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».
АКТУ относится к области испытательного оборудования и может быть использована в испытательных лабораториях для исследования способности материалов или изделий выдерживать резкие перепады температур.
До создания АКТУ АО «НИИЭТ» проводил данные испытания вручную, что требовало присутствие инженера-испытателя на протяжении всего цикла испытания. Разработка камеры позволила оптимизировать рабочее время инженера-испытателя.
Аналоги: 1. Камера термоудара с жидким теплоносителем, производства Guangdong Yuanyao Test Equipment Co.,Ltd. (Китай), рассчитанная на диапазон температур от -55°С до +150°С, использующая хладагент сложного состава. Недостатком данного образца является ограниченность диапазона температур из-за выбранного теплоносителя, а также недостаточная скорость перемещения испытуемого изделия.
2. Камера термоудара с жидким теплоносителем, производства ESPEC (Япония), рассчитана на диапазон температур от -70°С до +200°С, использующая хладагент сложного состава. Недостатком данного образца также является ограниченность диапазона температур из-за выбранного теплоносителя.
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»
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
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.