Zastosowanie metody termoakustycznej do pomiarów szczelności tranzystorów w obudowach metalowych

Transkrypt

1 1. Wstęp Maciej KUBICKI Katedra Podstaw Elektroniki, Politechnika Koszalińska E mail: kubicki.maciej@gmail.com Zastosowanie metody termoakustycznej do pomiarów szczelności tranzystorów w obudowach metalowych Możliwość zastosowania termoakustycznej techniki pomiarowej do pomiaru szczelności obudów elementów mocy pokazano w publikacjach [1, 2, 3] zawierających wyniki potwierdzające poprawność modelu matematycznego umożliwiającego określanie szczelności obudów z wykorzystaniem rozpatrywanej metody. Technika termoakustyczna może stanowić nieniszczącą metodę alternatywną dla niszczących testów szczelności określonych poprzez normy stosowane obecnie w przemyśle [4, 5]. Metoda pomiaru opiera się na detekcji z użyciem mikrofonu, zmian ciśnienia powstających w szczelnej komórce pomiarowej w wyniku periodycznego wydzielania mocy w umieszczonym w niej elemencie badanym. W celu oceny zakresu zastosowań metody termoakustycznej do pomiaru szczelności elementów elektronicznych zbudowane zostało dedykowane stanowisko pomiarowe uzupełnione o aplikację pomiarową wykorzystującą algorytm detekcji fazoczułej zrealizowaną w środowisku LabView w oparciu o kartę pomiarową. W artykule zamieszczono opis metody pomiarowej, stanowiska pomiarowego i aplikacji pomiarowej oraz przykładowe wyniki pomiarowe wraz ich odniesieniem do modelu matematycznego przedstawionego w publikacjach [1, 2, 3]. 2. Opis metody oraz modelu matematycznego W metodzie termoakustycznej sygnał akustyczny powstaje na skutek periodycznego wydzielania mocy w badanym elemencie umieszczonym w szczelnej komórce pomiarowej. Wydzielanie mocy następuje poprzez odpowiednie wysterowanie elementu, na przykład tranzystora bilpolarnego. Zmiany ciśnienia w komórce pomiarowej rejestrowane są poprzez umieszczony w niej mikrofon pomiarowy. Sygnał mikrofonowy po wzmocnieniu w układzie przedwzmacniacza podlega dalszemu przetwarzaniu, w rozważanym przypadku detekcji fazoczułej, umożliwiającej określenie jego amplitudy oraz przesunięcia fazowego w stosunku do sygnału sterującego. Przeprowadzając w ten sposób pomiar dla częstotliwości z zakresu pasma akustycznego możliwe jest wyznaczenie częstotliwościowych charakterystyk amplitudowych oraz fazowych, których kształt zgodnie z [1, 2, 3] zależy bezpośrednio od rozmiaru nieszczelności w badanym elemencie. Na rysunku 1 przedstawiono w sposób schematyczny omawianą metodę pomiaru. Jako V 1 oznaczono objętość wewnątrz obudowy badanego elementu (tranzystora) natomiast przez V 2, objętość komórki pomiarowej. Nieszczelność reprezentowana

2 112 Maciej Kubicki jest przez kanał o promieniu r i długości L odpowiadającej grubości ścianki obudowy elementu badanego. Zmiany ciśnienia w komórce rejestrowane są przez mikrofon M, którego sygnał wyjściowy po wzmocnieniu w stopniu przedwzmacniacza K podlega dalszej analizie. Rys. 1. Schemat układu do pomiaru szczelności z wykorzystaniem metody termoakustycznej Fig. 1. Schematic diagram of the setup for hermeticity measurement using the thermoacoustinc test method Model matematyczny przedstawiony w publikacjach [1, 2, 3] opiera się na sprowadzeniu układu przedstawionego na rysunku 1 do obwodu elektrycznego, w którym wartości poszczególnych elementów można scharakteryzować poprzez parametry termoakustycznego układu pomiarowego. Wydzielanie mocy w badanym elemencie prowadzi do zmian ciśnienia wewnątrz obudowy badanego elementu, co w przypadku jego nieszczelności spowoduje przepływ gazu poprzez nieszczelność reprezentowaną przez kanał o promieniu r i długości L zgodnie z równaniem Poiseuill'a: dm t ρπ η8l 4 r dp = (1) gdzie: dm masa gazu, t czas przepływu, ρ gęstość gazu, η lepkość gazu, L długość kanału, r promień otworu, p ciśnienie Przyjmując równoważność z wielkościami elektrycznymi prądu i napięcia: dm I, p U (2) t poprzez analogię do prawa Ohma I=U/R przez rezystancję R możemy oznaczyć wielkość wyrażoną wzorem: R η8l 4 ρπ r = (3)

