Автор: Семенов Ю.Г.
Теги: электротехника электротехнические материалы и изделия микроэлектроника электроника контроль качества
ISBN: 5-06-001082-1
Год: 1990
Текст
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
J0
КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для профессионально-технических
училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1990
ББК 31.233
Т38
УДК 621.382
Ю.Г. Семенов
Рецензенты: прел. М.Г. Крутикова (Московский техни-
кум электронных приборов>; инж. В.В. Клименко (Научно-исследо-
вательский институт микроприборов)
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб, пособие для ПТУ.
Кн. 10. Контроль качества / Ю.Г. Семенов. — М.: Высш,
шк., 1990. — 111 с.: ил.
ISBN 5-06-001082-1
В книге описаны методы и технические средства контроля
и измерений параметров полупроводниковых приборов и ИМС,
а также различные виды их испытаний. Приведены основы стати-
стической обработки результатов измерений и испытаний. Рассмот-
рены типовые измерительные схемы и компоновка высокопроиз-
водительных автоматизированных измерительных систем.
т2302030700(4307000000) - 115 п _ 90
052(01) - 90
ББК31.233
6Ф0.32
ISBN 5-06-001082-1
© Ю.Г. Семенов, 1990
ВВЕДЕНИЕ
Современные изделия электронной техники прошли путь
развития от простейших полупроводниковых приборов до
больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и
СБИС).
Особенностью производства полупроводниковых приборов
и ИМС является применение в технологии изготовления группо-
вых методов. При этом в объеме и на поверхности полупровод-
никовых подложек различными технологическими приемами
формируют большое количество структур диодов, транзисторов
или интегральных микросхем. Затем подложки разрезают на
кристаллы и герметизируют в корпусах или пластмассой, полу-
чая готовые полупроводниковые приборы и ИМС, которые
можно монтировать в радиоэлектронную аппаратуру. Кроме
того, для использования в гибридных интегральных микросхе-
мах выпускаются бескорпусные полупроводниковые приборы
и ИМС.
Изготовление изделий микроэлектроники для обеспечения
их качества начинается с входного контроля используемых
материалов и технологических сред, а в процессе производства
проводится пооперационный контроль параметров формируе-
мых структур.
Высокие требования в первую очередь к быстродействию
и надежности изделий микроэлектроники привели к увеличению
количества контрольных операций на всех этапах технологичес-
кого процесса их изготовления, что потребовало разработки
и создания высокопроизводительных автоматизированных изме-
рительных приборов и устройств.
Изготовленные изделия должны обладать высоким качест-
вом и надежностью при воздействии на них различных механи-
ческих и климатических факторов (ударов, вибрации, повышен-
ных и пониженных температур и давления, повышенной влаж-
ности и радиации), а также электрической нагрузки. Поэтому
их подвергают испытаниям на воздействие этих факторов.
Контроль качества готовых полупроводниковых приборов и
ИМС и проверка их параметров на соответствие требованиям
нормативно-технической документации проводятся службой тех-
нического контроля, осуществляющей квалификационные, прие-
мо-сдаточные, периодические и другие виды испытаний. При
испытаниях измеряют электрические параметры полупровод-
никовых приборов и ИМС, проверяют целостность конструк-
ции и надежность, что позволяет прогнозировать их поведение
в реальных условиях эксплуатации и хранения.
3
Достоверность результатов измерений и ипытаний зависит
от точности и надежности контрольно-измерительного и испы-
тательного оборудования. В качестве такого оборудования
в последние годы начали широко использоваться автоматизи-
рованные измерительные информационные системы, выпол-
няемые на основе микропроцессоров и ЭВМ.
Рабочие, занятые контролем качества изделий электрон-
ной техники, должны знать назначение и правила эксплуатации
контрольно-измерительного и испытательного оборудования,
устройство и принципы действия полупроводниковых прибо-
ров и ИМС, методы измерения их параметров и виды испытаний,
а также уметь статистически обрабатывать результаты.
Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки
в профессионально-технических училищах квалифицированных
контролеров качества и надежности полупроводниковых при-
боров и изделий микроэлектроники и завершает серию книг
по технологии их изготовления.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА
И ИСПЫТАНИЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
§ 1. ПОНЯТИЕ КАЧЕСТВА И ЕГО ОЦЕНКА
К качеству современной радиоэлектронной аппаратуры
(РЭА), как бытовой, так и специального назначения, предъяв-
ляют очень высокие требования. Основной элементной базой
РЭА являются полупроводниковые приборы и интегральные
микросхемы (ИМС), которые должны отвечать еще более
высоким требованиям по качеству.
В решении проблемы обеспечения качества изделий микро-
электроники значительная роль принадлежит их контролю
и испытаниям в процессе разработки, изготовления и приме-
нения.
Совокупность свойств изделий, обусловливающих их при-
годность удовлетворять определенным потребностям в соот-
ветствии с назначением, называют качеством.
Качество определяется как степень совершенства изделий,
отвечающих требованиям, учитывающих запросы потребителей,
а также возможности производства, и зависит от этапов их соз-
дания. Так, на этапе проектирования технические решения
должны соответствовать техническому заданию (ТЗ). На этапе
производства изделий они должны отвечать требованиям техни-
ческой документации (ТД), а при применении — удовлетворять
потребителя.
Основным единым комплексным показателем оценки ка-
чества изделий микроэлектроники является коэффициент
качества.
За высшую оценку условно принимают коэффициент качест-
ва, равный единице, который зависит от процента сдачи изде-
лий с первого предъявления, количества бракованных изделий,
претензий потребителя, состояния технологической дисциплины
и др. При ухудшении любой из этих составляющих коэффи-
циент качества снижается. В ряде случаев критерием качества
является отсутствие рекламаций на готовые изделия. Иногда
качество изделий микроэлектроники определяют по результа-
там сравнения количественных показателей качества данного
изделия с нормативами действующего стандарта.
Оценка качества полупроводниковых приборов и ИМС производит-
ся по восьми группам свойств: назначению, надежности, стандартизации
и унификации, технологичности, экономичности, эргономичности и
эстетичности.
5
§ 2. 'ВИДЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
КАЧЕСТВА
Разработка, производство и эксплуатация полупроводнико-
вых приборов и ИМС сопровождаются большим количеством
контрольно-измерительных операций. Несмотря на то что в ос-
нову этих операций положены одни и те же физические методы,
назначение и методика их проведения на разных этапах созда-
ния и применения изделий микроэлектроники различны.
В зависимости от этапа производства и применения изде-
лий микроэлектроники используют различные виды конт-
роля.
На этапе эскизного проектирования — это контроль, с
помощью которого обосновывается применимость технологи-
ческого процесса для производства данных изделий и осуществ-
ляется выбор материалов.
На этапе технического проектирования изделий — это конт-
роль технической документации — электрической принципиаль-
ной или функциональной схемы на соответствие проектным
нормам (технологическим и конструктивным и ограничениям)
и требованиям ЕСКД.
На этапе изготовления — это производственный контроль
и контроль готовых изделий.
Производственный контроль качества является составной
частью типового технологического процесса и сводится к оп-
ределению двух составляющих: явных дефектов, характеризую-
щих процент выхода годных изделий, и скрытых дефектов,
снижающих надежность изделий. В обоих случаях контроль
может носить как активный (диагностирующий) характер,
так и пассивный.
Контроль, при котором получают информацию о природе
дефектов, позволяющую вносить необходимые коррективы
в производство, называют диагностирующим (диагностикой).
Контроль, при котором регистрируют только факт существова-
ния дефекта, не вскрывая его механизма, по принцйпу годно
или негодно изделие, называют пассивным. При контроле ка-
чества по явным дефектам пассивный контроль сводится к
сортировке, осуществляемой либо разделением изделий или
полуфабрикатов на группы, либо по принципу 100 %-ного от-
сева (годен — негоден).
Целью производственного контроля является не только сво-
евременная отбраковка дефектных изделий на различных эта-
пах изготовления, но и получение требуемого их качества, кото-
рое обеспечивается контролем технологических операций и
процессов. При этом измеряют параметры структур, сформи-
6
рованных в результате проведения технологических операций
или процессов, а также контролируют их технологические ре-
жимы и параметры. Производственный контроль состоит из
комплекса различных физических, химических и электрических
методов измерений, предназначенных как для проверки пара-
метров материалов, полуфабрикатов, структур и готовых
изделий, так и технологических режимов и параметров отдель-
ных операций и процессов, и подразделяется на входной, поопе-
рационный (межоперационный) и финишный.
Входной контроль проводят для оценки качест-
ва материалов, полуфабрикатов, вспомогательных и комплек-
тующих изделий, поступающих на данную операцию.
Пооперационный контроль производят для
оценки качества выполняемых операций: очистки, эпитакси-
ального наращивания, окисления, диффузии, нанесения метал-
лизации, напыления пленок, фотолитографии, разделения под-
ложек на кристаллы, монтажа и др. Пооперационный контроль
проводят либо после выполнения технологической операции,
либо в ходе ее. Причем контролируемыми объектами явля-
ются как изготовленные структуры, так и технологические ре-
жимы и среды.
Разновидностью пооперационного контроля является тесто-
вый контроль, который выполняют по тестовым схемам. Тес-
товая схема в виде тестовой ячейки, кристалла или платы — это,
как правило, аналог реального полупроводникового прибора,
ИМС или микросборки (МСБ) и содержит специальные струк-
туры, предназначенные для получения информации о качестве
технологических процессов и изделий.
Различают три варианта тестового контроля: по тестовым
ячейкам, встроенным в рабочие кристаллы (платы); по тесто-
вым кристаллам (платам), занимающим определенные места
на подложке; по тестовым пластинам-спутникам, сопровождаю-
щим технологический процесс. Выбор варианта тестового конт-
роля зависит от необходимой информации и условий произ-
водства. Получение информации обусловлено назначением конт-
роля (анализом конструкции изделия или управления техноло-
гией, контролем качества) и количеством контролируемых
параметров.
Поскольку качество готовых изделий микроэлектроники
определяется главным образом электрофизическими свойст-
вами сформированных слоев, соблюдением требуемых размеров
и совершенством топологии (минимумом дефектов и повреж-
дений) , контролируемые при тестовом контроле параметры
подразделяют на электрофизические, геометрические и струк-
турные.
7
Финишный контроль проводят для оценки па-
раметров изделий по завершению определенного этапа их изго-
товления. При этом проверяют параметры пассивных элементов
и коммутационных плат гибридных ИМС, полупроводниковые
ИМС на функционирование на неразделенной подложке и др.
На завершающем этапе изготовления изделий финишный конт-
роль совпадает с контролем готовых изделий.
Контроль качества готовых изделий является завершающей
контрольно-измерительной операцией в типовом технологичес-
ком процессе их изготовления. Кроме того, этот контроль
применяют при использовании изделий микроэлектроники
(например, перед их установкой в аппаратуру) или при их
исследовании (например, при испытаниях и в процессе анализа
отказов).
Контроль качества изготовленных полупроводниковых
приборов и ИМС состоит в измерении электрических парамет-
ров, характеризующих их функциональное назначение. Измере-
ния выполняют либо при нормальных условиях окружающей
среды, либо в режимах, имитирующих условия эксплуатации.
Во втором случае электрические параметры изделий контроли-
руют после испытаний.
Контроль качества готовых изделий может быть сплошным,
при котором проверяют 100 % изделий, или выборочным, при
котором проверяют определенную часть изделий, а результаты
статистически обрабатывают и переносят на всю партию. При
контроле качества измеряют параметры самих изделий.
§ 3. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И ИСПЫТАНИЙ
Контроль и испытание изделий микроэлектроники на соот-
ветствии технической документации проводит специальная
служба — отдел технического контроля (ОТК) предприятия
через свои цеховые посты.
В результате широкого внедрения системы управления ка-
чеством изделий микроэлектроники значительно изменились
задачи, стоящие перед ОТК и заключающиеся в оперативном
сборе, обработке и передаче информации об изменении качест-
ва изделий на этапах их разработки, производства и применения.
Эта информация используется для принятия соответствующих
организационных и технических мер. Причем контроль и испы-
тания основываются на широком применении математических
методов, автоматизированных средств и ЭВМ.
В производстве изделий микроэлектроники оправдала
себя система управления качеством, которая базируется на
комплексной службе, возглавляемой главным контролером,
8
наделенным правами заместителя директора предприятия по
качеству, и состоит, как правило, из следующих подразделений:
отдела надежности и управления качеством, которому от-
водится роль основного контролера;
отдела испытаний, предназначенного для имитации условий
эксплуатации изделий, а также получения информации о фак-
тическом качестве изделий, что позволяет установить обрат-
ную связь в системе качество—технологический процесс;
отдела технического контроля, основной задачей которого
является предотвращение дефектов в изделиях и отклонений
от установленных норм.
Обеспечить полноту, достоверность и оперативность информации
о качестве продукции можно, лишь широко применяя математические
методы и вычислительную технику при планировании, обработке резуль-
татов и оптимизации контроля.
Контрольные вопросы
1. Что понимают под качеством изделия?
2. Как оценивают качество выпускаемых изделий?
3. Какие виды контроля в зависимости от этапа производства вы
знаете?
4. Каковы цели производственного контроля и контроля готовых
изделий?
5. Как организуют контроль качества и испытания изделий на пред-
приятии?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
И ИЗМЕРЕНИЙ
§ 4. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Составной частью производственного контроля качества полупроводни-
ковых приборов и ИМС является измерение нх параметров и проверка
иа функционирование. Этот контроль выполняют на завершающих стади-
ях изготовления изделий (при сборке, герметизации), а также при испы-
таниях, исследованиях отказов и применении в аппаратуре.
Основными требованиями, которые предъявляют к конт-
рольно-измерительным операциям, являются высокая точность,
достоверность и воспроизводимость результатов.
о
2-849 У
Высокая точность обусловлена весьма жесткими
нормами на контролируемые величины (токи, напряжения,
время), а также очень узкими диапазонами их измерений.
Так, входные токи некоторых ИМС составляют единицы нано-
ампер (1СГ9 А), время задержки распространения сигнала —
единицы микросекунд (10-6 с) при нормах на эти параметры
того же порядка.
Высокая достоверность результатов
из мерений обеспечивает оценку пригодности изделий
к эксплуатации без риска появления отказов, позволяет свое-
временно выявлять дефектные изделия и вносить коррективы
в технологию их изготовления нли конструкцию.
Высокая воспроизводимость резуль-
татов является важнейшим требованием, предъявляемым
к измерениям, и обеспечивается при выполнении следующих
условий:
применении только проверенного и аттестованного измери-
тельного оборудования;
задании электрических режимов и поддержании их в точном
соответствии с технической документацией;
соблюдении всех режимов проведения измерений, огово-
ренных в технической документации (температуры, влажности
и др.).
В условиях серийного и крупносерийного производства большое
значение приобретает требование высокой производительности конт-
рольно-измерительных операций.
Непрерывное повышение функциональной сложности изде-
лий микроэлектроники привело к расширению системы конт-
ролируемых параметров и значительному увеличению количест-
ва тестовых комбинаций, необходимых для проверки работо-
способности. Решить эту проблему без широкого внедрения ав-
томатизированных измерительных систем на основе ЭВМ невоз-
можно.
§ 5. ВЫБОР НОРМ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ
Возможности использования полупроводниковых приборов
и ИМС в радиоэлектронной аппаратуре определяются резуль-
татами контрольно-измерительных операций. Это означает, что
параметры изделий микроэлектроники должны отвечать опре-
деленным требованиям, которые выдвигаются потребителями.
Электрические параметры изделий должны соответствовать
нормам, устанавливаемым технической документацией, так
10
как из-за специфики производства получить абсолютно одина-
ковые значения какого-либо параметра у всех изделий микро-
электроники одного типа невозможно. Нормы задаются в виде
максимальных или минимальных разрешенных значений. Иног-
да, кроме того, задается диапазон допустимых значений.
В процессе производства постепенно накапливаются данные
о действительных значениях параметров изделий. Статистичес-
кая обработка этих данных позволяет определить запасы по
каждому параметру относительно норм.
Как уже отмечалось, все выпускаемые полупроводниковые
приборы и ИМС проходят несколько этапов производственного
контроля. Цехам для проверки электрических параметров из-
готовляемых изделий устанавливаются цеховые нормы, по кото-
рым проводится их сплошной контроль. Контроль готовых из-
делий производится по другим нормам — нормам ОТК пред-
приятия. Кроме того, изделия сдаются потребителям по сдаточ-
ным нормам.
При выборе цеховых норм, норм ОТК и сдаточных необ-
ходимо учитывать следующее. Во-первых, при контроле эти
нормы и режимы измерений должны обеспечивать сохранение
производственных запасов, созданных при разработке изделий.
Во-вторых , любому измерению должна соответствовать опре-
деленная погрешность, которая оценивается суммарной относи-
тельной погрешностью измерений. Обычно контроль изделий
по цеховым нормам, нормам ОТК и сдаточным выполняют на
одном и том же оборудовании.
Цеховые нормы устанавливаются более жесткими, чем нормы ОТК,
а нормы ОТК более жесткими, чем сдаточные.
Как правило, эти нормы отличаются друг от друга на зна-
чение, примерно равное двум относительным погрешностям
измерения конкретного параметра на данном оборудовании
при одинаковых внешних условиях. Так, если суммарная отно-
сительная погрешность измерения выходного напряжения
логической единицы и^ых составляет 5 %, а сдаточная норма
на этот параметр установлена 2,4 В, то норму ОТК определяют
следующим образом:
2,4 В + (2x2,4x0,05) В = 2,64 В s 2,6 В.
Соответственно цеховая норма на этот параметр будет
2,8 В.
Электрические параметры изделий микроэлектроники дол-
жны удовлетворять сдаточным нормам при воздействии повы-
шенной или пониженной температуры. Поэтому цеховые нормы
на электрические параметры изделий, проверяемых в нормаль-
2* 11
них условиях, устанавливаются более жесткими, чем нормы
ОТК или сдаточные нормы, с учетом возможных изменений
параметров при повышении или понижении температуры до
крайних допустимых значений. Изделия, параметры которых
могут выйти за пределы сдаточных норм в условиях повышен-
ной или пониженной температуры, при проведении цехового
контроля отсортировываются.
§ 6. ВЫБОР РЕЖИМОВ И УСЛОВИЙ ИЗМЕРЕНИЙ
Под электрическими режимами понимают значения и характер
электрических величин - постоянных, переменных или импульсных
токов и напряжений на выходах контролируемых изделий.
При измерении различных параметров задаются разными
электрическими режимами, т. е. подают напряжение питания,
обеспечивающее на входах полупроводникового прибора или
ИМС соответствующие входные токи или напряжения, а на
выходе — электрическую нагрузку.
Под условиями проведения измерений понимают воздействие на
изделия внешних факторов: температуры, влажности, вибрации, линей-
ных ускорений и др.
В производстве изделий микроэлектроники выработаны
основные принципы выбора электрических режимов и условий
измерений.
Первый принцип — электрический режим и усло-
вия проведения измерений должны повторять (имитировать)
реальные условия работы изделий в радиоэлектронной аппарату-
ре различного назначения.
Второй принцип связан с обеспечением электри-
ческой нагрузки на выходе полупроводникового прибора или
ИМС при проведении измерений и испытаний. На практике элек-
трическая нагрузка контролируемого изделия может быть реа-
лизована в зависимости от измеряемых параметров различными
способами.
При измерении статических параметров, когда задаются
постоянные токи и напряжения, необходимо, чтобы на контроли-
руемом выходе постоянный нагрузочный ток был такой же,
как и при работе изделия в аппаратуре. Это относится и к напря-
жению.
При измерении динамических параметров следует учитывать
как монтажные, так и входные емкости и индуктивности, кото-
рые могут заметно влиять на протекание переходных процессов
и изменять значения динамических параметров.
12
Измерения и испытания проводят в наихудших для изделий
условиях, при самых неблагоприятных сочетаниях входных
сигналов, отклонений напряжения питания, повышенной и
пониженной температуры. Для правильного подбора неблаго-
приятных сочетаний различных воздействий (электрических,
климатических и др.) на изделия необходимо знать зависимость
между каждым электрическим параметром и воздействующим
фактором. Кроме того, следует при проведении измерений и
испытаний учитывать физические и конструктивные особеннос-
ти изделий.
В настоящее время для контроля статических и динамичес-
ких параметров широко используют автоматические измеритель-
ные системы на основе ЭВМ, в которую вводится специальная
программа. По этой программе ЭВМ управляет измерительным
процессом, т. е. задает электрические режимы на выводы полу-
проводникового прибора или ИМС, определяет значение элек-
трических параметров, оценивает контролируемые изделия
на соответствие требованиям технических условий (ТУ).
§ 7. ОШИБКИ ОБОРУДОВАНИЯ И РОЛЬ ОПЕРАТОРА
ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ
Любое измерение является результатом взаимодействия
измерительного оборудования и объекта измерения. Но никакие
измерения не могут выполняться без участия человека. Поэтому
при анализе причин возникновения ошибок в процессе измере-
ний необходимо учитывать нарушения в работе измеритель-
ного оборудования и ошибки оператора, а также ошибки в
проектировании полупроводниковых приборов или ИМС, кото-
рые встречаются сравнительно редко и обычно выявляются до
начала производства.
Рассмотрим более подробно ошибки, которые возникают
в процессе измерения в измерительном оборудовании, обычно
состоящем из следующих систем: задающей электрический ре-
жим на выводах контролируемого изделия; измерительной;
задающей внешние условия работы изделия; управления. В
зависимости от назначения контрольно-измерительной операции
состав оборудования может изменяться. Чем сложней измери-
тельное оборудование, чем больше блоков входит в него, тем
больше вероятность незначительного нарушения или отказа
в работе всей системы.
Нарушения работы измерительного оборудования могут
вызвать такие внешние факторы, как большие выбросы токов
в цепях питания при выключении или включении мощных
электроустановок, а также короткие замыкания и неисправ-
13
ности этих цепей, неправильное заземление, возмущения элек-
трического и магнитного полей и др. Для защиты оборудования
от влияния внешних факторов используют различные виды за-
земления, экранирования, плавкие предохранители и др.
Кроме того, надежность работы измерительного оборудова-
ния зависит от ряда внутренних причин. Обнаружить отказы
оборудования, вызываемые этими причинам, не всегда возмож-
но. Часто ошибки в работе оборудования остаются незаме-
ченными, так как нарушение внутри него может и не приводить
к значительным отклонениям в процессе измерений.
Ошибки измерительного оборудования можно свести к минимуму
его усовершенствованием, повышением надежности, автоматизацией
всех операций, введением систематических проверок правильности
работы (аттестацией).
Ошибки в работе оператора могут свести на нет все прило-
женные усилия по совершенствованию измерительных процес-
сов. От правильности действий оператора зависит выполнение
самых ответственных операций: подготовка рабочего места
к измерениям, проведение измерений и оформление резуль-
татов.
Подготовка рабочего места начинается с проверки состава
измерительного оборудования. Предварительно все приборы
и установки, входящие в измерительный стенд, должны быть
проверены и аттестованы службой метрологического контроля.
Выполнение измерений на неаттестованном оборудовании приво-
дит к тому, что полученные результаты теряют ценность, так
как не может быть гарантирована точность заданий режимов
и измерений, а следовательно, и достоверность результатов.
В подготовку рабочего места входит также проверка пра-
вильности работы всех приборов и установок и контроль рабо-
тоспособности самого измерительного стенда перед началом
каждого цикла измерений. Последовательность действий опе-
ратора при этом обычно изложена в методике данных измере-
ний и должна строго соблюдаться. Именно на этом этапе уста-
навливаются и проверяются электрические режимы и задают-
ся внешние условия измерений (температура, уровень механи-
ческих, климатических и других воздействий). Тщательное вы-
полнение этих операций является необходимым условием для
обеспечения точности и достоверности результатов измерений.
Убедиться в готовности рабочего места к началу измерений
можно, выполнив измерения контрольного (эталонного) изде-
лия. В большинстве случаев такой способ является единствен-
ным.
В процессе измерений оператор, как правило, выполняет
14
три операции: устанавливает контролируемое изделие в кон-
тактирующее устройство; запускает измерительное оборудова-
ние, считывает показания приборов. Кроме того, он должен
следить за тем, чтобы не было сбоев и отказов в работе обору-
дования. Одной из ошибок является неправильная установка
контролируемого изделия в контактирующее устройство,
выводы корпуса изделия не соответствуют гнездам контакти-
рующего устройства. В результате этого изделие может быть
либо забраковано, либо выйти из строя (перегореть). Другая
ошибка — приблизительное считывание показаний с регистри-
рующей части измерительной системы (стрелочной, цифровой
или других показывающих органов). При этом часто необос-
нованно округляются значения, а реже они неверно считывают-
ся из-за невнимательности оператора. Все это затрудняет после-
дующую обработку и анализ результатов измерений.
Для исключения ошибок измерений из-за неправильных
действий оператора идут по пути минимального участия челове-
ка в измерительном процессе, т. е. полностью автоматизируют
и механизируют контрольно-измерительные операции.
