CC BY
38
DOI 10.25987/^ТО.2019.15.5.014 УДК 621.317
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ЗОНДОВАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛОВ ДИОДОВ И ТРАНЗИСТОРОВ
В.В. Кондусов1, В.А. Кондусов2
ХООО «Импри», г. Воронеж, Россия
2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: описано устройство, относящееся к измерительной технике и представляющее собой установку для испытания электрических параметров кристаллов диодов и транзисторов при их производстве. Как один из видов контроля зондовые измерения позволяют оценить основные параметры разрабатываемых полупроводниковых приборов перед их корпусированием в процессе разбраковки и сортировки по параметрам. Благодаря этому удаётся избежать дополнительных затрат и снизить себестоимость выпускаемой продукции. Для проведения указанных измерений необходима зондовая станция, которая позволит соединить исследуемый прибор с измерительным устройством и обеспечить целостность и достоверность полученных результатов. Описаны проблемы, возникающие при измерениях электрических параметров кристаллов диодов и транзисторов на предприятиях радиоэлектронной промышленности. Представлены недостатки современных решений для тестирования кристаллов радиоэлектронных приборов. Показаны пути решения данных проблем и недостатков на примере разработанной установки. Описанная установка является составной частью программно-аппаратного комплекса и обеспечивает проверку электрических параметров чипов, отделённых от общей полупроводниковой пластины (заготовки), а также позволяет определить, какие из изготовленных кристаллов исправны и могут быть использованы в дальнейшей работе по монтажу их в корпус. Описаны инновационные решения при проектировании игольчатого контакта и пневматической подачи, описан процесс разработки конструкции, алгоритм работы установки и назначение основных органов управления
Ключевые слова: зондовое тестирование, кристаллы диодов и транзисторов, прецизионный манипулятор, гидравлическое демпфирование, монокристаллический материал, рабочий цикл
Введение
Испытания электрических параметров кристаллов диодов и транзисторов при их производстве являются важнейшей частью технологического процесса. Результаты таких испытаний 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, 2].
Актуальность проблемы
Наиболее востребованной процедура предварительной отбраковки и измерения нормированных характеристик отдельных кристаллов перед корпусированием является на предприятиях военной и космической промышленности, т.к. процесс производства керамических и(или) содержащих драгметаллы приборов сопряжён с большими финансовыми и трудовыми затратами. Процесс предварительного тестирования и отбраковки позволяет избежать трат на изготовление заведомо неисправного или не подходящего по нормированным характеристикам изделия [5]. Также достаточно серьезный интерес представляет воз-
© Кондусов В.В., Кондусов В.А., 2019
можность использования данной установки для подбора кристаллов силовых (ЮВТ, MOSFET и т.д.) транзисторов или диодов ^ЯО и т.д.) по электрическим характеристикам с целью их точного согласования при параллельном соединении в силовых модулях. А так как силовые кристаллы, предназначенные для использования в силовых модулях, практически никогда не собираются в кристаллы индивидуально, требования к качеству отбраковки кристаллов серьёзно увеличиваются, т.к. при сборке силового модуля с одним бракованным кристаллом теряются не только дорогостоящий корпус, но и годные кристаллы.
Впервые задача по разработке, изготовлению и введению в технологический процесс зондовой станции испытания кристаллов была поставлена перед специалистами ООО «Импри» в 2015 году. Заказчиком на разработку и изготовление зондовой установки выступило АО «ВЗПП-С», г. Воронеж. Специалистами Заказчика была проведена работа по исследованию рынка зондовых станций и выявлена невозможность либо высокая сложность и цена введения в технологический процесс серийно выпускаемых установок.
До 2015 года работы по зондовому тестированию кристаллов перед сборкой на АО «ВЗПП-С» проводились на морально устаревшей зондовой станции выпуска 1980-х го-
дов. Имелись ощутимые проблемы с точностью установки зондов, с качеством контактирования и скоростью замены кристаллов при потоковом измерении. Все манипуляции выполнялись вручную, что требовало, вдобавок к вышеописанным проблемам, физических усилий при работе на установке этого типа.
