Комплекс методических, аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость

С огласно результатам исследований [1, 2], адекватная оценка показателей радиационной стойкости современных монолитных СВЧ интегральных схем (ИС) требует контроля всего набора информативных параметров ИС в процессе испытаний. Оперативный и состоятельный, с метрологической точки зрения, контроль информативных параметров СВЧ ИС обеспечивается комплексом средств, включающих в себя методики исследований, автоматизированный СВЧ аппаратно-программный измерительный комплекс (АПИК), специальную СВЧ измерительную оснастку, приспособленных для совместного применения с радиационными моделирующими установками и имитаторами.

Структурная схема АПИК показана на рис. 1 и включает в себя анализаторы цепей и сигналов с функциями измерения амплитудного и фазового шумов, аналоговые, векторные и функциональные генераторы, измеритель мощности, осциллографы, мультиметр и источники питания, объединенных в сеть стандарта GPIB (General Purpose Interface Bus) под управлением ПК.

АПИК

АПИК позволяет проводить контроль и измерение параметров полного набора СВЧ электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в состав приемопередающих трактов частотного диапазона до 26 ГГц: малошумящих усилителей и усилите- лей мощности, смесителей, синтезаторов частот, генераторов, управляемых напряжением (ГУН), и систем ФАПЧ, аттенюаторов и фазовращателей, фильтров, делителей частоты и мощности, модуляторов, демодуляторов и др. Частотные диапазоны измеряемых параметров показаны на рис. 2.

Управление АПИК осуществляется посредством единого интерфейсного программного обеспечения (ПО) на ПК, а процесс контроля параметров ЭРИ разбивается на несколько этапов.

• 1    В соответствии с разработанной программой-методикой исследований инженер-испытатель выбирает тип ЭРИ, вводит предполагаемые значения основных параметров исследуемой ИС (напряжение питания, максимальный

  

  Рис. 1. Структура аппаратно-программного измерительного комплекса

  
  
  
  

  – доцент НИЯУ «МИФИ»; ² – профессор НИЯУ «МИФИ», ген. директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;

  – профессор НИЯУ «МИФИ», ген. директор ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» ⁴ – аспирант НИЯУ «МИФИ».

Параметры

Уровень мощности

Уровень гармоник Фазовый шум Коэффициент шума

Интермодуляционные искажения Линейность амплитудной характеристики Коэффициент усиления Развязка КСВН

Комплексная матрица S-параметров

О 2 4 6 8   10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Частотный диапазон, ГГц

Рис. 2. Система измеряемых параметров СВЧ ЭРИ в частотном диапазоне ток потребления, максимальная входная мощность и т.п.), выбирает параметры для контроля и нормы на них.

• 2    Интерфейсное ПО формирует перечень необходимых измерительных приборов, рассчитывает их оптимальные настройки и выводит рекомендации по конфигурации СВЧ измерительного тракта. При необходимости в автоматизированном режиме проводится калибровка оборудования.

• 3    В соответствии с выбранной конфигурацией инженер-испытатель собирает СВЧ измерительный тракт и подключает исследуемый объект.

• 4    Под управлением интерфейсного ПО проводится настройка измерительного оборудования и запускается процесс измерений по заранее запрограммированному сценарию, индивидуальному для каждого типа ЭРИ, по окончанию которого проводится считывание результатов из памяти приборов. В случае неправильной сборки измерительного тракта или выхода контролируемого параметра за установленные нормы (например, превышение тока потребления) процесс измерений автоматически прерывается, схема обесточивается, на экран выводится предупреждение. Если такой режим является допустимым, пользователь может разрешить продолжение процесса измерений.

• 5    После окончания цикла измерений средствами интерфейсного ПО про-

• исходит предварительная обработка результатов с выводом их в графическом и табличном виде. Для оперативной оценки полученных результатов предусмотрены инструменты работы с данными (функции маркеров и проч.), а также сохранения и восстановления настроек, результатов измерений.

Проведение процессов настойки оборудования, измерений, сбора и обработки информации в автоматизированном режиме существенно (в разы) сокращает время контроля информативных параметров СВЧ ИС во время исследований и минимизирует риск ошибки. Например, для измерения полного набора параметров генераторов, управляемых напряжением, обеспечен десятикратный выигрыш во времени [3], что особенно важно при радиационных испытаниях с контролем параметров-критериев за время, ограниченное процессами отжига.