Последней, завершающей стадией измерений является
оформление их результатов. Хотя этот процесс в достаточной
степени облегчен введением печатающих устройств для отобра-
жения результатов измерений на бумаге, но и при этом могут
быть грубые ошибки. Например, на распечатках нумерация
результатов измерений не соответствует нумерации проверенных
изделий, не приводятся режимы испытаний, неправильно прос-
тавлены единицы электрических величин, нумерация контроли-
руемых изделий не соответствует номеру партии и др. Такие
ошибки приводят к тому, что при анализе результатов измере-
ний усложняется поиск причин нарушения технологического
процесса или принимаются неверные решения.
§ 8. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЕ
Основными требованиями, предъявляемыми к измеритель-
ным приборам, являются:
достаточно широкий предел измерений, перекрывающий
необходимый диапазон измеряемых величин;
минимальность основной и дополнительной погрешностей;
высокая чувствительность (отношение приращения пока-
зания прибора к приращению измеряемой величины);
удобство отсчета и управления (желательны равномерная
шкала и минимальное количество ручек управления);
высокое быстродействие (характеризует время установле-
15
ния показания прибора с момента измерения величины);
минимальное влияние на работу контролируемых изделий
(для этого входное сопротивление приборов, включаемых по-
следовательно, должно быть возможно малым, а включаемых
параллельно — возможно большим);
быстрая готовность к работе;
малое потребление электроэнергии;
высокая надежность;
безопасность эксплуатации.
Измерительные приборы подразделяют на электроизмери-
тельные и радиоизмерительные, а также цифровые, предназна-
ченные как для электро-, так и радиоизмерений.
Электроизмерительные приборы в зависимости от способа
получения информации о результатах измерения подразделяют
на показывающие, регистрирующие, самопишущие, печатающие,
а также интегрирующие, т. е. суммирующие измеряемую вели-
чину за определенный период времени (например, счетчик
электрической энергии).
В зависимости от измеряемой величины электроизмеритель-
ным приборам присваивают следующие наименования: вольт-
метр (для измерения напряжения); амперметр (для измерения
тока); частотомер (для измерения частоты) и т.д.
Электроизмерительные приборы, кроме того, подразделя-
ют по принципу действия, назначению, степени точности, роду
тока, защищенности от внешних полей, условиям эксплуата-
ции, стойкости к механическим воздействиям, габаритам. По
принципу действия различают приборы магнитоэлектрической,
электромагнитной, электродинамической, индукционной, элек-
тростатической, тепловой или вибрационной систем.
Радиоизмерительные приборы в зависимости от характера
измерений и вида измеряемых величин подразделяются на 20
групп, обозначаемых буквами русского алфавита (например,
А — для измерения тока; В — для измерения напряжения;
Е — для измерения цепей с сосредоточенными параметрами —
сопротивлениями, индуктивностями, емкостями и др.; М —
для измерения мощности).
В каждую группу входит подгруппа приборов, объединен-
ных по выполняемой функции (например, группа А состоит
из пяти подгрупп: приборы для поверки амперметров; ампер-
метры постоянного, переменного тока и универсальные; преоб-
разователи тока). В зависимости от диапазонов значений измеряе-
мых величин, погрешностей, исполнений и других параметров
приборы в подгруппах обозначают порядковыми номерами.
Кроме того, электроизмерительные приборы могут быть не-
посредственной оценки и сравнения.
16
Цифровые измерительные приборы все шире применяют в
технике измерений, так как они обладают высокими быстро-
действием, точностью и удобством отсчета измеряемой величи-
ны, что исключает субъективные погрешности, вносимые опера-
тором. Кроме того, результаты измерений могут быть введе-
ны в цифропечатающее устройство для автоматической регист-
рации, а также в ЭВМ или автоматическую систему. Проверку
цифровых измерительных приборов легко автоматизировать.
Цифровые измерительные приборы используются для изме-
рения постоянного и переменного тока и напряжения, сопро-
тивления, емкости, индуктивности, добротности, частоты, вре-
менных интервалов, фазы, а также параметров сигналов циф-
ровых осциллографов.
Индикация результата измерения осуществляется циф-
ровыми индикаторами, газоразрядными или люминесцентны-
ми лампами в десятичной системе счисления. В последнее вре-
мя начат выпуск цифровых измерительных приборов с жидко-
кристаллическими индикаторами.
§9. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПРИБОРАМИ
НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ
Для измерения тока и напряжения—
основных параметров, характеризующих режимы электричес-.
кой цепи, применяют различные приборы, выбор которых
зависит от рода тока, его частоты, диапазона измеряемой вели-
чины, требуемой точности, допустимого потребления мощнос-
ти и др.
Прежде всего следует отметить, что включение амперметра
и вольтметра в исследуемую цепь изменяет значение измеряе-
мой величины. Поэтому даже при идеально точных измерениях
полученное значение отличается от истинного значения величины
в исследуемой цепи до включения прибора. Это вызвано тем,
что сопротивление амперметра не равно нулю, а сопротивление
вольтметра не равно бесконечности.
При измерении в цепях переменного тока в стационарных
режимах используют приборы, с помощью которых в зависимос-
ти от принципа действия их измерительной системы определяют
одно из следующих значений измеряемой величины: действую-
щие значения тока I и напряжения С7; средние значения тока
I ср и напряжения 17ср; амплитудные (максимальные) значе-
ния тока /тах и напряжения {7тах за период. Если кривые
тока и напряжения симметричны относительно оси абсцисс, то
действующее, среднее и амплитудное значения связаны между
собой коэффициентом формы кривой и амплитуды:
17
КФ = JV -iaji.
Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой
напряжения (тока). Так, для синусоиды
*ф = и/иеР =я/(272У = 1,11;
Кй=итйх/и=^2~=1,41.
При несинусоидальных кривых значения коэффициентов
А?ф и Кл отличаются от этих значений. Чем ближе кривая изме-
ряемой величины к прямоугольной форме, тем ближе к едини-
це значения и Кл, и, наоборот, чем острее кривая, тем боль-
ше значения Лф и Кй по сравнению с соответствующими их
значениями для синусоиды.
Приборы различных систем при несинусоидальной кривой
тока или напряжения могут давать неодинаковые результаты
измерения при одном и том же значении измеряемой величины.
Приборы выпрямительной системы градуируются на дей-
ствующее значение напряжения U = 1,11 t/cp. В электронных
вольтметрах шкала также градуируется на действующее значе-
ние напряжения U ~^max/V27
Так как действующие значения напряжений U, 17ср и I7max
при не синусоидальной форме кривой отличаются от значений
коэффициентов 1,11 и yfl, то выпрямительные и электронные
приборы дают большую погрешность при их измерениях.
Простейшие формы кривых напряжения (тока), а также
значения коэффициентов А?ф иЛ?а приведены в табл. 1.
Рассмотрим, например, результаты измерений (рис. 1)
напряжения прямоугольной формы I7max = 100 В приборами
различных систем.
Магнитоэлектрический вольтметр покажет напряжение U =
=0, так как отсутствует постоянная составляющая.
Электромагнитный и электродинамический вольтметры
покажут напряжение I7 = I7max = 100 В.
Так как выпрямительный вольтметр градуируется в дей-
ствующих значениях I7C = I7max = 100 В, он покажет напря-
. жение U = Ucn • 1,11 =100-1,11 =
и j I VP
= 111В.
^тах
0
Рис. 1. Напряжение прямо-
угольной формы
Амплитудный электронный
вольтметр, отградуированный на
действующее значение,_покажет на-
пряжение U= i/max/\/2 = ЮО/1,41 =
= 71 В.
Иногда необходимо знать сред-
нее значение измеряемой величины.
В этом случае следует применять
18
Таблице 1. Формы кривых напряжения и значения
коэффициентов формы и амплитуды
19
только приборы выпрямительной системы, так как приборы
других систем, отградуированные в средних значениях, при
отличии формы кривой измеряемой величины от синусоиды
будут давать погрешность. Приборы почти всех типов изме-
няют показания в зависимости от формы кривой измеряемой
величины. Исключение составляют лишь приборы термоэлект-
рической и электростатической систем.
В диапазоне звуковых частот используют в основном вы-
прямительные приборы, а на высоких частотах — термоэлектри-
ческие.
Для прямого измерения сопротивле-
ния применяют омметры — приборы магнитно-электричес-
кой системы, шкала которых проградуирована в единицах со-
противления. Омметры могут иметь однорамочный и двухра-
мочный измерительный механизм. В первом случае их показа-
ния зависят от напряжения источника питания, а во втором
(их называют логометрами) не зависят от него.
Градуировка однорамочных приборов производится при
определенном токе, поэтому при их эксплуатации необходимо
производить корректировку тока, т. е. устанавливать указатель
на контрольную точку ”0” или
Для косвенного измерения сопротив-
ления используют амперметр и вольтметр. Существуют
две схемы включения этих приборов (рис. 2, а, б).
При измерении по схеме, приведенной на рис. 2, а, ампер-
метр будет показывать ток I -1Х, а вольтметр — напряжение
U = Ux + 17а, где Uz — падение напряжения на амперметре, внут-
реннее сопротивление которого ra; Ux — падение напряжения
на измеряемом сопротивлении RX;IX — ток, проходящий через
сопротивление Rx.
Измеряемое сопротивление
^ = tZ-tZa//x = (tZ-Va)Mx-
Таким образом, чем больше сопротивление амперметра,
Рис. 2. Схема включения амперметра и вольтметра при измере-
нии сопротивления:
а - при Rx > ra,6 - при Rx ra
20
тем больше погрешность измерения. Схема измерений, приведен-
ная на рис. 2, а, дает удовлетворительные результаты при Rx >
> г .
'а
При измерении по схеме, приведенной на рис. 2, б, ампер-
метр будет показывать ток I = 1Х + /в, а вольтметр — напряже-
ние Ux = U, где/в — ток, проходящий через вольтметр.
Измеряемое сопротивление
Rx = U/Tx =U/(I ~1В) = U/(I- U/rJ.
Следовательно, чем меньше сопротивление вольтметра,
тем выше погрешность измерения.
§ 10. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
МЕТОДОМ СРАВНЕНИЯ
Этот метод основан на сравнении измеряемой величины
с эталонной и имеет ряд разновидностей. Рассмотрим некоторые
из них.
При дифференциальном методе полного сравнения не проис-
ходит. Так как прибором измеряется разность между искомой
величиной и эталонной, он должен быть отградуирован в еди-
ницах измеряемой величины. Точность измерения этим мето-
дом высока. Так, если разность между измеренной и эталонной
величинами составляет 1 %, а погрешность измерительного при-
бора — 1,5 %, то погрешность измерения будет 0,01 0,15 =
= 0,015%.
Метод замещения широко используют для измерения ем-
костей. При этом на контур, состоящий из катушки индуктив-
ности и образцового конденсатора переменной емкости, подают
от генератора напряжение определенной частоты. Изменяя
емкость переменного конденсатора, настраивают контур в
резонанс и фиксируют по шкале образцового конденсатора
его емкость. Затем параллельно образцовому конденсатору
подключают измеряемый и вновь настраивают контур в резо-
нанс. Емкость измеряемого конденсатора определяют как
разность показаний шкалы образцового конденсатора в первом
и втором случаях.
Компенсационный метод, применяемый для измерения на-
пряжений, основан на уравновешивании (компенсации) измеря-
емого напряжения известным падением напряжения на опорном
(измерительном) резисторе. Погрешность этого метода — со-
тые — тысячные доли процента.
Приборы, принцип действия которых основан на компен-
сационном методе, называются потенциометрами (рис. 3) и
состоят из эталонного Ен и вспомогательного Евсп источников
21
питания, постоянного резистора высокой точности RH и пере-
менного резистора RK, выполненного в виде много декадного
магазина сопротивлений и регулировочного резистора Rp,
а также гальванометра Г.
Потенциометр имеет две цепи компенсации. Высокая точ-
ность измерения напряжения может быть обеспечена, если из-
вестны значения рабочего тока /р и сопротивление измеритель-
ного резистора RH. Рабочий ток устанавливается с помощью
эталонного источника питания, ЭДС которого известна. При
этом переключатель П находится в положении Н. Изменяя ток
1р регулировочным резистором Rp, добиваются нулевого пока-
зания гальванометра, что является условием равновесия схемы.
При этом ЭДС эталонного источника питания Ен будет ском-
пенсирована падением напряжения на резисторе 7?н, т. е. Ен =
=/рЛн,откуда7р=£’н/дн.
После того как переключатель/7 будет переведен в положе-
ние И, происходит сравнение измеряемого напряжения Ux
с падением напряжения на резисторе RK. Так как условием
равновесия схемы является отсутствие тока через гальвано-
метр, toUx=Uk = IpRK.
Подставив в эту формулу значение тока Zp, получим
Таким образом, измеряемое напряжение Ux сравнивается
с ЭДС эталонного источника питания. Поскольку значения
Ен и/?н постоянны, переменный резистор Rp градуируют в еди-
ницах напряжения и по его шкале отсчитывают значение Ux.
Из принципа действия потенциометра следует, что в момент
компенсации, когда ток гальванометра равен нулю, прибор
не потребляет энергии из цепи, напряжение которой измеряется,
а следовательно, не изменяет ее режим работы.
Различают высокоомные и низкоомные потенциометры.
Рис. 3. Схема потенциометра постоян-
ного тока
Высокоомные потенцио-
метры, рабочий ток ко-
торых обычно равен
0,1 мА, предназначены
для измерения напряже-
ний, не превышающих
2 В. Низкоомные потен-
циометры, рабочий ток
которых составляет не
менее 1 мА, предназна-
чены для измерения очень
малых напряжений.
Мостовой метод ши-
22
роко применяют для измерения электрического сопротивления.
Приборы, принцип действия которых основан на этом методе,
называются мостами.
Так как диапазон измеряемых этим методом сопротивле-
ний составляет от 10-6 до 10ls Ом и следует учитывать особен-
ности, обусловленные такими большими пределами этих зна-
чений, его разбивают на три поддиапазона: малые сопротивле-
ния — от 10-6 до 1 Ом, средние от 1 до 106 Ом и большие —
от 106 до 101 s Ом.
При измерении малых сопротивлений
чаще всего применяют двойной мост. При этом точность изме-
рений составляла 0,02 % и выше. Схема двойного моста (рис. 4)
состоит из измеряемого сопротивления Rx, балансных плечей
R1 — R4 и образцового резистора RN. Индикатором служит
высокочувствительный гальванометр Г.
Балансные плечи моста присоединяются потенциальными
зажимами б и в к измеряемому сопротивлению/?^, а источник
тока Е — к токовым зажимам а и г (четырехзажимное вклю-
чение). Для уравновешивания моста измеряют сопротивление
одного из его плеч. При этом всегда соблюдается равновесие
7?! = R4 и R2 =Rs- Проводник г, соединяющий образцовый
резистор RN и неизвестное сопротивление Rx, должен быть
выполнен из толстого медного провода или медной шины.
Условие равновесия моста выражается формулой
я* =rxrn/r2 •
Чтобы исключить влияние термоЭДС на результат, Rx
измеряют при различных направлениях тока, а затем вычисляют
среднее арифметическое значение.
Рис. 4. Схема двойного уравновешенного
моста
Рис. 5. Схема одинарного
уравновешенного моста
23
При измерении средних сопротивле-
ний используют одинарный уравновешенный мост (рис. 5),
который представляет собой четырехугольный электрический
контур ABCD, составленный из резисторов Rl, R2, R3, R4.
В одну диагональ АС моста включается источник питания, а
в другую BD — индикатор нуля И.
Равновесие моста наступает, когда напряжение между точ-
ками В и D равно нулю и ток в этой диагонали отсутствует,
т. е. выполняется условие
I\R 1 — I3R3 и I2R2 = 34R4 .
Учитывая, что в уравновешенном мосте = 12 и /3 = /4 и,
разделив первое равенство на второе, получим
R3/R2 ~ R3IR4 или R1R4 ~ R3R2 •
Если в одно из плеч моста (например, в плечо АС) вклю-
чить неизвестное сопротивление Rx, его можно определить
по формуле Rx = R2R3/R4- Приняв отношение сопротивлений
Я2/Я4 постоянным, при известном сопротивлении R3 можно
определить Rx.
Для измерения больших сопротивле-
ний применяют электронные измерительные приборы.
Контрольные вопросы
1. Какие требования предъявляют к контрольно-измерительным
операциям?
2. Какие нормы контроля вы знаете?
3. По каким принципам выбирают электрические режимы и усло-
вия измерений?
4. Какие ошибки влияют на результаты измерений?
5. Как классифицируют и обозначают измерительные приборы?
6. Какие методы измерений электрических величин вы знаете?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
§ 11. ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Параметры приборов подразделяются на основные и спра-
вочные. Основные параметры контролируются и гарантируются
предприятием-изготовителем, а справочные являются дополни-
24
тельными и включаются в каталоги и справочники для использо-
вания при расчете и проектировании радиоэлектронных схем.
Обозначают параметры латинскими буквами с индексами.
Так, прямое напряжение обозначают t/np, обратный ток —
Zogp, напряжние насыщения коллектор—эмиттер — UK3 нас.
Максимально допустимые параметры дополнительно обозна-
чают индексом max (например, Uk5 max — максимально допус-
тимое постоянное напряжение коллектор — база; I тах —
максимально допустимый постоянный прямой ток). Основные
и справочные параметры диодов, тиристоров и транзисторов
приведены в табл. 2.
Таблица 2. Параметры полупроводниковых приборов
Класс приборов Параметры
основные справочные
Выпрями- /Пр - прямой ток ^пер. окр - общее теп-
тельные Z обр - обратный ток новое сопротивление ди-
ДИОДЫ бобр max ~ максимально допус- тимое обратное напряжение /пр max _ максимально допусти- мый прямой ток ГПер max ~ максимально допус- тимая температура ода Д/ - диапазон частот Лзп. ср.max ~ максималь- но допустимый средний выпрямленный ток Лтр. и max — максималь- но допустимый импульс- ный прямой ток Цзбр. и max _ макси- мально допустимое им- пульсное обратное напря- жение С/Пр ~ постоянное пря- мое напряжение
Универсалы 7обр> ^пр> fnep max> Цпах обр> ^пер. окр> АГ, Лтр.и тах>
ные диоды 7Пр max’ Сд _ общая емкость диода ^обр. и max
Импульсные Лзбр> ^пр> £д> Лтр. и тах> ^пер. окр> ^обр. и тах>
диоды ^обр тах» *пер тах> ^пр. и ~ импульсное прямое напряжение /вос ~ время восстановления об- ратного сопротивления Туст - время установле- ния прямого напряжения диода
3-849
25
Продолжение табл. 2
Класс приборов Параметры основные справочные
Сгабили- UCT ~~ напряжение стабилизации ^пер. окр» ср.д шах
троны ДС/ст - разброс напряжения ста- - максимально допус- билизации тимая средняя рассеи- 6 6ГСТ - временная стабильность ваемая мощность напряжения стабилизации 7СТ min ~ минимальный ток ста- билизации 7СТ max ~ максимально допусти- мый ток стабилизации ТКИст - температурный коэф- фициент напряжения стабилизации гд - дифференциальное сопро- тивление
Тиристоры С^откр. т - напряжение в откры- Цэбр max т _ макси- том состоянии мально допустимое /ЗКр. т “ ток в закрытом сос- постоянное обратное на- тоянии пряжение ?вкл. т _ время включения Рс^ тах т- максимально Г выкл. т" время выключения допустимая средняя рас- Цзр. зкр. max т ~ максимально свиваемая мощность допустимое постоянное прямое Ц, от_ т- постоянное от- напряжение пирающее напряжение на 7у_ от> т - постоянный отпираю- управляющем электроде щий ток управляющего элек- 7уд т - удерживающий трода ток /обр. т _ обратный ток тирис- тора 7у. з. и. т ~ импульсный запира- ющий ток управляющего элек- трода С/у 113 и, т - импульсное запи- рающее напряжение на управ- ляющем электроде
Биполяр- ные тран- зисторы /КБО-обратный ток коллектора ^ЭБО" обратный ток /г2 тЭ- коэффициент передачи эмиттера тока в режиме малого сигнала - коэффициент об- hi 1 э~ статический коэффици- ратной связи по напря-
26
Продолжение табл. 2
Класс приборов Параметры
основные справочные
Биполяр- ент передачи тока в режиме боль- жению в режиме малого
ные тран- шого сигнала сигнала
зисторы /гр — граничная частота коэф- фициента передачи тока Хщ - коэффициент шума Рктах _ максимально допус- тимая постоянная рассеиваемая мощность t/[Omax _ максимально допус- тимое постоянное напряжение колле ктор-эм иттер У[<Б max ~ максимально до- пустимое постоянное напря- жение коллектор-база •^К max _ максимально допус- тимый постоянный ток коллек- тора Г пер max ~ максимально допус- тимая температура перехода Cj{ - емкость коллекторного перехода — постоянная времени це- пи обратной связи Л22 - выходная полная проводимость hi 1Э - входное сопро- тивление Япср. окр - тепловое со- противление между пе- реходом и окружаю- щей средой f/ЭБтах - максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер- база и max _ максимально допустимый импульсный ток
Биполяр- ^КБо- ^2Ь 21 Э>/гр> 7ЭБ0>А12> А22.А11Э>
ные пере- />!< тах> УкЭ max- Л< тах> ^пер. окр- ^ЭБ max-
ключатель- гпер. тах> Q<> ТК 7К и max
ные тран- гвкл ~ время включения ГВыкл _ время выключе-
зисторы Сд - емкость эмиттерного пе- рехода С/ВЭ иас ~ напряжение насы- пания база-эмиттер t/jo нас - напряжение насы- щения коллектор -эмиттер НИЯ и max ~ максималь- но допустимое импульс- ное напряжение кол- лектор-эмиттер
Полевые /С нач - начальный ток стока t/(2J4 max ~ максимально
транзис- /3 уг - ток утечки затвора допустимое напряжение
торы 3* 1/зи отр ~ напряжение отсечки I/314 ПОр - пороговое напряже- сток-исток ^ЗИ max ~ максимально 27
Продолжение табл. 2
Класс Параметры
приборов -------------------------------
основные справочные
Полевые транзис- торы ние S - крутизна характеристики Ртах ~ максимально допусти- мая постоянная рассеиваемая мощность С11 и - входная емкость /С ост _ остаточный ток стока допустимое напряжение затвор-исток /С max ~ максимально допустимый ток стока Лщ - коэффициент шу- ма С22 И ~ выходная ем- кость
Q2 и - проходная ем-
кость
§ 12. ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Вольт-ампериые характеристики (ВАХ) полупроводниковых при-
боров снимают на постоянном или переменном токе, а также в импульс-
ном режиме.
На постоянном токе ВАХ снимают по точкам, т. е. подают
на полупроводниковый прибор какое-либо напряжение и изме-
ряют ток. Затем напряжение увеличивают, снова измеряют ток
и так выполняют несколько измерений. По полученным данным
строят график зависимости тока через полупроводниковый
прибор от приложенного напряжения.
Схема снятия ВАХ диода на постоянном токе показана
на рис. 6. Для снятия прямой и обратной ветвей ВАХ пере-
ключатель В устанавливают соответственно в положения 1 и 2.
При снятии ВАХ полупроводниковых приборов на перемен-
ном токе или в импульсном режиме можно наблюдать эту
характеристику на экране осциллографа и зафиксировать ее,
сфотографировав или переведя на кальку.
Схема для наблюдения ВАХ диода на экране осциллографа
показана на рис. 7.
В положении 1 переключателя В наблюдают прямую ветвь
характеристики. При положительной полуволне переменное
напряжение прикладывается к исследуемому диоду ДЗ в пря-
мом направлении, одновременно поступает на горизонталь-
ные пластины и отклоняет луч осциллографа в горизонтальном
направлении. Проходящий через диод ДЗ ток создает на резис-
28
Рис. 6. Схема снятия вольт-амперной характеристи-
ки диодов
Рис. 7. Схема наблюдения вольт-
амперной характеристики дио-
дов на переменном токе
торе R2 падение напряжения, которое прикладывается к верти-
кальным пластинам осциллографа и отклоняет луч в вертикаль-
ном направлении.
В результате одновременного воздействия двух напряже-
ний на горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины
осциллографа луч вычерчивает прямую ветвь ВАХ диода.
В положении 2 переключателя В можно наблюдать обрат-
ную ветвь характеристики, а в положении 3 — обе ветви.
Для наблюдения ВАХ тиристоров на экране осциллографа
также используют схему, показанную на рис. 7. Установив
переключатель В в положение 1 и прикладывая напряжения
к электродам тиристора, можно на экране осциллографа наб-
людать прямую ветвь ВАХ, т. е. зависимости между проходя-
щим током и напряжениями. В положении 2 переключателя
В наблюдают обратную ветвь характеристики тиристора, а
в положении 3 — прямую и обратную.
Рис. 8. Схема снятия вольт-амперных характеристик
биполярных транзисторов на достоянном токе
29
R2
Рис. 9. Схема харак-
териографа для наб-
людения вольт-ам-
перных характерис-
тик полупроводни-
ковых приборов
Схема снятия ВАХ биполярного транзистора на постоянном
токе показана на рис. 8. Входные характеристики транзистора,
отражающие зависимость напряжения база—эмиттер от тока
базы, снимают так же, как прямую ветвь ВАХ диода при опре-
деленных значениях коллекторного напряжения, которое регу-
лируют потенциометром R3 и контролируют по вольтметру
V2. Выходные характеристики транзистора, отражающие зави-
симость коллекторного тока от коллекторного напряжения,
снимают при различных токах базы.
