История создания уникальных высоковольтных разъемов для интеграции Тестеров FORMULA^® TT4 с зондовыми станциями MPI

Эта статья заинтересует тех, кто планирует применять новейшие автоматические комплексы ModulaTXI^®, разработанные компанией ФОРМ для контроля кристаллов высоковольтных полупроводниковых приборов (ППП) на пластинах.

Вызовы высоковольтных измерений

Для измерения параметров ППП в диапазоне напряжений до 7000 В компания ФОРМ разработала новый тип Тестеров FORMULA^® TT4. Чтобы обеспечить измерения кристаллов ППП не только в корпусе, но и на пластинах, мы закупили специализированные высоковольтные зондовые станции (ЗС), и нам оставалось решить тривиальную, на первый взгляд, задачу: интегрировать Тестер с ЗС.

Однако, на этот раз мы столкнулись с проблемой специализированных разъемов, использованных в составе ЗС MPI TS2000-IFE: на держателе пластин производитель MPI установил свой проприетарный разъем, а на высоковольтном зонде – модернизированный коаксиальный разъем SHV – Keysight UHV (другое наименование – UHV SHV). Оба разъема требовали применения ответных частей, которые недоступны на рынке.

Плюсы и минусы разных вариантов решения проблемы

Мы рассмотрели 4 способа выхода из сложившейся ситуации:

1. Купить ответные части непосредственно у производителя зондовой станции.
2. Найти ответные части в адаптерах/переходниках MPI и оборудовании, подключение к которому предполагалось производителем ЗС: разумеется, это характериографы Keysight B1505A с приспособлением N1265A.
3. Обрезать кабели ЗС и установить другие разъемы.
4. Разработать ответные части разъемов самостоятельно.

Первый вариант – самый очевидный и, на первый взгляд, простой. Однако, из-за санкционных ограничений и корпоративной политики как MPI, так и производителя разъема UHV, закупка их отдельно от соответствующего оборудования оказалась невозможной.

Второй вариант предполагал использование донорских составных частей от характериографов Keysight, но это решило бы лишь часть проблемы –только в отношении ответной части разъема Keysight SHVдля высоковольтного зонда. Что же касается разъема для держателя пластинMPI, то его пришлось бы приобретать в составе переходника на другой тип разъема. Поскольку из переходников, подходящих для 10 кВ, существует только один, притом на тот же разъем Keysight UHV, это еще больше увеличило бы затраты на "донорское" оборудование. Второй вариант мы отклонили.

Третий же вариант, еще более вандальный, чем второй, и такой же бесперспективный, поскольку невозможно воспроизвести качество оригинального производства MPI, тем более при использовании нестандартных комплектующих.

Поэтому, взвесив все недостатки рассмотренных вариантов, и несмотря на отсутствие представления даже о внешнем виде прототипов, мы решили разработать проприетарные разъёмы.

Особенности процесса разработки

Сразу стоит оговориться, что с учетом будущего развития Тестеров, решено было проектировать оба разъема сразу на повышенное напряжение — 10 кВ. Первым в работу мы взяли разъем держателя пластин ЗС MPI.

Основная проблема при разработке новых ответных разъемов, подключаемых к уже существующим состоит в определении точных присоединительных размеров. Ведь кабельные сборки и большинство разъемов создаются неразборными, а в нашем распоряжении нет запасных частей, которые можно было бы просто «разломать» ради обратного проектирования.

Ситуация усугубляется тем, что высоковольтные разъемы имеют очень много глубоко посаженных деталей для обеспечения безопасных путей для утечек. Поэтому при замерах пришлось действовать изобретательно и даже применять самодельные измерительные приспособления, чтобы определить длины и диаметры даже в узких заглубленных местах.

Учитывая сложности обмера и необходимость проведения отладки схем измерения совместно с ЗС, сначала решено было разработать прототип разъема для предварительной отработки и механики, и электрики на относительно низких напряжениях. За предновогодние и праздничные дни были разработаны и изготовлены первые образцы прототипа, которые не только хорошо подтвердили себя на испытаниях, но и оказались достаточно технологичными – можно было успешно воспроизвести использованные в них ключевые технические решения в последующих ревизиях конструкции разъемов.

Но разработка разъема — это не только разработка сопрягаемой геометрии, но и обеспечение совместимости с подходящим проводником. Поэтому следующему этапу предшествовало изучение предложений рынка и исследования свойств материалов, пригодных для передачи необходимых нам высоких напряжений. И решено было выпустить два исполнения соединителей под разные типы кабеля.