Обеспечение совместной синхронной работы АПИК с лабораторными имитаторами является важным элементом комплекса, поскольку позволяет проводить радиационные исследования и испытания в автоматизированном режиме, когда управление имитатором (переключение режимов, включение/ выключение излучения) полностью передается интерфейсному ПО АПИК.

Исследования параметров СВЧ ЭРИ в диапазоне температур от –60 до

+150° C, в том числе совместно с лабораторными источниками радиационного воздействия, проводятся с использованием лабораторных стендов задания температуры СЗТ-0201 и СЗТ-0401, разработанные ОАО «ЭНПО « СПЭЛС» [4]. Их компактные размеры и конструктивное исполнение допускают размещение в непосредственной близости с измерительным оборудованием и использование обычных измерительных кабельных сборок минимальной длины, что повышает точность и достоверность результатов.

СВЧ измерительная оснастка

Подключение исследуемого образца к коаксиальному СВЧ измерительному тракту требует применения специальных измерительных оснасток (ИО), обеспечивающих измерение и контроль параметров исследуемого ЭРИ в широкой полосе частот. Обычно такие оснастки изготавливаются на основе печатных плат, в качестве диэлектрического материала которых используют поликор, Rogers, Arlon, Taconic и другие материалы, охарактеризованные производителем до 10…18 ГГц.

СВЧ ИО делятся на универсальные и специализированные. Первые состоят из двух частей: универсального металлического основания с коакси-

а

б

Рис. 3. Внешний вид универсальной ИО (а) и кассета со специализированными ИО (б)

ально-микрополосковыми переходами (КМП) и плат-вставок с установленными образцами, как показано на рис. 3а . Использование универсальных ИО существенно снижает трудозатраты на сборку оснастки и повышает точность и воспроизводимость результатов за счет использования качественных СВЧ КМП с большим сроком службы. К недостаткам универсальных ИО можно отнести большую стоимость и сроки изготовления, а также значительные габаритные размеры, усложняющие одновременное облучение нескольких образцов при испытаниях. В этой связи при радиационных испытаниях зачастую применяются специализированные ИО небольшого размера, позволяющие одновременное облучение нескольких образцов посредством сборки 2…4 оснасток в одну кассету, как показано на рис. 3б .

В условиях роста числа российских СВЧ дизайн-центров, ориентированных на разработку и выпуск радиационно-стойкой аппаратуры военного и космического назначения, актуальной становится задача оценки уровней стойкости СВЧ ИС на ранних этапах проектирования для отработки схемотехнических, топологических и конструктивных способов повышения радиационной стойкости, что зачастую подразумевает испытания некорпусирован-ных образцов (кристаллов). В этом случае широко распространенными методами исследований являются использование зондовых станций или разварка кристаллов в ИО. Использо- вание зондовых станций в условиях радиационного эксперимента сопряжено с большим числом технических трудностей и целесообразно только при радиационной разбраковке полупроводниковых пластин до этапа резки кристаллов. В остальных случаях предпочтительнее разварка кристаллов проволочками в стандартные корпуса либо на специально подготовленные печатные платы.

Внешний вид кристалла в корпусе показан на рис. 4а . Корпус с разваренным кристаллом стандартным образом устанавливается на печатную плату ИО. Исследования серийных отечественных корпусов показали, что некоторые корпуса могут использоваться в диапазоне частот до 5 ГГц и выше [5], в то время как зарубежные корпуса, например типа QFN, успешно используются до К-диапазона [6]. Особо остро ощущается отсутствие отечественных серийных многовыводных корпусов (более 14 выводов) для смешанных СВЧ ИС с цифровым управлением.

В условиях недоступности корпусов, удовлетворяющих требованиям по диапазону рабочих частот, конфигурации и числу выводов, возможна разварка непосредственно в ИО. При этом кристалл устанавливается на поверхность или в углубление на печатной плате, а его контактные площадки развариваются проволочками на печатные проводники, как показано на рис. 4б .

Отказ от использования корпуса экономит место на печатной плате, практически снимает ограничение на ко-

аб

Рис. 4. Внешний вид разварки кристалла в корпус типа QFN (а) и на печатную плату (б)

а

Рис. 5. Внешний вид специализированной ИО (а) и частотные зависимости S21 (б) транзистора ATF-36077 в режиме усилителя.