Для наблюдения выходных характеристик биполярные
транзисторы в импульсном режиме используют характерио-
граф (рис. 9). Напряжение, пропорциональное току коллектора,
подается через токосъемный резистор R1 на вертикально откло-
няющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ электрон-
ного осциллографа ЭО. Резистор R2 служит в качестве токо-
ограничивающего. Генератор ступенчатого напряжения ГСН
предназначен для подачи на базу транзистора Т ступенями тока
fjsi, Zg2 и т.д., а генератор пилоообразного напряжения ГПН —
для подачи в его коллекторную цепь пилообразного напряже-
ния. Напряжение, приложенное между коллектором и эмитте-
ром транзистора, определяют по отклонению луча ЭЛТ в гори-
зонтальном направлении.
Аналогично снимают входные и выходные характеристи-
ки полевых транзисторов. Отличие состоит лишь в том, что
на затвор полевого транзистора подают ступенями напряже-
ния, а не ток.
§ 13. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИОДОВ
И СТАБИЛИТРОНОВ
При измерении постоянного обрат-
ного тока /обр (рис. 10) на диодД от источника пита-
ния ИП подают постоянное обратное напряжение С7обр, ко-
торое контролируют по вольтметру V. Постоянный обратный
ток /обр, проходящий через диод, отсчитывают по микроампер-
метру fl А.
30
Рис. 10. Схема изме-
рения постоянного
обратного тока дио-
дов
Рис. 11. Схема из-
мерения постоянно-
го прямого напря-
жения диодов
Постоянное прямое напряжение 1/пр
диода (рис. 11) измеряют вольтметром V при заданном
прямом токе /пр, который зависит от мощности рассеивания
и контролируется миллиамперметром mA.
§ 14. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ
И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
СТАБИЛИТРОНОВ
Напряжение стабилизации £7СТ стабилитро-
на (рис. 12, а) измеряют, пропуская через него от источника
ИП1 постоянный ток, который контролируют по миллиампер-
метру mA. При этом на выходе источника питания ИП2 уста-
навливают по вольтметру V2 опорное напряжение Uon> близ-
кое по значению к напряжению стабилизации Ucl, и отсчитыва-
ют по вольтметру VI разницу между напряжениями £7СТ -
- Uon = Ui. При этом напряжение стабилизации UCJ = £7ОП +
+ 1Л-
Дифференциальное сопротивление га,
равно отношению приращения напряжения на стабилитроне
к вызвавшему его малому приращению проходящего перемен-
ного тока, измеряют при токе стабилизации, который подается
от источника постоянного тока ИП (рис. 12, б). Частота пере-
менного тока должна быть от 50 до 1000 Гц, а его амплитуда
не должна превышать 10% амплитуды тока стабилизации.
Рис. 12. Схемы измерения напряжения стабилизации (а) и диффе-
ренциального сопротивления (б) стабилитронов
31
При измерениях сначала калибруют схему, для чего пере-
ключатель В переводят в положение 1 и, изменяя чувствитель-
ность усилителя У, устанавливают стрелку измерителя И на
последнее деление шкалы. В результате шкала прибора будет
проградуирована в единицах сопротивления.
Затем переключатель В переводят в положение 2. При
этом постоянный ток от источника питания ИП, поступая на
стабилитрон, выводит его в режим стабилизации. Падение пере-
менного напряжения на стабилитроне, пропорциональное его
дифференциальному сопротивлению, прикладывается к входу
усилителя У. Отсчитывают дифференциальное сопротивление
гд в омах непосредственно по шкале измерителя И.
§ 15. ИЗМЕРЕНИЕ ОБЩЕЙ ЕМКОСТИ ДИОДОВ
Общая емкость диодов Сд - это емкость, измеренная между их
выводами при заданных напряжении постоянного тока и частоте.
При мостовом методе измерения об-
щей емкости диода (рис. 13, а) равновесие моста
наступает при условии равенства произведений полных сопро-
тивлений его противоположных плеч (Z1Z4 = Z2Z3), т. е. когда
напряжение высокой частоты в диагонали АБ, измеряемое ин-
дикатором нуля ИН, равно нулю. Ток высокой частоты посту-
пает на мостовую схему с генератора Г. Элемент ЭР служит
для развязки цепей постоянного и высокочастотного тока
ИП, с которого подается.
Предварительно мост балансируют, регулируя полные со-
противления его плеч Zl — Z4. Затем подключают диод и снова
балансируют мост, после чего по положению переключателей
полных сопротивлений Zl - Z4 отсчитывают измеряемую ем-
кость.
Частотный метод измерения общей
емкости диода (рис. 13, б) основан на изменении часто-
Рис. 13. Схемы измерения общей емкости диодов мостовым
(а) и частотным (б) методами
32
ты генератора Г при подключении исследуемого диода к коле-
бательному контуру. Источник ИП служит для подачи постоян-
ного тока на диод и питания генератора, частоту которого изме-
ряют частотомером Н%. Общую емкость диода определяют
по формуле: Са = Ск (J2 - где Ск — емкость контура;
fi и f2 — частоты генератора без диода и при его подключении.
§ 16. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТИРИСТОРОВ
Напряжение включения тиристора С/вкл,
т. е. основное напряжение в момент включения, измеряют по
схеме, показанной на рис. 14, а. При этом от генератора напря-
жения Г через токоограничивающий резистор R подают напря-
жение на основные электроды (анод и катод) тиристора Т.
Напряжение увеличивают до тех пор, пока тиристор не включит-
ся, о чем свидетельствует резкое возрастание тока, измеряемо-
го амперметром А. В этот момент напряжение включения тирис-
тора измеряют импульсным вольтметром ИВ.
Ток выключения /выкл. т и удерживаю-
щий ток тиристора Jya_ т, т. е. минимальный ток,
который необходим для поддержания прибора в открытом
состоянии, измеряют по схеме, показанной на рис. 14, б. При
этом размыкают ключ К и увеличивают сопротивление резис-
тора R цр тех пор, пока тиристор не переключится из открыто-
го состоянии в закрытое, о чем свидетельствует резкое умень-
шение основного тока. Ток выключения и удерживающий ток
тиристора, проходящий через него непосредственно перед пере-
ключением в закрытое состояние, отсчитывают по амперметру Л.
Напряжение в открытом состоянии
тиристора t/OTKp. т, т. е. основное напряжение при опре-
деленном постоянном токе, когда прибор находится в откры-
том состоянии, измеряют по схеме, показанной на рис. 15.
При этом на тиристор Т от источника постоянного тока ИП2
при замкнутом ключе К1 подают ток управления, который
контролируют по миллиамперметру mA. Одновременно от
Рис. 14. Схемы измерения напряжения открывания (а) и удержи-
вающего тока (б) тиристоров
33
Рис. 15. Схема измерения напря-
жения в открытом состоянии
тиристоров на постоянном токе
Рис. 16. Схема измерения пос-
тоянного отпирающего напряже-
ния и тока управляющего элек-
трода тиристоров
источника ИП1 через резистор R на тиристор подают такое
напряжение, при котором он включается. Это напряжение регу-
лируют так, чтобы через тиристор проходил заданный основ-
ной ток, который контролируют по амперметру Л. Затем ключ
К1 размыкают и, замкнув ключ К2, измеряют вольтметром
V напряжение.
Постоянный отпирающий ток управ-
ляющего электрода тиристора /у от Т,т.е.
минимальный ток, необходимый для его переключения из
закрытого состояния в открытое, и соответствующее постоян-
ное отпирающее напряжение t/y. оТ. т на управляющем элек-
троде измеряют по схеме, показанной на рис. 16.
При этом замыкают включ К и подают на тиристор опре-
деленное напряжение, а от источника ИП2 в цепь управляющего
электрода — ток, который контролируют миллиамперметром
mA. Этот ток увеличивают до тех пор, пока тиристор не вклю-
чится, что определяют по резкому росту основного тока, изме-
ряемого амперметром А. Отпирающий ток управляющего
электрода /у от. т определяют в момент включения тиристо-
ра. Затем ключ К размыкают и измеряют вольтметром V пос-
тоянное отпирающее напряжение Uy от. т на управляющем
электроде.
Время включения тиристора Гвкл. т>
т. е. интервал между началом отпирающего импульса, соот-
ветствующим 0,1 его амплитуды (рис. 17, а, б), и моментом,
когда основное напряжение Uo падает до 0,1 значения разности
напряжений в закрытом и открытом состояниях прибора, из-
меряют по схеме, показанной на рис. 17, в.
При этом на тиристор подают от источника постоянного
напряжения ИП основное напряжение Uo, а на управляющий
электрод с генератора Г2 — импульсы управляющего тока
/у. от. т, которые одновременно поступают на один из входов
двухлучевого осциллографа ЭО. На другой вход осциллографа
подают напряжение, снимаемое с тиристора. После перехода
34
Рис. 17. Временные диа-
граммы основного напря-
жения (а), тока управле-
ния (б) и схема измере-
ния времени включения
(в) тиристоров
тиристора в открытое состояние основное напряжение на нем
уменьшается до напряжения в открытом состоянии (7откр> т>
и на экране осциллографа вычерчиваются кривые управляю-
щего тока и основного напряжения.
Началом отсчета времени включения тиристора служит
точка А на кривой тока управления, равная 0,1 его амплитуды
(рис. 17, б). Конечной точкой отсчета является точка В на
кривой основного напряжения Uo (рис. 17, а), соответствую-
щая 0,1 (Uo - t/откр. т)- Зная скорость горизонтальной раз-
вертки осциллографа, между этими точками отсчитывают вре-
мя включения тиристора.
Время выключения тиристора 7ВЬ1КЛ. т>
т. е. интервал между моментом, когда основной ток уменьшает-
ся до нуля при переключении прибора по цепи основных элек-
тродов из открытого состояния в закрытое, и моментом, когда
приложенный импульс основного напряжения, имеющий опре-
деленные параметры (амплитуду и длительность переднего фрон-
та), не вызывает переключения тиристора в открытое состоя-
ние, измеряют по схеме, показанной на рис. 18, а.
При этом на тиристор Т подают от питающего генератора
Г1 постоянное напряжение Uo j (кривая 1 на рис. 18, б) и с
помощью генератора ГЗ в момент времени (рис. 18, в) пере-
ключают его в открытое состояние. Через определенный ин-
тервал времени t2 - h генератором Г2 переводят тиристор
в закрытое состояние. Затем на анод тиристора подают от ге-
нератора Г4 контрольный импульс (кривая 2, на рис. 18, б)
положительной полярности, имеющий заданную амплитуду и
крутизну переднего фронта. После этого уменьшают задержку
подачи этого импульса относительно момента прохождения
прямого тока через тиристор, находящийся в открытом состоя-
нии, до тех пор, пока тиристор не переключится в открытое
35
Рис. 18. Схема измерения времени выключения
тиристора (а) и осциллограммы его основного
напряжения (б) и тока (в)
состояние. Отсчитывают время выключения ?Выкл. т по измери-
телю временных интервалов ИВ.
§ 17. ИЗМЕРЕНИЕ ОБРАТНЫХ ТОКОВ
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
При измерении обратных коллектор-
ного /КБ0 и эмиттерного /ЭБ0 токов би-
полярных транзисторов напряжение от источ-
ника питания ИП, контролируемое по вольтметру V, прикла-
дывают соответственно между коллекторным и базовым (рис.
19, а) или между эмиттерным и базовым (рис. 19, б) вывода-
ми прибора, отсчитывая по микроамперметру дЛ обратный
ток.
При измерении обратных токов кол-
лектор-эмиттер /кЭО напряжение прикладывают
36
Рис. 19. Схемы измерения обратных токов биполярных транзисторов:
а, б - коллекторного и эмиттерного, в - е - коллектор-эмиттер
при разомкнутой базе, короткозамкнутых выводах эмиттера и базы,
сопротивления в цепи эмиттер-база и обратном напряжении эмит-
тер-база
между соответствующими выводами транзистора. Вывод базы
при измерении /^эо (Рис- 19, в) должен быть разомкнут, при
измерении (рис. 19, г) замкнут накоротко с эмиттером,
при измерении (рис. 19, д) соединен с эмиттером через
резистор R, а при измерении /к Эх (рис. 19, е) на него от источ-
ника питания ИП1 подают запирающее напряжение, которое
контролируют по вольтметру VI. Коллекторное напряжение,
подаваемое от источника ИП2, контролируют по вольтметру
V2.
§ 18. ИЗМЕРЕНИЕ МАЛОСИГНАЛЬНОГО И СТАТИЧЕСКОГО
КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ ТОКА
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Коэффициент передачи тока /г2{э,т.е.
отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изме-
нению входного при коротком замыкании выходной цепи тран-
зистора по переменному току, измеряют в режиме малого
сигнала по схеме, показанной на рис. 20. Короткое замыкание
на выходе происходит в результате того, что емкостное сопро-
тивление конденсатора С2 на частоте измерения не превышает
30 Ом.
Перед измерением схему калибруют. Для этого переклю-
чатель В переводят в положение 1 и, изменяя чувствительность
электронного измерителя напряжения ЭИН, устанавливают
стрелку его измерительного прибора на последнее деление
шкалы. Затем переключатель В переводят в положение 2 и
определяют падение напряжения на резисторе R4 от проходя-
37
Г
Рис. 20. Схема измерения коэффициента передачи тока би-
полярного транзистора в режиме малого сигнала
щего через него тока базы I2 ~ При этом переменный
ток базы /б = Сопротивление резистора R4 должно
быть в 100 раз меньше выходного сопротивления транзистора.
Коэффициент передачи тока определяют по формуле
h 2 1' Э = -^э/^Б ~ 1 = ~ 1>
где Ui = I3R з.
Статический коэффициент передачи
тока который является отношением постоянного
тока коллектора к постоянному току базы при включении
транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ), измеряют
в режиме большого сигнала (рис. 21).
При этом на коллектор транзистора Т подают от источника
ИП постоянное напряжение, учитывая его падение на резисто-
ре R2 при прохождении коллекторного тока. Контролируемое
по вольтметру V напряжение U = U& + I^R^ (где и —
напряжение и ток коллектора). Затем переводят переключа-
тель В в положение 1 и, регулируя поступающий с импульсного
генератора Г на базу транзистора ток, устанавливают коллектор-
Рис. 21. Схема измерения статического коэффици-
ента передачи тока биполярных транзисторов,
включенных по схеме с общим эмиттером
38
ный ток, измеряя его измерительным прибором импульсного
электронного измерителя направления ИЭИН по падению напря-
жения на резисторе R2, сопротивление которого известно.
Определяют коллекторный ток по формуле = U2/R2 •
Далее переводят переключатель В в положение 2 и, измеряя
падение напряжения на резисторе R1, определяют ток базы
/Б=
Статический коэффициент передачи тока определяют по
формуле
Л21Э = ЛсДб = U2Ri/UiR2
Измерение h2ij при включении транзистора по схеме с
общей базой (ОБ) производят на серийном измерителе пара-
метров транзисторов Л2-42 или Л2-22.
§ 19. ИЗМЕРЕНИЕ ГРАНИЧНОЙ ЧАСТОТЫ КОЭФФИЦИЕНТА
ПЕРЕДАЧИ ТОКА, ЕМКОСТЕЙ КОЛЛЕКТОРНОГО
И ЭМИТТЕРНОГО ПЕРЕХОДОВ И ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ
ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Граничная частота коэффициента пе-
редачи тока /гр — это частота, на которой модуль коэф-
фициента передачи тока при включении транзистора по схеме
с общим эмиттером \h2 i 3! равен единице. Непосредственно
измерить граничную частоту довольно сложно. Поэтому измере-
ния проводят в режиме малого сигнала на какой-либо фикси-
рованной частоте /, лежащей в диапазоне, где модуль коэффи-
циента передачи тока изменяется на 6 дБ на октаву по схеме,
показанной на рис. 22, а затем определяют граничную частоту
Рис. 22. Схема измерения граничной частоты передачи тока
биполярных транзисторов
39
по формуле
/гр =/1Л21Э1 •
Перед измерением схему калибруют. Для этого в гнезда
база—коллектор контактодержателя вставляют перемычку и,
регулируя амплитуду выходного напряжения генератора Г1.
устанавливают стрелку измерительного прибора электронного
измерителя напряжения ЭИН на последнее деление шкалы.
После калибровки на место перемычки устанавливают ис-
следуемый транзистор и задают режим по постоянному току,
который контролируют по миллиамперметру mA и вольтмет-
ру V, и измеряют падение напряжения U2 на нагрузке ZK. Если
шкала измерительного прибора проградуирована в значениях
1/г21э1, напряжение U2 соответствует определенному модуля
коэффициента передачи тока, который считывают со шкалы.
В ином случае модуль коэффициента передачи тока определя-
ют по формуле h2 i э = £A/t/2.
Емкости коллекторного Ск и эмиттер-
ного Сэ переходов транзисторов измеряют
в режиме малого сигнала на частотах от 465 кГц до 300 МГц.
Схема измерения емкости коллекторного перехода мето-
дом емкостно-омического делителя показана на рис. 23. Пред-
варительно схему калибруют. Для этого в гнезда коллектора
и базы контактодержателя вставляют калибровочный конден-
сатор, емкость которого известна. Затем, изменяя чувствитель-
ность электронного измерителя напряжения ЭИН, устанавливают
стрелку его измерительного прибора на определенное деление
шкалы, проградуированной в единицах емкости.
Далее вместо конденсатора в контактодержатель вставляют
исследуемый транзистор, задают необходимый электрический
режим, контролируемый по миллиамперметру mA и вольтмет-
ру V, и отсчитывают по шкале измерительного прибора элек-
тронного измерителя напряжения измеряемую емкость. По-
Рис. 23. Схема измерения емкости коллекторного
перехода биполярных транзисторов
40
Рис. 24. Схема измерения постоянной
времени цепи обратной связи биполяр-
ных низкочастотных транзисторов (а)
о-
э
и АС-цепочка для ее калибровки (б)
грешность калибровочных конденсаторов должна быть не
более ± 2 %.
Емкость эмиттерного перехода измеряют аналогично.
Постоянную времени цепи обратной
связи тк определяют по формуле тк = 1/г12в।/2я/, пред-
варительно измерив модуль коэффициента цепи обратной связи
по напряжению Л12б на высокой частоте f в режиме малого
сигнала.
Схема измерения тк низкочастотных транзисторов пока-
зана на рис. 24, а. Перед измерением схему калибруют с по-
мощью АС-цепочки, показанной на рис. 24, б, включаемой
вместо транзистора. Если стрелку прибора при калибровке
устанавливают на последнее деление шкалы, то предел изме-
рения будет равен произведению АС, а если на середину, то
2АС.
После калибровки в контактодержатель вставляют иссле-
дуемый транзистор, задают электрический режим и, контроли-
руя эмиттерный ток и коллекторное напряжение соответствен-
но по миллиамперметру mA и вольтметру V, отсчитывают зна-
чение тк по шкале измерительного прибора ЭИН.
§ 20. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Коэффициент шума Кш биполярных транзисторов на низкой
частоте наиболее часто измеряют методом удвоения мощности
по схеме, показанной на рис. 25.
При этом вставляют в контактодержатель транзистор Т
и подают на его эмиттер ток от генератора постоянного тока,
состоящего из источника питания ИП1 и резистора А2, а на кол-
лектор — напряжение от источника постоянного напряжения
ИП2. Затем устанавливают переключатели В и В1 в положе-
4-849 41
Рис. 25. Схема измерения коэффициента шума биполярных
транзисторов на низкой частоте
ние 1 и фиксируют показания электронного измерителя мощ-
ности ЭИМ, а затем оба переключателя переводят в положение
2. При этом ко входу транзистора подключается генератор
шума, а между выходом транзистора и входом измерителя мощ-
ности — резисторная цепочка R4, R5, R6, ослабляющая мощ-
ность на входе измерителя в 2 раза. Увеличивая выходную
мощность генератора шума, добиваются первоначальных пока-
заний измерителя мощности и отсчитывают по шкале генера-
тора шума значение Кш или определяют его по формуле
Коэффициент шума измеряют в относительных единицах
или в децибелах, связь между которыми выражается следующей
зависимостью:
Кш (дБ) = lOlg^ (ед) .
§ 21. ИЗМЕРЕНИЕНАПРЯЖЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ р-Л-ПЕРЕХОДОВ,
ВРЕМЕНИ РАССАСЫВАНИЯ И ЕМКОСТЕЙ
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Напряжения насыщения переходов ба-
за-эмиттер Б;бэ нас и к о л л е к т о р — э м и т т е р
^КЭ нас измеряют при включении транзистора по схеме с ОЭ.
Рис. 26. Схема измерения напряжений насыщения база-
эмиттср и коллектор-эмиттер биполярных транзисторов
42
Наиболее часто измерения выполняют на постоянном токе по
схеме, показанной на рис. 26.
При этом транзистор Т устанавливают в контактодержатель
и подают от генератора тока, состоящего из источника питания
ИП1 и резистора R1, базовый ток /Б, который контролируют
по миллиамперметру mAl. Аналогично задают коллекторный
ток 1К. В зависимости от того, в положении 1 или 2 находит-
ся переключатель В, по вольтметру V соответственно отсчиты-
вают напряжение насыщения база—эмиттер или коллектор-
эмиттер.
Время рассасывания грас — это интервал между
моментом, когда на базу подается запирающий импульс, и мо-
ментом, когда напряжение на коллекторе достигает заданного
уровня, обычно равного от 0,1 до 0,3 коллекторного напря-
жения.
Широко используемые в промышленности измерители
Л2-19 и Л2-20 позволяют отсчитывать время рассасывания
ГраС по стрелочному прибору.
§ 22. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Крутизна характеристики S отражает усили-
тельные свойства транзисторов и равна отношению изменения
тока их стока к изменению напряжения на затворе при корот-
ком замыкании по переменному току на выходе в схеме вклю-
чения с общим истоком:
5 = ^с/^зи
Измеряют крутизну характеристики в режиме малого сиг-
нала.
Рис. 27. Схема измерения крутизны характеристики полевых тран-
зисторов
4'
43
При измерении крутизны характеристики 5 (рис. 27) от
источника ИП2 на транзистор подают необходимое напряжение
сток—исток !7си> а в цепь затвора — такое напряжение U3,
чтобы в цепи стока проходил заданный ток Iq, контролируя
соответственно напряжение и ток стока по вольтметру V2
и миллиамперметру mA. Предварительно схему калибруют,
для чего переводят переключатель В в положение 1, и, изменяя
чувствительность электронного измерителя напряжения ЭИН,
устанавливают стрелку его измерительного прибора на послед-
нее деление шкалы. При этом на резисторе R2 падение напряже-
ния Ui = U3R2KR1 + R2), откуда Из = Ui (/?! + R2)/R2
(где U3 — напряжение на выходе генератора Г, действующее
в цепи затвора исследуемого транзистора).
Затем переводят переключатель В в положение 2 и изме-
ряют вызываемое прохождением тока стока падение напряжения
на резисторе R4, т. е. U2 = /с^4- Так как ток стока Ic = U3S
известен, подставив его значение в предыдущую формулу, полу-
чим U2 = U3SR4. Используя эту формулу, можно определить
крутизну характеристики
S=U2/(U3R4) .
Подставив значение U3, измеренное при калибровке, полу-
чим S = U2R2f [UiR4 (Ri + /?4)] . Так как сопротивления ре-
зисторов известны и постоянны, крутизну характеристики
отсчитывают непосредственно по шкале измерительного при-
бора ЭИН.
Емкости полевых транзисторов — вход-
ную Сци между затвором и истоком при коротком замыка-
нии по переменному току между стоком и истоком, проход-
ную Ci 2 и между затвором и истоком, а также выходную С22ц
между стоком и истоком при коротком замыкании по перемен-
ному току между затвором и истоком — измеряют в режиме
малого сигнала. Транзистор включают по схеме с общим исто-
ком (ОИ). В основу измерений положен метод замещения.
Рассмотрим измерение емкости полевых транзисторов на
примере определения выходной емкости С22ц (рис. 28).
При этом на транзистор Т подают необходимое напряже-
ние между стоком и истоком, которое контролируют по вольт-
метру V, а ток стока устанавливают, регулируя напряжение
на затворе, и контролируют по миллиамперметру mA. Предва-
рительно схему калибруют, для чего переключатель В пере-
водят в положение 2 и, изменяя чувствительность ЭИН, уста-
навливают стрелку его измерительного прибора на последнее
деление шкалы и измеряют падение напряжения U2 на резис-
торе R2.
44
Рис. 28. Схема измерения выходной емкости полевых
транзисторов
Затем переключатель В переводят в положение 1. При этом
ток от генератора проходит через образованный выходной
емкостью С22И делитель, который замещает емкость калиб-
ровочного конденсатора Ск и сопротивление резистора R2.
Если емкость С22и меньше емкости Ск, падение напряжения
U2 на резисторе R2 будет меньше измеренного ранее падения
на нем напряжения Ui вследствие того, что емкостное сопро-
тивление конденсатора всегда обратно пропорционально его
емкости. Если емкость С22ц больше емкости калибровочного
конденсатора Ск (стрелка измерительного прибора зашкали-
вает), используют конденсатор Ск большей емкости и снова
калибруют схему.