При разработке второй итерации на базе прототипа расчет шел на полную амплитуду подаваемого напряжения, 10 000 В, соответственно, возросли и требования, что привело к увеличению размеров и усложнению производства. Отдельной конструкторской задачей было соблюсти баланс между размерами и технологичностью, чтобы такие детали можно было изготовить механообработкой с минимальным применением нестандартной оснастки. В процессе адаптации конструкторской документации (КД) совместно с мастером по обработке пластиков не обошлось без нескольких итераций производства самой сложной в изготовлении детали – фторопластового изолятора. Но, наконец, был получен образец, который соответствует уровню серийных изделий.

Изображение разъёма FormCHV

Второй разъем, UHV, необходимый для высоковольтного зонда, решили делать в блочном исполнении, чтобы подключать зонд непосредственно к выходу блока коммутатора. Ожидалось, что в силу такого исполнения разработка должна быть чуть более простой, так как не требовалось подстраиваться под размеры кабелей. Однако все-таки пришлось столкнуться с множеством проблем, обусловленных как сложностью производства деталей, так и технологическими особенностями мелкосерийной сборки.

Само по себе блочное исполнение, тем более, с элементами байонетного соединения, подразумевает, что только токарной обработкой с минимумом фрезеровки уже не обойтись. Работа эта оказалась под силу лишь многокоординатным станкам или очень квалифицированному токарю. И тогда пришла идея освоить новую для нас комбинированную технологию — изготовление путем вакуумного литья с последующей токарной обработкой. Первые же образцы отливок поразили точностью геометрии и подтвердили правильность выбора, поскольку самая сложная часть — байонет — получилась ровно такой, как требуется, и оставалось лишь сточить припуски и привести внешний вид в соответствие с требованиями технической политики предприятия.

Еще одним вызовом именно блочного исполнения высоковольтного разъема стала необходимость изготавливать очень длинный и тонкий контакт с минимальными погрешностями геометрии. Да не простой штырь, а гнездо, что значительно сложнее и вариативнее по конструкции! Потребовалось время, чтобы изучить техпроцесс производства подобных изделий и разработать технологичные конструкции, надежно выполняющие свою функцию. В итоге, первые же образцы отлично показали себя в работе!

Изображение разъёма FormUHV

Результаты

В результате работы мы создали два проприетарных специализированных высоковольтных разъема, альтернативных зарубежным, которые обладают следующими важными качествами:

• Расчетное напряжение — 10 кВ, с перспективой на развитие диапазона напряжений Тестеров FORMULA^® TT4 и для наиболее полного использования технических возможностей ЗС фирмы MPI.
• Ремонтопригодность — изделия могут быть быстро заменены целиком или по частям. Например, самая уязвимая часть — изолятор — может быть заменена по необходимости на новую довольно быстро.
• Возможность модернизации аналога разъема MPI: при необходимости смены типа кабеля надо заменить всего пару деталей.
• Производство разъемов обеспечено полным комплектом собственной конструкторской и технологической документации с литерой О, успешно апробированной в условиях собственного производства компании ФОРМ,

Созданный научно-технический задел (НТЗ) дает возможность подключать высоковольтные ЗС MPI непосредственно на выход нашего Тестера FORMULA^® TT4, используя собственные средства подключения, сводя к минимуму количество электрических переходов, что, в свою очередь, повышает надежность и безопасность высоковольтных соединений.

Важно, что в рамках проведенной разработки были получены дополнительные компетенции которые позволяют самостоятельно проектировать и изготавливать адаптеры и оснастку для нестандартных разъемов, если с ними придется встретиться.

Также наш разъем UHV потенциально может быть интересен потребителям, в распоряжении которых есть характериограф Keysight B1505A с испытательным приспособлением N1265A, так как он может выступать как запасная часть для их ремонта или как разъем для изготовления дополнительной оснастки.

В заключение можно добавить, что этой работой мы создали ключевые технические решения, которые будут использованыи в других наших задачах. В том числе, они могут послужить основой для разработки проприетарной линейки электрических соединителей для различных условий коммутации в Тестерах FORMULA^® и комплексах на их основе.

Созданный НТЗ в области высоковольтных разъемов, обеспечивает независимость производства и поставок Комплексов ModulaTXI^® от ограничений по закупке уникальных зарубежных высоковольтных разъемов. Безусловно, это является сильным конкурентным преимуществом компании ФОРМ, поскольку дает новую степень технологической свободы в области высоковольтного тестеростроения.