личество контактных площадок (выводов), а также позволяет значительно уменьшить количество паразитных элементов и длину разварочных проволочек, паразитная индуктивность которых может приводить к деградации характеристик и нарушению условий устойчивости исследуемых СВЧ ЭРИ. Одновременно с этим разварка в ИО обладает рядом существенных недостатков, среди которых особые требования к подготовке печатной платы (золочение проводников в местах разварки), невозможность оперативной замены образца в измерительной оснастке, а также отсутствие защиты исследуемого объекта от механических повреждений.

Повышение точности измерений в процессе испытаний и экспериментальных исследований параметров СВЧ ЭРИ немыслимо без грамотного определения и исключения систематических ошибок вследствие вносимых потерь, рассогласования и фазового набега. Основными источниками систематических ошибок являются неидеальности ИО, элементы коаксиального измерительного тракта и измерительное оборудование. Существует несколько методов определения и исключения ошибок. Наибольшее распространение получили два из них: калибровка и математическое исключение ошибок (МИО или deembedding). На практике часто применяется их комбинация.

Суть первого состоит в проведении предварительных измерений с заменой исследуемого образца на не- кий калибровочный стандарт (набор стандартов) с известными характеристиками, на основе которых математический аппарат, заложенный в измерительное оборудование, соответствующим образом корректирует результаты дальнейших измерений. Существует несколько наборов калибровочных стандартов, широкое распространение из которых получили два: SOLT (Short-Open-Load-Thru – короткое замыкание, холостой ход, согласованная нагрузка и перемычка) и TRL (Thru-Reflect-Line – перемычка, отражение, линия) [7]. В некоторых случаях, например, при измерениях коэффициента шума, достаточно провести сокращенную процедуру калибровки с использованием одного стандарта «перемычка» [8].

Между тем, ввиду сложности изготовления калибровочных стандартов в формате используемой ИО и широкого распространения широкополосных калибровочных наборов в коаксиальном базисе, как правило, калибровку целесообразно применять для учета и исключения ошибок, вносимых коаксиальным измерительным трактом и оборудованием. При этом для исключения влияния элементов ИО (в том числе корпуса и разварочных проволочек) применяют метод МИО, основанный на математическом исключении ошибок из результатов измерений средствами САПР на основе известной модели ИО, полученной либо непосредственным измерением, либо моделированием.

В качестве примера на рис. 5а показаны внешний вид специализированной ИО, спроектированной для проведения радиационных испытаний сверхмалошумящего СВЧ-транзистора ATF-36077 (фирма Avago, США) в режиме усилителя. Хорошее соответствие результатов расчета (по модели производителя) и измерений частотных зависимостей |S21| усилителя, показанное на рис. 5б , обеспечено применением методов калибровки и МИО средствами САПР Advanced Design System.

В результате целенаправленной работы в испытательном центре ИЭПЭ НИЯУ МИФИ и ОАО «ЭНПО « СПЭЛС» создан комплекс методических, аппаратных и программных средств, обеспечивающий контроль и измерение большинства информативных параметров СВЧ ЭРИ в диапазоне частот до 20 ГГц. Комплекс объединяет в своем составе контрольно-измерительное оборудование фирмы Agilent, программные средства автоматизации измерений, СВЧ САПР Advanced Design System, специализированную измерительную оснастку, методики измерений и обработки экспериментальных данных. Комплекс позволяет проводить исследования СВЧ ЭРИ в диапазоне температур от –60 до +150° C, совместим с источниками радиационного воздействия.

Ежегодно с использованием указанного комплекса проводятся исследования справочных параметров и квалификационные испытания на радиационную стойкость не менее 50

типов СВЧ ИС и БИС, разработанных зарубежными фирмами и российскими предприятиями и организациями: Peregrine, Analog Devices, MiniCircuits, Hittite, Agilent, ФГУП «НПЦ «НИИИС», ФГУП «НИИМА «Про- гресс», ЗАО «ПКК «Миландр», ФГУП «НПП «Пульсар», ОАО «НИИМЭ и Микрон» и др.

Авторы выражают признательность Громову Д.В., Назаровой Г.Н., Кузнецову А.Г. (ИЭПЭ НИЯУ « МИФИ » и

ОАО «ЭНПО « СПЭЛС»), Прилепско-му С.А. (Российское представительство компании «Аджилент Текнолод-жиз») и Васильеву В.И. (ФГУП «НПП «Исток») за помощь, ценные замечания и интерес к работе