CC BY
115
УДК 621.3.049.77.019.3
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОКОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА
М.И. Горлов, Е.А. Золотарева, Е.П. Самцов, Н.А. Шишкина
Показано практическое использование микроэлектронного датчика влажности поверхностно-конденсационного типа для измерения содержания паров воды внутри корпусов интегральных схем
Ключевые слова: датчик влажности, корпус, интегральная схема, пары воды
В работе [1] описана конструкция разработанного микроэлектронного датчика влажности поверхностно-конденсационного типа и предложена методика измерения содержания паров воды внутри корпусов интегральных схем (ИС) с их применением. В настоящей работе представлены данные о практическом использовании данного датчика. Конструкция датчика позволяет размещать последний в любом типе корпусов ИС. На рис. 1 показана фотография размещения шести датчиков влажности в корпусах 401.14 [2]. Для этого типа корпуса вырезается кристалл, содержащий шесть отдельных датчиков 2х3. Параллельное соединение конденсаторов на кристалле вертикально расположенных датчиков позволяет повысить точность измерений влаги в подкорпусном объеме. Запараллеливание трех пар конденсаторов также позволяет повысить точность измерений. Дублирование термодатчиков в одном корпусе ИС позволяет поднять их выход годных практически до 100%.
Разработанный авторами датчик был изготовлен на минском заводе «Транзистор». Так как каждый кристалл датчика размером 1х1 мм2 имеет диод, резистор и гребенчатый конденсатор из алюминия (рис. 2), то необходимо было определить для кристалла, содержащего 6 датчиков влажности, помещенных в корпуса типа 401.14-5 и 401.14-3, какая контактная площадка датчика будет разварена на какую траверсу вывода корпуса. Практически для измерения содержания паров воды достаточно подключить один диод и один резистор из всех кристаллов. Чтобы исключить возможность попадания бракованного диода или резистора необходимо хотя бы продублировать их.
На рис. 2 цифрами указано: 1 - термодатчики (резистор и диод); 2 - линейки датчика влажности (две встречные гребенки металлизации шириной 10 мкм и зазором 10 мкм); 3 - линии для скрайбирова-ния; 4 - контактные площадки.
Горлов Митрофан Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732)43-76-95
Золотарева Екатерина Александровна - ВГТУ, магистр, тел. (4732)43-76-95
Самцов Евгений Павлович - з-д «Транзистор», канд. техн. наук, тел (37517) 278-42-02
Шишкина Наталья Александровна - Концерн «Созвездие», канд. техн. наук, тел. (4732)41-00-12
Рис. 1. Фотография схемы посадки датчиков влажности в корпус типа 401.14
3
4 1
2 ^4
Рис. 2. Фотография датчика влажности поверхностно-конденсационного типа
Алюминиевые гребенчатые конденсаторы, фактически являющиеся контролерами паров воды, соединяются по вертикали. Это делается для того, чтобы повысить чувствительность по влаге. Алюминиевые гребенчатые конденсаторы также нужно задублировать, а лучше затроировать, чтобы избежать вероятности дефектной структуры (рис. 1).
Для определения наиболее информативной зависимости от температуры падения напряжения на резисторах и диодах датчиков влажности при различных токах проведены испытания по градуировке резисторов и диодов датчиков влажности.
Испытания проводились в специальном устройстве, конструкция которого приведена на рис. 3. Устройство представляет собой миниатюрную камеру, имеющую отверстие в основании из теплоизолирующего материала (1) для медного стержня (2); используемого для локального охлаждения корпуса изделия в месте (вблизи места) расположения детектора росы. Для осушения воздуха в камере используется влагопоглотитель (4). Основание корпуса оснащено электрическими выводами (7) для соединения выводов корпуса ИС с внешней измерительной схемой. Охлаждение медного стержня осуществляется с помощью жидкого азота, находящегося в сосуде Дьюара. Система охлаждения медного стержня должна обеспечить скорость охлаждения корпуса изделия не более 10оС/мин. Температура точки росы атмосферы внутри камеры не должна превышать минус 20±2оС.