Выходную емкость определяют по формуле
с2 211 = CKU2/Ui
Шкалу измерительного прибора ЭИН градуируют в едини-
цах емкости и непосредственно отсчитывают по ней емкость
G г и •
Напряжение отсечки С'зи отс измеряют у по-
левых транзисторов ср- «-переходами или изолированным
затвором, работающих в режиме обеднения, т. е. когда при ну-
левом напряжении на затворе ток максимален, а при увеличении
отрицательного напряжения уменьшается.
Пороговое напряжение Ua Ор измеряют толь-
ко у полевых транзисторов с изолированным затвором, рабо-
тающих в режиме обогащения, когда при нулевом напряжении
на затворе = 0 ток стока Iq минимален, а при увеличении
напряжения растет.
Как напряжение отсечки, так и пороговое напряжение из-
меряют между затвором и истоком при заданном токе и напря-
жении стока по схеме, показанной на рис. 29. При этом на тран-
зистор Т от источника питания ИП2 подают напряжение стока
Uc, которое контролируют на затворе по вольтметру V2, и,
45
Рис. 29. Схема измерения
напряжения отсечки поле-
вых транзисторов
Рис. 30. Схема измерения
начального тока стока поле-
вых транзисторов
изменяя напряжение на затворе, ток стокакоторый конт-
ролируют по миллиамперметру mA. Напряжение отсечки или
пороговое напряжение измеряют вольтметром VI.
Начальный ток стока /с нач и измеряют
при напряжении между затвором и истоком, равном нулю,
и заданном напряжении на стоке по схеме, показанной на рис. 30.
При этом на транзистор от источника ИП подают требуе-
мое напряжение, контролируя его вольтметром V, а начальный
ток стока отсчитывают по шкале миллиамперметра mA.
§ 23. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
НА ОТСУТСТВИЕ ОБРЫВОВ И КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Испытания полупроводниковых приборов на отсутствие
обрывов и коротких замыканий проводят при воздействии
вибрационных или ударных нагрузок. При этом на приборы
подают электрическую нагрузку и с помощью контролирую-
щего электронного оборудования по изменению тока или па-
дению напряжения обнаруживают и фиксируют дефекты.
При испытаниях диодов на отсутст-
вие обрывов используют схему, показанную на рис.
31, а. При этом на диодД, который подвергают воздействию
ударов, в прямом (проводящем) направлении подают от источ-
ника питания ИП постоянный ток, измеряемый миллиампер-
Рис. 31. Схемы испытания диодов на отсутствие обрывов (а)
и коротких замыканий (б)
46
метром mA. В момент возникновения в диоде кратковремен-
ного обрыва ток по цепи проходить не будет. Падение напряже-
ния на резисторе R станет равным нулю и все напряжение от
источника питания ИП будет приложено ко входу индикатор-
ного устройства ИУ, которое сработает (загорится сигналь-
ная лампочка).
При испытаниях диодов на отсутст-
вие коротких замыканий используют схему,
показанную на рис. 31, б. Так как испытания проводят при
воздействии вибрационных нагрузок, посторонние частицы,
которые могут находиться внутри корпуса диода, перемещают-
ся и могут быть причиной коротких замыканий. Постоянное
напряжение, которое подают от источника питания ИП на диод
в обратном направлении, измеряют вольтметром V. Резистор
R служит для ограничения тока в цепи при коротком замыка-
нии в диоде.
При кратковременном коротком замыкании происходит
резкое уменьшение напряжения на диоде, в результате чего
срабатывает индикаторное устройство. При постоянном корот-
ком замыкании из-за резкого изменения напряжения на диоде
также срабатывает индикаторное устройство.
При испытаниях транзисторов на от-
сутствие обрывов и коротких замыка-
ний используют схему, показанную на рис. 32. Транзисторы
испытывают в усилительном режиме, который характерен
тем, что позволяет обнаружить сразу и обрыв, и короткие за-
мыкания. Эмиттерный ток и коллекторное напряжение, кото-
рые подают от источника питания ИП1 на вход транзистора,
контролируют соответственно по миллиамперметру тА1 и
вольтметру V. Для контроля коллекторного тока служит мил-
лиамперметр тЛ2. Транзистор подвергают воздействию виб-
рационных или ударных нагрузок или одновременно тех и
Других.
В полевых транзисторах обрывы и короткие замыкания
обнаруживают теми же методами, что и в биполярных.
Рис. 32. Схема испытания транзисторов на отсут-
ствие обрывов и коротких замыканий
47
Контрольные вопросы
1. Каким требованиям должно удовлетворять измерительное обо-
рудование?
2. Какие методы измерений вольт-амперных характеристик вы
знаете?
3. Каковы особенности измерения обратных токов и прямых напря-
жений диодов и стабилитронов?
4. Как измеряют общую емкость диодов?
5. Какие условия по переменному току на входе и выходе тран-
зисторов должны соблюдаться при измерении их входного сопротивле-
ния, коэффициента обратной связи, коэффициента передачи тока и вы-
ходной проводимости?
6. Как определяют граничную частоту биполярных транзисторов?
7. Как определяют крутизну характеристики полевых транзисто-
ров, зная ток стока и напряжение между затвором и истоком?
8. При каких условиях проводят испытания диодов и транзисторов
на отсутствие обрывов и коротких замыканий?
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
§ 24. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ ИМС
И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Статические параметры цифровых ИМС определяются состоянием
их выходов, когда к входам приложены постоянные напряжения.
Основными параметрами, характеризующими логические и
схемотехнические возможности базовых функциональных эле-
ментов цифровых ИМС, являются:
реализуемая логическая функция;
коэффициент разветвления по выходу К"раз (нагрузочная
способность 7V);
коэффициент объединения по входу
выходные напряжения и токи;
входные напряжения и токи;
помехоустойчивость;
потребляемая мощность или потребляемые токи.
Первые три параметра — конструктивные, т. е. определяют-
ся выбранным схемным и конструктивным решениями ИМС,
а остальные — статические.
48
aj 6) в)
Рис. 33. Графические обозна-
чения логических элементов
ЙЛИ-НЕ (а), И-НЕ (б) и
2И-ИЛИ-НЕ (в)
Упор
Упор
^ВхЮ—Г
л 8x20—
Вхп
w т° г'
х/ыхЛвш
—ОВых2
ИМС —
Г-ОВыхп
fax
fax
Рис. 34. Эквивалентная схема
цифровой ИМС
По реализуемой логической функции
функциональные элементы цифровых ИМС делятся на элементы
одноступенчатой логики (И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-HE, И-НЕ) и двух-
ступенчатой логики (И-ИЛИ, ИЛИ-И, И-ИЛИ-НЕ и т.д.). Графи-
ческие обозначения некоторых логических элементов показа-
ны на рис. 33.
Коэффициент разветвления по в ы х о-
Д У -Краз равен максимально возможному количеству ИМС
(данной серии), которые могут быть подключены в качестве
нагрузки к ее выходу. Если необходимо подключить к выходу
данной ИМС большое количество входов других ИМС, исполь-
зуют специальные ИМС — усилители мощности или так называе-
мые элементы с большой нагрузочной способностью.
Коэффициент объединения по входу
Коъ равен максимально возможному количеству логических
входов ИМС (для ИМС серий 130, 133, 155 и т.д. он равен 8).
Если к входу данной ИМС необходимо подключать большее,
чем максимально возможное количество выходов других ИМС,
используют специальные ИМС — расширители по входу.
Выходные и входные напряженияи
токи соответствуют двум логическим состояниям цифро-
вых ИМС: логического нуля цли логической единицы (их при-
нято соответственно обозначать ”0” и ”1”).
Представим цифровую ИМС в виде многополюсника
(рис. 34) с несколькими входами, на которых действуют следую-
щие токи и напряжения:
^вых и ^вых — выходные напряжения логических нуля
и единицы;
/вх и
•^вх и
/вЬ!Х — входной и выходной токи логического нуля;
/вых — входной и выходной токи логической еди-
ницы;
^пор и ^пор “ пороговые напряжения логических нуля и
единицы;
/ц и In — потребляемые токи при пороговых напряжени-
я* ^пор и ^пор-
49
Рис. 35. Передаточная харак-
теристика логического эле-
мента ИЛИ-HE с инвертиро-
ванием
Пороговое напряжение
Условно принято, что токи вте-
кают в многополюсник. Входные
и выходные напряжения измеряют
относительно общего вывода (ши-
ны ’’Земля”). Основной характе-
ристикой логических элементов
(рис. 35) является передаточная
характеристика, отображающая за-
висимость пороговых напряжений,
действующих на входе и выходе.
Пороговое напряжение логичес-
кого нуля ^пор — эт0 напряже-
ние на входе элемента, при кото-
ром происходит его переключение
из состояния логической 1 в сос-
тояние логического 0.
логической единицы 1/|!ор — это
напряжение на входе элемента, при котором происходит его
переключение из состояния логического 0 в состояние логичес'
кой 1.
В диапазоне напряжений от £/°ор Д° ^пор’ называемом
запрещенной зоной, логический элемент неустойчив и стремит-
ся перейти в одно из устойчивых состояний по выходу.
Помехоустойчивость ИМС характеризует-
ся максимальным напряжением статической помехи t/n0M,
действующей одновременно на входах (или выходах) всех
последовательно включенных ИМС, но не нарушающей их нор-
мального функционирования. Помехоустойчивость
Ч,ом = min Р°М ’
L ПОМ
где С^ом и С/-ом — максимальные амплитуды положитель-
ной и отрицательной статических помех.
Максимальную и минимальную амплитуды можно опре-
делить по передаточной характеристике или но следующим
формулам:
^ПОМ - ^пор “ ^Bxi
^ПОМ =^ВХ " ^нор
Потребляемая мощность равна полусумме
мощностей, потребляемых ИМС в состоянии логического нуля
или логической единицы. Чаще всего в документации на ИМС
задаются токи и ^п> потребляемые от источника питания,
и его напряжение с допустимым процентом отклонения.
Статические параметры цифровых ИМС определяют, исполь-
зуя методы вольтметра и амперметра.
50
Метод вольтметра применяется для определения
таких параметров, как t/gbIX и t/вых- t/nop и U}wp. Этот
метод основан на непосредственном измерении напряжения на
соответствующих выводах ИМС с помощью цифрового или
стрелочного вольтметра постоянного тока в статическом ре-
жиме.
Функциональная схема измерения выходных напряжений
логических 1 и 0 показана на рис. 36. При этом к выходу микро-
схемы подключается эквивалент нагрузки (ЭН). В случае изме-
рения параметров транзисторно-транзисторных логических ИМС
в качестве эквивалента
нагрузки используют
источник постоянного
тока или определенное
количество ИМС той
же серии, равное на-
грузочной способности
N. При установке пе-
реключателя ГН в по-
ложения 7 и 2 соответ-
ственно измеряют вы-
ходные напряжения ло-
гических 1 и 0. На
незадействованные при
измерении входы
ИМС подается напряже-
ние логической едини-
цы: состояние выходов
произвольное.
Функциональная
схема измерения поро-
говых напряжений по-
казана на рис. 37. При
этом используется
вольтметр постоянного
тока V, подключаемый
на входе ИМС при ус-
ловии устойчивого ее
переключения из состо-
ятия логического нуля
в состояние логической
единицы или же нао-
борот, что наблюдают
на экране осциллогра-
фа ЭО. Такой режим
Рис. 36. Функциональная схема измерения
выходных напряжений ИМС
Рис. 37. Функциональная схема измерения
пороговых напряжений ИМС
Рис. 38^ Функциональная схема измерения
входных токов ИМС
51
создают, подавая на вход ИМС через переключатель П1 от зву-
кового генератора ЗГ переменного напряжения малой ампли-
туды (приблизительно 100 мВ) с периодом, значительно пре-
вышающим время задержки включения ИМС.
При измерении t/nOp напряжение на входе ИМС с помощью
потенциометра R2 плавно увеличивают от U^K, а при изме-
рении t/nop “ плавно уменьшают от t/BX. Чтобы уменьшить
влияние напряжения звукового генератора ЗГ на погрешность
измерения, в момент отсчета пороговых напряжений переклю-
чатель П1 отключают.
Состояние незадействованных входов и выходов ИМС
такое же, как при измерении выходных напряжений.
Метод амперметра применяют для измерения
входных /вх и /|х (рис. 38) и выходных /вых и/вых токов,
а также токов питания 1% и 1^ цифровых ИМС. Этот метод
основан на непосредственном измерении тока в статическом
режиме.
При положении 1 переключателя П1, соответствующем
измерению входного тока логической единицы /вх, на неза-
действованные входы ИМС подают напряжение t/BX. Входной
ток логического нуля /вх измеряют в положении 2 переклю-
чателя. При этом на незадействованные входы ИМС приклады-
вается напряжение t/*x.
§25. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ ИМС
И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Цифровые ИМС, работающие в микросекундном и нано-
секундном диапазонах, характеризуются также динамическими
параметрами. Эти параметры соответствуют динамическому
состоянию ИМС, когда на ее входах действуют изменяющиеся
во времени напряжения и токи. Результаты измерений динами-
ческих параметров позволяют оценить инерционность цифро-
вых ИМС и рассчитать временные диаграммы логических уст-
ройств, в которых их используют.
Временные параметры, характеризующие быстродействие циф-
ровых ИМС, а также амплитуду измеряемых сигналов на их входе и
выходе, называют динамическими параметрами.
К ним относятся:
время задержки включения t1 °, т. е. время задержки вы-
ходного сигнала или импульса относительно входного при
переходе выходного напряжения от уровня логической 1 к
уровню логического 0, измеренное на уровнях от 0,lt/BX/^
до 0,9
52
время задержки выключения Г°,' т. е. время задержки
выходного импульса относительно входного при переходе
выходного напряжения от уровня логического 0 к уровню
логической 1, измеренное на уровнях от 0,9t7BX/7>/ до
0,1 ^вых/^Л’
время задержки распространения информации в ИМС р
и ?з.' р > т- е- время перехода выходного напряжения от уров-
ня логического 0 к уровню логической 1, и, наоборот, измерен-
ное между уровнями 0,5 и 0,5 иъыкП);
амплитуда импульса Um, т. е. напряжение сигнала, изме-
ренное от нулевого уровня до пикового значения.
Введение отсчетных уровней Q,\U(t) и Q,9U(t) обуслов-
лено наличием в выходных и входных импульсах напряжения
флуктуаций и выбросов на вершине, которые могут вызвать
ложный отсчет значений динамических параметров.
Инерционность ИМС при работе в динамическом режиме
определяется длительностью переходных процессов включения
и выключения входящих в них диодов и транзисторов и нали-
чием внутренних паразитных связей, обусловленных структу-
рой. Динамические параметры цифровых ИМС зависят от
следующих внешних факторов:
времени переходного процесса на входе;
высокого и низкого уровней входного сигнала;
резистивной, емкостной, индуктивной или нелинейной
составляющих нагрузок на выходе;
температуры;
состояния незадействованных входов.
Динамические параметры цифровых ИМС измеряют одним
из следующих методов:
временных разверток;
неосциллографического воспроизведения;
стробоск опическим;
интегральным;
временной трансформации.
§ 26. МЕТОД ЛИНЕЙНОЙ КАЛИБРОВАННОЙ РАЗВЕРТКИ
Метод линейной калиброванной развертки, как и другие
методы, при которых используется принцип временных развер-
ток, предполагает применение импульсного осциллографа,
имеющего строго линейную и калиброванную по длительнос-
ти развертки.
Исследуемый процесс отображается на экране осциллогра-
фа в виде линий или фигур, которые представляют собой функ-
циональную зависимость двух напряжений Ux = Наи-
53
более распространена зависимость этих напряжений от време-
ни, т. е. U2 = kt (где к — постоянный коэффициент) и =
= <p(t), так как большинство электрических процессов удобно
представлять текущими во времени.
Несмотря на многообразие типов выпускаемых осцилло-
графов, их функциональные схемы одинаковы. Осциллограф
(рис. 39) состоит из электронно-лучевой трубки ЭЛТ с электро-
статическим отклонением луча, двух электрических каналов
X и Y, по которым к ней поступают напряжения для вертикаль-
ного и горизонтального отклонения, измерительных блоков —
калибраторов амплитуды КА и длительности КД, а также ис-
точника питания ИП.
Принцип наблюдения формы напряжения на экране ЭПТ
можно представить следующим образом.
Исследуемое напряжение является функцией времени,
отображаемой в прямоугольных координатах U = f(t). Две
пары пластин ЭЛТ отклоняют луч в двух взаимно перпендику-
лярных направлениях, которые можно рассматривать как ко-
ординатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ ис-
следуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся
по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вер-
тикальной — пропорционально исследуемому напряжению
(в каждый момент времени). Для этого к горизонтально откло-
няющим пластинам подводят пилообразное напряжение, кото-
рое заставляет луч перемещаться по горизонтали слева направо
с постоянной скоростью и быстро возвращаться обратно. Рас-
стояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, про-
порционально времени.
Исследуемое напряжение подается на вертикально откло-
няющие пластины и, следовательно, положение луча в каждый
момент времени соответствует исследуемому сигналу в этот
момент. За время действия пилообразного напряжения луч
вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на
Рис. 39. Функциональная схема осцилло-
графа
54
экране изображение на-
зывают осциллограм-
мой.
Рассмотрим функ-
ции, выполняемые
основными элементами
осциллографа.
Канал вер-
тикального от-
клонения Y (ка-
нал сигнала) служит
для преобразования на-
пряжения исследуемого сигнала в соответствующее ему верти-
кальное отклонение луча и состоит из входного устройства,
усилителя вертикального отклонения и вертикально отклоня-
ющих пластин.
Входное устройство состоит из аттенюатора и катодного
повторителя. Аттенюатор позволяет ослабить исследуемый
сигнал в целое число раз и согласовать входное сопротивле-
ние канала У с сопротивлением кабеля, по которому поступает
исследуемый сигнал. Катодный повторитель предназначен для
устранения влияния канала вертикального отклонения на источ-
ник измеряемого сигнала и обеспечивает получение высокого
входного сопротивления.
Усилитель вертикального отклонения усиливает подавае-
мый от входного устройства исследуемый сигнал до уровня,
позволяющего получить достаточное вертикальное отклонение
луча (высоту изображения сигнала) на экране ЭЛТ.
Канал горизонтального отклонения
X (канал развертки) служит для создания и передачи напряже-
ния, вызывающего пропорциональное времени горизонтальное
перемещение луча. Кроме того, он предназначен для усиления
сигнала, синхронизирующего напряжение горизонтального от-
клонения луча с входным напряжением. В этот канал входят:
генератор развертывающего напряжения; усилитель разверты-
вающего напряжения до уровня, необходимого для отклоне-
ния луча в горизонтальном направлении; горизонтально от-
клоняющие пластины; схемы синхронизации, предназначен-
ная для преобразования, усиления и регулировки амплитуды,
а также для изменения полярности синхронизирующих напря-
жений.
Калибраторы амплитуды КА и длитель-
ности КД служат соответственно для калибровки каналов
вертикального и горизонтального отклонения.
Источник питания ИП состоит из двух выпрями-
телей: высоковольтного, питающего высоким напряжением
ЭЛТ, и низковольтного, питающего как все узлы и блоки ос-
циллографа, так и.низковольтные электроды ЭЛТ.
В настоящее время наибольшее распространение получили
двухлучевые осциллографы, которые имеют два самостоятель-
ных канала вертикального отклонения Y1 и Y2. На экране
таких осциллографов можно одновременно наблюдать осцил-
лограммы двух электрических сигналов, что особенно важно
при измерении динамических параметров цифровых ИМС.
Измеряют динамические параметры цифровых ИМС мето-
дом линейной калиброванной развертки, используя схему, по-
казанную на рис. 40, в которую входят генератор текстовых
импульсов ГТИ и двухлучевой осциллограф О. 55
Рис. 40. Функциональная схема измере-
ния динамических параметров методом
линейной калиброванной развертки
людаются осциллограммы входного
Тестовые импульсы
определенных длительнос-
ти и частоты повторения
одновременно подаются
на входы испытываемой
ИМС и канала Y1 двух-
лучевого осциллографа О.
С выхода испытываемой
ИМС импульсы поступа-
ют на вход канала Y2.
Таким образом, на экра-
не двухлучевого осцилло-
графа одновременно наб-
и выходного напряжений
исследуемой ИМС. Устойчивое воспроизведение этих осцил-
лограмм обеспечивается подачей внешнего синхронизирую-
щего импульса от генератора тестовых импульсов на вход
синхронизации осциллографа.
На незадействовэнные при измерении динамических пара-
метров входы поступает напряжение U^x', состояние незадей-
ствованных выходов произвольное.
Для непосредственного отсчета динамических параметров
служит масштабная сетка, нанесенная на экран ЭЛТ осцилло-
графа. В зависимости от заданной калиброванной длительности
развертки значения динамических параметров 4>° г®1, 4р, 4р
определяют по формуле
' = 'ро' -
где Тр0 -~ длительность развертки, нс/см; I — отрезок, отсчи-
танный по оси X на масштабной сетке осциллографа, см.
§ 27. МЕТОД ПРЯМОГО СЧЕТА
Метод прямого счета основан на сравнении измеряемого времен-
ного интервала с калиброванным дискретным отрезком времени.
Для этого измеряемый временной интервал Тх заполняется
короткими импульсами с известным периодом следования
Ге, причем Тс <^ТХ (рис. 41).
При измерении временных интервалов между импульсами
первый импульс условно называют опорным, а второй — интер-
£лл пппп п nrfk.
О —»-|—Д И t
Рис. 41. Временной ин-
тервал, заполненный ко-
роткими импульсами
56
вольным (на структурных схемах их соответственно обознача-
ют буквами О и И). Измеряемый временной интервал Тх
определяют по формуле
Т = NT ,
х с ’
где?/ — число счетных импульсов.
Функциональная схема измерений по методу прямого
счета и соответствующие ей временные диаграммы показаны
на рис. 42, а, б. Импульсы от генератора счетных импульсов
ГСИ поступают на первый вход временного селектора ВС,
который пропускает их на счетчик Сч при условии прихода
на второй вход селектора разрешающего импульса от триггера
Т. Этот импульс расположен по временной оси между опорным
и интервальным импульсами с формирователей Ф1 и Ф2. Для
этого на вход формирователя Ф1 и испытываемой ИМС подает-
ся последовательность импульсов от генератора тестовых им-
пульсов ГТИ, а на вход формирователя Ф2 — сигнал с выхода
ИМС. Совпадение фронта опорного или интервального импуль-
са с момента начала и окончания отсчета динамического пара-
метра обеспечивается подачей на другие входы формирователей
одного из трех уровней: 0,1 Um, 0,5Um, 0,9Um.
Таким образом, триггер Т формирует прямоугольный
импульс с крутыми фронтом и спадом, равный по длитель-
ности измеряемому временному интервалу.
В измерительной технике импульс, задающий продолжи-
тельность счета, называют ''временными воротами". Количест-
во импульсов Тс, зафиксированное счетчиком и наблюдаемое
оператором на индикаторе И, соответствует измеряемому ин-
тервалу времени. Если частота следования счетных импуль-
сов равна fc, то за измеряемый интервал через ’’временные
ворота” пройдет количество импульсов
Рис. 42. Функциональная схема измерений по методу прямого счета
(в) и соответствующие ей временные диаграммы (б)
57
N = Txfc = Tx/Tc-
Из этого выражения можно определить измеряемый вре-
менной интервал Тх. Для удобства непосредственного отсчета
в долях секунды, микро-, мили- или наносекунды выбирают
частоту следования счетных импульсов fc = 10* Гц, где К =
= 3, 4, 5, 6, 7, 8,.. . . Тогда Тх = N • 10*.
Так можно измерить и длительность прямоугольного им-
пульса. Для этого измеряемый импульс подают непосредствен-
но на второй вход временного селектора ВС, т. е. ’’временные
ворота” получаются равными длительности импульса.
§ 28. МЕТОД КОЛЬЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА
Этот метод основан на определении задержки распространения
сигнала по частоте следования импульсов в кольцевом генераторе, сос-
тоящем из нечетного количества цифровых ИМС с инвертированием.
Как известно, логические ИМС с инвертированием (элемен-
ты И-НЕ) имеют фазовый сдвиг между входным и выходным
сигналами, равный 180 ° . При этом распространение сигнала
от входа к выходу происходит с задержкой, равной задержке
времени распространения информации как при переходе выход-
ного напряжения от уровня логической 1 к уровню логическо-
го 0 (?’р°), так как и при его переходе от уровня логического
0 к уровню логической 1 (Z°p).
При последовательном соединении нечетного количества
логических элементов И-НЕ (рис. 43) общий фазовый сдвиг
составит Nir (где N — нечетное количество логических эле-
ментов — три или больше). Это означает, что в исходном сос-
тоянии, когда вход кольцевого генератора не замкнут с выхо-
дом, т. е. ключ ГН разомкнут, напряжения в точках а и б будут
находиться в противофазе (напряжения в точках а и б — соот-
ветствовать напряжениям С'*!Х и £7цЬ1Х).
