УДК 621.382
ВАК 05.27.06
П. Пармон, А. Панченко, К. Еремченко
№ 5/2022, “ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технологии, Бизнес”
Для достижения высокого качества электронной техники на российской компонентной базе необходимо проведение ряда испытаний ЭКБ. В условиях ограничений, введенных зарубежными странами, у отечественных производителей и испытательных лабораторий возникают сложности с доступом к импортному оборудованию для такого рода испытаний, его поддержке и обслуживанию. Поэтому вопрос создания российских испытательных установок приобретает особую актуальность.
В статье рассматривается проект по созданию автоматической камеры для испытаний полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на тепловой удар, выполняемый АО «НИИЭТ». Ожидается, что разрабатываемая установка будет обладать не только конкурентоспособными техническими характеристиками, но и более низкой ценой и общей стоимостью владения, чем зарубежные аналоги. Предприятие уже принимает предварительные заказы на приобретение новой камеры.
В современных условиях качество и надежность выпускаемой продукции являются ключевыми факторами успешности производителей электронной техники, и это касается не только электроники для таких областей, как оборонная, космическая техника, системы управления атомных электростанций и т. п., где роль надежности всегда была очевидна. Электроника сегодня применяется практически повсеместно и всё чаще берет на себя решение задач, от которых зависит безопасность людей и функционирование значимых для нормальной жизни общества систем. Поэтому качество и надежность оказываются критически важны и во многих секторах массового гражданского рынка.
Важнейшую роль в обеспечении качества и надежности играют испытания электронных компонентов – как опытных образцов при создании новой ЭКБ, так и в ходе серийного производства. Таким образом, учитывая рост сложности компонентной базы, разработка и производство новой электронной техники невозможны без опережающего развития метрологического обеспечения и создания испытательного оборудования, соответствующего современным требованиям и доступного для широкого круга отраслевых предприятий и испытательных лабораторий.
Предыстория разработки
АО «НИИЭТ», специализирующееся в первую очередь на разработке и производстве ЭКБ, такой как интегральные схемы и силовые и СВЧ-транзисторы, обладает 40 летним опытом проведения испытаний электронных компонентов. Предприятием разрабатывалось оборудование и оснастка для определенных видов испытаний. Недавно в АО «НИИЭТ» был создан стенд, предназначенный для термоэлектротренировки транзисторов ответственного применения. В конце мая 2021 года данная установка прошла метрологическую экспертизу и аттестацию, а спустя месяц была успешно введена в эксплуатацию на предприятии.
Учитывая положительный опыт работы с новым стендом, было принято решение создать второй экземпляр для увеличения испытательных мощностей, а впоследствии, основываясь на полученном опыте, разработать стенд электротермотренировки ЭКБ, который мог бы применяться и другими предприятиями отрасли для испытаний полупроводниковых приборов. В октябре 2021 года предприятие подало заявку на проведение НИОКР по разработке оборудования в соответствии с постановлением Правительства РФ от 16 декабря 2020 года № 2136, которая была удовлетворена.
В рамках НИОКР планируется разработка линейки оборудования, в состав которой должны войти стенды, позволяющие проводить испытания одновременно 30, 50 и 70 образцов в статических и динамических режимах. Предприятию совместно с партнерами удалось успешно решить проблемы с поставкой комплектующих, вызванные ограничениями, введенными западными странами, и в настоящее время ведутся активные работы по созданию первого опытного образца стенда.
Также в 2021 году была удовлетворена заявка АО «НИИЭТ» на проведение НИОКР по разработке автоматической камеры теплового удара «АКТУ 001». Данная установка позволит проводить испытания интегральных схем и полупроводниковых приборов на воздействие резкого изменения температуры окружающей среды, в том числе в соответствии с методом 205 3 по ГОСТ РВ 5962 004.2 2012. Уже сейчас АО «НИИЭТ» принимает предварительные заказы от предприятий на приобретение камеры «АКТУ 001».