3 Zastosowanie metody termoakustycznej do pomiarów szczelności 113 W podobny sposób odnosimy objętości V 1 i V 2 do pojemności elektrycznych. Zgodnie z równaniem Clapeyrona ilość gazu dm wpływająca do komory o objętości V spowoduje wzrost ciśnienia w komorze wyrażony wzorem: dp= dm N a kt MV (4) gdzie: dm masa gazu, Na liczba Avogadro, k stała Boltzmana, T temperatura, V objętość komory, M masa molowa gazu (powietrza) Przyjmując równoważność z wielkościami elektrycznymi napięcia i ładunku: m Q, p U (5) poprzez analogię do definicji pojemności elektrycznej wyrażonej wzorem C=Q/U jako pojemność C możemy oznaczyć wielkość wyrażoną zależnością: C= MV N a kt (6) Poprzez odniesienie objętości V 1 oraz V 2 do pojemności elektrycznych oraz nieszczelności do rezystancji, jesteśmy w stanie sprowadzić układ testowy do schematu elektrycznego przedstawionego na rysunku 2. Rys. 2. Schemat elektryczny reprezentujący termoakustyczny układ pomiarowy Fig. 2. Electric circuit diagram representing the thermoacoustic test setup Na rysunku 2 oznaczono poprzez G źródło prądowe reprezentujące wymuszenie przepływu gazu (powietrza) w wyniku wydzielania mocy w elemencie, przez C 1 oraz C 2 pojemności reprezentujące objętości wewnątrz badanego elementu oraz komórki pomiarowej, natomiast przez R rezystancję reprezentującą przepływ gazu (powietrza) pomiędzy wnętrzem elementu, a komórką pomiarową w wyniku wystąpienia nieszczelności. W największym uproszczeniu możemy przyjąć, iż obie pojemności C 1 oraz C 2 są wielkościami stałymi, natomiast rezystancja R będzie wielkością ściśle zależną od wymiarów nieszczelności. tj. od długości kanału równej grubości ścianki obudowy, stałej dla danego typu elementu oraz średnicy otworu bezpośrednio charakteryzującej nieszczelność.