При замыкании ключа ГН на входе ИМС У1 установится
напряжение логического 0, которое
начнет передаваться с задержкой
?зр на вход ИМС У2; она, в свою
очередь, внесет задержку, равную
?зр, на вход ИМС УЗ, которая,
наконец, внесет задержку Z°p.
В точке а установится напряже-
ние логической 1, которое будет
распространяться по кольцу с за-
держкой в ИМС У1, ?зр в
58
У1 У2 УЗ
Рис. 43. Функциональная схе-
ма кольцевого генератора
ИМС У2 и в ИМС УЗ. На этом цикл колебаний закончится и
кольцевой генератор возвратится в исходное состояние. Период
колебаний кольцевого генератора
где?/ — количество ИМС в кольце.
Однако кольцевой генератор, собранный по схеме, показан-
ной на рис. 44, непригоден для раздельного измерения задер-
жек Тзр и г°р распространения сигнала в цифровых ИМС с
инвертированием, так как формиройание периода его колеба-
ний зависит от обеих задержек каждой ИМС.
Для раздельного измерения задержек распространения ис-
пользуют модифицированную схему кольцевого генератора
(рис. 44, а), которая дополнена двумя ИМС — У4 и У5, обра-
зующими вместе с ИМС У1 - УЗ второе кольцо. Как известно,
Рис. 44. Функциональная схема модифицирован-
ного кольцевого генератора (а) и его времен-
ные диаграммы (б)
59
диодно-транзисторные, транзисторно-транзисторные и другие
логические ИМС состоят из двух частей. Так как их входная
часть является одновременно схемой И по высоким и схемой
ИЛИ по низким уровням, переключение ИМС У1 происходит
поочередно по одному и другому входам.
Анализ работы модифицированного кольцевого генерато-
ра следует начинать с исходного состояния, которое соответ-
ствует разомкнутым ключам П1 и П2. В момент г0 одновре-
менно замыкают ключи. При этом на входах 1 и 2 ИМС У1
мгновенно устанавливается напряжение логического 0, кото-
рое начинает распространяться по большому кольцу. Спустя
время, равное сумме соответствующих задержек Гзр1 + t\p-i +
+ r°p3 распространения сигнала через ИМС У1, У2 и УЗ, на вхо-
де 1 ИМС У1 устанавливается напряжение логической 1, но
оно не изменяет состояния ИМС, так как на ее входе 2 все
еще действует напряжение логического 0.
По истечении времени, равного сумме задержек всех
ИМС (Г30^ + г’р°2 + Г^з + Г’р°4 + Г^5), на входе 2 ИМС У1
устанавливается, как и на входе 1, напряжение логической 1,
которое начинает распространяться по малому кольцу. Спустя
время, равное сумме соответствующих задержек ИМС малого
кольца (fjpj + г°р2 + ?зрз)> на входе 1 ИМС У1 устанавли-
вается напряжение логического 0, которое снова начинает пере-
даваться по большому кольцу. На этом цикл работы кольцево-
го генератора завершается.
Один полупериод частоты модифицированного кольцевого
генератора равен времени прохождения сигнала по большому
кольцу ИМС У1 - У5, а другой - по малому ИМС У1 - УЗ.
Таким образом, весь период частот равен сумме задержек рас-
пространения сигнала по двум кольцам, т. е.
7* — 1 4. ♦ О 1 4. ♦ 1 О 4. * 1 0 4. * 0 1 4. * 1 0
К.Г 1 3P 1 r f 3p2 r * эр 3 T * зр4 r * 3p 5 r * зр 1 r 1 3p 2 r * 3p3 •
Если ИМС У4 и У5 принять за образцовые, то, фиксируя
изменение периода А Г частоты кольцевого генератора Ткг
при замене этих образцовых ИМС испытываемой ИМС Уб,
можно определить задержки ею сигнала:
#01 _ j.0 1 4- A f ,
*зр *зро - >
f ~ + A t
I зр *3po x J
где и Гзр — задержки сигнала образцовыми ИМС.
Изменение периода колебаний кольцевого генератора при
использовании быстродействующих ИМС не превышает несколь-
ких наносекунд. Следовательно, разрешающая способность
измерительного прибора, применяемого для определения пери-
ода колебаний кольцевого генератора, должна быть порядка
60
десятых долей наносекунды. Так как существующие частото-
меры в режиме измерения периода этому требованию не удов-
летворяют, их используют в режиме измерения частоты, под-
ключая для уменьшения влияния на схему через буферную
ИМС У7. При этом период колебаний определяют косвенным
путем:
,01 _ ,01 + ( 1 _ 1 3 . ,1 0 — ,10 . /_1__ Д____X
'зр~'ЗрОт V f о ! f )> 'зр 'Зр т V о f )’
. J х 1 о 1X J о
где /о ~ показание частотомера при включении образцовых
ИМС У4 и У5;
— показание частотомера при замене образцовой ИМС У4
испытываемой;
— показание частотомера при замене образцовой ИМС
У5 испытываемой.
В промышленных условиях применяют как специализи-
рованные установки, служащие для контроля цифровых ИМС
определенного типа, так и универсальные системы, предназна-
ченные для полного контроля (параметрического и функцио-
нального) ИМС одной серии, имеющих различные функцио-
нальную точность и конструктивно-технологическое исполнение.
Наибольшее распространение получили серийно выпускае-
мые установки и системы следующих типов:
ИИС-1Д, ПП-2Д, ППС 1010/01, ”Элекон-ДЛ-1” и ”Эле-
кон-Д2М” — для измерения и контроля динамических пара-
метров цифровых ИМС;
”Элекон-Ф-ЗУМ” — для функционального контроля БИС
ОЗУ и ПЗУ по различным алгоритмам;
”Элекон-СФ”, ”Элекон-СФ39”, ИИС-3 и ИИС-4 — для сов-
мещенного контроля статических параметров и функциональ-
ного контроля БИСМП и ЗУ;
ИИС-1003 — для совмещенного контроля динамических
параметров и функционирования БИС;
ИИС-1010 - для совмещенного контроля статических и
динамических параметров, а также функционирования цифро-
вых ИМС.
Контрольные вопросы
1. Какие параметры характеризуют логические и схемотехнические
Возможности цифровых ИМС?
2. Какими методами измеряют статические параметры цифровых
ИМС?
3. Какие параметры цифровых ИМС относятся к динамическим и
какими методами их измеряют?
4. На чем основаны методы калиброванной развертки и кольцево-
го генератора? g;
ГЛАВА ПЯТАЯ
КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЛИНЕЙНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Выпускаемые в настоящее время линейные ИМС отличаются боль-
шим разнообразием функционального назначения н конструктивного
исполнения, схемотехникой, применяемой технологией изготовления,
электрическими характеристиками, типами корпусов.
Линейными ИМС являются операционные усилители, анало-
говые ключи, различного рода функциональные, измеритель-
ные, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи,
а также частотно-избирательные и другие схемы промышлен-
ной автоматики.
Линейные ИМС характеризуются нескольким десятками
параметров, «то существенно усложняет метрологическое обес-
печение при их производстве и применении.
Так, операционные усилители, т. е. усилители напряжения,
обладающие в идеале бесконечно большим коэффициентом
усиления по напряжению, бесконечно большим входным сопро-
тивлением и нулевым выходным, являются наиболее простыми
и универсальными элементами линейных ИМС и характеризу-
ются следующими параметрами:
входным напряжением, которое должно быть приложено
к входам, чтобы выходное напряжение стало равным нулю;
разностью входных токов — разность между токами на
двух входах при выходном напряжении, равном нулю;
диапазоном допустимых синфазных напряжений — макси-
мальным диапазоном входных напряжений, которые можно
одновременно приложить к входам, не переводя усилитель в
режим отсечки или насыщения;
коэффициентом подавления синфазного сигнала — отноше-
нием коэффициента усиления дифференциального сигнала
к коэффициенту усиления синфазного сигнала при разомкну-
той цепи обратной связи;
коэффициентом ослабления влияния напряжения источ-
ника питания — приведенным к входу изменением выходного
напряжения при изменении напряжения источника питания
на 1 В;
скоростью нарастания выходного напряжения — максималь-
ной скоростью изменения выходного напряжения при подаче
на вход изменяющегося напряжения;
шириной полосы, в которой обеспечивается полная мощ-
ность усилителя, т. е. максимальной частоты, на которой еще
62
может быть получена максимальная амплитуда выходного
напряжения;
частотой среза — полосой частот, измеренной на уровне
спада усиления на 3 дБ, при замкнутой цепи обратной связи
и коэффициенте передачи цепи обратной связи, равном единице;
временем восстановления — временем, необходимым для
возвращения работы выходного каскада в активную область
из области глубокого насыщения.
Разработка контрольно-измерительного оборудования для
проверки такого большого количества параметров весьма
затруднительна с технической точки зрения и часто не оправ-
дана с экономической. Задача усложняется также многообра-
зием применяемых для измерения однородных параметров
методов и их схемных реализаций.
Трудоемкость измерения значительного количества пара-
метров линейных ИМС при непрерывно возрастающем объеме
их выпуска выдвигает на первый план проблему сокращения
количества контролируемых параметров. В настоящее время
наметилось два основных пути решения этой проблемы.
Первый путь заключается в поиске наиболее информа-
тивных параметров оценки качества линейных ИМС в целом
и исключение из числа контролируемых параметров, зависи-
мых от них, но не несущих новой информации. Выполняют
это статистической отработкой либо экспериментальных дан-
ных, либо результатов расчета динамических и статистических
параметров электрической схемы линейных ИМС.
Второй путь состоит в объединении родственных парамет-
ров, входящих в одну группу и часто функционально связан-
ных друг с другом. При этом речь может идти в основном
о таких динамических параметрах линейных ИМС, как ампли-
тудно-фазовая и переходная характеристики, измерения кото-
рых занимают до половины времени цикла контроля.
При измерении и контроле параметров линейных ИМС
широкое распространение получили практически все методы
измерительной техники. С точки зрения метрологических харак-
теристик лучшими следует признать прямые методы измерения,
как не требующие дополнительной математической обработки
полученных результатов, способной внести дополнительную
погрешность. Однако физическая разнородность параметров
линейных ИМС и широкий диапазон их значений требуют при
использовании прямых методов создания измерительных уст-
ройств, состоящих из набора разнородных измерительных
схем, зачастую не связанных друг с другом. Поэтому в настоя-
щее время предпочтение отдается универсальным схемам,
основанным на использовании косвенных методов измерения,
63
предполагающих преобразование параметров линейных ИМС
в некоторый унифицированный сигнал — обычно постоянное
напряжение.
На начальном этапе развития техники измерений и конт-
роля параметров линейных ИМС, как правило, создавалось
специализированное неавтоматизированное оборудование, пред-
назначенное для определения нескольких параметров линей-
ных ИМС одного типа. Так, среди отечественного оборудования
можно отметить тестеры АМЦ-146 для измерения параметров
операционных усилителей (ОУ) серии 816, ИПУ-1 и ИПУ-2
серии 140. В настоящее время для контроля линейных ИМС
используют специализированное и многоцелевое оборудование.
Спецаиализированный тестер ”Бета-210”
(УВК-КМА Э-ЗОО-ООЗ) предназначен для измерения статичес-
ких, динамических и дрейфовых параметров ОУ. Этот тестер
может работать вместе с автоматическим загрузчиком, зондо-
выми устройствами и проходными камерами. Причем при
измерениях параметров структур ОУ на подложках предус-
мотрена возможность подгонки входного напряжения.
Тестер выполнен в виде настольной конструкции и управ-
ляется ДВК ’’Электроника НЦ-80-20/3” или от 15ВУМС-28-024.
Для перехода на контроль ОУ другого типа необходимо заме-
нить программу, записанную на магнитном диске, и ’’плату
типов” в измерительном блоке. Высокие технические характе-
ристики комплекса ”Бета-210” позволяют использовать его
для контроля параметров большинства ОУ.
Специализированный тестер ”Бета-003”
(14КРЛ-300-007) предназначен для измерения низкочастот-
ных шумовых параметров линейных ИМС, нормированных
ЭДС и тока шума, а также эффективного значения его напря-
жения и др. Управляется тестер вычислительным комплексом
15ВУМС 28-025.
Оборудование для входного контроля компараторов напря-
жения не получило самостоятельного развития. Это объясня-
ется тем, что большинство параметров компараторов напряже-
ния соответствует параметрам ОУ и, за исключением некото-
рых специфических параметров, их можно контролировать на
оборудовании, предназначенном для контроля ОУ. Поэтому
для контроля компараторов напряжения целесообразна модер-
низация этого оборудования.
Т е с т е р 14КПЛ-400-012 является узкоспециализирован-
ной и высокопроизводительной установкой и предназначен
•для контроля статических и динамических параметров мало-
мощньгх прецизионных компараторов напряжения 597САЗ
и быстродействующих 597/СА1, 597СА2.
64
Выпускают также специализированные установки для
контроля параметров стабилизаторов напряжения серий 142
иК142.
У становка ”Бета-302” (СВК-СИАЭ-800-12) предназ-
начена. для контроля параметров стабилизаторов напряжения
типов 142 ЕН1 - 142 ЕН5, 142 ЕН8, 142 ЕН9, Р(КР) 142 ЕН1,
142 ЕП2, 142 ЕН5, К142 ЕНЗ, 142 ЕН4, 142 ЕН8, 142 ЕН9 и
может работать вместе с зондовой установкой и автоматом
загрузки. Управляется эта установка вычислительным комп-
лексом 15ВУМС 28-025.
Многоцелевой тестер АМЦ-14111 предназна-
чен для входного контроля 142 ЕН4, 142 ЕН8, 142 ЕН9 и подав-
ляющего большинства ОУ (например, электрических парамет-
ров серий К140, КР140, К153, К157, К554, КР554, КМ551,
К674, К553, К744) с представлением результатов по принципу
’’годен—брак”. Принцип действия тестера основан на методе
преобразования статических параметров ОУ в напряжение
постоянного тока, которое сравнивается с допустимым значе-
нием тока, представляемым в аналоговом виде. Результаты
сравнения индицируются в числовом виде.
Напряжения питания контролируемых ОУ и значения до-
пусков устанавливаются с помощью предварительного посто-
янного запоминающего устройства ППЗУ. Контроль ведется
с помощью цифрового вольтметра, подключаемого к контроль-
ным гнездам.
Тестер снабжен набором сменных контактирующих уст-
ройств и плат коррекции, что позволяет контролировать пара-
метры ОУ различных типов и конструктивного исполнения.
Устанавливают ОУ в контактирующее устройство вручную.
Тестер ЛМЦ-142 предназначен для автоматического
контроля всех параметров стабилизаторов напряжения серий
142 по принципу ’’годен—брак”. Набор сменных контактирую-
щих устройств и плат коррекции позволяет проверять стабили-
заторы напряжения различных типов. Устанавливают контро-
лируемые стабилизаторы в контактирующее устройство
вручную.
Настольный измеритель АМЦ-0665 предназ-
начен для определения погрешности аналого-цифровых преоб-
разователей (АЦП) в динамическом режиме, т. е. при изменяю-
щемся входном сигнале, в том числе случайном, в диапазоне
частот до 10 МГц. Время оценки погрешности АЦП во всех
2048 точках шкалы не более 3 мин. Результаты измерений мо-
гут выдаваться на индикаторное или цифропечатающее устрой-
ство, а также фиксироваться самописцем.
65
Контрольные вопросы
1 Каковы основные параметры операционных усилителей?
2. Какие требования предъявляют к измерительному оборудова-
нию для контроля линейных ИМС?
3. Какие пути существуют для сокращения количества контроли-
руемых параметров линейных ИМС?
4, Какое оборудование применяют для контроля параметров ли-
нейных ИМС и каковы принципы его действия?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Контролируют и испытывают полупроводниковые прибо-
ры и ИМС в основном в автоматическом режиме. При этом
результаты измерений, как правило, не известны оператору,
так как автомат после сравнения измеренной величины с задан-
ной сам производит разбраковку по принципу ’’годен—брак”.
Для контроля стабильности технологического процесса
изготовления изделий микроэлектроники, исследования при-
чин брака, а также при внедрении новых изделий необходимо
получать информацию о фактически измеренных параметрах
и обрабатывать ее.
§ 29. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ
При измерении физических величин (параметров) полу-
чают лишь приближенное их значение из-за различных ошибок
(погрешностей). Остановимся на некоторых возможных причи-
нах их возникновения.
Во-первых, показания измерительных приборов могут
быть считаны оператором (или ЭВМ) с ограниченной точностью.
Во-вторых, включение измерительных приборов, как уже
отмечалось, оказывает влияние на значения измеряемых пара-
метров. Так, при измерении напряжения измерительный при-
бор — вольтметр — забирает у измеряемой схемы часть требуе-
мого для его работы тока. Следовательно, режим работы схемы
изменяется по сравнению с тем, каким он был до подключения
измерительного прибора, и измеряемая величина соответствен-
но отличается от истинной.
В-третьих, результат измерения в сущности случаен в том
смысле, что он лежит в Пределах некоторого значения. Причи-
нами колебаний /флуктуаций) измеряемой величины могут
66
быть изменения напряжения питающей электросети, вибрация
стола, на котором установлены приборы, случайные измене-
ния температуры и др.
Таким образом, всегда существует разница между неиз-
вестным истинным значением -Тист величины и измеряемым
Лщзм- Так как истинное значение величины измерить невоз-
можно, обычно определяют ее среднее значение Хо. Для этого
несколько раз при постоянных условиях измеряют одну и ту
же величину и рассчитывают ее среднее арифметическое зна-
чение
v _ % 1 изм + изм + • + Хп изм
где п — количество измерений.
Если при трехкратных измерениях результаты полностью
совпадают, делают вывод о том, что прибор недостаточно чув-
ствителен к колебаниям измеряемой величины. Если же резуль-
таты измерений различны, то следует набрать статистические
данные, т. е. получить достаточное количество результатов,
чтобы оценить погрешность измерения.
Допустим, что при многократных измерениях вольтметром
напряжения Ugux логической 1 на выходе одной и той же
цифровой ИМС получены следующие значения (табл. 3).
Таблица 3. Измерение напряжения логической единицы
на выходе цифровой ИМС
№ из- мере- ния Выходное напряжение Свых’ В Отклоне- ние изме- рения Д i Квадратич- ное отклоне- ние измере- ния (д/)2 Ошибка из- мерения дисп Квадратичная ошибка изме- рения (дисп)2
1 2,460 + 0,072 0,005184 + 0,007 0,000049
2 2,453 + 0,065 0,004225 0,000 0,000000
3 2,448 + 0,060 0,003600 -0,005 0,000025
4 1,803 -0,585 0,342225 - -
5 2,447 + 0,069 0,003481 -0,006 0,000036
6 2,456 + 0,068 0,004624 + 0,003 0,000009
7 2,455 + 0,067 0,004489 + 0,002 0,000004
8 2,453 + 0,055 0,003025 -0,010 0,000100
9 2,456 + 0,068 0,005041 + 0,003 0,000009
10 2,459 + 0,071 0,005041 + 0,006 0,000036
£ = 23,88 ) S = 0,000 0,0380518 2 = 0,000 2 = 0,000268
Хо = 2,388 о= 0,2056 °исп“ 0)00579
Цк-и 22. 77
^оисп = 2,,53
67
При этом среднее арифметическое значение измеренного
напряжения
V - 2,460 4- 2,453 4- ... 4- 2,459 _ 23,880 - о ооо
*0 - -----------------ГО-----2)388 '
Вычислим отклонение измеренного в каждом случае напря,-
жения от среднего его значения
Дг = X. - Хо ,
гизм и ’
после чего запишем результат в следующую колонку табл. 3.
Сумма всех значений Д/ должна равняться нулю. Это
означает, что арифметические ошибки в расчетах отсутствуют.
Затем подсчитаем квадраты каждого отклонения
(ДО2 = (X. -Хо)2
и запишем их в следующую колонку табл. 3.
После этого рассчитаем среднюю арифметическую ошибку
по приведенной ниже формуле
/ 1=П
о = V Z Д i2 / (и - 1) .
i=l
В данном случае она равна
а = V 0,3805/(10 - 1) = 0,2056 s 0,206 .
Сравнив полученное значение а = 0,206 с максимальным
отклонением Дг по абсолютному значению, равному 0,585,
приведенному в табл. 3, увидим, что это отклонение примерно
равно За, т. е. 0,585 = 3 -0,206 - 0,618. Если значение Д/
больше или примерно равно За, зто значит при измерении была
сделана грубая ошибка и результатом следует пренебречь. Вни-
мательно изучив табл. 3, можно было и до расчета предполо-
жить, что при измерении № 4 что-то произошло (например, в
этот момент включили мощную установку и возникла помеха,
повлиявшая на результат измерений).
Поэтому необходимо, отбросив измерение № 4, провести
все расчеты заново. Результаты исправленных значений откло-
нений и их квадраты, а также средней квадратичной ошибки
приведены в следующих колонках таблицы. Теперь утроенное
значение аисп = 3 • 0,00579 =0,01737, поэтому нет оснований
отбрасывать ни один из оставшихся результатов Дг.
Обычно полученное значение средней квадратичной ошибки
принимают за абсолютную погрешность измерений
Д , = а , •
абс исп
При этом результат измерений:
*изм = -^оисп - Дабе •
68
В рассмотренном примере выходное напряжение логичес-
кой 1 [/*ых = (2,453 ± 0,00579) = (2,453 ± 0,006) В.
Кроме абсолютной погрешности для характеристики точ-
ности измерений вводят относительную погрешность
5отп=±'^£-Ю0%.
лоИСП
В данном примере
5отн = * •100 % •
Относительная погрешность лучше характеризует точность
работы измерительной системы. Использовать тот же вольт-
метр, что и в данном примере (его абсолютная погрешность
Дабс ~ 0,00579 В = 5,79 мВ), до1я измерения, например, тако-
го параметра ОУ, как напряжение смещения нуля 1/см, нельзя.
Объясняется это тем, что их напряжение смещения нуля ОУ
обычно равно около 5 мВ, т. е.
t/M = (5 ± 5,79) мВ .
Относительная погрешность измерения в этом случае сос-
тавит
5отп=± (5,79/5)400% = ± 130% .
Приведенный метод расчета абсолютной и относительной погреш-
ностей измерения пригоден в тех случаях, когда основной причиной
ошибки являются случайные колебания значений измеряемой вели-
чины.
При измерениях параметров полупроводниковых прибо-
ров и ИМС, точность ограничивается собственной погрешностью
приборов. Абсолютная и относительная погрешности, обуслов-
ленные конструкцией приборов, обычно приводятся в инструк-
ции по их эксплуатации. Ошибка же, возникающая из-за влия-
ния измерительного прибора на работу измеряемой схемы,
имеет систематический характер, т. е. может быть рассчитана,
а результаты измерений соответственно скорректированы.
§ 30. ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ
Графики являются одним из самых наглядных способов пред-
ставления информации. Особенно удобно их использовать для отобра-
жения взаимосвязи между различными величинами.
Рассмотрим основные правила и рекомендации построения
графиков.
69
Первое правило, обеспечивающее информативность
графика, — это правильный выбор масштаба по осям координат.
Перед построением графика обычно составляют таблицу
измеренных значений величин. Допустим, что требуется по-
строить график зависимости выходного напряжения (/ВЬ1х
от входного напряжения (7ВХ какой-либо цифровой ИМС,
т. е. ее передаточную характеристику. Результаты проведен-
ных измерений занесем в табл. 4.
Таблица 4. Зависимость входного напряжения цифровых
ИМС от выходного
№ изме- рения Входное напряжение 6/вх, в Выходное напряжение ^вых> В № изме- рения Входное напряжение 6/вх, В Выходное напряжение Цзых’ В
1 0,105 3,83 11 0,647 0,70
2 0,350 3,83 12 0,651 0,65
3 0,522 3,83 13 0,657 0,46
4 0,555 3,71 14 0,666 0,298
5 0,575 3,35 15 0,682 0,247
6 0,594 2,63 16 0,740 0,247
7 0,612 1,78 17 0,950 0,247
8 0,623 0,95 18 1,23 0,247
9 0,628 0,81 19 2,05 0,246
10 0,639 0,75 20 2,23 0,246
Во-первых, масштабы но осям выбирают так, чтобы весь
интересующий интервал изменений значений величин был от-
ражен на графике. Для данного примера это значит, что нет
смысла отводить на графике места построения точек, соот-
ветствующих измерениям № 1, 2 и 16 — 20, так как значения
напряжения (7ВЬ1Х при этих измерениях были такими же, что
и при измерениях № 3 и 15. Следовательно, график при С/вх <
< 0,522 В и UBX > 0,682 В представляет собой прямую линию,
параллельную оси абцисс, по которой будут откладываться
значения (7ВХ. Таким образом, напряжения, откладываемые
по оси абцисс, лежат в пределах от 0,522 до 0,682 В, а по оси
ординат — от 0 до 3,83 В.
Во-вторых, каждое деление шкалы (например, клетка мил-
лиметровой бумаги) должно соответствовать целому или ка-
кой-нибудь не очень сложной доле значения величины, откла-
дываемой по осям. Это позволит легко откладывать резуль-
таты по осям координат и считывать их. Неприемлемыми мас-
штабами, например, являются в одной клетке 1,85 В, в одном
70
миллиметре 0,033 В, а приемлемыми — в одной клетке 2,0 В,
в одном миллиметре 0,05 В.
