La conception d'un instrument capable de mesurer des courants très faibles et ayant un étage de puissance capable de produire 3000V est extrêmement difficile, comme a pu le constater l'équipe de conception Keithley Instruments lors de l'élaboration de l'unité de mesure de source (UMS) modèle 2657A High Power SourceMeter®. Kevin Cawley, ingénieur chez Keithley, raconte les défis rencontrés et la façon dont l'équipe a été en mesure de les surmonter.
Pendant le développement de l'unité de source et mesure (SMU) modèle 2657A High Power SourceMeter® de Keithley, l'équipe de conception a rencontré une série de problèmes liés aux niveaux de tension élevés qui étaient en jeu. La dernière SMU haute tension qu'avait développée Keithley était une unité 1100V/20W introduite dans les années 1990. Le modèle 2657A, qui est équipé d'une source d'alimentation ±3000V, 200W, est l'instrument de tension la plus élevée que nous ayons jamais conçu, afin de caractériser et tester la prochaine génération de semi-conducteurs de haute puissance, cependant, cet instrument nécessite également une précision de mesure allant jusqu'à la centaine de femtoampères. Ces différentes exigences nous ont contraints de réévaluer toutes les pratiques de sécurité, depuis les laboratoires de conception jusqu'aux installations de fabrication, d'étalonnage et de réparation. Il nous a également fallu faire preuve d'une discipline et d'une ingéniosité exceptionnelles en termes de conception.
Nous avons rencontré des difficultés liées à certains aspects que les concepteurs peuvent généralement prendre pour acquis, tels que les composants et équipements utilisés, les techniques de débogage, et surtout le calendrier du projet : quasiment tout a été plus difficile, plus coûteux et plus laborieux que pour un projet portant sur une tension inférieure. En outre, d'un point de vue plus général, nous avons dû prendre en compte la manière dont les clients utiliseraient le produit et dont le personnel commercial et technique en feraient la démonstration. Il était essentiel de s'assurer que le système serait simple à utiliser et à présenter. Des appareils de test spéciaux ont également été nécessaires pour assurer la sécurité de l'utilisateur et éviter d'endommager d'autres équipements intégrés dans le système.
La sécurité d'abord
Notre première étape a consisté à préparer les gens et l'environnement de travail aux nouvelles exigences de sécurité. Cela a nécessité une formation interne de sécurité personnelle pour travailler avec des tensions élevées et une formation en RCR pour nos équipes de conception et de fabrication. Ensuite, nous avons mis au point une formation pour la sécurité des utilisateurs finaux du produit. Nous avons également créé de nouvelles zones de laboratoire de haute tension pour l'ingénierie, la fabrication, l'étalonnage et la réparation sur notre site des États-Unis et dans notre implantation internationale. Nous les avons dotés d'un système de mise hors tension d'urgence et d'interrupteurs de verrouillage de sécurité.
Axés sur la conception d'un produit sans danger pour nos clients, nous avons fait participer notre équipe de sécurité dès les premières étapes de notre effort de conception. Nous l'avons aidée à mettre au point un principe d'isolation des blocks du système (IBD), en définissant les groupes de circuits de tension, déterminant l'espacement requis pour les lignes de fuite et les distances d'isolement entre chaque groupe. Ces règles d'espacement de tension sont définies par des normes internationales. Ces exigences ont posé de nombreux défis d'aménagement mécanique et électrique, certains groupes de circuits nécessitant plus de 5cm d'espacement entre eux. La possibilité d'intégrer ces règles d'espacement de tension dans le logiciel de CAO de conception de PCB nous a aidés à appliquer les règles d'espacement de l'IBD dans le cadre du routage des PCB ; nous avons également utilisé le logiciel de CAO mécanique 3D pour voir l'espacement entre cartes et l'espacement entre cartes et châssis avant de construire les cartes.
Nous avons ainsi mis au point une variété de solutions novatrices pour minimiser l'impact de ces exigences d'espacement. Dans un cas, les vis sur châssis utilisées pour monter la carte analogique principal nous auraient contraints à maintenir les composants analogiques ou les pistes à au moins 17mm de chaque tête de vis. La grande taille de la carte exigeait 12 emplacements de montage, qui nous auraient obligés à laisser beaucoup d'espace inoccupé sur le PCB. Afin de minimiser cette perte d'espace sur le PCB, nous avons développé un dispositif de fixation mécanique qui isole du châssis la vis plantée dans le PCB, assurant la ligne de fuite nécessaire entre la vis et le châssis. En faisant « flotter » la tête de vis, nous avons libéré cet espace sur le PCB pour l'utiliser pour le placement des composants. Dans d'autres cas, le seul moyen d'obtenir l'espacement requis était de séparer les groupes de circuits physiquement sur plusieurs PCB plus petits.
Un autre défi résidait dans les communications numériques à grande vitesse entre la carte à microprocesseur sur châssis et la circuiterie analogique flottante. Nous pouvons généralement utiliser des isolateurs numériques multi-canaux du commerce pour répondre à nos exigences d'espacement de tension. Dans ce cas-ci, étant donné qu'il n'existe pas de solution à composant unique, nous avons fini par utiliser de la fibre optique avec des émetteurs et des récepteurs distincts pour obtenir l'espacement haute tension. Il s'agit d'une solution coûteuse, qui utilise des composants de grande dimension. Par conséquent, afin de minimiser l'impact en termes d'espace et de coût, nous avons repensé notre système de communication, qui utilisait initialement huit signaux, et l'avons ramené à une solution à trois signaux. Un avantage de l'utilisation de fibre avec des émetteurs et des récepteurs distincts est que nous avons ainsi pu déplacer les signaux de communication du châssis sur la carte analogique flottante principale, libérant ainsi de l'espace sur le PCB que nous avons pu réserver à la ligne de fuite entre les circuits analogiques et les signaux de communication sur le châssis.
Même avec toutes les informations fournies par les outils de CAO de pointe que nous avons utilisés, nous avons de temps à autre été surpris par le ''zap'' d'un arc électrique lors de la mise sous tension de nouvelles révisions, manière peu subtile de nous rappeler que quelque part, nous n'avions pas réservé l'espacement suffisant. Au fur et à mesure qu'avançait notre projet de conception, nous avons commencé à organiser des contrôles de sécurité réguliers pour traiter les nouveaux problèmes dès qu'ils apparaissaient. En affinant le produit, nous avons dû sans cesse ajuster et affiner l'IBD.
Refonte complète des techniques de conception
La conception d'un instrument capable de mesurer des courants très faibles et ayant un étage de puissance capable de produire 3000V est extrêmement difficile. Les précédentes SMU de cette famille de produits étaient seulement capables de produire des tensions allant jusqu'à 200V. Pour cette conception, le niveau d'énergie contenu dans les capacités du circuit a été multiplié par plus de 100 (E=0.5*C*V^2) pour une tension multipliée par près de 10. En outre, les composants reliés au 3000V et à la partie faible courant, y compris le PCB, exigeaient des impédances supérieures à 3000V/100fA ou 3E18 ohms. Tout cela nous a contraints de repenser les techniques de routage, les techniques de garde et de protection, et la sélection des composants d'isolation qui couvraient la tension de sortie vers un n½ud sensible à courant faible.
Dans cette conception particulière, la section de mesure de courant intégrait de nombreux composants MOSFET de dérivation et de commutation de plages. En outre, nous avons utilisé plusieurs condensateurs de compensation pour connecter les tensions de sortie à la section de mesure du courant. Bien que ces parties aient bien fonctionné sur des produits semblables basse tension, la tension plus élevée de cette conception faisait que les condensateurs stockaient beaucoup plus d'énergie (E=CV^2) que dans les conceptions basse tension. En conséquence, quand un composant sous test (DUT) était soudain court-circuité, cette énergie était déversée dans la partie mesure de courant, endommageant ces composants MOSFET extrêmement fragiles et entraînant soit une défaillance totale des MOSFET, soit une aggravation de la fuite. C'est pourquoi nous avons dû développer des méthodes novatrices afin de réduire la tension ou de réacheminer cette énergie autour des circuits afin de protéger ces composants sensibles. Ces circuits de dérivation devaient soit avoir une impédance inhérente élevée, soit être gardés et atteindre ce niveau élevé d'impédance. Parmi les composants à problème figuraient les condensateurs de compensation qui reliaient la haute tension au circuit de détection de courant. Ces éléments ne pouvaient pas être gardés, et devaient néanmoins atteindre une impédance élevée. Après une longue recherche, nous avons finalement identifié un condensateur de compensation qui pourrait traiter la haute tension tout en garantissant un faible courant de fuite, ainsi que respecter d'autres paramètres essentiels, tels que la taille des pièces ou l'absorption diélectrique.