4 114 Maciej Kubicki Dla schematu elektrycznego przedstawionego na rysunku wartość napięcia wyjściowego możemy wyrazić wzorem: Uo 1 ( ω) = ( ) 2 I ω jω( C1+ C2) ω C1C 2R W skrajnym przypadku elementu całkowicie otwartego rezystancja R wyniesie zero, a wzór (7) uprości się do postaci: 1 Uo( ω) R= 0 = I ( ω) jω( C1+ C2) Dzieląc (7) przez (8) otrzymujemy wyrażenie umożliwiające określenie nieszczelności na podstawie pomiaru charakterystyk termoakustycznych badanego elementu oraz elementu otwartego jako punktu odniesienia, uniezależniając się od mocy wydzielonej w badanym elemencie oraz charakterystyk częstotliwościowych toru pomiarowego (mikrofonu wraz z układem przedwzmacniacza): Uo( ω) ω( C + C ) = U ( ω) ω( C C ) jω C C R o R= Charakterystyka częstotliwościowa (9) może zostać wyznaczona eksperymentalnie poprzez pomiar sygnału będącego wynikiem periodycznego wydzielania mocy w elemencie przy różnych częstotliwościach sygnału wymuszającego dla elementu otwartego oraz elementu, którego szczelność chcemy zbadać. Poprzez dopasowanie charakterystyk otrzymanych eksperymentalnie do charakterystyk teoretycznych określonych na podstawie wzoru (9) jesteśmy w stanie ocenić stopień nieszczelności elementu badanego. 3. Stanowisko pomiarowe Na rysunku 3 przedstawiono rysunek schematyczny stanowiska z oznaczonymi poszczególnymi elementami, trójwymiarowy model stanowiska oraz rysunek złożeniowy. Na stanowisko składają się: układ przedwzmacniacza wraz ze zintegrowanym mikrofonem pomiarowym, układ sterowania wydzielaniem mocy w badanym elemencie wraz z płytą adaptera zawierającą gniazdo do umieszczenia elementu oraz komórka pomiarowa. W zaprojektowanym stanowisku komórka pomiarowa została umieszczona bezpośrednio pomiędzy płytami przedwzmacniacza oraz adaptera, które zamykają jej objętość, przy czym uszczelnienie stanowią 2 uszczelki typu o-ring. Do płyty adaptera dołączana jest płyta układu sterowania wydzielaniem mocy. Element badany zostaje umieszczony w gnieździe na płycie adaptera. Układ przedwzmacniacza mikrofonowego zbudowano w oparciu o scalony poczwórny wzmacniacz niskoszumowy TS974 [6], przy czym 2 wzmacniacze wchodzące w skład układu scalonego zostały użyte do zrealizowania układu wzmocnienia sygnału mikrofonowego w oparciu o konfigurację wzmacniacza nieodwracającego, natomiast pozostałe (7) (8) (9)

5 Zastosowanie metody termoakustycznej do pomiarów szczelności wzmacniacze użyto do wytworzenia napięcia polaryzującego mikrofon pomiarowy oraz napięcia odniesienia DC. Układ przedwzmacniacza został zasilony z baterii 9V w celu uniknięcia wpływu szumów układu zasilania. Wzmocnienie pierwszego stopnia zostało ustalone na 21, wzmocnienie drugiego stopnia może być ustawione w zakresie od 1 do 21 za pomocą zworek. Jako mikrofonu użyto elektretowej wkładki mikrofonowej WM-61, którą wybrano ze względu na stosunkowo dużą czułość oraz płaską charakterystykę w całym zakresie akustycznym [7]. Przy projektowaniu samego układu przedwzmacniacza mikrofonowego również starano się uzyskać możliwie płaskie charakterystyki w zakresie pasma akustycznego. W celu uzyskania zadowalających charakterystyk szumowych poza wykorzystaniem scalonego wzmacniacza niskoszumowego TS974 użyto rezystorów metalizowanych. Wszystkie elementy poza mikrofonem pomiarowym zostały umieszczone na spodniej warstwie w technice montażu powierzchniowego. Górna powierzchnia płyty została wypełniona polem masy, natomiast od spodniej strony płyty przewidziano montaż metalowego ekranu. Układ sterowania wydzielaniem mocy wymusza wydzielenie w badanym elemencie (tranzystorze NPN lub PNP) mocy o wartości określonej sygnałem podanym na wejście układu sterującego. W celu realizacji sterowania tranzystorami NPN lub PNP wykorzya) c) b) Rys. 3. Stanowisko pomiarowe do pomiarów termoakustycznych: a) rysunek schematyczny, b) trójwymiarowy model, c) rysunek złożeniowy Fig. 3. Test setup for thermoacoustic measurements: a) schematic drawing, b) 3D model, c) assembly drawing