Используя эти рекомендации, выберем для нашего приме-
ра следующие масштабы: по оси X (t/BX) — в одном делении
0,02 В; по оси Y (UBblx) — в одном делении 0,25 В.
График для данного примера приведен на рис. 45. Обратим
внимание на то, что начало координат соответствует не точке
с координатами (0; 0), как обычно принято, а точке с коорди-
натами (0,4; 0,0). Это позволяет компактнее представить ин-
тересующую область изменения величин.
Часто вместо линейного масштаба, использованного на
рис. 45, применяется логарифмический масштаб. Для построе-
ния графиков в логарифмическом масштабе следует по осям
(или по одной из осей — в этом случае масштаб называют полу-
логарифмическим) откладывать не значение измеренной вели-
чины, а его логарифм (обычно десятичный). Логарифмический
масштаб используют в тех случаях, когда диапазон значений
измеренной величины очень велик. Построим, например, гра-
фик зависимости входного тока /вх цифровой ИМС от вход-
ного напряжения UBX, т. е. входную вольт-амперную харак-
теристику, используя значения, приведенные в табл. 5.
Показанные на рис. 46, а, б входные характеристики по-
строены соответственно в линейном и полулогарифмическом
масштабах (логарифм значения входного тока откладывается
по оси ординат, по оси абцисс был использован линейный
Рис. 45. Передаточная характеристика, выпол-
ненная в линейном масштабе
71
Таблица 5. Зависимость входного тока цифровой ИМС
от входного напряжения
N- измерения Входное напря- жение С/вх, В Входной ток 7ВХ, мкА Логарифм вход- ного тока 1g /вх
1 0,40 0,05 - 1,30
2 0,44 0,10 - 1,00
3 0,47 0,18 - 0,75
4 0,500 0,32 - 0,50
5 0,515 0,56 - 0,25
6 0,542 1,78 0,25
7 0,586 10,0 1,0
8 0,625 56,2 1,75
9 0,670 316,0 2,5
10 0,70 1000 3,0
масштаб). Сравнение графиков, приведенных на рис. 46, а, б,
показывает, что применение логарифмического масштаба поз-
воляет отметить особенности, которые в линейном масштабе
не заметны: изменение наклона характеристики при (7ВХ —
0,5 В.
Второе правило, которое следует учитывать при
построении графиков, касается проведения линий через отме-
ченные на них экспериментальные точки. Получающиеся при
этом кривые должны быть плавными и проходить между экс-
Рис. 46. Входные характеристики, выполненные в линейном (а)
и полулогарифмическом масштабах (6)
72
периментальными точками. Нельзя соединять точки отрезками
прямых. Необходимо, чтобы точки размещались на обе стороны
кривой примерно на равных расстояниях. Можно также за-
сечками (черточками) отмечать разбросы значений измерен-
ных величин, обусловленные возможными ошибками из-
мерений.
Примеры правильного (кривая 7) и неправильного (кривая
2) проведения кривых через экспериментальные точки приве-
дены на рис. 47.
Не исключено, что при напряжении UBK — 4 В может быть
резкое изменение тока /вх. Тогда необходимо более подробно
исследовать этот участок входной характеристики, т. е. изме-
рить /вх при UBK, равном 3,8 3,9; 4,1 В и т.д. Однако чаще
всего такие резкие изменения параметра связаны с ошибками,
допущенными при измерениях. Поэтому при плавном проведе-
нии кривой сглаживаются возможные случайные искажения
ее формы.
Третье правило, которое следует неукоснительно
выполнять при построении графиков, — это указание всех не-
обходимых сведений, которые относятся к процессу измерения:
даты измерения, номера образца, типа изделия, типа (и номера)
измерительного оборудования, фамилии оператора, проводив-
шего измерение. Кроме того, при построении графиков надо
не забыть указывать, какие величины и в каких единицах из-
мерения были отложены по осям. Отсутствие этих сведений
Рис. 47. Построение графика по экспериментальным точкам
73
может подчас свести на нет весь кропотливый труд по прове-
дению и обработке измерений.
§31. ПОСТРОЕНИЕ ГИСТОГРАММ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
И ИНТЕГРАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Для анализа полупроводниковых приборов и ИМС большое
значение имеет информация о том, какие значения может иметь
какой-либо параметр разных изделий данного типа. Если зна-
чения этого параметра у всех изделий данного типа почти оди-
наковы, это означает, что процесс их изготовления стабилен.
Большой разброс значений параметра свидетельствует о каких-
либо недоработках либо конструкции изделия, либо техноло-
гического процесса.
Обычно для получения таких данных измеряют на автома-
тическом оборудовании все требуемые по техническим услови-
ям параметры. При таком режиме измерений все результаты
выводятся для регистрации на печать в отличие от режима, при
котором разбраковка производится по принципу ’’годен—
брак”, когда они остаются неизвестными оператору. Затем
распечатки расшифровывают. Измерения проводятся не на
всей партии изделий, а на так называемой выборке, объем
которой, т. е. количество проверяемых изделий, должен быть
достаточно большим. Допустим, что в результате измерений
выборки объемом 50 ИМС получены следующие данные по
их выходному напряжению логического нуля (табл. 6).
Таблица 6. Выходные напряжения логического нуля ИМС выборки
№ ИМС С"ых, В № ИМС С’Ь1Х> в № ИМС ^ых> в № ИМС ^ых> В
1 0,807 14 0,771 26 0,766 38 0,801
2 0,781 15 0,781 27 0,783 39 0,788
3 0,763 16 0,803 28 0,787 40 0,761
4 0,827 17 0,760 29 0,812 41 0,823
5 0,725 18 0,797 30 0,757 42 0,796
6 0,787 19 0,862 31 0,836 43 0,778
7 0,794 20 0,743 32 0,762 44 0,786
8 0,817 21 0,793 33 0,915 45 0,818
9 0,764 22 0,765 34 0,792 46 0,752
10 0,795 23 0,736 35 0,785 47 0,791
11 0,790 24 0,790 36 0,774 48 0,781
12 0,773 25 0,802 37 0,782 49 0,787
13 0,781 50 0,765
74
Обработка этих данных обычно состоит в построении
гистограмм распределения и интегрального распределения рас-
сматриваемого параметра, а также в определении его среднего
значения и среднеквадратичного отклонения.
График (диаграмму), показывающий, сколько процентов
изделий имеют то или иное значение параметра, называют гисто-
граммой. Так, в табл. 6 выходное напряжение t/вых тРех
ИМС из выборки (3/50 = 6 %) равно 0,787 В, двух (2/50 =
= 4%) -0,765 В и т.д.
Для построения гистограммы распре-
деления всю область полученных значений параметра раз-
бивают на определенное количество равных интервалов и под-
считывают количество (в процентах) изделий, имеющих пара-
метр, попавший в каждый интервал.
Анализ табл. 6 показывает, что минимальное значение
выходного напряжения t/gbIX равно 0,725 В, а максимальное —
0,915 В, т. е. округленно оно изменяется в пределах от 0,72
до 0,92 В. Пусть интервалов будет 10, тогда всю область полу-
ченных значений можно разбить на отдельные интервалы так:
I - от 0,72 до 0,74 В;
II - от 0,74 до 0,76 В;
III — от 0,76 до 0,78 В и т.д.
Составим табл. 7 частоты и, попаданий измеренных зна-
чений в каждый интервал и относительной частоты // = nj/N*
х 100 % (где N — количество измерений), используя данные
табл. 6.
Таблица?. Расчет частоты попаданий измеренных значений
в интервалы
№ ин- Диапазон Частота попа- Относительная Максимальная часто-
тер- ^вых> В даний nj, шт. частота попа- та попаданий Fj, %
вала даний fj, %
I 0,72 - 0,74 1 2 2
II 0,74 - 0,76 3,5 7 9
III 0,76 - 0,78 11,5 23 32
IV 0,78 - 0,80 21 42 74
V 0,80 - 0,82 7 14 88
VI 0,82 - 0,84 4 8 96
VII 0,84 - 0,86 1 2 98
VIII 0,86 - 0,88 0 0 98
IX 0,88 -0,90 0 0 98
X 0,90 - 0,92 1 2 100
N = Zni=50 S/j-=100% Ft „ = 100 %
75
Например, если значение параметра попадает на границу
интервалов (ИМС № 7 по табл. 6), его с равным правом можно
отнести как к одному, так и другому интервалу. Можно также
добавить по 0,5 частоты попаданий в соседние интервалы. При
этом получаются дробные значения, как в табл. 7.
После этого приступают к построению гистограммы. В
данном случае (рис. 48) в соответствии с табл. 7. По оси орди-
нат в масштабе откладывают относительные частоты (в процен-
тах) в виде полочек, параллельных оси абсцисс, на которых
приводят число, показывающее количество ИМС, попавших
в интервал (в штуках). Затем через середины полочек проводят
кривую распределения (на рис. 48 показана пунктиром).
Построенная гистограмма показывает, что среди 50 ИМС
данного типа 2 % имеют С/^ых ~ 0,72 + 0,74В; 7%- С/£ых =
= 0,74 4 0,76 В; 23 % - С/£ых = 0,76 + 0,78 В. Закономер-
ности, полученные на выборке, надо перенести на всю партию
ИМС. Теория вероятностей и математическая статистика дают
строгое обоснование тому, в каких случаях это можно сделать
и какие при этом получают ошибки.
Так как все ИМС данного типа изготовлялись в едином тех-
нологическом цикле, из этого следует, что они должны быть
однородны, а следовательно, иметь одинаковые электрические
параметры, в частности выходное напряжение С7^ых. В силу
I 1 Ш У И Ш Ш. ТХ X
Интервалы
Рис. 48. Гистограмма распределения выходного напряжения ых
76
этого значения их параметров близки к некоторому среднему
значению и не значительно отклоняются от него вследствие
каких-то случайных, неконтролируемых воздействий. Таким
образом, гистограмма должна иметь вид колоколообразной
кривой, потому что значения измеряемого параметра большин-
ства ИМС очень близки к среднему, а остальных ИМС — очень
далеки от него.
На гистограмме, показанной на рис. 48, все значения выход-
ного напряжения t7^b[x лежат на колоколообразной кривой,
за исключением одного, попавшего в интервал 0,90 — 0,92 В
(это значение не учитывают).
Следовательно, по результатам измерения выборки полу-
чена гистограмма с четко выраженным максимумом, спадом
и границей возможных вариаций параметра (в ином случае
объем выборки увеличивают). Это можно считать признаком
того, что в выборку попало столько разных ИМС, сколько
их бывает в партии. В этом случае выводы, сделанные по выбор-
ке, распространяются на всю партию ИМС данного типа, т. е.,
во-первых, среднее значение ^Ых равно около 0,79 В; во-
вторых, границы изменения t7^b[x от ИМС к ИМС лежат в
пределах от 0,72 до 0,86 В; в-третьих, можно оценить техноло-
гические запасы по выходному напряжению С/£ых — не более
1,0 В (верхняя граница) и не менее 0,6 В (нижняя граница).
Таким образом, проверенные ИМС имеют некоторый запас
^вых> т- е- 1>0 — 0,86. = 0,14 В по верхней границе и 0,72 —
- 0,6 = 0,12 В по нижней.
Следовательно, статистический контроль процесса изготов-
лений ИМС, частью которого является рассмотренный анализ
гистограммы, позволяет повысить эффективность и качество
производства.
Построение гистограммы интеграль-
ного распределения параметра также ис-
пользуется для представления результатов статистического
анализа. Такая гистограмма показывает, сколько изделий (ка-
кой их процент) имеет значение параметра, меньшее какого-
либо установленного значения.
Обратимся к примеру, рассмотренному в табл. 7, в по-
следней колонке которой приведены значения максимальной
частоты попаданий в интервал (в процентах). Гистограмма
интегрального распределения выходного напряжения логичес-
кого нуля (рис. 49) показывает, что ИМС (1/50 = 2 %) имеет
значение f/£b[x> меньшее чем 0,74 В; 1 + 3,5 = 4,5 ИМС (9 %) —
меньшее чем 0,76 В; 1 + 3,5+ 11,5 = 16 ИМС (32 %) — мень-
шее чем 0,78 В и т.д.
Мерой разброса измеренных параметров служит наклон
77
Рис. 49. Интегральное распределение выходного
напряжения 1/°вых
кривой гистограммы: чем она круче, тем меньше разброс.
Гистограмму интегрального распределения удобно использовать
для определения процента выхода годных изделий. Так, если
нижняя граница значений 6^ых по ТУ равна 0,76 В, то по рис. 49
можно определить, что около 9 % ИМС попадут в брак, так как
их выходное напряжение t7^bIX меньше.
Для определения среднего значения измеряемого парамет-
ра ИМС и его среднеквадратичного отклонения по результатам
выборки можно использовать как метод, приведенный в
§ 29, так и гистограммы. На гистограмме распределения сред-
нее значение измеряемого параметра соответствует максимуму
пунктирной кривой (см. рис. 48), а на гистограмме интеграль-
ного распределения (см. рис. 49) — максимальной частоте
Fj попаданий в интервал, равной 50 %. Среднеквадратичное
отклонение измеряемого параметра характеризуется разбросом
гистограммы.
Контрольные вопросы
1. От каких погрешностей зависит результат измерений?
2. Какое влияние оказывает измерительный прибор иа режим рабо-
ты исследуемой ИМС?
3. Как определяют среднюю квадратичную ошибку измерений?
4. Как выбирают масштаб построения графиков?
5. Что такое логарифмический масштаб?
78
6. Каковы правила построения графиков по экспериментальным
точкам?
7. Что такое выборка?
8. Как строят гистограммы распределения и интегрального рас-
пределения, какую информацию можно по ним получить?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ИСПЫТАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
§ 32. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
Назначением испытаний изготовленных полупроводниковых прибо-
ров и ИМС является проверка соответствия их электрических парамет-
ров установленным в технических условиях нормам.
Однако качество изделий микроэлектроники определя-
ется не только теми свойствами, которыми они обладают в
момент передачи потребителю, но и способностью сохранять
их в условиях эксплуатации или хранения. Свойство изделий
выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатацион-
ные показатели в заданных пределах в течение требуемого вре-
мени, называют надежностью.
Одним из основных показателей надежности изделий микро-
электроники является время безотказной работы. При изготов-
лении полупроводниковых приборов и ИМС по одной техноло-
гии параметры разных изделий лежат в некотором интервале,
т. е. их значения носят случайные характер. Точно так же яв-
ляется случайной величиной время, в течение которого данное
изделие будет работать до того момента, когда по каким-либо
причинам произойдет его отказ. Следовательно, точно пред-
сказать время, когда произойдет отказ, невозможно.
Для характеристики событий, которые могут произойти,
в теории надежности вводится понятие вероятности осущест-
вления данного события. Вероятность — число, значение кото-
рого лежит между 0 и 1. Обозначают вероятность буквой Р
(от англ, probability — вероятность). При Р = 0 событие неверо-
ятно, т. е. вообще не может произойти; при Р = 1 событие дос-
товерно, т. е. обязательно произойдет, при 0 < Р < 1 собы-
тие вероятно, т. е. может произойти, а может и не произойти.
Для выяснения рассмотрим опыты с кубиком, на грани
которого нанесены очки от 1 до 6.
1. Вероятность того, что с одного броска выпадет 8 оч-
ков, равна 0 — на гранях нет такого числа.
79
2. Вероятность того, что выпадет 1, 2, 3, 4, 5 или 6 очков,
равна 1, так как достоверно известно, что одно из этих чисел
обязательно выпадет.
3. Рассчитаем вероятность того, что с первого броска вы-
падет, например, 6 очков, для чего разделим число ’’благопри-
ятных” случаев на число всех возможных. Возможных случаев
шесть, так как может выпасть 1, 2, 3 и т.д. Для осуществления
интересующего нас события подходит только один из возмож-
ных случаев. Тогда
Р = 1/6 .
4. Точно так же вероятность того, что после первого брос-
ка выпадет 5 очков, равна
Р = 1/6 .
5. Рассчитаем вероятность того, что после первого броска
выпадет 6 или 5 очков. Из предыдущих примеров ясно, что
число ’’благоприятных” случаев при этом равно 2 и, следова-
тельно,
Р = 2/6 = 1/3 или Р = 1/6 + 1/6 .
Вероятность того, что произойдет либо одно событие А,
либо другое событие Б, равна сумме вероятностей осуществле-
ния каждого из этих событий отдельно:
Р (А или Б) =Р (А) + Р (Б) .
Эта формула справедлива и для большего числа событий,
но только в том случае, если они несовместимы, т. е. может
произойти лишь одно из возможных событий.
6. Рассчитаем вероятность того, что, бросив кубик 2 раза,
получим в обоих случаях по 6 очков. При этом всех возможных
случаев будет 36, а ’’благоприятный” лишь один. Поэтому
Р = 1/36 или Р = 1/6 • 1/6 .
Вероятность того, что произойдет два события А и Б, т. е.
выпадение 6 очков оба раза, равна произведению вероятностей
осуществления каждого события отдельно:
Р(А иБ) = Р(А) Р(Б) .
Эта формула справедлива для любого числа событий, но
только в том случае, если оии независимы, т. е. вероятность
каждого из них не зависит от того, произошли или нет осталь-
ные события.
Итак, для характеристики надежности изделий микро-
электроники надо знать вероятность их безотказной работы
80
P ft), где t — время работы изделия. Ясно, что эта вероятность
при разной длительности работы будет различна. Так, вероят-
ность безотказной работы в течение 100 ч обычно больше, чем
в течение 500 ч.
Рассчитать заранее Р ft) изделий невозможно, так как для
каждого из них существует множество неподдающихся учету
факторов, которые определяют длительность безотказной рабо-
ты. Поэтому для определения Р ft) изделия микроэлектро-
ники подвергают испытаниям.
Рассмотрим следующий пример*. Допустим, что результа-
ты испытаний 1000 ИМС соответствуют приведенным в табл. 8,
и рассчитаем вероятность безотказной работы Р ft). Восполь-
зуемся тем же способом, что и в примере с игральным кубиком.
Допустим, что в течение 7 ч, прошедших с начала испытаний,
могли бы безотказно работать все 1000 ИМС (число возмож-
ных случаев равно 1000), но проработали так всего 497 ИМС
(число благоприятных случаев равно 497), т. е. Р (7) = 0,497.
Во второй колонке табл. 8 даны результаты аналогичных рас-
четов для всех промежутков времени, приведенных в ее пер-
вой колонке.
Таблица 8. Результаты испытаний 1000 ИМС
Время, прошедшее Количество ИМС, сохра- Количество ИМС, отказав-
от начала испыта- нивших работоспособ- ших в течение последнего
НИЙ, t, ч ность к этому времени, часа, шт.
шт.
0 1000 0
1 905 95
2 819 86
3 741 78
4 670 71
5 606 64
6 549 57
7 497 52
8 449 48
9 407 42
10 368 39
* Приведенные в примере результаты испытаний ИМС нереальны.
В действительности надежность ИМС в миллионы раз выше, а за рассмот-
ренное в примере время не будет ни одного отказа.
81
Введем еще один показатель надежности изделий микро-
электроники — интенсивность отказов X. Значение этого пара-
метра рассчитаем по данным, приведенным в табл. 8, приняв
вероятность того, что определенное количество ИМС откажет
в интервале между восьмым и девятым часами их работы.
Например, к началу восьмого часа работоспособны были 497
ИМС, а за восьмой час отказами 48 ИМС. Отношение количества
отказавших ИМС к количеству работающих в течение задан-
ного интервала времени называют интенсивностью отказов.
В нашем примере X = 48/497 шт/ч = 0,0957 ед/ч.
В третьей колонке табл. 9 дана рассчитанная по резуль-
татам испытаний, приведенных в табл. 8, интенсивность отказов.
Особенностью полученных результатов является то, что
интенсивность отказов не зависит от времени, т. е. X = const.
Другими словами, вероятность отказа ИМС, проработавшей
1 ч, такая же, как ИМС, проработавшей в течение следующего
часа, а .также двух, трех и т.д. часов. Эксперименты показывают,
что во многих случаях получают именно такой результат.
Таблица 9. Данные расчетов по результатам испытаний 1000 ИМС
Время, прошедшее от начала испыта- ний, t, ч Вероятность безотказ- ной работы в течение времени Р ft) Интенсивность отказов X • 10~2, 1/ч
1 0,905 9,5
2 0,819 9,5
3 0,741 9,52
4 0,670 9,58
5 0,606 9,55
6 0,549 9,4
7 0,497 9,48
8 0,449 9,57
9 0,407 9,36
10 0,368 9,6
В тех случаях, когда интенсивность отказов постоянна,
вероятность безотказной работы зависит от времени экспо-
ненциально, т. е.
P(t) = e~Kt.
График этой функции для X = 9,5 • 10-2 “ 10-1 рас-
сматриваемого примера показан на рис. 50.
Из этого графика видно, что интенсивность отказов ИМС
значительно влияет на вероятность их безотказной работы.
82
Рис. 50. График вероятности безотказной ра-
боты ИМС.
Так, при X = 1,0 1/ч вероятность того, что ИМС проработает
без отказа 2 ч, равна 0,135, т. е. через 2 ч из 1000 первоначаль-
но годных ИМС останется лишь около 135. При X = 10“ 7 1/ч,
что соответствует реальным ИМС, первый отказ из 1000 ИМС
будет наблюдаться примерно через 104 ч « 1,1 года (напом-
ним, что такой вывод справедлив лишь при X = const). Это
соответствует экспоненциальному распределению вероятности
безотказной работы. При таком распределении среднее время
безотказной работы
Т = 1/Х .
ср '
§ 33. КАТЕГОРИИ ИСПЫТАНИЙ
На завершающей стадии производства готовые изделия микроэлек-
троники подвергают серии разнообразных испытаний для определения
их качества и надежности при воздействии различных внешних факто-
ров. В процессе проведения испытаний в лабораторных или заводских
условиях соответствующие воздействующие факторы имитируют с по-
мощью специально предназначенных для этих целей установок.
Все воздействующие факторы подразделяют на три группы:
электрические — напряжения и токи источников
питания и входных сигналов, статические и динамические по-
83
мехи, электрическая
нагрузка,
электричесКие и магнитные
П°Л механические - вибрационные, ударные и линейные
(центробежные) нагрузки;
v климатические — повышенная и пониженная тем-
пература (смена температур), влажность, давление, морской
туман, плесневые грибки;
радиационные (космические и ядерные излучения).
Значения параметров воздействующих факторов регламен-
тируются стандартами и зависят от целей испытаний, а также
условий эксплуатации изделии микроэлектроники и в каждом
конкретном случае определяются техническими условиями.
В зависимости от поставленной цели и назначения испытания
выполняются для контроля качества и на надежность.
Испытания контроля качества — контроль-
ные испытания проводят для оценки соответствия изготовлен-
ных изделий требованиям технических условий или другой
документации. Фактически эти испытания позволяют определить
пригодность выпускаемых изделий к работе в радиоэлектрон-
ной аппаратуре, выявить явные или скрытые дефекты техно-
логии их изготовления или конструкции, которые не были об-
наружены ранее, установить наличие отклонений или нарушений
в технологическом процессе, приводящих к уменьшению про-
цента выхода годных изделий.
Испытания на надежность проводят для
оценки соответствия уровня надежности выпускаемых изделий
требованиям технических условий и получения данных о таких
количественных показателях надежности, как вероятность без-
отказной работы и интенсивность отказов в зависимости от
времени наработки, воздействующих факторов внешней среды
и нагрузки.
§ 34. КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Контрольные испытания подразделяются на квалификационные,
приемо-сдаточные, периодические, типовые и технологические и прово-
дятся по заранее разработанным планам, устанавливающим их объем,
порядок выполнения и критерии прекращения. На основании этих планов
составляют программы испытаний. Испытаниям подвергают не все изго-
товленные изделия, а часть партии (выборку), распространяя результаты
иа всю партию.
В программе указывается объем выборки, состав, последо-
вательность и методика проведения испытаний по видам, а
также критерию принятия решения в зависимости от результа-
84
тов. Критерием принятия того или иного решения является
количество С отказавших в выборке изделий (приемочное
число), при котором результаты испытаний считаются поло-
жительными.
Периодичность испытаний устанавливают в зависимости
от назначения и условий эксплуатации изделий, вида произ-
водства объема выпуска и категории испытаний.
Квалифицикационные испытания проводят на каждом
предприятии-изготовителе во время приемки установочной
партии по восьми группам KI — К8, определяя для каждой
группы объем выборки, вид и последовательность испытаний,
значение приемочного числа годных изделий.
При испытаниях по группе К1 проверяют внешний вид,
маркировку и электрические параметры изделий.
Объем выборок И] = 50 шт. и п2 - 100 шт. устанавливают
для полупроводниковых приборов и ИМС первой и второй сте-
пеней интеграции и и3 = 10 шт. — для ИМС третьей степени
интеграции. Допустимое количество отказавших ИМС при
испытании Ci = 1; С2 = 0 и С3 = 0.