Trouver des condensateurs à haute tension qui convenaient est loin d'avoir été la seule difficulté que nous ayons rencontrée lors de l'achat des composants. Relier les conducteurs de source et de sense au DUT nécessitait des câbles triaxiaux faible bruit capables de résister à 3000V entre le centre et la garde et entre la garde et la protection. Il fallait également avoir une faible fuite entre le centre et la garde pour permettre des mesures inférieures au picoampère. Avant que nous lancions ce projet, un tel câble n'existait tout simplement pas. Nous avons par conséquent commencé à travailler avec des fabricants de câbles pour en développer un conformément à nos spécifications. Une fois que nous avions un câble défini et vérifié, nous sommes passés au développement de connecteurs triaxiaux capables de répondre à nos spécifications de haute tension et de faible fuite, ainsi qu'à nos exigences de sécurité. Cette conception de connecteur devait être adaptable à une grande variété d'applications, y compris le montage des cartes, le montage sur panneaux et le passage à travers les parois. Nous avons contacté une demi-douzaine de fabricants de connecteurs, mais un seul avait la capacité de concevoir un connecteur triaxial haute tension sur mesure.
L'impression 3D à la rescousse
En fin de compte, la tâche la plus compliquée pour la conception de composants était de créer un relais de sortie qui puisse basculer la haute tension, résister à deux fois la tension maximale, et assurer une faible fuite. Nous voulions être en mesure d'utiliser ce relais en tant que relais de marche/arrêt de sortie pour le produit, ainsi que dans un système de commutation. Cela compliquait la définition du relais, car chaque application de relais était assortie d'exigences différentes en matière d'espacement de sécurité. Ces différentes exigences ont dû être combinées dans une définition de relais unique basée sur la distance de sécurité correspondant aux exigences les plus strictes. Nous avons commencé à travailler avec les ingénieurs de deux fournisseurs différents pour développer des solutions possibles, valider les prototypes, puis tester leurs capacités. Après avoir tenu de nombreuses réunions et testé plusieurs prototypes, nous avons déterminé qu'un relais Reed à ''garde fendue'' serait la meilleure solution. Nos tests de prototypes nous ont permis de déterminer le meilleur matériau pour fournir l'isolation élevée et le faible courant de fuite dont nous avions besoin. À cette époque, un seul fournisseur de relais était en mesure de nous proposer une solution. Pour compliquer encore la conception, quelques-unes des lignes de fuite requises ne pouvaient pas être obtenues par l'utilisation de bobines du commerce. Cela a incité les fabricants de relais à mettre au point des conceptions de bobines novatrices pour répondre à nos exigences tout en conservant la possibilité de fabriquer le relais. Le fournisseur a utilisé l'impression en 3D, qui lui permettait de développer rapidement des prototypes de bobines pour accélérer les examens et les tests. En fin de compte, nous avons un relais robuste qui répond à nos exigences strictes.
Les processus de conception et de débogage ont pris beaucoup plus de temps que dans les précédents projets de SMU, en raison de la complexité inhérente au prototypage de conception à haute tension et des mesures de haute tension. Par exemple, pour préparer les premiers prototypes de cartes, nous avions besoin d'acquérir une alimentation haute tension, courant élevé pour alimenter les circuits pour le débogage. Nous avions également besoin de trouver ou, dans certains cas, de développer nos propres sondes AC et DC pour effectuer les mesures de haute tension. Les circuits flottants sont fréquents dans les SMU et certains peuvent flotter à une tension de 3kV. Une analyse approfondie était nécessaire pour déterminer où placer des sondes et quel équipement utiliser pour effectuer des mesures précises. Tout le matériel devait être mis à la terre pour assurer un fonctionnement sans danger. Avec l'augmentation d'énergie résultant de la haute tension, toute erreur de mesure risquait d'endommager le matériel de test ou les circuits SMU en cours de test, entraînant des temps d'arrêt pour réparation extrêmement onéreux. Dans de nombreux cas, un arc à haute tension sur la carte entraînait plusieurs jours de débogage et de réparation en raison du nombre de composants endommagés. Tant que nous n'avions pas déterminé la source d'un problème, nous devions répéter le processus de mise sous tension d'une unité, exécuter le test jusqu'à ce que l'arc se produise et espérer en détecter la source, réparer l'unité et recommencer le test. Dans certains cas, nous avons dû travailler dans une pièce sombre pour repérer la source de l'arc.
