книги из ГПНТБ / Видершайн, М. Н. Производственный контроль параметров элементов цифровой автоматики

Йз-формулы (88) видно, что ошибка 8,, обусловленная конеч­ ным временем переключения туннельного диода, прямо пропор­ циональна квадрату емкости диода и обратно пропорциональна

чувствительности схемы Га и квадрату длительности импульса tu.

В табл. 11 и 12 и на рис. 75 и 76 приведены значения tn и 8t для схемы на туннельном диоде из арсенида галлия с емкостью С — 5 пФ и коэффициентом а = 2,222.

Рассмотрим погрешность, возникающую в схеме измерения амплитуды вследствие дискретности преобразования импульсов в постоянное напряжение, обусловленное использованием в блоке преобразования ждущего мультивибратора с постоянной по ве­ личине длительностью выходного сигнала (см. рис. 73).

Постоянная времени цепи заряда конденсатора С7

Тзар = с7(Ядз “ Ь ^ 17)*

Рис. 75. Зависимость минимальной длительности им­ пульсов от чувствительности

150

= R3ap, получим

Т’зар ^Т^зар■

При длительности им-

денсаторе С7 за время ти возрастет на в<

Ux = Ua

Если минимальная точность измерения должна быть и* о*

= 6б, то можно найти соотношение между точностью измерения длительностью импульса мультивибратора и постоянной времени цепи заряда:

Из формул (90) и (91) видно, что использование мультивибра­ тора с большой длительностью импульса является значительным преимуществом схемы, так как в этом случае возможен выбор запоминающей емкости значительной величины.

Минимальная частота повторения входных импульсов опре­ деляется погрешностью, возникающей вследствие разряда кон­ денсатора в промежутках между импульсами. За время fpa3 напряжение на конденсаторе изменится на величину

/ _ *Раз \

AUC= UCU ~ е

где Rpa3— сопротивление цепи разряда, определяемое обратным сопротивлением диода Д3 и входным сопротивлением змиттерного повторителя на транзисторе ПП5.

151

Если минимальная точность измерения должна быть не менее

При этом минимальная частота повторения импульсов

Из соотношений (93) и (90) следует, что минимальная частота следования входных импульсов может быть получена сколь угодно малой при соответствующем выборе длительности импульса мультивибратора.

Оценим влияние остальных факторов, приводящих к погреш­ ности измерения.

Стабильность установки рабочей точки туннельного диода. На точность измерения влияет величина напряжения смещения туннельного диода ТД1. Оценим ошибку, возникающую вслед­

ствие нестабильности этого напряжения.

Абсолютная ошибка прямо пропорциональна изменению напря­

Аналогично определим ошибку, возникающую вследствие из­ менения пикового тока туннельного диода

S ' & I Я,

м/

м' ВХ

где 11— ток максимума диода; 2 Д— относительная стабильность максимального тока при

влиянии дестабилизирующих факторов (учитывается в основном температурная нестабильность).

Оценим возможную погрешность измерения при условии, что калибровка перед началом измерения не производится. Пусть

152

Арсенидгаллиевые диоды обладают сравнительно слабой зависи­ мостью тока максимума от температуры, но и для этих диодов при колебаниях температуры от — 60 до +70° С 1Х изменяется на несколько процентов. Примем £ д = 0,03, тогда

Таким образом, если можно обеспечить достаточную малую погрешность вследствие нестабильности источника питания путем выбора £п — достаточно малой величины, то погрешность, возникающая из-за температурной зависимости пикового тока туннельного диода, велика. Эта погрешность может быть суще­ ственно уменьшена применением схемы температурной компен­ сации. Необходимо отметить, что приведенная выше погрешность являлась максимально возможной при широком изменении усло­ вий работы прибора. На практике (особенно в лабораторных усло­ виях) должна быть обеспечена только кратковременная стабиль­ ность напряжения источника питания и характеристики туннель­ ного диода, так как долговременная нестабильность может быть ликвидирована путем калибровки прибора перед производством измерения.