При испытаниях по группе К2 проверяют электрические
параметры, теплостойкость, холодостойкость, стойкость к
воздействию линейных ускорений, ударную прочность, вибро-
стойкость и влагостойкость изделий, а также их стойкость на
воздействие термоциклов.
Объем выборок при этом устанавливают п3 =20 шт.,
п2 = 40 шт. Для ИМС третьей степени интеграции объем выбор-
ки (шт.) определяют по формуле
л£ = 2000///; п"3 = 4000/7/,
где N — количество элементов в ИМС третьей степени инте-
грации.
Допустимое количество отказавших при этом ИМС соот-
ветственно составляет Cj = 1, С2 = 1, С3 = 0.
Группа КЗ включает проверку наработки изделий при крат-
ковременных испытаниях, а группа К4 — при длительных.
Кратковременные испытания на наработку проводят при
максимальной электрической нагрузке и повышенной темпе-
ратуре на каждой партии изделий. Режимы этих испытаний
обычно указываются в технической документации.
Длительные испытания на наработку проводятся только
при квалификационных испытаниях в течение 10 000 ч. Оцени-
вают результаты этих испытаний по накопленной из установоч-
ной партии выборке объемом ni>2 = 100 шт. и Cit 2 = 5;
и3 =20 шт. и С3 = 1.
При испытаниях по группе К5 проверяют способность
85
выводов к пайке или сварке, по группе К4 - Кб — массу и габа-
ритные размеры изделий, по группе К7 — механическую проч-
ность выводов, по группе К8 — способность бескорпусных полу-
проводниковых приборов и ИМС к монтажу.
Испытаниям по группам от К2 до К8 подвергают изделия,
прошедшие приемо-сдаточные испытания.
Результаты квалификационных испытаний считают положитель-
ными, если они удовлетворяют требованиям, установленным для всех
групп, за исключением группы К4. При неудовлетворительных резуль-
татах квалификационных испытаний принимают меры по повышению
качества изделий и назначают новые испытания.
К приемо-сдаточным испытаниям предъявляют ИМС третьей
степени интеграции - партиями от 10 до 100 шт., ИМС второй
степени интеграции - от 100 до 1000 шт., ИМС первой степени
интеграции, а также полупроводниковые приборы — от 100
до 5000 шт., комплектуя из них выборки. Если партия пред-
ставленных изделий меньше установленной, приемо-сдаточные
испытания проводят двухступенчатым выборочным или сплош-
ным контролем.
При приемо-сдаточных испытаниях проверяют внешний
вид, маркировку и электрические параметры изделий.
При двухступенчатом контроле объем выборок = 50 шт.,
и2 = 100 шт. и и3 - 25 % партии; = 1 и С2 = 0,
С3 =0.
Партия изделий, ие выдержавшая приемо-сдаточных испытаний,
приемке не подлежит. Такие изделия подвергают 100 %-иой перепровер-
ке, удаляя забракованные. После этого составляют новые партии, форми-
руют выборки и проводят повторные испытания. При отрицательных
результатах повторных испытаний партию ИМС бракуют окончательно
без права дальнейшего предъявления.
Периодические испытания проводят один раз в квартал
(для первого года производства) и в дальнейшем один раз
в полугодие. Периодическим .испытаниям подвергают изделия
одного типа, распространяя результаты на всю серию. Выборку
комплектуют из разных партий изделий, прошедших приемо-
сдаточные испытания.
Периодические испытания проводят по трем группам П1 —
ПЗ. При испытаниях по группе П1 проверяют электрические
параметры, тепло- и холодостойкость, стойкость к воздействию
линейных ускорений, ударную прочность, вибростойкость, виб-
ропрочность, влагостойкость изделий, а также их стойкость
к термоциклам.
Группа П2 включает проверку наработки изделий при крат-
ковременных испытаниях.
86
При испытаниях по группе ПЗ проверяют габаритные и при-
соединительные размеры изделий.
Испытания по группе П1 проводят методом двукратной
выборки. Объем выборок nJ 2 = 20 и n'\t 2 = Ю, а п3 =
= п"3 определяют, как при приемо-сдаточных испытаниях.
При этом C'j 2 = 1 и С'\ г 2 = 1 при п\; 2 = Ю 20 и п'\, 2 =
= 20-^40; с\ = С3 =0при п3 = 2 -? 4и п"3 = 4-^8.
Планируют и оценивают результаты испытаний по группе
П2 исходя из заданных значений вероятности безотказной ра-
боты Р, риска заказчика (3 и приемочного числа С.
Риск заказчика (3 — это вероятность получения заказчиком
бракованной партии изделий. Планирование ведется для двух
случаев: продолжительности испытаний ?и, равной времени
гарантированной наработки ?г, т. е. tu - tr,M не равной ей,
т. е. ?и Ф tT. Проводят испытания в обоих случаях методом
однократной или двукратной выборки. Метод двукратной
выборки применяют только при Р 0,9.
Объем однократной выборки при ?и = tT определяют по
табл. 10.
Таблица 10. Объем однократной выборки при Ги = tr
Риск заказ- чика 0 Прие- мочное число С Объем выборки п при вероятности безотказной
0,95 0,94 0,93 работы 0,92 Р
0,91 0,9 0,85 0,8
0 45 37 32 28 24 22 14 10
0,1 1 76 63 54 47 42 37 24 18
2 105 87 74 65 57 52 25 20
0 31 26 22 19 17 15 10 7
0,2 1 59 49 42 36 32 29 19 14
2 85 70 60 52 46 42 27 20
0 23 19 17 14 13 11 8 6
0,3 1 48 40 34 30 26 24 16 12
2 71 60 51 44 39 35 23 17
Оценивают результаты испытаний по истечении времени
tu. Если количество отказавших изделий г < С, результаты
испытаний считают положительными, а если г > С, — отрица-
тельными.
Объемы двукратных выборок при tu = 1Г определяют,
задавая сначала продолжительность испытаний каждой из них.
Затем устанавливают для первой выборки приемочное число
87
С* = О (имея в виду, что при г’ = 2 партия бракуется) и для
второй выборки С" = 0 (при г" = 1 партия также бракуется).
После этого объемы первой и второй выборок рассчитывают
по следующим формулам:
п = а'/(1 -Р); »" = «'7(1 -Р) ,
где а' и а" — параметры закона распределения отказов в вы-
борке.
Выбирают значения а’ и а" в зависимости от значения Р
из следующего ряда:
Р а' а"
0,1 2,6 2,00
0,2 2,0 1,43
0,3 1,6 1,18
Если при испытаниях первой выборки п{ в течение времени
Ги отказавших изделий не будет, т. е. а’ = 0, испытания прекра-
щают и их результаты считают положительными. При а > 2
испытания также прекращают, но их результаты считают от-
рицательными. Если в первой выборке п за время tK отка-
жет одно изделие, проводят испытания второй выборки п"
в течение времени tK и считают результаты положительными,
только если а" = 0.
Объем однократной выборки при tK =# tr определяют,
сначала устанавливая продолжительность испытаний (?и должно
быть более 100 ч) и приемочное число С, а затем в зависимости
от отношения tu/tT и заданной вероятности безотказной работы
определяют минимальную Р (Ги), для чего используют данные,
приведенные в табл. 11.
Таблице 11. Минимальная вероятность безотказной
работы изделий в зависимости от заданной
Р (Ги) при Р
0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9 0,85 0,80
0,2 0,9898 0,9877 0,9865 0,9835 0,9791 0,9791 0,9670 0,9564
0,4 0,9697 0,9756 0,9714 0,9672 0,9630 0,9587 0,9371 0,9146
0,6 0,9697 0,9636 0,9574 0,9512 0,9450 0,9387 0,9071 0,8746
0,8 0,9598 0,9517 0,9436 0,9355 0,9273 0,9192 0,8781 0,8365
1,0 0,9500 0,9460 0,9300 0,9200 0,9100 0,9000 0,8500 0,8000
2,0 0,9025 0,8836 0,8649 0,8464 0,8281 0,8100 0,7225 0,6400
3,0 0,8574 0,8306 0,8043 0,7787 0,7536 0,7290 0,6241 0,5120
5,0 0,7738 0,7339 0,6957 0,6591 0,6240 0,5905 0,4437 0,3277
88
После этого в зависимости от полученного значения Р(ГИ)
и значений (3 и Спо табл. 10 определяют объем выборки.
Объемы двукратных выборок при Ги ¥= Гг определяют,
задавая сначала продолжительность испытаний первой из них.
Затем устанавливают приемочные числа для первой и второй
выборок С' = 0, С" = 0, имея в виду, что при С = 2 и С" =
= 1 партию бракуют. После этого объем первой выборки рас-
считывают, как при ги = гг и а'. Далее по приведенным ниже
формулам рассчитывают объем второй выборки и продолжи-
тельность испытаний:
п"=£!Ъ =.
(1 - Р) ’ («"- 1) (t - Р)
Результаты испытаний оценивают так же, как и при ги =
— Гг.
Если результаты испытаний по группам П1 - ПЗ неудовлетвори-
тельные, назначают новые периодические испытания.
Типовые испытания определяются характером вносимых
в технологический процесс изменений и влиянием их на качество
изготавливаемых изделий микроэлектроники. В типовые испы-
тания входят отдельные виды квалификационных испытаний,
а также и сравнительные испытания, проводимые для сопос-
тавления изделий различных типов по надежности.
Технологические испытания занимают особое место среди
мероприятий, обеспечивающих выпуск высококачественных из-
делий микроэлектроники. Основной целью этих испытаний
является своевременное выявление дефектных изделий на
всех этапах технологического процесса их изготовления. Тех-
нологические испытания включают проверку на термоцикли-
рование, вибропрочность, высокотемпературное старение, гер-
метичность, воздействие линейных ускорений. Кроме того,
при этих испытаниях проводят термотоковую тренировку
изделий.
От объема технологических испытаний и степени жесткос-
ти режимов зависят количество и уровень опасности выявляе-
мых дефектов, а также количество отбракованных изделий.
При этих испытаниях получают также информацию, необходи-
мую для управления технологическим процессом.
Технологические испытания проводят в процессе изготов-
ления изделий микроэлектроники и на готовых изделиях.
В процессе изготовления изделий вы-
полняют разбраковку структур по электрическим параметрам,
отбраковку визуальным контролем поврежденных структур,
а также проверку по электрическим параметрам, собранных
изделий перед их герметизацией. При проверке перед гермети-
89
зацией выявляют основную часть дефектных изделий, которые
могут отказать при эксплуатации из-за обрывов соединитель-
ных выводов нарушений контактных соединений и внутрисхем-
ной разводки, коротких замыканий выводов между собой и
с другими элементами, царапин и загрязнений поверхности
кристаллов, дефектов их кристаллической решетки, неправиль-
ного монтажа кристаллов на основании корпусов, наличия
инородных частиц и др.
Готовые изделия испытывают для своевремен-
ного выявления и устранения в них открытых производствен-
ных дефектов, а также дефектов, появившихся после гермети-
зации. Большинство таких дефектов проявляется лишь при
продолжительном воздействии термоэлектрической нагрузки.
Поэтому изделия с подобными дефектами потенциально не-
надежны.
Эффективность отбраковки потенциально ненадежных изде-
лий зависит от многих факторов и должна оцениваться с учетом
экономической целесообразности. Кроме того, при определении
оптимальной программы отбраковочных испытаний необходимо
исходить из соображений обеспечения гарантии сохранности
качественных изделий. Известно, что испытания на термоцик-
лирование, вибропрочность, влагостойкость и другие в ряде
случаев являются ресурсными. Чрезмерно жесткие режимы
их проведения могут привести к обратному эффекту — выра-
ботке ресурса и снижению надежности качественных изделий.
§ 35. ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ
Испытания иа надежность подразделяют на контрольные и опреде-
лительные.
Контрольные испытания на надежность проводят для про-
верки соответствия количественных показателей надежности
изделий микроэлектроники требованиям стандартов или тех-
нических условий. Для оценки или контроля этих показателей
выполняют испытания на безотказность, долговечность и со-
храняемость.
Испытания на безотказность проводят
для контроля безотказности изделий микроэлектроники в
течение времени, достаточного для выявления дефектов, кото-
рые могут возникнуть в процессе изготовления и привести к
отказам.
Испытания на долговечность проводят
для подтверждения установленному в технических условиях
времени минимальной наработки на отказ.
90
При испытаниях на безотказность и долговечность прове-
ряют соответствие изделий микроэлектроники требованиям
минимальной наработки на отказ. Поэтому удовлетворитель-
ными считают результаты, при которых в процессе испытания
не наблюдаются отказы или их количество не превышает уста-
новленных техническими условиями (как правило, не более
одного отказа в выборке). Так как в этом случае весьма слож-
но получить фактические данные по надежности изделий, прихо-
дится проводить испытания до появления определенного коли-
чества отказов.
Испытания на сохраняемость проводят
для проверки соответствия изделий требованиям, указанным
в ТУ, накопления необходимой информации, разработки реко-
мендаций и уточнения норм. Сохраняемость изделий, прошед-
ших испытания по контролю качества, проверяют методом
длительного хранения и ускоренной оценки.
Определительные испытания иа надежность проводят для
установления (определения статистическим методом) фактичес-
ких количественных показателей надежности изделий одного
типа. При определительных испытаниях проверяют закономер-
ность распределения отказов изделий данного типа. К этому
виду испытаний относятся ресурсные, специальные и граничные.
Ресурсные испытания проводятся для определе-
ния процентного ресурса работоспособности изделий и являют-
ся продолжением испытаний на долговечность или выполняются
самостоятельно. При этих испытаниях электрические параметры
изделий проверяют через равные промежутки времени и ре-
гистрируют время появления отказов. Так как изделия мик-
роэлектроники имеют очень высокую надежность, испытания
заканчивают при выходе из строя примерно 5 — 10 % испыты-
ваемых изделий.
Спецаиальные испытания проводят для опре-
деления интенсивности отказов каждого типа изделий.
Граничные испытания проводят для определе-
ния запасов устойчивости изделий к воздействию механичес-
ких, тепловых и электрических нагрузок. Кроме того, при
этих испытаниях определяют запас прочности элементов кон-
струкций изделий. Граничные испытания проводят до выхода
испытываемых изделий из строя по мере увеличения интенсив-
ности воздействующих факторов.
§ 36. ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ
Как уже отмечалось, испытания в зависимости от характера воздей-
ствующих факторов подразделяют на конструктивные, электрические,
механические, климатические и радиационные.
91
Конструктивные испытания проводят для контроля надеж-
ности конструкции изделий и их отдельных элементов. При
этих испытаниях проверяют размеры, механическую прочность
выводов и соединений, качество антикоррозионных покрытий,
герметичность корпусов. Механическую прочность внешних
выводов проверяют на растяжение, изгиб и усталость при изги-
бе. Испытанию на герметичность подвергаются все 100 % изго-
товленных изделий при технологическом отбраковочном конт-
роле и выборочно при квалификационных и периодических
испытаниях.
Электрические испытания проводят для контроле работо-
способности изделий и стабильности их параметров при различ-
ных рабочих электрических режимах. Работоспособность изде-
лий обычно контролируют во время электрической или термо-
электрической тренировки при технологических испытаниях
(100 % изделий).
При электрической тренировке полупроводниковый прибор
или ИМС включают в электрическую испытательную схему и
подают максимально допустимые напряжение питания, входные
сигналы, электрическую нагрузку. В таких условиях изделие
выдерживают определенное время, указанное в технических
условиях. При термоэлектрической тренировке изделия помеща-
ют в камеру тепла и холода, создают в ней максимально допус-
тимую температуру, подают электрическую нагрузку и контро-
лируют электрические параметры.
В обоих случаях выявляют изделия, имеющие скрытые
дефекты, которые могут привести к отказам при эксплуатации.
Кроме того, при этом стабилизируются некоторые электричес-
кие параметры изделий.
Механические испытания проводят для контроля изделий
на устойчивость к воздействию различных механических факто-
ров. Одновременно до и после испытаний контролируют элек-
трические параметры изделий. При механических испытаниях
проверяют прочность корпусов и внутренней разводки между
их выводами и контактными площадками кристаллов, а также
надежность монтажа кристаллов к основаниям корпусов, отсут-
ствие провисания внутренней разводки и замыкания на корпус
или между собой.
К механическим относятся испытания на вибропрочность,
вибростойкость, ударную прочность, воздействие одиночных
ударов и линейных нагрузок.
Испытания на вибропрочность прово-
дятся для проверки способности изделий противостоять разру-
шающему действию вибрации и сохранять свои параметры
после ее воздействия.
92
Испытания на вибростойкость проводят
для проверки способности изделий сохранять свои функции
под электрической нагрузкой при определенных частотах и
ускорениях.
Испытания на ударную прочность (мно-
гократные удары) проводят для проверки способности изделий
сохранять внешний вид и электрические параметры после воздей-
ствия длительных ударных нагрузок с очень большим ускоре-
нием. Испытываемые изделия подвергают заданному числу
ударов в разных положениях. Электрические параметры изде-
лий контролируют после испытаний.
Испытания на воздействие одиночных
ударов проводят для проверки способности изделий выдер-
живать механические нагрузки с большим ускорением и очень
короткой длительностью.
Испытания на воздействие линейных
нагрузок проводят для проверки способности изделий
выдерживать постоянные ускорения в течение заданного вре-
мени (обычно несколько минут). Электрические параметры
изделий контролируют после испытаний.
Климатические испытания проводят для контроля изделий
на тепло- и холодостойкость, влагостойкость и стойкость к тер-
моциклированию, к пониженному и повышенному атмосферному
давлению и воздействию морского тумана. Воздействие повы-
шенной и пониженной температуры оказывает заметное влияние
на электрические параметры изделий. При одновременном воз-
действии предельно допустимой температуры и электрического
режима электрические параметры изделий могут выйти за
нормы, установленные техническими условиями.
Устойчивость изделий микроэлектроники к воздействию
других климатических факторов в основном определяется
свойствами используемых в технологическом процессе матери-
алов, качеством защитных покрытий и конструкций корпусов.
Большие различия в температурных коэффициентах линейного
расширения материалов корпусов и кристаллов приводят при
многократных изменениях температуры окружающей среды
к появлению трещин в корпусах или даже к раскалыванию крис-
таллов. Повышенная влажность, морской туман (повышенное
содержание в атмосфере растворов солей) способствуют возник-
новению коррозии и разрушению металлических частей корпу-
сов из-за нарушения их герметичности или дефектов защитного
покрытия. Повышенное и пониженное атмосферное давление
может вызвать деформацию или разгерметизацию корпусов.
Так как большинство выпускаемых промышленностью
изделий должны работать в условиях воздействия различных
93
климатических факторов, в процессе их производства проводят-
ся следующие климатические испытания.
Испытания на воздействие повышен-
ной и пониженной температуры проводят
для проверки способности изделий сохранять электрические
параметры при этих условиях в пределах норм, установлен-
ных ТУ.
Испытания на циклические воздей-
ствия температур проводят для определения способ-
ности изделий сохранять электрические параметры и внешний
вид после попеременного воздействия наибольшей и наимень-
шей допустимых температур, указанных в ТУ. При испытаниях
изделия помещают в камеру тепла, доводят температуру до
предельно допустимой, выдерживают определенное время и
переносят в камеру холода, где также выдерживают некоторое
время.
Испытания на влагостойкость проводят
для определения способности изделий выдерживать воздействие
повышенной влажности в течение заданного времени. Испытания
изделий могут проводиться под электрической нагрузкой.
Длительность выдержки изделий в условиях повышенной влаж-
ности определяется техническими условиями и может дости-
гать нескольких суток.
Испытания на воздействие повышен-
ного и пониженного атмосферного дав-
л е н и я проводят для проверки способности изделий сох-
ранять внешний вид и электрические параметры после воздей-
ствия этих факторов. Испытания проводят в барокамере. Элек-
трическую нагрузку подают только при испытаниях на воз-
действие пониженного давления.
Испытания иа воздействие морского
тумана проводят для определения коррозионной стойкости
изделий. При этом используют камеру, в которой создают
условия, имитирующие морской туман, распыляя растворы со-
лей. В таких условиях изделия выдерживают в течение несколь-
ких суток, после чего промывают, сушат, а затем проверяют
их внешний вид и электрические параметры.
Кроме того, к климатическим относятся испытания на воз-
действие инея с последующим оттаиванием, на грибостойкость
и др.
Радиационные испытания проводят для определения ради-
ационной стойкости изделий, для чего их подвергают воздей-
ствию заданной дозы ионизирующего рентгеновского или гам-
ма-излучения, а также потока нейтронов.
94
Контрольные вопросы
1. Что такое вероятность безотказной работы изделий и как ее
определяют по результатам испытаний?
2. Что такое интенсивность отказов и как ее определяют по резуль-
татам испытаний?
3. Для чего проводят различные испытания полупроводниковых
приборов и ИМС?
4. Какие испытания относят к контрольным и как их проводят?
5. Какие испытания на надежность вы знаете?
6. Какие виды испытаний в зависимости от характера воздейству-
ющих факторов вы знаете?
7. Как определяют стойкость полупроводниковых приборов и ИМС
к климатическим и радиационным воздействиям?
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Как уже отмечалось, особенностью производства полупро-
водниковых приборов и ИМС является необходимость оператив-
ного контроля в ходе технологических процессов их режимов,
характеристик и свойств исходных материалов, а также парамет-
ров структур и готовых изделий.
Ввиду несовершенства организации и методики проведения
контроля и испытаний, обусловленных низкой производитель-
ностью труда, возможностью внесения субъективных ошибок,
невысокой информативностью, сложностью ее обработки и ма-
лой оперативностью принятия решений, необходимо полностью
автоматизировать как отдельные виды контроля и испытаний,
так и весь их комплекс. В производстве полупроводниковых
приборов и изделий микроэлектроники используются различ-
ные методы измерений и контрольно-измерительное оборудова-
ние, обладающее разнообразными метрологическими и экс-
плуатационными характеристиками. В настоящее время необ-
ходима все более широкая автоматизация измерений. К сожа-
лению, полной автоматизации поддается пока лишь 70 — 80 %
всех контрольно-измерительных операций, из которых большая
часть приходится на операции контроля изготовленных из-
делий.
Для автоматизации измерений на качественно новой основе
необходимо более широко использовать в средствах измерения
микропроцессорные системы, микроконтроллеры и микроЭВМ.
95
§ 37. АГРЕГАТИВНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Для контроля качества полупроводниковых приборов и
ИМС применяют комплексные измерительные автоматические
системы, называемые также измерительными информацион-
ными системами.
Под измерительной информационной системой понимают совокуп-
ность функционально объединенных измерительных, вычислительных,
а также вспомогательных технических средств, предназначенных для
получения измерительной информации, ее преобразования и обработки
для представления в требуемом виде или автоматического выполнения
логических функций контроля, диагностики, управления технологичес-
ким процессом, распознавания образов (идентификации).
В зависимости от выполняемых функций такие системы
подразделяют на измерительные, автоматического контроля,
технической диагностики и управления технологическим про-
цессом и идентификации.
Наиболее рациональным принципом построения измери-
тельных автоматических систем является принцип агрегатиро-
вания. При этом автоматическая система выполняется как
агрегат, состоящий из независимых конструктивно закончен-
ных функциональных блоков — модулей. В качестве примеров
функциональных блоков можно назвать АЦП и ЦАП, цифро-
вые вольтметры и частотомеры, таймеры, дисплеи и др.
При построении по агрегатному принципу различных систем
используют разные сочетания (комбинации) модулей. Причем
в процессе эксплуатации возможно наращивание системы.
Иногда модули объединяют в группы, называемые крейтами.
Управляют работой систем контроллеры, координирующие и
контролирующие действия отдельных модулей.
Построение агрегатированных систем возможно лишь
при совместимости и сопряжении модулей как между собой,
так и с внешними устройствами отображения информации.
Преимущества принципа агрегатирования наиболее полно прояв-
ляются, если модули состыковываются и объединяются в сис-
тему без конструктивных изменений (доработок). Для этого
необходима унификация устройств сопряжения модулей. Со-
пряжение модулей между собой и с устройствами обработки
информации обеспечивается интерфейсами.
§ 38. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНТЕРФЕЙСАХ
В узком смысле под интерфейсом (англ, interface - сопрягать)
понимают устройство сопряжения, а в широком - совокупность ме-
ханических, электрических и программных средств, позволяющих объе-
динять модули в систему.
В зависимости от назначения интерфейсы можно разделить
на три типа: машинные, системно-модульные и системно-при-
борные.
Машинными являются интерфейсы, предназначенные
для соединения центрального процессора ЭВМ данного типа
с другими ее функциональными блоками, а также для подклю-
чения периферийных устройств, в том числе устройств связи
с объектом. Модификация ЭВМ практически полностью опре-
деляет как электрические и конструктивные характеристики
интерфейса, так и принципы его функционирования.
С и с т е м н о-м одульные интерфейсы пред-
назначены для унификации сопряжения модулей (функциональ-
ных блоков), используемых для работы в измерительной систе-
ме, что и определяет их конструктивные особенности. При этом
модули выполняются с учетом применения определенного ин-
терфейса и, как правило, не рассчитаны на использование в ка-
честве автономных устройств, которые могут работать вне
измерительной системы.