6 116 Maciej Kubicki stano w obu przypadkach układ przetwornika napięcie-prąd zbudowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny wymuszający określony prąd w obwodzie emitera. Na rysunku 4 przedstawiono schematy układu sterowania wydzielaniem mocy w tranzystorze NPN (rysunek 4a) oraz PNP (rysunek 4b). Układ sterowania tranzystorem PNP został uzupełniony o układ dodający składową stałą do sygnału sterującego tak aby możliwe było zrealizowanie sterowania tranzystorem PNP z poziomu karty pomiarowej o ograniczonym zakresie napięć wyjściowych. W tym celu aplikacja pomiarowa wykorzystuje algorytm cyfrowej detekcji fazoczułej. Uproszczony schemat algorytmu detekcji przedstawiono na rysunku 5. W pierwszej kolejności aplikacja generuje ustaloną liczbę próbek sygnału referencyjnego o określoa) b) Rys. 4. Schemat układu sterowania wydzielaniem mocy w tranzystorze: a) NPN, b) PNP Fig. 4. Schematic diagram of a power dissipation circuit for: a) NPN transistor, b) PNP transistor Oba układy sterowania (NPN i PNP) umieszczono na jednej płycie drukowanej. Integralną częścią układu jest płyta adaptera zawierająca gniazdo do umieszczenia badanego tranzystora, zaciski do podłączenia napięć polaryzujących tranzystor oraz rezystor pomiarowy. W zależności od orientacji w jakiej układ sterowania zostaje zainstalowany w płycie adaptera wykorzystywana jest część układu odpowiedzialna za sterowanie tranzystorem typu NPN lub PNP. Komórkę pomiarową wykonano w postaci powierconego bloku aluminiowego, w którym centralny otwór o średnicy 10 mm wyznacza objętość pomiarową. Rozmiar otworu oraz wymiary zewnętrzne komórki dostosowane są do wymiarów obudowy badanego tranzystora, w rozważanym przypadku obudowy metalowej TO-39. Ponadto w komórce umieszczono 4 otwory montażowe M3 oraz wyfrezowania na uszczelki typu o-ring o średnicy 20 mm. 4. Aplikacja pomiarowa Zadaniem aplikacji pomiarowej jest zautomatyzowanie procesu pomiaru charakterystyk częstotliwościowych jak również umożliwienie detekcji sygnałów o amplitudach poniżej 1 mv z jakimi można mieć do czynienia w przypadku pomiarów termoakustycznych.

7 Zastosowanie metody termoakustycznej do pomiarów szczelności 117 nej częstotliwości oraz o fazie 0 i 90. Częstotliwość sygnału referencyjnego jednoznacznie określa częstotliwość sygnału wejściowego poddawanego detekcji, natomiast liczba próbek w powiązaniu ze stałą próbkowania karty pomiarowej, czas pomiaru. Przeskalowane próbki sygnału referencyjnego zapisywane są do bufora wyjściowego karty. Po uruchomieniu procedury pomiarowej kolejne próbki wystawiane są na wyjście przetwornika cyfrowo analogowego karty, synchronicznie do bufora wejściowego pobierane są próbki z przetwornika analogowo cyfrowego. Próbki sygnału wejściowego po odczytaniu z bufora karty przemnażane są przez próbki sygnału referencyjnego o fazie 0 i 90. Otrzymane składowe są w dalszej kolejności uśredniane, a wynik uśredniania służy do wyznaczenia amplitudy i fazy. Rys. 5. Schemat algorytmu detekcji fazoczułej Fig. 5. Schematic diagram of phase-sensitive detection algorithm Na rysunku 6 przedstawiono widok interfejsu użytkownika aplikacji pomiarowej. Pomiar charakterystyk częstotliwościowych przeprowadzany jest przy ustalonych parametrach którymi są: amplituda mocy, zakres częstotliwości, liczba punktów pomiarowych oraz czas pojedynczego pomiaru. W wyniku działania aplikacji otrzymujemy charakterystyki częstotliwościowe, które po wyeksportowaniu do pliku tekstowego mogą być poddane dalszej analizie w programie do obliczeń matematycznych. Aplikacja pomiarowa pracuje w oparciu o 16-bitową kartę pomiarową NI-6251, może być jednak z łatwością przeniesiona na inne karty pomiarowe wspierane przez środowisko LabView.

