Рубрика: Надежность и испытания
УДК 658.56:621.382
ВАК 2.2.8
П. Пармон, А. Панченко, К. Еремченко
№ 8/2022, “ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технологии, Бизнес”
В статье описывается проект по созданию линейки стендов «СИТ» для термоэлектротренировки и испытаний на сохранение работоспособности ЭКБ при воздействии повышенных температур и при собственном перегреве при предельных режимах электрической нагрузки. Данный проект выполняется АО «НИИЭТ» на основе опыта, приобретенного при создании стендов для испытания и термоэлектротренировки собственной продукции предприятия, и направлен на то, чтобы предоставить отечественным предприятиям и испытательным лабораториям доступное по цене и обладающее высокими техническими характеристиками испытательное оборудование российского производства.
С испытательным оборудованием АО «НИИЭТ» можно будет познакомиться на выставке Testing & Control, которая пройдет 25–27 октября 2022 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо». На выставке также будет проходить акция: можно будет подать заявку на приобретение установки для испытаний на тепловой удар «АКТУ-001» по специальной цене.
Предыстория и текущее состояние разработки
Надежность является одним из ключевых требований к современной электронной аппаратуре различного назначения, включая ряд гражданских направлений. Расширяется спектр сфер, где электронике всё в большей мере отводится роль обеспечения безопасности людей и функционирования критических для жизни общества систем. Во многих таких сферах применения от электронной аппаратуры требуется сохранение работоспособности в достаточно жестких условиях внешних воздействий, в частности в широком диапазоне температур. Примерами могут служить автомобильная электроника, располагаемая в подкапотном пространстве; оборудование базовых станций сотовой связи, устройства мониторинга состояния авто- и железнодорожной инфраструктуры, трубопроводов, ЛЭП и другая аппаратура уличного исполнения, которая может устанавливаться в различных климатических зонах; электронное оборудование, применяемое в буровых установках, и др.
Таким образом, сегодня высока и продолжает расти потребность в испытаниях современной ЭКБ на предмет сохранения работоспособности при воздействии повышенных и пониженных температур. Проведение испытаний на устойчивость к высоким температурам особенно актуально с учетом распространения электронных компонентов, которые при работе сами выделяют значительную мощность в виде тепла, например силовых компонентов, управляющих электроприводами; элементов источников питания; СВЧ-компонентов, применяемых в схемах преобразования и передачи СВЧ-сигналов и т. п.
Учитывая эту потребность, в 2021 году в АО «НИИЭТ» было принято решение о разработке стендов «СИТ» для термоэлектротренировки и испытаний полупроводниковых приборов, в частности транзисторов, диодов, линейных стабилизаторов и иных изделий в различном корпусном исполнении, на работоспособность в условиях повышенных температур и собственного перегрева при предельной электрической нагрузке.
Данная разработка базируется на значительном опыте организации как в создании мощных полупроводниковых приборов и проведении их испытаний, так и в разработке испытательного оборудования.
Разработка и организация производства мощных кремниевых ВЧ- и СВЧ-транзисторов, в том числе изготовления кристаллов, сборки приборов, а также проведения полного комплекса измерений и испытаний, являются одним из основных направлений деятельности АО «НИИЭТ». Предприятием в общей сложности выполнено более 100 НИР и ОКР по разработке мощных транзисторов диапазонов ВЧ и СВЧ, включая:
• мощные генераторные ВЧ- и СВЧ-транзисторы по биполярной, DMOS- и LDMOS-технологиям;
• импульсные мощные биполярные и LDMOS СВЧ-транзисторы;
• линейные и суперлинейные биполярные и LDMOS ВЧ- и СВЧ-транзисторы;
• мощные GaN СВЧ-транзисторы.
По результатам выполненных работ в производстве освоено свыше 130 типов транзисторов; в настоящее время АО «НИИЭТ» выпускает свыше 60 типов транзисторов собственной разработки, производство остальных типов освоено другими предприятиями.
К разработке мощных нитрид-галлиевых СВЧ-транзисторов специалисты АО «НИИЭТ» приступили в 2013 году. В период с 2016 по 2017 годы было разработано и освоено в производстве шесть типономиналов GaN-транзисторов категории качества «ОТК» (ПП9136А, ПП9137А, ПП9138А, ПП9138Б, ПП9139А1, ПП9139Б1). Линейка приборов данного вида разработки АО «НИИЭТ» продолжает расширяться. Так, недавно она пополнилась компактным мощным СВЧ-транзистором на основе нитрида галлия для диапазона 6–6,4 ГГц ПП9170Е.
Помимо мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов, АО «НИИЭТ» разрабатывает и выпускает другие полупроводниковые компоненты, требующие испытаний на работоспособность в условиях повышенных температур внешней среды и собственного перегрева, включая микроконтроллеры, ИС источников вторичного питания и силовые транзисторы.