На данный момент утверждены все технические решения, завершается оформление заявки на регистрацию патента, и ведется сборка опытного образца (рис. 1).
Преимущества камеры теплового удара «АКТУ-001»
Отличительной особенностью разрабатываемой установки является применение в качестве охлаждающей жидкости спирта или жидкого азота. С одной стороны, жидкий азот позволяет проводить испытания при температуре –196 °C, что делает данную установку уникальной: большинство представленных на рынке камер могут обеспечивать температуру лишь до –60 °C. С другой стороны, если такие низкие температуры не требуются, для охлаждения может применяться спирт, что выгодно отличает это оборудование от зарубежных аналогов. Поскольку спирт дешевле специализированных жидкостей, которые используются в импортном оборудовании, стоимость владения новой установки будет существенно ниже.
Кроме того, разрабатываемая камера, согласно проведенным технико-экономическим расчетам, будет обладать примерно на 14% меньшей ценой, чем представленное на российском рынке оборудование соответствующего назначения, и при этом превосходить аналогичное оборудование по техническим и эксплуатационным параметрам.
Возможность применения различных охлаждающих жидкостей в камере холода в сочетании с другими техническими решениями определяет еще одно преимущество разрабатываемой установки – ее универсальность. Она позволит проводить испытания интегральных микросхем и полупроводниковых приборов с широким спектром применения.
В текущей ситуации важным фактором является импортонезависимость проекта. Комплектующие, используемые в разрабатываемой камере, обладают широкой доступностью и имеют многочисленные аналоги. Страны происхождения комплектующих – Россия, а также частично Беларусь и Китай. При разработке установки применяется российская САПР. Производство камеры «АКТУ 001» организуется полностью на мощностях АО «НИИЭТ» в г. Воронеж.
Исследование российского рынка подобного оборудования показало, что отечественных аналогов камеры «АКТУ 001» в настоящее время не существует. По данным, приведенным в отчете Discovery Research Group «Анализ рынка климатических камер для проведения испытаний в России», опубликованном в августе 2019 года, в Россию в 2018 году было импортировано 808 климатических камер, при этом наибольший объем импорта пришелся на камеры тепла и холода, который составил 38,5% в натуральном выражении. Больше всего климатических камер было импортировано из Японии. Учитывая, что камера «АКТУ-001» благодаря своей универсальности будет способна перекрыть бóльшую часть спектра задач испытаний на тепловой удар в области разработки и производства ЭКБ различного назначения, она сможет заместить зарубежное оборудование, доступность которого на отечественном рынке ограничена или отсутствует.
Преимущества камеры «АКТУ-001» нашли подтверждение со стороны рынка: два крупных отечественных предприятия отрасли уже выразили желание приобрести данную установку.
Состав и принцип работы камеры «АКТУ 001»
Схема и 3D модель установки «АКТУ 001» приведены на рис. 2 и 3 соответственно. В основе ее конструкции – камеры тепла и холода, представляющие собой термоизолированные рабочие объемы, выполненные из нержавеющей стали и заполненные жидкостной средой с заданной температурой.
В камере тепла в качестве жидкости-теплоносителя используется глицерин. Поддержание заданной температуры жидкости осуществляется нагревательным элементом, управляемым электронным блоком управления (ЭБУ).
Камера холода имеет двойные стенки, а жидкостной средой в ней является спирт (при испытаниях в диапазоне температур от 0 до –60 °C) или азот (при испытаниях при температуре –196 °C). При использовании спирта охлаждение осуществляется также с помощью жидкого азота, однако он подается не непосредственно в камеру холода, а в межстеночное пространство. Его подачей управляет ЭБУ с помощью насоса, расположенного в сосуде Дьюара, и клапана подачи азота, исключающего перелив. Таким образом поддерживается необходимая температура теплоносителя в камере.
