（检测技术与自动化装置专业论文）opc与spc集成技术在半导体生产中的应用.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步和企业之间竞争的不断加剧，产品质量关系着企业的成 败。s p c 即统计过程控制( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是质量控制的一种重 要工具，其系统主要是指应用统计分析技术对生产过程进行实时监控，科学 的区分出生产过程中产品质量的随机波动与异常波动，从而对生产过程的异 常趋势提出预警，以便生产管理人员及时采取措施，从而达到提高和控制质 量的目的。通过在企业中实施s p c ，实现对产品稳定性的实时监控和预测， 从而达到发现异常、及时改进、减少制造成本、降低废品、改善总体设备效 能、提高产品合格率及产品效能等作用。对企业的质量控制有着至关重要的 作用。 但在实施s p c 系统时数据采集无法满足现代企业的需要。一方面，控制 和检测仪器繁多，s p c 系统与它们之间，缺乏统一的连接标准，使得s p c 系 统往往需要供应商为硬件设备开发专用的驱动程序，这样一旦硬件设备升级 换代，就需要对相应的驱动程序进行更改，增加了系统的维护费用。 另一方面，存在着底层数据如何与其它计算机进行信息沟通和传递的问 题。由于生产测试设备是不同厂商开发的，底层数据与计算机之间缺乏有效 的通信接口，因此通信规范问题成为了制约s p c 系统的瓶颈一“信息孤岛”。 而o p c 技术的出现解决了上述问题。 本文结合了飞利浦半导体有限公司的实际情况。首先，介绍了针对于半 导体芯片的测试数据，如何实施s p c 的过程，通过对实际情况的分析和研究 确定了b s 架构的s p c 分析系统，并利用o w c 、a s p 和a d o 等关键技术 成功的构建出了s p c 分析系统。然后，阐述了o p c 技术的规范和接口，结 合实际要求，开发出了o p c 客户端系统。最后，通过数据库和o p c 服务器 选型工作，成功地将s p c 与o p c 技术结合在一起。实现了s p c 与o p c 在半 导体生产中的集成。 文中提出的o p c 技术与s p c 技术的集成技术，是先进自动化测试技术 与质量控制的完美结合，尤其是基于数据库的s p c 系统，它以数据库形式记 录存储数据，实现数据共享，具有良好的系统性。再结合o p c 数据采集， 实现“实时监控”过程，可动态了解当前产品的质量状况。而且通过w e b 的方式使用s p c 分析系统，无需对客户端进行配置和限制，提高了s p c 系 统的兼容性和扩展性，对于大批量的半导体生产尤其有益。 关键词：o p c 、统计过程控制、数据库、半导体 篓童三些查兰堡主兰些堡塞 。 a b s t r a c t w i t ht h ef a c t s t h a ta d v a n c eo fs o c i e t ya n dt h ei n c r e a s i n g l ya g g r e s s i v e c o m p e t i t i o na m o n gt h ee n t e r p r i s e s ，p r o d u c tq u a l i t y r e l a t e st ot h es u c c e s so r f a i l u r eo ft h eb u s i n e s se n t e r p r i s e s p c ，s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ，i so n ek i n d o fi m p o r t a n ti m p l e m e n to ft h ec o n t r o lq u a l i f yw h o s es y s t e mi sm a i n l yt oc a r r y o u tr e a lt i m es u p e r v i s o r ya n ds c i e n t i f i c a l l yd i s t i n g u i s hf l u c t u a t i o no fp r o d u c t q u a i l f yj se i t h e rr a n d o mo ra b n o r m a li n c o u r s eo fp r o d u c i n gt h r o u g ha p p l y i n g s t a t i s t i c a n a l y s i s t h e r e b y s p cs y s t e mi sa b l et o p r e d i c tw a r n i n gt o t h e a b n o r m a lt r e n di nt h ep r o d u c t i o n ，t h e np r o d u c tm a n a g e m e n tc a na d o p tm e a s u r e i nt i m et og e tt h eg o a lt h a tq u a l i f yo fp r o d u c tc a nb ei m p r o v e da n dc o n t r o l l e d b yp u t t i n gs p ci n t op r a c t i c ei ne n t e r p r i s et or e a l i z et h er e a lt i m es u p e r v i s o r y c o n t r o la n df o r e c a