Ошибки 8П и бд можно уменьшить, увеличивая ток /д, но это приведет к уменьшению чувствительности импульсного вольтметра.

Итак, ошибка, возникающая вследствие нестабильности уста­ новки рабочей точки туннельного диода должна ликвидироваться калибровкой прибора перед производством измерения.

При определении суммарной погрешности измерения по изве­ стным значениям частных погрешностей, возможно использова­ ние либо статистических методов, либо применение способа ариф­ метического сложения частных погрешностей.

Учитывая, что в описываемом вольтметре имеется малое число частных погрешностей, определение суммарной погрешности наи­ более целесообразно произвести путем арифметического сумми­ рования частных погрешностей.

Таким образом, без применения калибровки суммарная отно­ сительная погрешность

« = «К+ б / + б 3+ бр + бп + бд + би,

где 8И— погрешность индикатора.

При применении калибровки и соответствующем выборе эле­ ментов схемы ошибки 8К; б3; 8р; 8П и бд могут быть получены сколь угодно малыми, и суммарная ошибка будет определяться соотношением

б — б; + би.

153

1. Автоматические приборы для измерения параметров интегральных микросхем

Увеличение объема выпуска и переход на использование в устрой­ ствах цифровой автоматики и вычислительной техники интеграль­ ных схем ставит перед изготовителями элементов сложные задачи по обеспечению достаточной достоверности контроля качества из­ делий в производственных условиях. Многие из ранее применяв­ шихся методов испытаний элементов, в связи с увеличением быстро­ действия и усложнением устройств, в настоящее время устарели, а новые методы испытаний еще разрабатываются.

Особую трудность представляет проверка быстродействующих цифровых элементов. Так, например, транзисторно-транзисторные логические модули и схемы с эмиттерной связью имеют время пере­ ключения менее 5 нс, которое трудно проверить с использованием обычных измерительных средств. По некоторым данным около половины затрат на производство элементов радиоэлектронных устройств составляют затраты на испытания и контроль их ка­ чества.

Большое количество различных функций у интегральных схем определило необходимость следующих испытаний: статические из­ мерения, динамические измерения,т.е. измерения в условиях и ре­ жимах, приближенных к условиям использования интегральных схем. Те и другие измерения обладают рядом преимуществ и не­ достатков и являются дополняющими друг друга. В обоих слу­ чаях измеряются не все, а только некоторые параметры, определяю­ щие качество микросхем. В противоположность дискретным эле­ ментам, которые испытываются только на соответствие определен­ ным параметрам, при испытаниях интегральных микросхем не­ обходимо дополнительно определять правильность функциониро­ вания относительно сложной электрической схемы.

При проведении как статических, так и динамических испыта­ ний целесообразно использование электронных вычислительных машин. Благодаря совместному использованию электронно-вы­ числительных машин и автоматических испытательных устройств стоимость испытаний, несмотря на большой объем, незначительна.

При технологическом контроле, когда определяется качество изготовленной партии изделий, производится выбраковка эле­ ментов, обладающих слишком широкими допусками. При этом

154

на ранней стадии производства обнаруживают возникшие де­ фекты.

Данные, полученные на основании подробного анализа дефек­ тов, позволяют автоматизировать контроль производства инте­ гральных схем при помощи простых измерений и обеспечивают внесение необходимых изменений в процесс производства до того, как будут выпущены дефектные изделия. Для обеспечения задан­ ного качества схемы важно своевременно распознать и выбрако­ вывать дефектные элементы.

При оптимальном методе испытаний должны быть созданы пол­ ностью автоматизированные системы контроля, соединенные с от­ дельными стадиями производственного процесса и обеспечиваю­ щие контроль качества отдельных элементов до их соединения в единую интегрированную схему, когда устранить возникшие дефекты уже нельзя. Своевременная выбраковка дефектных эле­ ментов гарантирует повышение надежности и дает более высокие производственные результаты.