Система о-п риборные интерфейсы пред-
назначены для объединения в систему модулей-приборов, кото-
рые могут работать автономно и обладают большими функцио-
нальными возможностями. Интерфейсы этого типа имеют слож-
ную логику их функционирования и, как правило, отличаются
лишь разъемами.
Кроме того, интерфейсы подразделяют в зависимости от
схемы соединения модулей между собой и с центральным моду-
лем системы (устройством обработки информации).
Каскадную схему используют, когда общий
поток информационных сигналов в каждый данный момент
времени связывает между собой только один объект исследова-
ния, один источник испытательных сигналов и один измери-
тельный прибор.
Радиальную схему используют, когда к централь-
ному модулю (устройству обработки измерительной информа-
ции) необходимо подключить несколько модулей. При этом
модули присоединяются непосредственно (без коммутатора),
поскольку центральный модуль имеет достаточное количество
каналов для обмена данными.
Магистральную схему используют, когда цент-
97
ральный модуль имеет количество каналов меньше требуемого.
При этом отдельные модули связываются с центральным через
общую магистраль с последовательным во времени адресным
обращением. При каждом обращении (опросе) к центральному
модулю подключается только тот модуль, адрес которого вызы-
вается программой.
Возможны также комбинированные схемы соединения
модулей: к а с к а д н о-p адиальная и каскадно-
магистральная.
Электрические цепи обмена информацией между модулями
и внешними устройствами называют линиями интерфейса.
Группы линий, предназначенных для выполнения определенной
функции в программно-управляемом процессе передачи ин-
формации, называют шиной.
Назначение отдельных шин и линий, их перечень и взаим-
ное расположение (топология) играют основную роль при рас-
смотрении работы интерфейса.
В нашей стране согласно ГОСТ 26003-80 используется со-
ответствующий рекомендациям Международной электротехни-
ческой комиссии (МЭК) стандартный интерфейс, разработан-
ный для программируемых и непрограммируемых электрон-
ных измерительных приборов. Этот интерфейс предназначен
для сопряжения модулей и внешних устройств, располагаемых
относительно друг друга на расстоянии до 20 м. Так как он
обеспечивает унификацию конструктивных, электрических и
функциональных характеристик независимо изготовленных
приборов, это создает возможность их сопряжения и построения
измерительной системы. Интерфейс позволяет использовать
в измерительной системе приборы различной сложности, допус-
кает прямой обмен информацией между ними, а также дистан-
ционное и местное управление.
Типовая измерительная информационная система состоит
из объединенных интерфейсом следующих модулей:
устройства восприятия измеряемых величин (в которое
входит множество датчиков и первичных преобразователей),
предназначенного для соединения измерительной системы с
исследуемым объектом;
приборов, предназначенных для измерения электрических
параметров;
микропроцессорной системы, программно-управляющей из-
мерительной процедурой и осуществляющей калибровку изме-
рительных устройств, обработку информации, хранение ее и
представление к виду, удобному для передачи по каналу связи;
дисплея;
регистрирующих устройств.
98
§ 39. СИСТЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
Измерительные приборы, рассчитанные на применение в измеритель-
ной системе, называют системными.
Всем приборам, которые могут работать в измерительной
системе, объединенной интерфейсом, присущи приборные и ин-
терфейсные функции. В таких приборах соответственно можно
выделить две части, одна из которых предназначена для выпол-
нения приборных функций, а другая — интерфейсных.
Первой приборной функцией (основной)
является формирование сигнала измерительной информации,
т. е. информации о значении измеряемой физической величины.
Основная функция включает все слагаемые измерительной про-
цедуры, выполняемой прибором: масштабные преобразования
исследуемого сигнала (усиление, ослабление); воспроизведение
единицы; преобразование исследуемого сигнала к виду, удоб-
ному для сравнения, и сравнение его с единицей; фиксацию
результата сравнения; отображение результата измерения,
запоминание его и статистическую обработку.
Вторая функция характерна только для приборов
с программным управлением и состоит в выполнении програм-
мы, хранимой в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ)
и частично в оперативном (ОЗУ) микропроцессорной системы.
Системные приборы могут иметь дистанционное программное
управление, осуществляемое через интерфейс.
Третья приборная функция (запрос на об-
служивание) предполагает сообщение системы о состоянии
входящих в нее приборов, готовности системы к программному
управлению, началу работы передачи результатов измерений,
наличии повреждений или ошибочных измерениях.
В предназначенную для выполнения интерфейсных функ-
ций часть системных приборов входят устройства сопряжения
приборных и интерфейсных функций, а также устройства сопря-
жения прибора с интерфейсом. На выходе системного прибора
обычно имеется разъем для подключения к стандартному ин-
терфейсу, снабженный надписями с перечнем выполняемых
прибором интерфейсных функций. Системные приборы снаб-
жены интерфейсными картами ИКАР, структура которых зави-
сит от выполняемых данным прибором интерфейсных функций.
В настоящее время ИКАР выполняются на основе специализи-
рованных БИС.
§ 40. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ
Мультиметр (от лат. multum - много) представляет собой уни-
версальный многофункциональный измерительный прибор, предназна-
ченный для измерения нескольких параметров как электрических сиг-
налов, так и активных и пассивных элементов электронных устройств.
Наиболее часто мультиметры измеряют напряжения постоян-
ного и переменного тока, сопротивление резисторов, емкость
конденсаторов, коэффициент усиления схем, частоту и другие
параметры.
Программируемые мультиметры выполняются на основе
управляющих микропроцессоров и состоят из системного при-
бора и дополнительного блока — вычислительного микроконт-
роллера. Микроконтроллер имеет собственный микропроцес-
сор, внутреннюю логическую плату и внешнюю клавиатуру
(как в микрокалькуляторах), с помощью которой осущест-
вляется доступ к управляющему микропроцессору, находяще-
муся внутри системного прибора. В соответствии с командами,
набираемыми на клавиатуре, выполняются операции вычисле-
ния алгебраических (в том числе и логарифмических) и триго-
нометрических функций, а также операции, относящиеся к
чисто программной процедуре (условные переходы, адреса-
ция, редактирование, вывод на дисплей и др.).
Программируемые мультиметры используются в измери-
тельных системах в качестве как ’’говорящих” (передающих),
так и ’’слушающих” (принимающих) устройств.
§ 41. МЕСТО И РОЛЬ ТЕСТОВОГО КОНТРОЛЯ
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БИС
Как указывалось в первой главе, тестовый контроль при
производстве БИС является разновидностью пооперационного
контроля.
Повышение степени интеграции и быстродействия БИС,
что обусловлено уменьшением размеров их элементов (до
субмикронных размеров) и усложнением топологии (переход
от БИС к СБИС), приводят к усложнению технологического
процесса в целом за счет введения дополнительных операций
и увеличения количества слоев в изготовляемых БИС. Соот-
ветственно растет число факторов, определяющих качество и
надежность изделий.
При технологическом процессе производства БИС в резуль-
тате выполнения в определенной последовательности операций
100
формируется топологическая и схемотехническая структура
БИС. В зависимости от типа технологического процесса коли-
чество отдельных операций может быть от 40 до 80. В процес-
се выполнения операции (или группы операций) обеспечивают-
ся геометрические, электрофизические и структурные пара-
метры элементов, определяющие выходные параметры и рабо-
тоспособность БИС.
Необходимость тестового контроля качества формируемых
слоев и элементов БИС объясняется недостаточной информа-
тивностью результатов входного контроля исходных материа-
лов и химических реагентов, а также невозможностью строгого
соблюдения всех условий технологического процесса.
Тестовый контроль является прямым контролем качества выпол-
няемых операций и косвенно характеризует основные условия проведе-
ния технологического процесса, сведения о котором заносятся в сопро-
водительный лист.
Выделяют следующие виды контроля кремниевых подло-
жек в ходе технологического процесса: визуальный контроль
дефектов, в основном при фотолитографиях; электрический
контроль параметров технологических слоев после выпол-
нения соответствующей операции; тестовый электрический
контроль после первой металлизации по тестовым ячейкам,
расположенным в определенных местах на рабочей подложке
или по всей тестовой подложке. Первые два вида контроля
называют межоперационным.
Визуальный контроль дефектов (наб-
людением рельефа поверхности структур под микроскопом,
их увеличенных фотографий и др.) позволяет выявлять раз-
личные систематические и случайные дефекты фотолитографии
(проколы слоя SiO2, царапины, трещины, посторонние вклю-
чения, качество травления и др.), возникающие вследствие
дефектов, имеющихся на фотошаблонах, и низкого качества
выполнения операций фотолитографии. Одновременно при
визуальном контроле определяют размеры элементов и точ-
ность совмещения слоев.
Однако из-за индивидуальных особенностей зрения конт-
роллеров и неоднородности засветки полученные данные обыч-
но имеют субъективный характер. Эффективность визуаль-
ного контроля не превышает 87 %. Поэтому во всех принци-
пиально возможных случаях заменяют визуальный контроль
электрическим. Это уменьшает субъективные ошибки, повы-
шает производительность измерений и позволяет автомати-
зировать контроль.
101
Электрический контроль в основном вклю-
чает измерения параметров диффузионных, имплантирован-
ных и поликристаллических кремниевых слоев, проводимые
после соответствующей операции в одной или нескольких
точках контрольной подложки, сопровождающей рабочие под-
ложки. Данные этого контроля заносят в сопроводительный
лист (толщину слоя SiO2 на разных этапах окисления, поверх-
ностное сопротивление токопроводящих подложек, глубину
залегания р-п-переходов и др.). Контроль осуществляют
вручную.
Сведения, полученные в результате единичных измерений,
распространяют на всю партию подложек, т. е. они являются
статистически необоснованными. Кроме того, в ходе межопе-
рационного контроля, проводимого до нанесения металлиза-
ции, нельзя получить информацию о параметрах готовых эле-
ментов БИС (транзисторах и диодах различной геометрии)
и об отдельных дефектах (обрывах дорожек, проколах в меж-
слойной изоляции), а также о характере распределения пара-
метров элементов, расположенных как на одной подложке,
так и во всей их партии.
Таким образом, по совокупности результатов визуально-
го и электрического контроля в ходе технологического про-
цесса отбраковывают подложки, имеющие дефекты, а также
отклонения параметров технологических слоев, обусловлен-
ные изменением режимов операций.-
Тестовый контроль проводится после нане-
сения первого слоя металлизации. Электрические измерения
тестовых ячеек позволяют определить качество формируе-
мых технологических слоев и параметры элементов БИС (тран-
зисторов и диодов), а если необходимо, и более сложных струк-
тур.
Существуют три варианта тестового контроля: на основе
тестовых ячеек, встроенных в рабочие кристаллы БИС (обычно
на их периферии) и называемых контрольно-технологическими
структурами; на основе тестовых кристаллов, занимающих
определенные места на рабочей подложке БИС и называемых
встроенными тестовыми кристаллами; на основе сопровождаю-
щих технологический процесс тестовых подложек, полностью
занятых тестовыми кристаллами.
При тестовом контроле получают статистическую инфор-
мацию практически обо всех важнейших параметрах слоев и
элементов БИС. Для полного и эффективного использования
возможностей тестового контроля необходима автоматизация
измерений, а также сбора и обработки полученной информации.
102
Тестовый контроль с помощью тестовых ячеек является универ,
сальным и позволяет управлять технологическим процессом и контро-
лировать параметры формируемых элементов БИС.
§ 42. ТЕСТОВЫЕ ЯЧЕЙКИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
ТЕСТОВОГО КОНТРОЛЯ
Для характеристики качества БИС используются понятия
отказов, дефектов, отклонений размеров и т.д. Качество изго-
товленных БИС определяется, главным образом, электрофизи-
ческими свойствами слоев, соблюдением требуемых геометри-
ческих размеров элементов и совершенством топологии и
структуры. Поэтому параметры, измеряемые в ходе тестового
контроля, подразделяют на электрофизические, геометричес-
кие и структурные. В табл. 12 приведены параметры слоев и
элементов БИС, проверяемые при тестовом контроле.
Таблица12. Параметры слоев и элементов БИС,
проверяемые при тестовом контроле
Параметр Диапазон изме- рений Требуемая точность
Электрофизические Поверхностное сопротивление диффузи- онных и ионно-имплантированных облас- тей р& Ом/D 1-20 ± 5 %
Глубина залегания р-и-перехода Хо, мкм 0,3 - 10 0,1 мкм
Концентрация легирующей примеси 10*5 - 2О20 5 %
Начальный ток утечки р-л-перехода 10, мкА 0,01 -0,1 2 %
Ток утечкн при заданном обратном сме- щении 1у, мкА 0,001 -0,1 2 %
Объемная iy у и поверхностная состав- ляющие тока утечки, мкА 0,001 - 0,1 10%
Напряжение пробоя р-л-перехода ^пр> В 30 - 100 5 %
Начальная удельная емкость р-л-перехо- да С°р-п, пФ/мкм2 0,1 - 3 5 %
Удельная емкость обратносмещенного р-л-перехода Ср.п , пФ/мкм2 0,1 - 1 5 %
103
Продолжение табл. 12
Параметр Диапазон изме- рений Требуемая точность
Поверхностное сопротивление поликрис-
таллического кремния р$, Ом/D . . . . Удельная емкость тонкого слоя диок- 20 - 50 5 %
сида кремния С0,Ф/см2 Толщина тонкого слоя диоксида крем- . (3 4-4) • 10” 2 %
ния d, мкм Напряжение пробоя тонкого слоя ди- . 0,08-0,12 5 %
оксида кремния О'Пр, В Плотность начального тока утечки тон* кого слоя диоксида кремния /у0, . 40 - 100 5 %
мкА/см2 Скорость поверхностной рекомбина- . 10” - 10” 10 %
ции S, см/с Подвижность носителей р^р), 102 - 10б -
см2 / (В • с) Удельная емкость межслойного ди> 50 - 200 2 %
лектрика Соо, Ф/см2 Поверхностное сопротивление слоя (0,5 4-1) 10” 10 %
алюминиевой металлизации р$, Ом/D. . . Переходное сопротивление контактов 0,01-0,1 10 %
А1 = л+ (р+), Ом Пороговое напряжение активного МДП- 1 - 100 2 %
транзистора СПОр, В Пороговое напряжение паразитного . ±(0,3 4-5) 1 %
МДП-транзистора £/ПОр, п, В Начальный ток МДП-транзистора 10 1 %
(сток - исток) /0, мкА Напряжение отсечки МДП-транзисто- 0,01 - 1 2%
ра с встроенным каналом Согс, ® ± (0,1 41) 1 %
Геометрические Ширина токопроводящей дорожки
(n+, р+, pSi) Al w rf ( ), мкм Отклонение ширины токопроводящей дорожкн от размеров линии на фото- 1 - 10 5 %
шаблоне Ди’п+(.. мкм 0,01 - 1 ± 0,01 мкм
104
Ж
Продолжение табл. 12
Параметр
Диапазон изме- Требуемая
рений точность
Боковая разгонка диффузии <5Л+ (р+),
мкм................................ 0,3 - 1,5
Несовмещение слоев при фотолитогра-
фии &X(Y), мкм........................ 0,1-1
Расстояние между соседними токопро-
водящими дорожками (л+ - п ,р* - р+,
Al -А1 и т.д.) /л* - г? (. . .), мкм .... 5-20
Длина канала МДП-транзистора £к,
мкм................................ 0,4 - 50
Толщина слоя алюминиевой металли-
зации <7М, мкм..................... 0,01 - 1
Структурные
Плотность дефектов данного типа при
фотолитографии /д, см"2.................. 1
Прогиб подложки Д„р, мкм............... 1-50
Отклонение от плоскосности Дпд, мкм ±70
± 0,1 мкм
± 0,01 мкм
± 0,1 мкм
± 0,05 мкм
5 %
10 %
±1,5 мкм
± 1 мкм
Тестовые ячейки по принципу конструирования подразде-
ляют на элементы физической структуры БИС и функциональ-
ные. Первые представляют собой сочетания слоев и областей
БИС, измерение электрических величин которых (тока, напря-
жения, емкости, сопротивления) позволяет определить их
электрофизические, геометрические и структурные парамет-
ры. Вторые близки по конструкции к элементам реальной
БИС и предназначены для определения параметров, характери-
зующих функционирование отдельных элементов БИС.
В табл. 13 приведены основные тестовые ячейки, исполь-
зуемые для тестового контроля технологического процесса.
Основными проблемами при формировании систем автома-
тизированного тестового контроля являются разработка авто-
матизированного измерительного оборудования (специальных
тесторов, обеспечивающих необходимые измерения с заданной
скоростью, точностью и последующей передачей результатов
в базу данных центральной ЭВМ), создание машинного языка
измерений и подготовка программного обеспечения с после-
дующим анализом технологического процесса.
105
Таблица! 3. Основные тестовые ячейки
Тестовые ячейки
Назначение
Элементы физической структуры БИС
Простые диффузионные резисторы Контроль качества диффузии (ион- ной имплантации) и фотолитогра- фии
Специальные резистивные структу- ры для измерений размерных от- клонений Цепочки контактов (’’змейки”) Контроль качества фотолитографии Контроль качества формирования окон под контакты и контактов
Функциональные элементы БИС
Матрицы биполярных транзисторов Контроль случайных дефектов тех- нологического процесса
Диоды различной геометрии Контроль качества р-л-переходов и изоляции
Цепочки диодов Кольцевой генератор То же Контроль функционирования части БИС
Последовательно соединенные ин- верторы То же
В настоящее время используется автоматизированный ин-
формационно-измерительный комплекс управления технологи-
ческим процессом на базе измерителя параметров тестовых
ячеек Т-4503 и ЭВМ ’’Электроника 100/25”. Этот комплекс
обеспечивает автоматизированные измерения токов (0,01 —
400 мкА с точностью ± 24 %), напряжений (1 мВ — 400 В с
точностью ± 1 %), сопротивлений (от единиц ом до сотен кило-
ом с точностью ± 2 %) и емкостей (1 — 400 пФ с точностью
± 2 %) с последующей статистической обработкой данных и
выводом результатов на дисплей или цифропечать, а также хра-
нением данных на внешних носителях ЭВМ.
Аналогичные автоматизированные комплексы управления
технологическим процессом разрабатываются на основе серий-
но выпускаемого измерителя ”Вахта 1Б”.
Данные автоматизированного контроля передаются заин-
тересованным службам — технологам-разработчикам, техноло-
гическому бюро цеха, ОТК и управленческому аппарату завода.
106
Контрольные вопросы
1. Каковы основные направления совершенствования методов
и систем контроля качества изделий микроэлектроники?
2. Что такое измерительная информационная система?
3. Что такое интерфейс и какие задачи он выполняет?
4. Какие приборы называют системными? Каковы функции, решае-
мые ими?
5. Что такое мультиметры и на основе чего они строятся?
6. Каков состав типовой информационной измерительной системы?
7, Что такое тестовый контроль?
8. Какие виды контроля относятся к межоперационному контролю?
9. Какие варианты тестового контроля вы знаете?
10. Что такое тестовая еячейка?
11. Как подразделяют параметры БИС при тестовом контроле?
12. Каковы основные проблемы создания автоматизированных
систем тестового контроля?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель! Изучив эту книгу, вы ознакомились
с различными методами измерений параметров полупроводни-
ковых приборов и ИМС, а также видами испытаний, которым
они подвергаются в процессе производства.
Теперь вы представляете себе, что параметры изделий мик-
роэлектроники контролируют не только после их изготовления,
но и на всех этапах технологического процесса. Это позволяет
предварительно отбраковывать дефектные структуры, выявлять
причины возникновения брака и корректировать технологи-
ческий процесс.
Технология изготовления полупроводниковых приборов и
ИМС непрерывно усложняется, что приводит к увеличению
количества контролируемых параметров и требует применения
высокопроизводительного автоматизированного измерительно-
го оборудования
Испытания полупроводниковых приборов и ИМС на воздей-
ствие различных внутренних и внешних факторов позволяют
прогнозировать их качество и надежность в реальных условиях
эксплуатации.
Для овладения профессией контролера качества полупро-
водниковых приборов и ИМС вам необходимо постоянно углуб-
лять свои знания, совершенствовать приемы труда, расширять
технический кругозор, знакомясь с новыми книгами и перио-
дическими изданиями, повышать компьютерную грамотность.
В добрый путь!
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Городилин В.М., Г ородилин В.В. Регулировка радио-
аппаратуры. М., 1986.
Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микро-
электроника. М., 1986.
Мирский Г.Я. Электронные измерения. М., 1986.
Моряков О.С. Устройство и наладка оборудования полупро-
водникового производства. М., 1988.
Никулин Н.В., Назаров А.С. Радиоматериалы и радио-
компоненты. М., 1986.
Пер ельман Б.Л., Сидоров Г.Г. Методы испытаний и
оборудование для контроля качества полупроводниковых приборов.
М., 1986.
Тарун Я. Основы технологии СБИС М., 1985.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................... 3
Глава первая. Основные сведения о контроле качества н
и испытаниях полупроводниковых приборов и изделий микро-
электроники ............................................. 5
§ 1. Понятие качества и его оценка...................... 5
§ 2. Виды н методы контроля качества.................... 6
§ 3. Организация контроля качества и испытаний.......... 8
Глава вторая. Технические средства контроля и измерений
§ 4. Основные сведения.................................. 9
§5. Выбор норм контроля электрических параметров..... 10
§6. Выбор режимов и условий измерений................. 12
§ 7. Ошибки оборудования и роль оператора при измере-
ниях .................................................. 13
§ 8. Классификация измерительных приборов и их обоз-
начение ............................................... 15
§ 9. Измерение электрических величин приборами.непо-
средственной оценки 17
§ 10. Измерение электрических величин методом сравнения 21
Глава третья. Контроль и измерение параметров полу-
проводниковых приборов.................................. 24
§11. Параметры полупроводниковых приборов.............. 24
§ 12. Измерение вольт-амперных характеристик полупровод-
никовых приборов....................................... 28
§ 13. Измерение параметров диодов и стабилитронов...... 30
§ 14. Измерение напряжения стабилизации и дифференциаль-
ного сопротивления стабилитронов....................... 31
§15. Измерение общей емкости диодов.................... 32
§ 16. Измерение параметров тиристоров................... 33
§ 17. Измерение обратных токов биполярных транзисторов 36
§ 18. Измерение малосигнального и статического коэффици-
ента передачи тока биполярных транзисторов............. 37
§ 19. Измереиие граничной частоты коэффициента передачи
тока, емкостей коллекторного и эмиттерного переходов
и постоянной времени цепи обратной связи биполярных
транзисторов........................................... 39
§ 20. Измерение коэффициента шума биполярных транзис-
торов.................................................. 41
ПО
§ 21. Измерение напряжения насыщения р-п-первходов,
времени рассасывания и емкостей биполярных тран-
зисторов................................................ 42
§ 22. Измерение параметров полевых транзисторов.......... 43
§ 23. Методы контроля полупроводниковых приборов на
отсутствие обрывов и коротких замыканий................. 46
Глава четвертая. Контроль и измерение параметров циф-
ровых интегральных микросхем............................. 48
§ 24. Статические параметры цифровых ИМС и методы их
измерения............................................... 48
§ 25. Динамические параметры цифровых ИМС и методы их
измерения............................................... 52
§26. Методы линейной калиброванной развертки............ 53
§ 27. Метод прямого счета................................ 56
§28. Метод кольцевого генератора........................ 58
Глава пятая. Контроль и измерение параметров линейных
интегральных микросхем................................... 62
Глава шестая. Обработка результатов измерений.......... 66
§ 29. Оценка погрешностей измерений..................... 66
§ 30. Построение графиков по результатам измерений..... 69
§ 31. Построение гистограмм распределения и интеграль-
ного распределения...................................... 74
Глава седьмая. Испытание полупроводниковых прибо-
ров и интегральных микросхем ............................ 79
§ 32. Основные показатели надежности..................... 79
§33. Категории испытаний................................ 83
§ 34. Контрольные испытания.............................. 84
§ 35. Испытания на надежность............................ 90
§ 36. Виды испытаний..................................... 91
Глава восьмая. Основные направления совершенствова-
ния измерительных систем................................. 95
§ 37. Агрегативный принцип построения измерительных сис-
тем .................................................... 96
§ 38. Основные сведения об интерфейсах................... 96
§39. Системные приборы.................................. 99
§40. Программируемые мультиметры....................... 100
§ 41. Место и роль тестового контроля при изготовлении
БИС.................................................... 100
§ 42. Тестовые ячейки и автоматизация тестового контроля 103
Заключение.................................................. 108
Рекомендуемая литература.................................... 109
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 10
Семенов Юрий Григорьевич
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
Зав. редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл. редактор
А.В. Пожидаев. Художественный редактор В.Г. Пасичник. Художник
П.Б. Борисовский. Технический редактор Л.М. Матюшина. Корректор
Р.К. Косинова. Оператор Н.В. Хазраткулова.
И Б №7873
Изд. № ЭГ-212 Сдано в набор 11.10.89. Подл, в печать 07.12.89.
Формат 84x108 /32. Бум. кн. журн. Гарнитура Пресс-Роман Печать
высокая. Объем 5,88 усл. печ. л. 6,09 усл. кр.-отт. 6,28 уч.-изд. л.
Тираж 25000 экз. Зак. № 849. Пена 15 коп.
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул.,
д. 29/14.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате Госкомпечати СССР •
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.