Исследование рынка
При исследовании рынка выяснилось, что современные многозондовые станции не удовлетворяют требованиям скорости совмещения зондов с контактными площадками, оперативной регулировки силы прижима зондов к контактным площадкам, автоматизированного подъёма-опускания столика с контактным устройством. В основном, зондовые установки, выпускаемые современной промышленностью, служат:
- для выборочных исследований параметров кристаллов, что сказывается на скорости выполнения измерений. Данные установки оказываются неприменимы в условиях серийного производства, для выполнения задачи отбраковки и измерений нормированных характеристик всех кристаллов серии [3];
- для полностью автоматизированного измерения кристаллов, располагающихся на пластине. Данные станции не подходят для выполнения вышеописанных требований тестирования и отбраковки, т.к. брак и изменение параметров кристаллов зачастую происходят при последующей порезке пластины. Также в станциях данного типа проблематично, а зачастую и просто невозможно выполнить требования по четырехточечным измерениям некоторых нормированных характеристик, измеряемых при использовании приборов в военной и космической отрасли [4].
Постановка задачи
Специалистами АО «ВЗПП-С» было представлено следующие техническое задание на разработке и изготовлению зондовой станции:
1. Разработать и изготовить зондовую станцию, предназначенную для обеспечения электрического контакта цепей измерителя с контактными площадками кристаллов для выявления бракованных по электрическим параметрам кристаллов и обеспечения сборки годными по электрическим параметрам кристаллами диодов и транзисторов.
2. Размеры кристаллов, подлежащие контролю на данной установке:
- габаритные размеры: от 1.3х1.3 мм до 11.0х11.0 мм;
- толщина кристаллов: 200-450 мкм;
- контактные площадки: от 300 мкм.
3. Требуемые характеристики установки:
3.1. Изделие в едином корпусе.
3.2. Обеспечить проверку электрических параметров кристаллов, находящихся по одному (выкладываются на столик контактного устройства).
3.3. Способ контактирования -пневматический подъём столика с контактным устройством до рабочего положения с регулировкой усилия контактирования.
3.4. Способ совмещения зондов с контактными площадками - перемещение держателей зондов ручными манипуляторами (рукоятками) по координатам Х, Y.
4. Предусмотреть возможность оперативной регулировки силы прижима зондов к контактным площадкам.
5. Пневматический подъём-опускание столика с контактным устройством на 10 мм с помощью кнопок управления.
6. Контактная площадка столика должна состоять из двух областей: токовой и потенциальной.
7. Демпфирование движения столика с контактным устройством в начальном и конечном положениях.
8. Возможность изменения настроек регулирования скорости и усилия подъема-опускания столика с контактным устройством в начальном и конечном положениях.
9. Механическая регулировка по оси Ъ с микрометрической подачей (10 мм) столика с контактным устройством в начальном и конечном положениях.
10. Наличие на столике позиционирующих упоров положения кристалла. Возможно использование вакуумного фиксатора кристалла.
11. Механическая регулировка зондов по оси Ъ - не менее 1,5 мм, по осям X и Y - не менее 4 мм.
12. Один из зондов (на исток) должен быть сдвоенным из двух не контактирующих друг с другом зондов.
13. Установка зондовая должна быть совместима с измерителем 14ТКС 100-001.
14. Требуемые характеристики микроскопа установки: кратность увеличения - х(16-32); расстояние между объективом и изделием не менее 60 мм (возможно согласование характеристик и типа применяемого микроскопа).
15. Питание установки от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.
16. Питание от сети сжатого воздуха под давлением 0.5-1.5 МПа (5-15 кг с/см2).
17. Габариты установки не более 800x600x750 мм.
Методы решения задачи и описание разработанного оборудования
На основании технического задания была разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию установка АЗУ-01 (начало эксплуатации - 2015 г.). Позднее, после оценки эффективности и надежности зондовой станции, заказчиком была заказана разработка и изготовление модифицированной версии. Новая разработка получила наименование АЗУ-01М, установка дополнена вакуумным прижимом кристалла с собственным источником вакуума и модулем гидравлического демпфирования столика в верхнем положении. Также выполнена полная переработка электрической составляющей, в ходе которой был достигнут высокий уровень помехозащищенности и очень низкий уровень собственного электромагнитного шума.
Установка АЗУ-01М была введена в эксплуатацию на АО «ВЗПП-С» в декабре 2018 года. Установка за время эксплуатации показала себя с наилучшей стороны: высочайший уровень комфорта работы, производительность, удобство подстройки и технического обслуживания.