Испытательное и измерительное оборудование, используемое изготовителями элементов автоматики, представляет собой дорогие и сложные устройства, которые должны обслуживаться высоко­ квалифицированными специалистами.

В США в настоящее время разработано значительное коли­ чество типов испытательного оборудования, с помощью которого возможна частичная и полная автоматизация процесса испытаний.

Значительное распространение находят испытательные устрой­ ства с программным управлением и использованием вычислитель­ ных машин. Так, например, в одной испытательной системе [44] программы для испытаний записываются на сменных магнитных дисках. На каждой стороне диска записаны программы 100 испы­ таний. Все необходимые параметры для испытаний: уровни сме­ щения, пределы, диапазоны, количество и типы испытаний уста­ навливаются с помощью цифровых переключателей. Новые про­ граммы могут вводиться вручную за время около 15 с с установкой необходимых команд.

Используются также испытательные устройства с управлением от вычислительных машин. С помощью этих устройств может осу­ ществляться испытание быстродействующих цифровых схем с про­ ведением около 60 тыс. испытаний в секунду и от 50 до нескольких тысяч испытаний одной схемы.

Имеется специальная испытательная аппаратура, в которой управляющее устройство, в зависимости от величины измеренных параметров схемы, может перестроиться на программу испытаний, соответствующих более высоким или более низким требованиям к схеме. В этой системе управляющее устройство увеличивает с малыми приращениями амплитуду сигнала генераторов от наинизшего возможного уровня до тех пор, пока выходной уровень не достигнет заданного предела, и при этом автоматически вычисляет коэффициент усиления.

155

В работе [44] описано автоматическое испытательное обору­ дование, которое осуществляет измерение всех параметров инте­ гральных схем и управляется вычислительным устройством. Про­ грамма испытаний записывается на магнитном барабане, имеющем память емкостью 96 тыс. бит, куда записываются и результаты ис­ пытаний каждой схемы. Каждая интегральная схема испыты­ вается в статическом режиме в четырех камерах, в которых под­ держивается температура 75; 0; 125 и —55° С и в динамическом режиме при температуре +25° С. Модули загружаются в автома­ тическое устройство и через каждые 2 с начинается испытание новой схемы. В испытательной камере модуль помещается на большой барабан, который поворачивается на 180°, подавая мо­ дуль к испытательным головкам. Для обеспечения установления температуры модуля, равной температуре в камере, время пово­ рота барабана выбирается равным примерно пяти тепловым по­ стоянным времени модуля.

К каждому выводу модуля подключается по два зонда, один из которых служит для контроля электрического контакта с вы­ водами. После проведения статических испытаний в четырех ка­ мерах при различных температурах производится испытание мо­ дуля при нормальной температуре в динамическом режиме. В ди­ намическом режиме проверяются времена нарастания, спада, задержки включения и выключения модуля с возможностью измере­ ния длительностей до 2 нс. Параметры по каждому входу прове­ ряются отдельно. В статическом и динамических режимах про­ веряются сотни параметров каждой схемы. После проведения испы­ таний результаты измерения параметров, записанные на магнитном барабане вычислительного устройства, автоматически сравни­ ваются с браковочными критериями, установленными для соответ­ ствующих групп интегральных схем, предназначенных к исполь­ зованию в аппаратуре определенного класса. В частности, могут быть установлены группы для модулей, предназначенные к при­ менению в специальной аппаратуре, в высшей или стандартной категории для промышленной аппаратуры, группу для повторных испытаний и группу окончательно некондиционной продукции.

Для обеспечения возможности автоматических испытаний мо­ дулей с различными типами корпусов и расположением выводов

разрабатываются специальные рамки-кассеты, в которые поме­ щаются модули с различными корпусами.

Применение кассеты обеспечивает предохранение выводов от повреждений в процессе испытаний, которые являются одним из

основных факторов, обусловливающих отказы модулей в процессе их изготовления и проверки.

Одной из важных проблем является правильное установление технических показателей модулей с учетом требований разработ­ чиков аппаратуры. Имеются случаи, когда изготовители модулей устанавливают технические параметры их без учета ряда пара­ метров, необходимых разработчику аппаратуры, а разработчики

156

аппаратуры неправильно используют данные, приводимые изго­ товителями модулей. Значительное снижение стоимости и вре­ мени необходимых для испытаний модулей может дать отказ от проведения сплошных (100%-ных) испытаний и переход к методам выборочного контроля. Кроме того, целесообразно, ввиду высо­ кой стоимости оборудования и сложности проведения контроля модулей, организация централизованных служб контроля моду­ лей различного типа.

Большое значение при проведении испытаний модулей имеют обнаружение механических повреждений корпусов, являющиеся причиной разгерметизации их. При использовании пузырькового способа проверки герметичности корпусов интегральных микро­ схем, жидкости, проникая в корпус схемы реагируют с выводами и могут вызвать их коррозию. В настоящее время разработан метод проверки герметичности, основанный на изменении веса негерме­ тичных приборов при помещении их в камеру, наполненную инерт­ ным газом с высоким давлением. Другой метод определения негерметичности интегральных схем заключается в определении из­ менения емкости схем после помещения их в камеру, наполненную газом с высокой диэлектрической проницаемостью.

Для исключения возможности повреждения схемы в процессе испытаний ведутся работы по прогнозированию состояния модулей путем применения косвенных методов измерения параметров, в част­ ности использования инфракрасного излучения.

Однако трудности разработки технических средств приводят к тому, что до настоящего времени эти методы не вышли за пре­ делы теоретических исследований.

В работе [46 ] описана установка, обеспечивающая проведе­ ние 20 испытаний параметров одной схемы в 1 с. Если испытуе­ мый образец не имеет дефектов, установка автоматически пере­ ходит к контролю последующих изделий. Если только одно из 20 измерений дает величины, лежащие за пределами допусков, установка помечает этот образец чернилами. Как только все эле­ менты схемы испытаны, установка выключается. Все результаты измерений фиксируются и накапливаются.

На основании этих данных электронно-вычислительная ма­ шина управляет другой машиной, которая соединяет между собой по заданной программе элементы, у которых не обнаружено де­ фектов, путем использования тонких пленок. Затем такие схемы вставляются в корпусы и подвергаются комбинированным ста­ тическим и динамическим окончательным испытаниям. При этом также могут обнаружиться дефектные узлы, так как чем больше элементов входит в схему, тем больше возможность получения отрицательных результатов на заключительном испытании.

Прибор для автоматической проверки интегральных схем опи­ сан в работе [40]. Испытательная установка предназначена для приемочных испытаний больших партий интегральных схем. При этом прибором проверяется параметр по принципу годен — не-

157

годен, т. е. только на соответствие установленным нормам. В слу­ чае, если параметр испытуемой схемы не соответствует допуску, на параметр подается индикационный сигнал и загорается инди­ каторная лампа; при годности схемы сигнал отсутствует.

Испытательная установка имеет программирующее устройство, осуществляемое с помощью перфокарт двух типов.

Прибор может выполнять до 3000 проверок в течение ^ с.

Каждый параметр проверяется только в одном режиме. Порядок проведения испытаний и цикличность проверки параметров уста­ навливается с помощью специального устройства.

Создана система, предназначенная для автоматического испы­ тания микросхем. Система обладает высокой производительностью и обеспечивает испытания микросхем в статическом режиме на постоянном токе и в динамическом режиме на высокой частоте и в импульсном режиме.

Помимо основных блоков, описанных ниже, система включает вспомогательные устройства, обеспечивающие регистрацию ре­ зультатов, возможность классификации испытуемых схем, испы­

Точность измерения составляет 0,075% от измеренной вели­ чины плюс 0,04% от полной шкалы. Измерение тока проводится на шести диапазонах в пределах от 1 мкА до 100 мА с точностью ±0,15% от измеренной величины плюс 0,075% от полной шкалы.

Система работает в автоматическом или ручном режиме, а также

внескольких режимах, обеспечивающих самопроверку системы

иконтроль программы.

Программы вводятся в запоминающее устройство на магнитном диске вручную или автоматически от устройства ввода информа­ ции, которым может являться как простое ленточное считывающее устройство или коммутационная панель с ручным управлением, так и счетно-решающее устройство. Форматом программы яв­ ляется испытательное восьмизначное буквенно-цифровое слово переменной длины. Последующие испытания требуют изменения программы только для тех величин, которые подвергаются из­ менениям.

Серия буквенно-цифровых знаков, составляющих программу, начинается со знаков кода обязательности операции и заканчи­ вается знаками кода данных. Обозначение обязательности опера­ ции производится буквой F. Наименование конкретной операции кодируется буквами от А до Е. Например, испытания, обозначен­ ное как FA + 0500ТА01, TG06 и 12МСА/Н + 10.00U может быть представлено так: установите источник питания А (FA) на +05.00В; подсоедините (Т) источник питания А к гнезду 01 мат-

158

рицы; подсоедините (Т) землю (G) к гнездам матрицы 06 и 12; измерьте ток (МС) от источника питания А; сравните его с наи­ высшим (А) пределом в +10 мкА; приступите к следующему испы­ танию. В программу можно вводить много дополнений, таких как классификацию, регистрацию данных, порядок распределения параметров и т. п. Устройство ввода-вывода информации снабжено печатающим устройством, ленточным перфоратором и считываю­ щим устройством. Обеспечивается печать, перфорация и считы­ вание со скоростью 10 знаков в 1 с. Имеется специальный блок контроля, который получает данные от считывающего устройства, магнитной памяти и других средств и производит проверку пра­ вильности работы устройств ввода-вывода.

Помимо указанного блока, в устройстве имеются еще блоки контроля различных видов работы и системы в целом. На эти же модули возлагается управление работой системы во времени. Мо­ дуль памяти выполнен в виде магнитного диска, на который запи­ сывается программа работы устройства. Для проверки вся про­ грамма или избранный вид испытаний может быть выведен на пе­ чатающее или ленточное перфорационное устройство. '

Система снабжена пятью модульными источниками питания: четыре обеспечивают систему постоянным напряжением и одно­ постоянным током. Все источники питания выполнены на модулях и могут быть по мере необходимости изменены. К основной си­ стеме могут быть добавлены дополнительные источники питания.

Каждый источник питания содержит схемы для приема и хра­ нения программ, соответствующих данной функции, и для пре­ образования этой программы в напряжение или ток соответствую­ щей полярности и амплитуды.

Испытательная система снабжена переключающей матрицей, имеющей минимальную емкость в 16 колонок и 10 рядов. Матрица содержит схемы памяти, а также рабочие схемы для контроля каждого переключения.

Измерительный модуль содержит схемы для измерения напря­ жений или токов испытываемого устройства. Для измеряемого на­ пряжения создается буфер с помощью операционного усилителя, подсоединенного к потенциометру для создания большого сопро­ тивления нагрузки. Модуль содержит также высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь.

Компаратор принимает и хранит цифровые запрограммирован­ ные предельные величины и сравнивает их с измеренными цифро­ выми величинами напряжения и тока. Решения о соответствии или несоответствии измеренных величин принимаются в зависимости от существующей разницы между ними. Кроме того, могут быть ис­ пользованы вспомогательные устройства для программирования высшего и низшего пределов во время одного испытания, а также для индикации разницы между измеренной величиной и запро­ граммированным пределом или между измеренной величиной и результатом прошлого испытания.

159