s tt op r o d u c ts t a b i l i t y , e n t e r p r i s ec a no b t a i nt h eb e n e f i tt h a t d i s c o v e r i n ga b n o r m a l ，t i m e l yi m p r o v e m e n t ，c u t t i n gd o w nc o s to fm a n u f a c t u r e ， r e d u c i n gad i s c a r d ，i m p r o v i n gt h ee q u i p m e n te f f i c a c y ，i m p r o v i n gg o o dr a t e so f p r o d u c t ，t h ep r o d u c te f f i c a c ya n ds oo n t h u s ，i ti sc r u c i a lt oc o n t r o lq u a l i f yi n e n t e r p r i s e s b u tw h e nc a r r y i n gs p cs y s t e me x e c u t i o n ，t h ed a t ac o l l e c t i o nc a nn o ts a t i s f y w i t hm o d e r ne n t e r p r i s ed e m a n d o no n eh a n d ，t h ec o n t r o l l i n ga n dd e t e c t i n g i n s t r u m e n t sa r es on u m e r o u st h a tt h e r ei sl a c ko ft h eu n i f i e dc o n n e c t i o ns t a n d a r d b e t w e e ns p cs y s t e ma n dt h e m g e n e r a l l yi tr e s u l t si nt h a ts p cs y s t e mr e q u i r e s t h eh a r d w a r e s s p e c i a l p u r p o s e d r i v e r p r o v i d e db ys u p p l i e r s o n c e t h e e q u i p m e n te s c a l a t e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gd r i v e rn e e dt ob eu p g r a d e da n dc a nn o t b u tt h i sw i l ll e a dt oi n c r e a s et h es y s t e m a t i cm a i n t e n a n c ec o s t o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ei sa n o t h e ri s s u et h a th o wt h ed a t ai sc o m m u n i c a t e d a n dd e l i v e r i e db e t w e e nt h ep l a n ta n dc o m p u t e r s s i n c ed e t e c t i n ge q u i p m e n t so f p r o d u c t i o nc o m ef r o md i f f e r e n tf i r m s ，t h e r ei ss h o r to fe f f e c t i v ec o m m u n i c a t i n g i n t e r f a c eb e t w e e n p l a n t a r e aa n d c o m p u t e r c o n s e q u e n t l yc o m m u n i c a t i n g c r i t e r i o nb e c o m e st h eb o t t l e - n e c kr e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fs p cs y s t e m t h a ti sa l s oc a l l e d “i s l a n di s o l a t e df r o mi n f o r m a t i o n ”h o w e v e r ，t h em e n t i o n e d a b o v ep r o b l e m sh a v eb e e ns o l v e df o rt h er e a s o nt h a to p ct e c h n o l o g ye m e r g e s t h i sp a p e rb a s e so nt h ea c t u a lc o n d i t i o ni nt h ej i l i np h i t i p ss e m i c o n d u c t o r c o m p a n y a tf i r s t ，1i n t r o d u c eh o wt oi m p l e m e n ts p ca i m i n ga t t e s td a t at o s e m i c o n d u c t o rc h i p ，s e l e c tb sa st h es p ca n a l y s i ss y s t e m ss t r u c t u r ea f t e r c o n s i d e r i n ga n da n a l y z i n gt h ef a c ti nt h ec o m p a n y , a n ds e t u pi tb yu t i l i z i n gt h e 玎 长春工业大学硕士学位论文 k e yt e c h n o l o g yc o n t a i n i n go w e ，a s p , a d oa n ds oo n s e c o n d l y ，id e s c r i b et h e c r i t e r i o nd e f i n i t i o no fo p ca n d d e v e l o pt h e o p cc l i e n tt oc o l l e c tt h e s e m i c o n d u c t o rt e s t i n gd a t aa f t e rt h i n k i n ga b o u ta c t u a ln e e d f i n a l l y , t h r o u g h c h o o s i n gt h ed a t a b a s ea n do p cs e r v e rs o f t w a r e ，t h es p ci ss m o o t h l yt o g e t h e r w i t ho p ct or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fs p ca n do p ci nc o u r s eo fs e m i - c o n d u c t o r p r o d u c t 7 i nt h i sp a p e r ，b r i n g e df o r w a r dt h eo p ci n t e g r a t e dw i t hs p ct e c h n o l o g yt h a t i st h ep e r f e c tc o m b i n a t i o na d v a n c e da u t o m a t i o nm e a s u r e m e n tw i t hq u a l i f i e s c o n t r 0 1 e s p e c i a l l ys p cs y s t e mw h i c hb a s e do nd a t a b a s ec a ns t o r et e s td a t at o d a t a b a s e ，r e a l i z e st h ed a t as h a r ea n dh a st h ef i n e l ys y s t e m a t i c a n do p ci su s e d t oc o l l e c td a t at om a k e ”r e a lt i m es u p e r v i s o r yc o n t r o l ”c o m et ot r u ea n dg r a s p t h ec u r r e n ta n dd y n a m i cs i t u a t i o no fp r o d u c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h r o u g hw e bt o a s s e s st os p cs y s t e m ，t h ec l i e n t sh a v en o tn e c e s s i t yt oc o n f i g u r a t i o na n d l i m i t i n gs os y s t e m a t i cc o m p a t i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo fs p cg e ti m p r o v e m e n t i th a ss p e c i a l l yb e n e f i t e dt os e m i - c o n d u c t o rp r o d u c t i o no fb i gb a t c h e s k e yw o r d s ：o p c 、s p c 、d a t a b a s e 、s e m i - c o n d u c t o r i l l 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：彘甾 日期：- 。7 年月彳日 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1o p c 和s p c 集成技术应用在半导体生产中的现实意义 s p c 即统计过程控制( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 。其系统主要是指应用 统计分析技术对生产过程进行实时监控，科学的区分出生产过程中产品质量 的随机波动与异常波动，从而对生产过程的异常趋势提出预警，以便生产管 理人员及时采取措施，消除异常，恢复过程的稳定，从而达到提高和控制质 量的目的【1 1 。s p c 技术在半导体生产行业中有着广泛的应用1 2 】。 s p c 技术应用在传统的半导体制造行业，出现了一些问题。