Для проведения термоэлектротренировки транзисторов ответственного применения в рамках собственного производства в АО «НИИЭТ» был создан испытательный стенд, который в конце мая 2021 года прошел метрологическую экспертизу и аттестацию, а спустя месяц был успешно введен в эксплуатацию на предприятии. Затем был создан второй экземпляр стенда с целью увеличения испытательных мощностей, а в октябре 2021 года предприятие подало заявку на проведение НИОКР в соответствии с постановлением Правительства РФ от 16 декабря 2020 года № 2136 по разработке линейки стендов «СИТ», которые могли бы применяться другими предприятиями отрасли. После того, как данная заявка была удовлетворена, предприятие приступило к выполнению проекта.
На данный момент в АО «НИИЭТ» собраны опытные образцы стендов «СИТ С30» (рис. 1), разработана технология задания и контроля температуры испытуемых образцов ЭКБ, организуется производство стендов, которое будет полностью размещено на собственной производственной площадке предприятия.
Свою заинтересованность в приобретении стендов «СИТ» уже подтвердили четыре предприятия отрасли.
Состав линейки и преимущества разрабатываемого оборудования
В рамках проекта разрабатывается линейка испытательных стендов, которая включает шесть моделей, отличающихся по режиму электрической нагрузки (статические и динамические) и количеству одновременно проходящих испытания приборов (30, 50 и 70 шт.). Состав данной линейки приведен в табл. 1.
Таблица 1. Состав разрабатываемой линейки стендов испытаний ЭКБ на надежность «СИТ»
| Наименование оборудования | Режим электрической нагрузки | Количество одновременно испытываемых изделий ЭКБ, шт. |
| «СИТ С30» | 30 | |
| «СИТ С50» | Статический | 50 |
| «СИТ С70» | 70 | |
| «СИТ Д30» | 30 | |
| «СИТ Д50» | Динамический | 50 |
| «СИТ Д70» | 70 |
Режимы электрической нагрузки включают задание и контроль напряжений и токов. При этом статический режим характеризуется постоянными значениями напряжения и тока, а в динамическом режиме напряжение и ток подаются в виде импульсов с регулируемой длительностью и скважностью с возможностью модуляции импульса заданной частотой.
Основным преимуществом разрабатываемых стендов является то, что они обеспечивают высокое качество испытаний, которое достигается благодаря контактному методу термостатирования с помощью теплоотводящих пластин с жидкостным теплообменом. Теплоотводящие пластины контактируют с верхней поверхностью корпуса компонента, и излишнее тепло отводится посредством теплоносителя (хладагента), циркулирующего во внутреннем контуре. Поскольку испытаниям могут подвергаться не только компоненты с высокой рассеиваемой мощностью, требующие охлаждения при большой нагрузке, но и приборы, которые при работе выделяют сравнительно малую мощность и которые необходимо дополнительно нагревать для обеспечения теплового режима испытаний, в стендах предусматривается использование нагревателей теплоносителя. При этом нагрев испытываемого прибора осуществляется с помощью тех же теплоотводящих пластин.
Еще одно преимущество заключается в том, что, в отличие от стандартных стендов для термоэлектротренировки ЭКБ, стенды «СИТ» обеспечивают контроль температуры каждого изделия в отдельности.
Кроме того, разрабатываемые стенды обладают высокой универсальностью: они предусматривают возможность проведения испытаний изделий в различных корпусах за счет применения сменной оснастки. Оборудование позволит проводить испытания не только дискретных силовых компонентов, но и сборок, модулей и микросхем, таких как, например, усилители.
Также немаловажным фактором является стоимость оборудования. Ожидается, что у разрабатываемых стендов она будет существенно ниже, чем у импортных аналогов, представленных на рынке. Основанием для такого предположения является, в частности, то, что первый стенд, разработанный для собственных нужд, обошелся предприятию более чем в два раза дешевле, чем если бы такое оборудование было приобретено у зарубежного производителя, а при увеличении объемов производства себестоимость с большой вероятностью удастся снизить дополнительно.
В сравнении с наиболее близким отечественным аналогом расчетная стоимость стенда «СИТ С30» также оказывается ниже, а аналогов стендов других моделей «СИТ», как показало исследование рынка, в России не выпускается.
Устройство и технические характеристики стендов «СИТ»
Стенды включают в себя следующие основные составные части:
- Стойка для размещения оборудования стенда вместимостью 42U со съемными боковыми стенками и дверью, расположенной с задней стороны. Стойка снабжается системой принудительной вытяжной вентиляции для организации отвода тепла от источников питания.
- Блок загрузки, предназначенный для установки испытываемых изделий ЭКБ, их подключения к цепям питания и обеспечения теплового режима. Контактные устройства блока загрузки формируют надежный тепловой и электрический контакт испытываемых изделий с теплоотводящей пластиной и цепями источников питания соответственно. При этом обеспечивается защита изделий в контактных устройствах от электростатического разряда. Также блок загрузки оснащается подвижным кожухом для защиты от несанкционированного доступа к испытуемым изделиям с возможностью опломбирования.
