термоэлектрические генераторы. М. : Госэнергоиздат, 1956. 50 с.

Ильярский О. И., Удалов Н. П. Термоэлектрические элементы. М. : Энергия, 1970. 72 с.

Современная технология охлаждения элементом Пельтье. URL: https://algimed.com

Микрозондовая вакуумная станция. URL: https://pribor4test.ru

Зондовый контроль. URL: https://minateh.ru

Гельман М. В., Дудкин М. М., Преображенский К. А. Преобразовательная техника : учеб. пособие. Челябинск : Изд. центр ЮУрГУ, 2009. 425 с.

Топильский В. Б. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей. М. : Техносфера, 2014. 39 с.

Комплексные решения для проведения зондовых измерений. URL: https://ostec- electro.ru