8 118 Maciej Kubicki Rys. 6. Interfejs użytkownika aplikacji pomiarowej Fig. 6. User interface of measuring application 5. Wyniki pomiarowe Na rysunku przedstawiono 7 przedstawiono uzyskane przy pomocy zaprojektowanego stanowiska pomiarowego oraz aplikacji pomiarowej wyniki pomiaru termoakustycznych charakterystyk nieszczelności w zakresie Hz dla 3 egzemplarzy tranzystorów BC w obudowie TO-39 ze spreparowanymi nieszczelnościami o promieniu 80, 60 i 40 µm. Charakterystyki zostały wyznaczone w odniesieniu do zmierzonej charakterystyki otwartego tranzystora BC , przez co wyniki pomiarowe uniezależniono od charakterystyk częstotliwościowych toru pomiarowego. W oparciu o zależność (9) wyznaczono odpowiednie dopasowania krzywych teoretycznych, które również zaznaczono na wykresach przedstawionych na rysunku 7.

9 Zastosowanie metody termoakustycznej do pomiarów szczelności 119 a) b) Rys. 7. Wyniki pomiaru termoakustycznych chararakterystyk nieszczelności wraz z dopasowaniem krzywych teoretycznych dla tranzystora BC w obudowie TO-39 o promieniu nieszczelności 80µm (1), 60µm (2) oraz 40µm (3): a)charakterystyki amplitudowe, b) charakterystyki fazowe Fig. 7. Results of a measurement of the thermoacoustic hermeticity characteristics together with the theoretical fittings for BC transistor in TO-39 case with a leakiness radius of 80µm (1), 60µm (2) and 40µm (3): a)amplitude characteristics, b) phase characteristics 6. Wnioski Wyniki przedstawione na rysunku 7 potwierdzają zgodność danych pomiarowych z przyjętym modelem w pewnym zakresie częstotliwości. Kształt teoretycznych charakterystyk amplitudowych pokrywa się z danymi doświadczalnymi w zakresie wyższych częstotliwości, natomiast kształt charakterystyk fazowych, w zakresie częstotliwości niższych. Rozbieżności zauważalne na rysunku 7 mogą wskazywać na pewną niedokładność przyjętego modelu, jednakże uzyskane dane doświadczalne jednoznacznie wskazują na ścisły związek pomiędzy kształtem uzyskanych charakterystyk częstotliwościowych, a rozmiarem nieszczelności, co leży u podstaw termoakustycznej metody pomiaru szczelności elektronicznych elementów mocy. Literatura 1. Maliński M.: Determination of air-tightness of the packagings of electronic devices by the thermoacoustic method. Archives of Acoustics, Vol. 30, No. 3, Maliński M.: Application of a Thermoacoustic Method for the Determination of Air- Tightness of the Packagings of Electronic Devices. Acta Acustica United with Acustica, Vol. 91, No. 2, Bychto L., Maliński M.: Thermoacoustic Investigations of Air Tightness of Electronic Devices. Acta Acustica United with Acustica, Vol. 92, No. 3, International Standard IEC , Test Q: Sealing. International Electrotechnical Commission, Military Standard MIL-STD-202G, Test A to F. U.S. Department of Defense, 2002

10 120 Maciej Kubicki 6. TS971, TS972, TS974 output rail to rail low noise operational amplifiers. ST Microelectronics, Omnidirectional Back Electret Condenser Microphone Cartridge, Series: WM-61A, WM-61B. Panasonic Streszczenie W artykule przedstawiono możliwości zastosowania termoakustycznej metody pomiaru szczelności elementów elektronicznych, która może stanowić alternatywę dla niszczących testów szczelności zdefiniowanych przez standardy stosowane obecnie w przemyśle. Artykuł zawiera opis metody pomiarowej, przyjętego modelu matematycznego, jak również opis narzędzi na które składają się: stanowisko pomiarowe oraz aplikacja pomiarowa LabView. W artykule zaprezentowano przykładowe wyniki pomiarowe uzyskane przy użyciu zaprojektowanego stanowiska pomiarowego oraz aplikacji pomiarowej odniesione do przyjętego modelu matematycznego. Application of the thermoacustic measurement method for hermeticity testing of transistors in metal packages Summary The article presents a possibility of use of the thermoacoustic test method for testing hermeticity of electronic components, which can be considered as an nondestructive alternative for destructive hermeticity tests defined in the standards used currently in the industry [4-5]. The article describes the test method, used mathematical model and tools which are: the test setup and LabView measuring application. In the article sample test results obtained with the designed test setup and measuring application related to used mathematical model are presented.