- Блок термостатирования, обеспечивающий поддержание заданной температуры теплоотводящих пластин блока загрузки с использованием жидкостного теплообмена. Блок оснащается устройствами защиты, блокировки и сигнализации, запрещающими работу стенда при отсутствии внешнего охлаждения, отсутствии циркуляции теплоносителя (хладагента) внутреннего контура, нагреве теплоносителя (хладагента) выше 105 °C, снижении уровня теплоносителя (хладагента) в резервуаре ниже допустимого предела, превышении допустимого рабочего тока электродвигателя циркуляционного насоса, выходе параметров электрической сети за допустимые пределы, превышении давления во внутреннем контуре.
- Контроллеры температуры, выполняющие управление температурой теплоотводящих пластин блока загрузки.
- Блок управляющих источников питания (для статических стендов «СИТ Сxx») или блок программируемого генератора (для динамических стендов «СИТ Дxx»), предназначенные для задания параметров электрической нагрузки.
- Блок силовых источников питания, формирующих напряжения питания испытываемых изделий ЭКБ.
Стенды оборудуются колесами для перемещения и регулируемыми по высоте опорными ножками. Основные органы управления и индикаторы режимов располагаются на передней стороне стендов. Также стенды снабжаются аварийной светозвуковой сигнализацией.
Технические характеристики разрабатываемых стендов «СИТ» приведены в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики стендов «СИТ»
| Характеристика | Значение | |||
| «СИТ С30», «СИТ Д30» | «СИТ С50», «СИТ Д50» | «СИТ С70», «СИТ Д70» | ||
| Габариты стойки1, Ш × В × Г, мм | 600 × 2 100 × 1 000 | |||
| Масса в сборе1, кг | 500 | |||
| Напряжение питания, В | 220 | |||
| Частота сети питания, Гц | 50 | |||
| Максимальная потребляемая мощность1, кВт | 10 | 20 | 30 | |
| Питание испытываемых изделий | Рабочий диапазон напряжений, В | 5 … 60 | ||
| Нестабильность напряжения при изменении тока от 0 до 12,5 А, не более | ±2% | |||
| Нестабильность напряжения при изменении напряжения сети на ±10%, не более | ±2% | |||
| Амплитуда пульсаций напряжения, не более | ±2% | |||
| Погрешность измерения напряжения источниками питания, не более | ±2% | |||
| Погрешность измерения тока источниками питания, не более | ±2% | |||
| Порог срабатывания защиты от перегрузки по току при превышении заданного значения защиты, не более | 5% | |||
| Статический режим электрической нагрузки2 | Количество независимых управляющих источников, шт. | 30 | 50 | 70 |
| Диапазон регулировки напряжения, В | –15 … 0 | |||
| Максимальный выходной ток, не менее, мА | 500 | |||
| Динамический режим электрической нагрузки3 | Длительность импульса, мкс | 1 … 500 | ||
| Амплитуда импульса, В | –15 … 0 | |||
| Коэффициент заполнения | 1 … 99% | |||
| Тип модуляции | Частотная | |||
| Термостатирование | Тип охлаждения | Жидкостное | ||
| Тип нагрева | Непосредственный | |||
| Хладагент | Пропиленгликоль или аналог | |||
| Диапазон воспроизводимой температуры теплоотводящих пластин, °C | 35 … 95 | |||
| Шаг задания температуры, °C | 1 | |||
| Время достижения предельного значения воспроизводимой температуры и установления теплового режима, не более, мин | 90 | |||
| Отклонение воспроизводимой температуры теплоотводящих пластин от заданного значения, не более, °C | ±3 | |||
| Превышение температуры относительно заданного значения, при котором происходит срабатывание тепловой защиты, °C | 5 | |||
| Отводимая тепловая мощность при температуре теплоотводящих пластин 95 °C, не менее, Вт | 100 | |||
| Блок загрузки | Количество контактных устройств для изделий, шт. | 30 | 50 | 70 |
| Максимальный ток контактов, А | 15 | |||
| Ресурс механизмов прижима контактных устройств, не менее, циклов открытия / закрытия | 104 |
1 Справочно.
2 Только для стендов «СИТ Сxx».
3 Только для стендов «СИТ Дxx».
Заключение
Работа над проектом испытательных стендов «СИТ» ведется в графике. АО «НИИЭТ» начало принимать предварительные заявки на приобретение данного оборудования.
Опытные образцы стендов «СИТ С30» уже показали возможность достижения высокого качества испытаний с помощью подходов, на которых основано разрабатываемое оборудование, а сравнительно невысокая стоимость изделий позволит отечественным испытательным лабораториям, потребителям и производителям ЭКБ укомплектовать свои испытательные площадки качественными стендами российского производства и расширить свои возможности в области испытаний и термоэлектротренировки электронных компонентов.
Познакомиться с испытательным оборудованием АО «НИИЭТ», а также поучаствовать в акции по заказу установки для испытаний на тепловой удар «АКТУ-001» по специальной цене можно будет на стенде предприятия на выставке Testing & Control, которая состоится 25–27 октября 2022 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо».