Испытания на прочность: как одна идея превратилась в проект по импортозамещению

Воронежский Научно-исследовательский институт электронной техники (АО «НИИЭТ») исторически специализируется на разработке и производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. В 1965 году именно на этом предприятии, в то время называвшемся Центральное конструкторское бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов, была создана первая отечественная твердотельная микросхема.

Недавно предприятие разработало две установки для проведения испытаний собственной продукции, которые позволили решить поставленные перед ними задачи в рамках лаборатории НИИЭТ, в том числе обеспечив автоматизацию испытаний и сокращение временных затрат на их проведение. Глядя на успешный опыт, решили создать на их основе испытательное оборудование, которое можно было бы предложить широкому рынку.

Создание стенда «СИТ»

Изначально необходимость создания стенда для термоэлектротренировки и испытаний на сохранение работоспособности возникла в связи с реализацией опытно-конструкторских работ по разработке мощных транзисторов для нужд космической отрасли. В технических условиях на данные компоненты было прописано требование отбраковки изделий по результатам испытаний под нагрузкой в течение 4 часов. Таким образом, прежде чем попасть к заказчику, каждый изготовленный компонент должен был проработать на стенде почти 170 суток. Для сокращения сроков поставки, а также снижения конечной стоимости транзисторов с заказчиком было согласовано применение ускоренных испытаний. Это позволило бы сократить длительность испытаний до 6 часов, однако для достижения релевантных результатов требовался точный контроль температуры на фланце каждого отдельного компонента в течение всего цикла испытаний. На тот момент готовых решений, подходящих для выполнения данной задачи, не существовало. Предприятия, специализирующиеся на разработке подобного оборудования, были готовы сделать такой стенд, но его стоимость оказалась слишком высокой.

Тогда было принято решение самостоятельно разработать и изготовить нужный стенд. В конце мая 2021 года первый образец стенда прошел метрологическую экспертизу и аттестацию, а через месяц был введен в эксплуатацию на предприятии. Вскоре была создана вторая установка, которая также была внедрена в собственной лаборатории НИИЭТ.

На разработку стендов ушло около шести месяцев работы. В проекте было задействовано 25 человек.

С помощью этих стендов была успешно выполнена задача по организации отбраковки силовых транзисторов космического назначения. Это, в частности, позволило заказчику заместить в своей продукции ранее использовавшиеся зарубежные транзисторы на отечественные аналоги, произведенные в НИИЭТ.

Главными преимуществами разработанных стендов стали:

1. применение контактного метода термостатирования с помощью теплоотводящих пластин с жидкостным теплообменом, что обеспечило высокую точность поддержания температуры корпусов компонентов с большим тепловыделением;

2. индивидуальный контроль температуры каждого испытываемого компонента.

Хотя изначально стенды создавались для отбраковочных испытаний конкретных изделий, при использовании сменной оснастки они могли применяться для испытаний компонентов и в других корпусах. Кроме того, использованная в установках схема термостатирования могла использоваться не только для отвода тепла от компонентов с высокой выделяемой мощностью, но и для нагрева менее мощных компонентов. Оказалось, что созданное для собственных нужд оборудование обладало очевидным потенциалом для разработки на его базе стендов, которые можно было бы предлагать на рынке для решения более широкого круга задач.

Их разработка была начата в конце 2021 года. Проект предусматривал создание шести моделей стендов «СИТ» рассчитанных на одновременное испытание 30, 50 и 70 изделий в режимах статической и динамической электрической нагрузки.

В настоящий момент проект находится на завершающей стадии. Планируется подготовка к началу производства стендов «СИТ», которое будет полностью размещено на собственной производственной площадке АО «НИИЭТ». Исходя из опыта создания двух стендов для собственных нужд предприятия, ожидаемая рыночная стоимость таких установок будет существенно ниже наиболее близких им аналогов, имеющихся на рынке.

Помимо отбраковочных испытаний при изготовлении изделий, к которым предъявляются особые требования к качеству и надежности, как, например, для космической отрасли, стенды «СИТ» могут применяться для испытаний опытных образцов вновь разрабатываемых электронных компонентов, определения предельных режимов работы, а также для испытаний компонентной базы для таких областей, как автомобильная электроника, медицинская техника, промышленная автоматика, и в других сферах.

Благодаря высокой точности и широкому диапазону задания параметров тепловой и электрической нагрузки, возможности контроля температурного режима каждого компонента в отдельности стенды могут использоваться для испытаний под нагрузкой не только дискретных компонентов, но и микросхем с повышенным тепловыделением, например, усилителей или интегральных схем источников питания.

Установка «АКТУ-001»

В отличие от стендов «СИТ», создание которых «выросло» из требований конкретного проекта, идея разработки установки для испытаний электронных компонентов на тепловой удар возникла из внутренних потребностей компании.

Испытания на тепловой удар – неотъемлемая часть процесса разработки и производства ЭКБ. К электронным устройствам предъявляются повышенные требования надежности в жестких условиях эксплуатации. Цель испытаний – определить способность изделий сохранять внешний вид и технические характеристики, включая герметичность, при воздействии перепадов температур окружающей среды.

Эти требования наиболее жесткие в оборонной промышленности, но подобные испытания необходимы и в гражданском производстве, таком как создание автомобильной, железнодорожной, авиационной техники, аппаратуры связи, систем управления и мониторинга промышленных объектов. Особенно важно соответствие этим требованиям для ЭКБ, применяемой в устройствах, работающих вне помещений или в условиях Крайнего Севера либо размещающихся на поверхностях с высоким тепловыделением, например, непосредственно на двигателях.

В АО «НИИЭТ» эти испытания раньше проводились с помощью установки, включающей камеры тепла и холода: корзины с испытуемыми изделиями переносились из одной камеры в другую с соответствующей выдержкой в каждой камере. Но перенос выполнялся вручную, что вызывало ряд проблем:

• испытания были подвержены влиянию человеческого фактора;

• оператор, выполняющий испытания, не мог отойти от установки даже на пять минут в течение нескольких часов, что физически сложно для человека;

• такой подход слишком затратный с точки зрения использования человеческих ресурсов: инженер с высшим образованием должен переносить изделия из камеры в камеру, вместо того чтобы выполнять более квалифицированные задачи.

В связи с этим было принято решение разработать автоматическую установку, обеспечивающую как точное поддержание температур в камерах тепла и холода, так и перенос корзины с изделиями из камеры в камеру с помощью привода, управляемого электронным блоком.

В качестве требований к режимам испытаний был выбран метод 205-3 стандарта ГОСТ 5962-004.2-2012: эти требования наиболее жесткие, и, удовлетворив их, можно было рассчитывать, что установка позволит проводить испытания на термоудар ЭКБ в наиболее широком спектре применений.

Еще одной особенностью этой установки стала возможность применения в ней в качестве охлаждающей жидкости спирта или жидкого азота. Обычно в подобном оборудовании используются достаточно дорогие специализированные жидкости-теплоносители. Применение спирта позволяет значительно экономить на стоимости теплоносителя. При этом температура в камере холода может поддерживаться в диапазоне от -60 до 0°C. Если в качестве теплоносителя выступает жидкий азот, то в камере холода может быть достигнута температура -196°C. Испытания при такой температуре – одно из требований стандарта, но в большинстве испытательных установок, имеющихся на рынке, используется многоконтурная система охлаждения, которая не позволяет получать такое значение температур. В камере тепла температура может быть задана в пределах от +30 до +200°C.

Следует отметить, что конструкция «АКТУ-001» позволяет создавать на ее основе установки с различными размерами камер тепла и холода в соответствии с требованиями заказчика.

Дальнейшие планы

Презентация проектов по созданию испытательного оборудования «СИТ» и «АКТУ-001» прошла на международной выставке Testing&Control в Москве в октябре 2022 года, а месяцем позже, на выставке «Электроника России», институт показал готовый образец установки для испытаний на термоудар. На данный момент уже заключено несколько договоров на поставку «АКТУ-001» – заказчиками выступили предприятия, специализирующиеся на разработке и производстве электронных компонентов.

Хотя проект по разработке стендов «СИТ» еще не завершен, к этому оборудованию уже есть интерес со стороны промышленников. С учетом конкретных запросов создаются более специализированные, нежели «АКТУ-001», стенды, предназначенные, в первую очередь, для испытания компонентов с высоким тепловыделением и при повышенных требованиях к точности поддержания режимов, что ограничивает количество одновременно испытываемых компонентов.

Поэтому сейчас наши инженеры планируют разработать еще одну установку, предназначенную для термоэлектротренировки электронных компонентов с низким тепловыделением. В ней будет применяться не контактный, а конвекционный метод поддержания температуры компонентов. Конечно, он обладает меньшей точностью и не позволяет задавать температуру компонентов индивидуально, зато обеспечивает большую пропускную способность – до нескольких тысяч компонентов за цикл в зависимости от их размеров.

Эта разработка позволит расширить круг потенциального использования оборудования. Среди тех, кто уже стал нашими клиентами, есть разработчики и производители электронных компонентов и отраслевые испытательные лаборатории. Всем им необходимо качественное и финансово доступное отечественное оборудование, которое бы подходило для решения их конкретных задач.