5
Рис. 3. Устройство для измерения содержания влаги внутри корпусов ИС: 1 - основание; 2 - стержень; 3 - датчик влажности в корпусе ИС - 4; 5 - влагопоглотитель; 6 - держатель; 7 - электрический ввод; 8 -сосуд Дьюара
При температуре 20, 0, -10, -20, -25,-30, -40, -50, -60 оС проводилось измерение напряжений на двух резисторах (Я1 и Я2) и двух диодах (Э1 и Б2), входящих в состав одного корпуса с датчиками. Напряжение измерялось вольтметром В7-38 при токе 50, 100 и 200 мкА.
По результатам измерений построены зависимости значений падения напряжения на резисторах и диодах. На рис. 4 приведена данная зависимость на резисторе Я1 от температуры при различных токах.
780 -і
5и0
—' —180
1=50мкА 1=100мкА -!=200мкА
-60
-40 -20
Температура, С
Рис. 4. Зависимость падения напряжения на резисторе Ю при различных токах
На рис. 5 приведена зависимость падения напряжения на диоде Б1 от температуры при различных токах. Из построенных зависимостей видно, что более наглядно и с большей точностью изменяется напряжение от температуры на диодах при токе 200 мкА.
♦ !=50мкА !=100мкА !=200мкА тах
Температура, С
Рис. 5. Зависимость падения напряжения на диоде Б1 при различных токах
Сравнивая зависимости падения напряжения на диодах и резисторах от температуры, видно, что по прямому падению напряжения на ВАХ диода более наглядно и с большей точностью изменяется напряжение от температуры, чем по падению напряжения на резисторах, поэтому применение резистора в качестве термодатчика нецелесообразно и из конструкции датчика влажности его можно исключить.
Эксперимент показал, что измерение падения напряжения на малых токах (50-200 мкА) более затруднительно, чем на больших токах, поэтому практическое определение точки росы проводилось на диоде при токе 1мА.
Практическая методика определения точки росы в внутри корпусов ИС выглядит следующим образом:
0
- снимается прямое падение напряжения на диоде ипр от температуры при различной величине прямого тока 1пр;
- выбирается наиболее критичное значение 1пр, при котором в диапазоне температур -60^20°С выявляется наибольшее изменение значения Ипр;
- измеряется емкость гребенчатого конденсатора (или ток утечки) и прямое напряжение Ипр диода при определенном выше значении 1пр при температурах от комнатной, медленно охлаждая до температуры, при которой происходит скачек величины емкости (или тока утечки), фиксируя значение температуры (т.е. температуру точки росы в объеме корпуса ИС) по значению Ипр диода.
На датчиках в корпусе 401.14-5 снята зависимость прямого напряжения диода от температуры Ипр.д при токе 1 мА (от комнатной +25 оС до температуры жидкого азота -196°С) (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость прямого падения напряжения на диоде от температуры при токе 1мА
Измерение ёмкости гребенчатого конденсатора для определения точки росы, проводилось согласно ГОСТ 28885 - 90 (метод 501 - 1) [3]. Схема измерения приведена на рис. 7.
Рис. 7. Схема измерения ёмкости конденсатора датчика влажности:
О - источник синусоидального напряжения и = 5 В, і = 100 кГц; С - измеряемая ёмкость; Я - сопротивление 1 кОм; рУ - милливольтметр; РБ - осциллограф.
ипр.д. и по снятой зависимости ипр.д. от температуры (рис. 6) определяется температура точки росы.
Для определения содержания паров воды по точке росы были учтены следующие факторы и параметры:
1. Герметизация корпуса производилась сваркой при температуре Тг = 30°С (303 К);
2. Температура точки росы установлена равной Тр = -78,8 °С (194,2 К);
3. Давление при герметизации корпуса Рг = 105 Па;
4. Применив закон Гей-Люссака:
Р =р т /Т
А р А Г А р А Г?
определили, что давление в корпусе будет равно Рр = 0,64*105 Па.
5. Использовали номограмму [3], приведенную на рис. 8, для перевода градусов точки росы в концентрацию влаги.
В результате получили объемную концентрацию паров воды 1,05 ppm.