Le simple fait d'effectuer des mesures était difficile étant donné les hautes tensions qui étaient en jeu. La procédure habituelle consistait à démarrer hors tension, à déterminer le test requis, à fixer les sondes, à mettre l'unité sous tension, puis à effectuer la mesure. Déplacer une sonde nécessitait de mettre l'unité hors tension, de déplacer la sonde, puis de remettre l'unité sous tension pour effectuer la mesure suivante. Cette routine était extrêmement laborieuse, mais elle était la seule manière pour nous de travailler en toute sécurité avec de hautes tensions flottantes. Du fait des tensions élevées, il était également impossible de gérer un DUT sous tension ; les DUT étaient situés dans un appareil verrouillé qui devait être ouvert (en mettant l'appareil hors tension) avant de changer le DUT et de recommencer le test.
Lors de la conception d'instruments basse tension, les ingénieurs peuvent généralement identifier les composants chauds ou endommagés en les touchant. Cela n'était pas possible avec le modèle 2657A. Une caméra vidéo thermique fut une ressource inestimable pour trouver ces éléments sans danger. Lorsqu'un arc se produisait, cette caméra nous aidait également à identifier rapidement les zones endommagées du circuit.
Figure 1. L'imagerie vidéo thermique a été utilisée pour identifier les composants chauds ou endommagés sur les PCB durant l'évolution de la conception du modèle 2657A.
Concevoir la SMU modèle 2657A proprement dit ne fut qu'une partie du processus de développement de système courant élevé / haute tension. Les utilisateurs avaient besoin d'un appareil de test haute tension verrouillé pour connecter leurs DUT et l'équipe commerciale en avait besoin pour présenter les capacités de l'instrument en toute sécurité. Des boîtiers d'interface spéciaux étaient nécessaires pour relier les bornes LO de plusieurs instruments haute et basse tension sans danger entre elles, ainsi que des modules d'interface à protection spéciale capables de connecter les bornes HI de plusieurs instruments basse et haute tension et de protéger les instruments basse tension contre les dommages en cas de défaillance de l'appareil. Enfin, nous avons dû concevoir un moyen de câbler et de relier à la terre plusieurs instruments et boîtiers d'interface, réunis dans un système à plusieurs configurations .
Figure 2. Configuration de système de test illustrant le câblage et les connexions pour mesurer les caractéristiques de MOSFET avec le modèle 2657A et une autre UMS Keithley.
La conception d'instruments à haute tension donne lieu à toute une série de défis de prototypage et de test d'un genre nouveau. Certaines choses qui peuvent généralement être considérées comme acquises, comme par exemple l'existence d'instruments de laboratoire adaptés et de laboratoires proprement dits, ainsi que les exigences de câblage, de mise à la terre et de verrouillage de sécurité, sont autant d'aspects qui demandent une attention particulière. Au lieu d'un seul PCB, il nous fallait plusieurs petits PCB pour répondre aux exigences d'espacement des groupes de tension pour les lignes de fuite et l'espacement. Le débogage du système était beaucoup plus complexe en raison de la difficulté d'effectuer des mesures en raison des hautes tensions qui étaient en jeu. Même quelque chose d'apparemment aussi simple que de connecter deux instruments au même DUT était compliqué. Ces complications ont également fait qu'il a été difficile d'éviter les retards. Malgré tous les défis qui ont compliqué le processus, nous avons créé un design de système haute tension qui combine haute sécurité pour les utilisateurs et les équipements de test et toutes les capacités de caractérisation qu'exige la prochaine génération de semi-conducteurs. En même temps, nous avons substantiellement développé nos propres capacités de mise au point de produits, en développant de nouvelles compétences et pratiques que nous pouvons appliquer au prochain projet de conception de haute tension que nous entreprendrons.
Note biographique
Kevin Cawley est ingénieur en chef chez Keithley Instruments, Inc., société dont le siège est à Cleveland, dans l'Ohio, et qui fait partie du portefeuille de test et mesure de Tektronix. Il possède plus de 25 années d'expérience dans la conception analogique, dans les domaines de l'instrumentation, de la conception d'alimentations électriques et la simulation. Il a décroché son BSEE à la Cleveland State University et est titulaire d'un MSEE de l'Illinois Institute of Technology.