智能设备之 间及智能设备与s p c 系统之间的信息共享是通过驱动程序来实现的，不同厂 家的设备又使用不同的驱动程序，迫使s p c 软件中包含了越来越多的底层通 信驱动模块。另外，在同时刻，两个客户应用程序一般不能对同一设备进 行数据读写，因为他们有不同的、独立的驱动程序，同时对同一设备进行操 作，可能会引起存取冲突，甚至导致系统崩溃。 同时微电子、计算机、通信和网络等技术爆炸式发展，使得半导体生产 领域发生着深刻的变化，控制系统越来越多地活跃在生产现场，可以提供以 前无法得到的大量信息。这些信息不仅包括现场的温度、压力、速度等被测 参数，也包括装置本身的运动状况和组态参数，与此同时，现场总线得到了 迅速的发展，它通过标准化的数字通信链路将控制装置与远程监控计算机连 接起来，实现了数据传输与信息共享，形成全新的分布式控制系统。 当大量现场信息由智能仪表直接进入监控计算机或通过现场总线传至 监控计算机后，存在着计算机内部应用程序对现场信息的共享与交互问题。 由于缺乏统一的连接标准，s p c 软件往往需要为供应商提供的硬件设备开发 专用的驱动程序，这样一旦硬件设备升级换代，就需要对相应的驱动程序进 行更改，增加了s p c 系统的维护费用。 另一方面，现场控制层作为企业整个信息系统的底层部分，也存在着监 控计算机如何与其他计算机进行信息沟通和传递的问题。由于控制设备往往 是不同厂商开发的专用系统，互相之间兼容性差，与高层的商业管理软件之 问缺乏有效的通信接口，因此通信规范问题成为了制约s p c 系统突破“信息 孤岛”的瓶颈1 3 1 。 o p c 技术的出现解决了上述问题。o p c 全称是o l e f o r p r o c e s s c o n t r o l ， 是过程控制中的新兴标准，它的出现为基于w i n d o w s 的应用程序和现场过程 控制应用建立了桥梁。o p c 以c o m d c o m 机制作为应用程序级的通信标 准，采用客户服务器模式，把j f 发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三 长春工业大学硕士学位论文 方厂家，以o p c 服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾， 完成了系统的集成，提高了系统的开放性和互操作性。o p c 技术采用了 m i c r o s o f t 的c o m d c o m ( 组件对象模型分布式组件对象模) 技术，可以利 用以太网实现数据在服务器和客户端之问的传输。解决了数据采集系统中的 “信息孤岛”的问题【4 1 。利用o p c 技术可以将分散的半导体生产设备有效的 整合，为不同生产厂家的设备提供了统一的接口即o p c ，同时利用数据库将 o p c 技术与s p c 集成在一起，为半导体生产厂商提供可靠的，安全的，准 确的，及时的生产数据。生产层可以根据数据及时的发现生产线上的问题， 改善生产工艺，同时为管理层的决策提供了有力的证据。使得半导体行业提 高了工作效率，提高了产量。 1 2s p c 技术与o p c 技术在国内、国外研究现状 s p c 分析系统有十几种控制或监视图表，计量型图表有均值一级差图( x r 图) 等，同时可提供大量统计参数值；总体均值，总体标准差，样本均 值，样本标准差，c p ，c p k 等i s 。 o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是一个工业标准。它是由一些世界上占 领先地位的自动化系统，硬件、软件公司和微软合作而建立的、满足开放性 和互操作性接口标准。o p c 标准的建立基于微软的c o m 技术规范，并由o p c 基金会这个国际组织管理。o p c 为不同的厂商的硬件设备、软件和系统定义 了公共的接口，使得过程控制和工厂自动化中的不同的系统、设备和软件之 间能够互相连接、通信、操作。 o p c 基金会是在1 9 9 6 年9 月2 4 日在美国举行了第一次理事会，现在的 o p c 基金会是由美国的a b b ，f i s h e r r o s e m e n t ，h o n e y w e l l ，i n t e l l u t i o n ， r o c k w e l ls o f t ，n a t i o n a li n s t r u m e n t ，以及欧洲代表的s i e m e n s 和亚洲的东芝 所组成，到目前为止在全球范围内已有近3 0 0 家公司加入了这个国际组织。 同时由控制设备厂商和控制软件供应商提供的o p c 产品也日益增加，目前 已有6 0 0 种以上的o p c 服务器产品和o p c 应用程序出现在由o p c 基金会发 行的o p c 产品目录上 6 1 。在工程控制领域主要应用四个监控软件，i n t e l l u t i o n 公司的i f i x ( 3 5 ) 、g e 公司的c i m p l i c i t y ( 6 0 ) 、w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ( 9 5 ) 以及s i e m e n s 公司的w i n c c ( 6 o ) 都集成了对o p c 技术的支持【7 1 。 o p c 技术作为一项工业标准在国内得到了逐步的推广和应用，特别是近 年来引起了广泛的关注，不少高等院校、研究机关和制造厂商都展开了o p c 技术的研究和应用，如清华大学，中国科学院自动化研究所，浙江大学等， 进行了o p c 技术的研究和应用，并且取得了大量的成果1 3 】。 长春工业大学硕士学位论文 在应用方面，沈阳自动化研究所在开发新一代分布式控制系统时就采用 了o p c 技术，实现了上层应用软件通过o p c 服务器访问现场设备信息的功 能，同时还开发了o p c 软件包和相应控件。