В режиме испытаний при температуре –196 °C подача азота регулируется резистивным датчиком уровня.
Для контроля температур в камерах установлены рабочие термопары Т типа.
Для создания теплового удара испытуемое изделие перемещается из одной камеры в другую. Для перемещения изделия между камерами служит горизонтальный рельс с расположенной на нем кареткой. Каретка приводится в движение шаговым двигателем. Когда каретка находится над нужной камерой, изделие в корзине опускается на вертикальном рельсе также с помощью электропривода. Перемещение корзины с изделием выполняется автоматически под управлением ЭБУ.
Помимо приведенных выше функций, ЭБУ обеспечивает защиту от нештатных ситуаций при выходе из строя термопар или какого-либо клапана. На передней панели ЭБУ располагается жидкокристаллический дисплей, предназначенный для отображения вводимых параметров и контроля за режимами испытания.
Также в состав установки входят вентиляционный короб для отвода паров рабочих жидкостей в процессе испытаний и защитный кожух из прозрачного органического стекла, обеспечивающий защиту оператора от возможных брызг рабочих жидкостей.
Технические характеристики установки
Требования к техническим характеристикам автоматической камеры для проведения испытаний на воздействие теплового удара «АКТУ 001» приведены в табл. 1.
Таблица 1. Требования к техническим характеристикам камеры «АКТУ 001»
| Наименование параметра | Значение |
| Диапазон воспроизводимой температуры в ванне тепла1, °C | 30…200 |
| Диапазон воспроизводимой температуры в ванне холода1, °C | –60…0, –196 |
| Габариты рабочего объема ванны холода2, Ш × В × Г, мм | 120 × 120 × 120 |
| Габариты рабочего объема ванны тепла2, Ш × В × Г, мм | 120 × 120 × 146 |
| Габариты камеры2, Ш × В × Г, мм | 1 200 × 1 800 × 750 |
| Масса камеры, не более, кг | 60 |
| Максимальный вес испытуемых изделий, не более, г | 650 |
| Напряжение питания, В | 230 ± 10% |
| Частота сети питания, Гц | 50 ± 0,2 |
| Количество фаз сети питания | 1 |
| Потребляемая мощность, не более, кВт | 2,5 |
| Время достижения максимальной (минимальной) температуры1, 3, не более, мин | 30 |
| Время перехода корзины с испытуемыми образцами между ваннами, не более, с | 10 |
2 Справочно.
3 Время нагрева (охлаждения), необходимое для достижения температуры в точке, где установлен датчик температуры камеры. Время нагрева (охлаждения) определяется по показаниям измерительной системы температуры камеры.
Технические характеристики разрабатываемой камеры позволят использовать ее для проведения испытаний ЭКБ по методу 205-3 согласно ГОСТ РВ 5962 004.2 2012, а также для испытаний на воздействие теплового удара полупроводниковых приборов и других электронных компонентов, предназначенных для гражданского сектора экономики, в том числе для применения в системах управления воздушным движением, медицинской, сельскохозяйственной, железнодорожной технике, автоэлектронике, аппаратуре для атомной промышленности, в информационных и телекоммуникационных системах и пр.
Заключение
Работа над проектом автоматической камеры для проведения испытаний на воздействие теплового удара «АКТУ 001» ведется в графике, и уже сейчас можно подать предварительную заявку на приобретение данной установки. Хотя описанная в статье разработка обладает экспортным потенциалом, АО «НИИЭТ» в первую очередь делает ставку на отечественный рынок. Это позволит обеспечить российские испытательные лаборатории и предприятия высококачественным и доступным по цене оборудованием для испытаний ЭКБ на тепловой удар, что окажет значимое содействие повышению качества и конкурентоспособности отечественной электронной аппаратуры. ●
Пармон П. , Панченко А., Еремченко К. Установка для испытаний на тепловой удар «АКТУ-001» // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2022. № 5 (00216). С. 78–82.