На установку установлен гарантийный срок в течение 1 года с момента начала эксплуатации и срок службы до капитального технического обслуживания - 6 лет. После проведения капитального технического обслуживания установка может быть вновь введена в технологический процесс производства. Для обеспечения бесперебойной работы в течении всего срока эксплуатации, производителем установлено требование к техническому обслуживанию с периодичностью 6 месяцев. Техническое обслуживание, благодаря оригинальным техническим решениям, проводится с минимальным простоем оборудования и обычно занимает не более 1 часа.
Разработанная установка является составной частью программно-аппаратного комплекса и предназначена для испытания электрических параметров кристаллов диодов и транзисторов, находящихся по одному (выкладываются на столик контактного устройства), в частности, для обеспечения электрического контакта цепей измерителя с контактными площадка-
ми кристаллов, выявления бракованных и обеспечения сборки годными по электрическим параметрам кристаллами диодов и транзисторов. Также, имеется возможность производить измерения параметров корпусных изделий.
В установке используется способ контактирования, заключающийся в поочередно повторяющихся для каждого кристалла операциях подъема предметного столика в положение контроля, контроля электрических параметров кристалла, опускание предметного столика в нижнее положение, замены кристалла. Конструктивно установка выполнена в настольном варианте. Общий вид установки представлен на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Общий вид установки
На общем виде установки (рис. 1) показаны: рабочая полка (1), контактирующее устройство с однозондовым прецизионным манипулятором (2), выключатель осветителя микроскопа (3), ручка регулировки осветителя (4), пульт управления и задания режимов работы установки (5), микроскоп МСП-1 (6), контактирующее устройство с двухзондовым прецизионным манипулятором (7), предметный столик (8) с ручным микрометрическим перемещением по высоте, переключатель режима работы вакуумного насоса (9). На рабочем столике укреплена плата (10) с электрическими контактами и фиксаторами для проверяемых кристаллов.
На пульте управления (5) расположены кнопки «|» «|» «Ц», используемые для управления перемещением рабочего столика установки, формирования сигнала автоматического измерения.
При нажатии на кнопку <ф> происходит перемещение рабочего столика в верхнее положение и фиксация в этом положении. При нажатии на кнопку «|» происходит перемеще-
ние рабочего столика в нижнее положение с фиксацией в этом положении. При нажатии на кнопку «Ц» происходит перемещение столика в верхнее положение и фиксация в этом положении на время заданной длительности контроля параметров кристалла с последующим перемещением в нижнее положение с фиксацией в этом положении. О текущем положении столика информируют соответствующие индикаторы, размещенные над кнопками управления.
При режиме работы вакуума «АВТ» (поз.6, рис. 2) он включается в течение времени, когда предметный столик находится в любом положении, отличном от нижнего положения. В режиме работы вакуума «ВКЛ» - вакуум включен постоянно, в режиме работы «ВЫКЛ» - вакуум выключен.
На рис. 3 представлена задняя часть установки.
Рис. 2. Задняя сторона установки
На задней стороне установки (рис. 3) размещены: манометр сети сжатого воздуха (1), штуцер для подключения к сети сжатого воздуха (2), переключатель режима работы ножного контактора управления предметным столиком
(3), разъём кабеля связи с ножным контактором
(4), разъём для подключения кабеля связи с измерительным устройством (5), резервный информационный разъём (6), клемма заземления корпуса установки (7), съёмная крышка корпуса (8), выключатель питания (9), разъем кабеля сетевого питания с отсеком для предохранителя (10).
В установке АЗУ-01М применены инновационные решения в амортизации игольчатого контакта, что позволяет контактным иглам (зондам) при прижиме перемещаться вертикально (рис. 3, 4). Данное решение практически полностью исключает сдвиг кристалла при прижиме и контактировании.
Рис. 3. Сдвоенный зонд
Рис. 4. Одинарный зонд
В контактирующих устройствах предусмотрены индивидуальные настройки каждого зонда на контактные площадки структур, выполняемые по трем координатам: параллельно оси контактирующего устройства в горизонтальной плоскости — вращением ручек микрометрической регулировки с максимальным диапазоном перемещения 12,0 мм; перпендикулярно оси контактирующего устройства в горизонтальной плоскости — вращением ручек микрометрической регулировки с максимальным диапазоном перемещения 12,0 мм; по высоте — вращением ручки микрометрической регулировки с максимальным диапазоном перемещения 3,0 мм.
Метод подпружинивания и удерживания зондовой иглы в вертикальной плоскости основан на использовании стержней из монокристаллического материала, обладающего высоким модулем упругости и низким коэффициентом остаточной деформации.
Для обеспечения регулирования положения зондовой иглы по координатам X, Y, Ъ использованы микрометрические головки с шагом резьбы 500 мкм, что позволяет добиться разрешения устройства <5 мкм.
Также разработана пневматическая подача столика с кристаллом. Реализовано гидравлическое демпфирование столика в верхнем положении, что позволяет добиться высокой плавности хода и скорости перемещения рабочего столика в верхнее положение с минимальным воздействием сил инерции на кристалл, что очень важно при потоковом измерении с большой скоростью.
Разработана программа управления, позволяющая автоматизировать процесс тестирования. Контроль и управление установкой мо-
жет быть произведен извне, используя разъем контроля и управления, расположенный на задней части прибора.
На рис. 5 представлен график рабочего цикла установки.
Atrie ütn3M AtnH
U ütuB ütrrt&n ütMH
Тц
Рис. 5. График рабочего цикла установки
На рис. 5 показаны обозначения: S - перемещение рабочего столика по оси Z, мм; В, Н -верхнее и нижнее положения столика соответственно; AtnB - время программной задержки на отработку механического перемещения рабочего столика в верхнее положение; AtMB — время механического перемещения рабочего столика из нижнего положения (Н) в верхнее (В); tA - момент подачи сигнала от контроллера на перемещение столика из положения «Н» в положение «В»; А^ЗМ - время программной задержки на нахождение столика в верхнем положении (для измерения электрических параметров прибора); At^n - время фактического нахождения столика в верхнем положении; At^ - время программной задержки на отработку механического перемещения рабочего столика в нижнее положение; AtMn: - время механического перемещения рабочего столика из верхнего положения (В) в нижнее (Н).
При разработке корпуса и кинематических частей установки использована система твердотельного моделирования. 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. Исходный код программы написан на языке программирования С++. Перед запуском в производство был проведен всесторонний компьютерный анализ и моделирование работоспособности и соответствия узлов. Моделирование осуществлено в отношении всех частей установки, как корпуса и кинематической части установки, так и программного обеспечения. Моделирование электрической схемы и работы микроконтроллера осуществлено в САПР автоматизированного проектирования электронных средств.
Заключение
В ходе выполнения работ по выполнению технического задания была разработана зондо-вая станция для потокового тестирования кристаллов полупроводниковых приборов, полностью отвечающая, а по некоторым характеристикам превосходящая требования технического задания. Использованы инновационные методы перемещения рабочих элементов. Достигнут высокий уровень надежности и помехозащищенности вкупе со сверхнизким уровнем собственных электромагнитных шумов. Получены положительные отзывы о работе в линии производства полупроводниковых приборов, осуществляемого на базе АО «ВЗПП-С» для нужд как гражданского, так и военного и космического секторов полупроводниковой и радиоэлектронной промышленности.
Использование разработанной установки позволяет решить проблемы скорости коммутации, удобства использования, производить тестирование как малыми, так и большими токами, а также устранить многие другие проблемы при тестировании кристаллов в современном радиоэлектронном производстве.
Предприятиями радиоэлектронной промышленности может быть востребована модификация данной установки в плане автоматизации выравнивания и фиксации кристалла, автоматизированной подачи кристалла в зону тестирования. Также, может быть интересна модификация для тестирования полупроводниковых пластин с автоматизированным перемещением пластины, с сохранением преимуществ и скорости одиночного тестирования, представленного в данной установке.
В России отсутствуют предприятия, работающие над разработкой и изготовлением установок данного типа, в основном, ассортимент зондовых установок представлен продукцией производства Белоруссии, Китая, США, а установки с такой скоростью тестирования одиночных кристаллов не представлены вообще, что делает установку уникальной.
Российские предприятия радио- и микроэлектронной промышленности имеют большую заинтересованность в качественной специализированной технике, в которой учтена индивидуальная специфика производства. При разработке и производстве установок данного типа возможен выпуск оборудования под индивидуальные требования заказчика. Из вышеописанного можно сделать вывод, что данное направление в разработке и изготовлении оборудования для радио- и микроэлектронной промышленности является очень перспективным.
Литература
1. Аронов В.Л., Федотов Я.А. Испытание и исследование полупроводниковых приборов: учеб. пособие для специальностей полупроводниковой техники вузов. М.: Высш. шк., 1975. 325 с.
