Специалисты АО «Протон — Электротекс» (г. Орёл) разработали и внедрили в эксплуатацию автоматизированный комплекс для испытания силовых полупроводниковых модулей — АКИМ. Комплекс представляет собой сложный РТК (рис.1) и предназначен для измерения следующих параметров:
- высоковольтного пробоя изоляции,
- блокирующего напряжения,
- характеристик затвора,
- Utm при комнатной температуре и при максимальной температуре перехода (Tjmax).
Возможно измерение всего модельного ряда производимых приборов (модулей), как с различной внутренней коммутацией, так и в различных корпусах.
Состав комплекса
Измерения проводятся двумя идентичными установками: для «холодных» и «горячих» измерений. Соответственно, в комплексе имеется два зажимных устройства — электромеханических пресса, которые позволяют полностью регулировать процесс зажимания прибора, что обеспечивает безударное зажатие (рис.2).
«Горячее» зажимное устройство отличается от «холодного» в наличии нагревательных элементов для поддержания температуры Tjmax.
В целях увеличения быстродействия всего комплекса, разработан буферный нагревательный шкаф, который имеет два уровня, на 5 приборов каждый. Общая мощность шкафа составляет 5кВт.
Также в комплексе имеется установка измерения высоковольтного пробоя, зажимная установка которого обладает такими же возможностями, как и предыдущие (плавное регулирование движения столика и регулирование развиваемого усилия). Все зажимы, а также шкаф предварительного нагрева оснащены термоизоляционными заслонками в целях термостабилизирования там, где это необходимо.
В комплексе действует система считывания маркировки, которая может распознавать как одномерный штрих-код, так и двумерный. С помощью этой системы комплекс связывает результаты измерения с конкретным прибором. Одним из требований при разработке данного РТК было автоматическое нанесение этикеток на приборы, так как они являются штампом АКИМ. Для реализации данной задачи используется принтер-аппликатор: этикетка печатается непосредственно перед нанесением и может содержать либо знак QC (контроль качества, рис. 3) либо специальный код брака, если прибор не прошел испытания по заданным нормам. Ориентируясь на полученные данные, оператору и специалистам проще выявить причину брака.
Перемещение приборов между подсистемами комплекса осуществляется роботом-манипулятором, который является эксклюзивной разработкой специалистов АО «Протон — Электротекс» для задач РТК. Робот представляет собой трехстепенный линейный манипулятор, с рабочей зоной 3600×1000×400мм и грузоподъемностью 7,5кг. Степени манипулятора приводятся в движение бесколлекторными двигателями постоянного тока, захватное устройство является электромеханическим.
Все устройства комплекса завязаны по различным интерфейсам с главной стойкой управления. Для загрузки и модулей в комплекс (и последующей выгрузки промаркированных приборов) используются специальные накопители — их можно описать как многоуровневые паллеты. Если приборы выходят из комплекса после «горячих» измерений, в комплексе предусмотрена стойка охлаждения, которая обдувает выходной накопитель потоком воздуха.
Процесс измерений
После старта комплекса манипулятор проходит все подсистемы, и с помощью лазерного дальномера определяет присутствие приборов в подсистемах. Также манипулятор последовательно просматривает от уровня к уровню входной и выходной накопители и определяет, на каких позициях сейчас присутствуют приборы во входном накопителе и какие позиции сейчас свободны в выходном накопителе. Затем манипулятор перемещает прибор из входного накопителя к системе считывания маркировки, после чего прибор перемещается в зажимное устройство для измерения пробоя изоляции.
Следующим измерительным постом является «холодное» зажимное устройство, где измерительная установка определит блокирующее напряжение, характеристики затвора, а также Utm при комнатной температуре. После этого прибор перемещается в шкаф предварительного нагрева, где за 10 минут достигает требуемой температуры. Благодаря тому, что данная установка работает по принципу «первый зашел — первый вышел», сохраняется такт системы и тем самым увеличивается производительность комплекса. Уже разогретые приборы переносятся в «горячее» зажимное устройство, где в течение 20 секунд температура стабилизируется, а затем проводятся измерения. Заключительным этапом в измерительном процессе является система маркировки, где на борт прибора наносится этикетка с данными. И, наконец, прибор перемещается на выходной накопитель, где охлаждается до комнатной температуры стойкой охлаждения. Видеоверсия работы комплекса АКИМ.