Рис. 8. Номограмма для перевода концентрации влаги, выраженной в ррт, в градусы точки росы и наоборот при различных давлениях
Представляет интерес сравнить результат измерения содержания влаги внутри корпусов ИС датчиками влажности с измерениями масс-спектрометрическим методом.
Для этого на 5 смонтированных в корпус датчиках влажности были проведены измерения содержания влаги внутри корпусов как датчиками, так и масс-спектрометрическим методом в Санкт-Петербурге (таблица).
Измерение проводили при подаче на конденсатор переменного синусоидального напряжения И = 5 В с частотой і = 100 кГц. Точка росы фиксировалась при скачкообразном изменении напряжения на резисторе Я от установившегося значения, что свидетельствовало об изменении ёмкости конденсатора и появлении точки росы. Одновременно фиксировалось прямое падение напряжения диода
Сравнение результатов экспериментальных исследований по датчикам влажности и замеров масс-
спектрометрическим методом в г. Санкт-Петербурге
№ ИС Температура точки росы, оС (экспериментально) Давление внутри корпуса при температуре точки росы Рр,*105 Па Объемная концентрация паров воды внутри корпуса при 25оС, полученная с использованием датчика влажности, ppm Объемное содержание паров воды внутри корпуса при 100 оС, ppm (исп. масс-спектрометрическим методом в Санкт -Петербурге при температуре 100 оС) Норма по ОТУ
При 25 оС, ppm При 100 оС, ppm
і -78,80 0,64 1,05 1000
2 -72,73 0,66 4,00 2500
3 -85,32 0,61 0,80 500 <500 <5000
4 -81,63 0,63 0,90 900
5 -84,00 0,62 0,60 800
Таким образом, по результатам измерений содержания влаги в подкорпусном объеме ИС с помощью датчика влажности ИС соответствуют требованиям ТУ, что подтверждают испытания этих схем масс-спектрометрическим методом.
Разработанная методика определения влажности внутри корпусов серийно выпускаемых ИС с помощью датчика влажности поверхностноконденсационного типа показала объективные данные по содержанию паров воды внутри корпусов ИС.
Литература
1. Горлов М.И., Ануфриев Д.Л., Шишкина Н. А. Микроэлектронный датчик влажности // Датчики и системы. 2007. № 4. С. 23-26.
2. Датчик влажности поверхностноконденсационного типа / Горлов М.И., Ануфриев Д.Л., Коваленко П.Ю., Шишкина Н.А.// Компоненты и технологии. 2007. № 1. С 18 - 19.
3. Чернышов А.А., Крутоверцев С.А., Бутурлин А.И. Контроль влажности в корпусах интегральных схем // Зарубежная электронная техника. 1987. Вып. 2. С.3-63.
Воронежский государственный технический университет Завод «Транзистор», г. Минск «Концерн «Созвездие», г. Воронеж
THE MICROELECTRONIC SUPERFICIAL-CONDENSATE TYPEGAUGE M.I. Gorlov, E.A. Zolotareva, E.P. Samtsov, N.A. Shishkina
Praktical use of a microelectronic superficial-condensate type gauge for measuring steam contents inside the integrated circuits case is shown
Key words: the gauge of humidity, case, integrated circuit, pair of water
Горлов Митрофан Иванович, доктор технических наук, профессор Воронежского государственного технического университета кафедры полупроводниковой электроники и наноэлектроники. Служебный адрес: Воронеж, ВГТУ, Московский проспект, 14. Контактный телефон: (84732) 52-7972. Для переписки с редакцией: домашний адрес: 394036, Воронеж, ул. Студенческая, д. 31, кв. 34.
Золотарева Екатерина Александровна, магистр Воронежского государственного технического университета кафедры полупроводниковой электроники и наноэлектроники. Электронная почта [email protected]. Контактный телефон: (84732) 41-00-12.
Самцов Евгений Павлович, кандидат технических наук, начальник управления контроля качества завода «Транзистор» г. Минск. Контактный телефон: (37517) 278-42-02. E-mail: [email protected].
Шишкина Наталья Александровна, кандидат технических наук, инженер-конструктор 3 категории, «Концерн»Созвездие». Электронная почта - [email protected]. Контактный телефон: (84732) 41-00-12.