2. Кондусов В.В., Кондусов В.А. Автоматизированный тестовый контроль параметров полупроводниковых приборов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 6. С. 104-106.
3. Ручная зондовая станция MPI TS50 // ООО «ТБС»: [сайт]. URL: http://www.tbs-semi.ru/equipment /zondovye_izmereniya/mpi_ts50/ (дата обращения: 07.07.2019).
4. Автоматическая зондовая станция UF200R // ООО «Совтест АТЕ»: [сайт]. URL: https://sovtest-ate.com/equipment/ avtomaticheskaya-zondovaya-stantsiya-uf200r/ (дата обращения: 07.07.2019).
5. Васильев И. Зондовые измерения параметров полупроводников: комплексные решения // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 2 (00162). C. 72-77.
Поступила 08.07.2019; принята к публикации 10.10.2019 Информация об авторах
Кондусов Виктор Васильевич - генеральный директор, главный инженер ООО «Импри» (394005, Россия, г. Воронеж, ул. 60 Армии, 35, оф. 25), e-mail: kondusov_vv@mail.ru, тел. +7-920-451-07-70
Кондусов Василий Ананьевич - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиотехники, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kva.vrn@mail.ru, тел. +7-920-409-59-95
AUTOMATED PROBE STATION FOR TESTING THE ELECTRIC PARAMETERS OF THE CRYSTALS AND DIODE OF TRANSISTORS
V.V. Kondusov1, V.A. Kondusov2
XLLC "Impri", Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the described device relates to the measurement technique and presents a setup for testing the electric parameters of the crystals and diode manufacture. As one of the types of control, probe measurements allow us to estimate the main parameters of the developed semiconductor devices prior to their encapsulation in the process of developing and sorting parameters. Through this, it is possible to avoid additional costs and to reduce production costs. To conduct these measurements, a probe station is required, which will connect the studied device with the measuring device and ensure the integrity and validity of the obtained results. The article describes problems that occur when measuring the electric parameters of the crystals and diode on the enterprises of electronic industry. It presents shortcomings of modern solutions for testing crystals electronic devices. It shows the solutions to these problems and shortcomings on the example of the developed installation. The described installation is an integral part of the hardware-software complex and provides verification of electrical parameters of the chips separated from a common semiconductor wafer (workpiece), and also allows one to determine which of the crystals are made serviceable and can be used in further work on mounting them in the housing. The work gives innovative solutions in the design of needle contact and air supply, describes the process of design, algorithm of operation and purpose of the main controls
Key words: probe testing, crystals and diodes of transistors, precision positioner, hydraulic damping, monocrystalline material, duty cycle
References
1. Aronov V., Fedotov Ya.A. "Testing and researching semiconductor devices" ["Ispytanie i issledovanie poluprovodnikovykh priborov"], Vysshaya shkola, 1975, 325 p.
2. Kondusov V.V., Kondusov V.A. "Automated test control of parameters of semiconductor devices" ["Avtomatizirovannyy testovyy kontrol' parametrov poluprovodnikovykh priborov"], Ihe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voro-nezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2016, vol. 12, no. 6, pp. 104-106.
3. "Manual probe station MPI TS50" ("Ruchnaya zondovaya stantsiya MPI TS50"), available at: http://www.tbs-semi.ru/equipment /zondovye_izmereniya/mpi_ts50/
4. "Automatic probe station UF200R" ("Avtomaticheskaya zondovaya stantsiya UF200R"), available at: https://sovtest-ate.com/equipment/ avtomaticheskaya-zondovaya-stantsiya-uf200r/
5. Vasil'ev I. "Probe measurements of the parameters of semiconductors: integrated solutions" ["Zondovye izmereniya parametrov poluprovodnikov: kompleksnye resheniya"], Electronics: Science, Technology, Business (Elektronika: Nauka, Tekhnologi-ya, Biznes), 2017, no. 2 (00162), pp. 72-77.
Submitted 08.07.2019; revised 10.10.2019 Information about the authors
Viktor V. Kondusov, General Director, chief engineer of LLC "Impri" (35-25 60 Armii, Voronezh 394005, Russia), e-mail: kondusov_vv@mail.ru, tel. +7-920-451-07-70
Vasiliy A. Kondusov, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskov-skiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kva.vrn@mail.ru, tel. +7-920-409-59-95