Программное обеспечение
При реализации программного обеспечения комплекса был использован принцип событийного управления: каждому действию манипулятора присваивается свой весовой коэффициент, и в том случае, когда два устройства одновременно сообщат о готовности, манипулятор обслужит в первую очередь то устройство, которое имеет больший весовой коэффициент. Благодаря настройке этих коэффициентов, удалось избежать простоев оборудования и увеличить производительность всего комплекса. В целом программное обеспечение реализовано по модульному принципу, когда каждому устройству соответствует свой программный модуль. Взаимодействие со всеми модулями ведет ядро системы, где и реализована вся логика, описанная выше. Каждый модуль и ядро имеют множество различных настроек.
Комплекс взаимосвязан и с ERP-системой предприятия, откуда получает таблицы режимов измерения, и передает результаты измерения.
Зачем нужен оператор
АКИМ обслуживает один оператор, задачей которого является своевременная замена входных и выходных накопителей. Измерительный процесс ведется полностью в автоматическом режиме; «человеческий фактор» исключен. Комплекс обладает множеством защит и блокировок. Например, двери, через которые можно попасть в рабочую зону манипулятора, автоматически блокируются электромагнитными замками. В случае открытой двери комплекс немедленно перейдет в состояние «стоп», прекратятся все измерительные процессы, обесточатся все измерительные установки и т.п. Это сделано для защиты человека от подвижных частей комплекса и высоких напряжений.
Пульт оператора имеет два широкоформатных дисплея. На одном мониторе схематически отображается текущее состояние комплекса, а также имеются два изображения с внутренних камер. На другом располагается окно, в котором можно ввести параметры измерения и задать нормы, но обычно режимы измерения задаются автоматически, когда оператор с помощью ручного линейного сканера штрих-кодов считывает номер сопроводительного листа, в котором содержится вся информация о текущей партии.
Для перенастройки комплекса на другой тип корпусов модулей требуется около 20 минут, так как необходимо заменить оснастку всех зажимных устройств и манипулятора. Тем не менее, оснастка разработана специально для быстрой замены, оснащена идентификационными метками, с помощью которых комплекс понимает, какая оснастка установлена на нем сейчас и подходит ли она для загруженных модулей. Комплекс практически не нуждается в обслуживании, кроме периодического смазывания подвижных частей, испытывающих трение.
Перспективы
Автоматический комплекс измерения модулей (АКИМ), начавший функционировать в начале этого года, является лишь первой разработкой специалистов компании в этом направлении. Руководством ЗАО «Протон-Электротекс» официально принято решение о выделении средств на проведение масштабных работ по разработке и созданию различных измерительных комплексов. Работы по созданию следующей разработки — Комплекса измерения статических параметров силовых полупроводниковых приборов — уже начались.
Данный комплекс будет состоять из следующих модулей:
- блок измерения Vtm;
- классификатор;
- блок измерения характеристик затвора;
- коммутационный блок;
- интерфейсный блок.
Заказчик сможет собрать измерительную установку в соответствии со своими потребностями, выбрав только необходимые модули. Например, блок измерения Vtm будет собираться из базовых ячеек по 1кА, и если не нужно измерять приборы на токах больше 2 кА, у потребителя есть возможность оптимизировать затраты, взяв только две ячейки. Коммутационный блок позволит настроить процесс измерения в нужной последовательности или — для необходимых приборов (в таблеточном, модульном исполнении; либо же полупроводниковых элементов).
В интерфейсном блоке запланирована возможность визуального контроля — наличие монитора для просмотра отснятых характеристик и графиков. С помощью данного блока будет легко настраивать оборудование: он содержит удобные средства управления в ручном режиме, а также полный набор всевозможных интерфейсов для подключения комплекса к компьютеру или включения его в состав автоматизированных систем.
Основные преимущества:
- возможность индивидуальной комплектации (за счет модульного принципа построения);
- быстрота и надежность (за счет использования современных компонентов европейских производителей);
- повышенная функциональность (за счет возможностей использования комплекса как для ручного измерения, так и для построения автоматизированных систем измерений);
- экономичность.
Исполнение первого образца запланировано на февраль — март 2012 года.В перспективе на 2012/13 гг. — разработка следующего измерительного оборудования:
- блок измерения QRR;
- блок измерения dV/dt;
- зажимные устройства на различные усилия, обладающие системой поддержания необходимой температуры;
- блок измерения времени жизни носителей заряда.
В более долгосрочной перспективе — создание развернутой линейки измерительного оборудования, под все основные нужды, в том числе и для измерения IGBT.