不少自动化仪表制造厂商在提 高硬件的同时也提供相应o p c 服务器1 3 1 。并且在国家8 6 3 计划重大目标产品 项目( 8 6 3 5 7 7 9 2 0 0 1 1 ) “生产过程自动化监控系统”中，o p c 技术已经成 为核心技术之一。现在基于o p c 技术的解决方案已经越来越多的应用在工 业过程控制领域中。 1 3 本文主要研究内容和解决方案 1 3 1 本文研究的主要内容 1 o p c 技术的实现途径及其应用方案。针对半导体芯片测试数据进行采集、 存储。 2 s p c 分析系统的设计。 3 o p c 与s p c 技术的集成。 1 3 2 解决方案 1 o p c 客户端的设计 o p c 服务器与客户端采用的是典型的c s 结构。o p c 服务器是一个典型 的现场数据源程序，它收集现场设备数据信息。o p c 客户应用程序是一个典 型的数据接收程序，通过o p c 标准接口与o p c 服务器通信，获取设备的各 项数据。o p c 服务器通常支持两种类型的访问接口，它们分别为不同的编程 语言环境提供访问机制。这两种接口是：自动化接口( a u t o m a t i o n i n t e r f a c e ) ；自定义接口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 。在此解决方案的接口部分使 用的是o p c 基金会提供的标准接口，这个接口被封装在了一个d l l 文件中 ( o p c d a a u t o d 1 1 ) 。结合m i c r o s o f t 公司的v b 语言编写o p c 客户端程序， 实现的功能如下： ( 1 ) 从o p c 服务器端读取数据。 。 ( 2 ) o p c 服务器与o p c 客户端的通信。 2 s p c 分析系统的设计 通过对飞利浦半导体有限公司实际情况的分析和研究，确定使用b s 架 构作为s p c 分析系统的架构，并利用o w c 、a s p 和a d o 等关键技术开发 s p c 分析系统。 3 o p c 与s p c 的整合 选择适合的o p c 服务器端软件和数据库软件，利用数据库实现o p c 技 长春工业大学硕士学位论文 术与s p c 的集成。 1 4 本章小结 本章首先介绍了o p c 与s p c 集成技术在半导体生产的意义，然后阐述 了这两项技术在国内、外的发展状况，最后讲解了本文主要研究的内容和解 决方案。 4 长春工业大学硕士学位论文 第二章半导体测试设备 2 1 半导体三极管及其测试参数 2 1 1 半导体三极管的基本结构 半导体二极管内部只有一个p n 结，若在半导体二极管p 型半导体的旁 边，再加上一块n 型半导体如图2 1 ( a ) 所示。由图2 - 1 ( a ) 可见，这种结 构的器件内部有两个p n 结，且n 型半导体和p 型半导体交错排列形成三个 区，分别称为发射区，基区和集电区。从三个区引出的引脚分别称为发射极， 基极和集电极，用符号e 、b 、c 来表示。处在发射区和基区交界处的p n 结 称为发射结，处在基区和集电区交界处的p n 结称为集电结。具有这种结构 特性的器件称为三极管。 三极管通常也称双极型晶体管( b j t ) ，简称晶体管或三极管。三极管 在电路中常用字母t 来表示。因三极管内部的两个p n 结相互影响，使三极 管呈现出单个p n 结所没有的电流放大的功能。 r 巢电辍 屯络 射拣 图2 - 1n p n 型三极 f 箍电陂 电结 射持 图2 2p n p 型三极 因图2 - 1 ( a ) 所示三极管的三个区分别由n p n 型半导体材料组成，所 以，这种结构的三极管称为n p n 型三极管，图2 - 1 ( b ) 是n p n 型三极管的 符号，符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。 根据同样的原理，也可以组成p n p 型三极管，图2 2 ( a ) 、( b ) 分别 为p n p 型三极管的内部结构和符号。 长春工业大学硕士学位论文 晶体管除了p n p 和n p n 两种之外，还有很多种类。根据三极管工作频 率的不同，可将三极管分为低频管和高频管；根据三极管消耗功率的不同， 可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。常见三极管的外形如图 2 3 所示。 图2 3 常见三极管的外形 图2 3 ( a ) 和图2 - 3 ( b ) 都是小功率管，图2 3 ( c ) 为中功率管，图 2 3 ( d ) 为大功率管。 2 1 2 三极管的电流放大作用 1 、三极管内部p n 结的结构 对模拟信号进行处理最基本的形式是放大。在生产实践和科学实验中， 从传感器获得的模拟信号通常都很微弱，只有经过放大后才能进一步处理， 或者使之具有足够的能量来驱动执行机构，完成特定的工作。放大电路的核 心器件是三极管，三极管的电流放大作用与三极管内部p n 的特殊结构有关。 从图2 - 1 和2 - 2 可见，三极管犹如两个反向串联的p n 结，如果孤立地 看待这两个反向串联的p n 结，或将两个普通二极管串联起来组成三极管， 是不可能具有电流放大作用。具有电流放大作用的三极管，p n 结内部结构 的特殊性是： ( 1 ) 为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导 体的掺杂溶度，且发射结的面积较小。 ( 2 ) 发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要 高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电 子。 长春工业大学硕l | 学位论文 ( 3 ) 联系发射结和集电结两个p n 结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。 上述的结构特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电 流的放大作用，除了三极管的内因外，还要有外部条件。三极管的发射极为 正向偏置，集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。 蹬 图2 - 4 共发射极电路图2 5 共发射极电路三极管内部载流子的运动情况 放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将三极管的三个引脚接 成四端网络的电路，必须将三极管的一个引脚当公共引脚。取发射极当公共 引脚的放大器称为共发射极放大器，基本共发射极放大器的电路如图2 4 所 示。 图2 - 4 中的基极和发射极为输入端，集电极和发射极为输出端，发射极 是该电路输入和输出的公共端。所以，该电路称为共发射极电路。 图2 - 4 中的u 是要放大的输入信号，是放大以后的输出信号，是 基极电源，该电源的作用是使三极管的发射结处在正向偏置的状态，是 集电极电源，该电源的作用是使三极管的集电结处在反向偏置的状态，髓是 集电极电阻。 2 、共发射极电路三极管内部载流子的运动情况 共发射极电路三极管内部载流子运动情况的示意图如图2 5 所示。图2 5 中载流子的运动规律可分为以下几个过程。 ( 1 ) 发射区向基区发射电子的过程 发射结处在正向偏黄，使发射区的多数载流子( 自由电子) 不断的通过 发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到 发射区，由于两者掺杂溶度上的悬殊，形成发射极电流，。的载流子主要是电 子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源b 的负极 来补充。 ( 2 ) 电子在基区中的扩散与复合的过程 长春。刊丈学硕士学位论文 扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源b 不断的向基区提供空穴，形成基极电流，。由于基区掺杂的溶度很低，而且 很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以，基极电流，。也很小。扩散到基 区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继 续向集电结扩散。 ( 3 ) 集电结收集电子的过程 反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将 向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度 进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷 区。集电结的空间电荷区，可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速推向集 电极，相当于被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源所吸收，形 成集电极电流l 。 3 、三极管的电流分配关系和电流放大系数 根据上面的分析和节点电流定律可得，三极管三个电极的电流，。、，。、 l 之间的关系为： l e = i b + l ct 2 - q 三极管的特殊结构使，c 大于，。，令 多一乇l( 2 2 口称为三极管的直流电流放大倍数。它是描述三极管基极电流对集电极 电流控制能力大小的物理量，芦大的管子，基极电流对集电极电流控制的能 力就大。声是由晶体管的结构来决定的，一个管子做成以后，该管子的声就 确定了。 2 1 3 三极管的共射特性曲线 三极管的特性曲线是描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线， 它们是三极管内部载流予运动规律在管子外部的表现。三极管的特性曲线反 映了管子的技术性能，是分析放大电路技术指标的重要依据。三极管特性曲 线可在晶体管图示仪上直观地显示出来，也可从手册上查到某一型号三极管 的典型曲线。 三极管共发射极放大电路的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线， 下面以n p n 型三极管为例，来讨论三极管共射电路的特性曲线。 1 、输入特性曲线 8 长春1 = 业大学硕士学位论文 输入特性曲线是描述三极管在管压降保持不变的前提下，基极电流 ，。和发射结压降之间的函数关系，即 一， ) i u c e c o l l s t ( 2 3 ) 三极管的输入特性曲线如图2 - 6 所示。由图2 - 6 可见n p n 型三极管共射 极输入特性曲线的特点是： ( 1 ) 在输入特性曲线上也有一个开启电压，在开启电压内，u 伍虽己大于零， 但厶几乎仍为零，只有当的值大于开启电压后，厶的值与二极管一样随 u 。的增加按指数规律增大。硅晶体管的开启电压约为0 5 v ，发射结导通电 压虼。约为0 6 o 7 v ；锗晶体管的开启电压约为0 2 v ，发射结导通电压约为 0 2 0 3 v 。 图2 6 三极管输入特性曲线图2 7 三极管输出特性曲线 ( 2 ) 三条曲线分别为= 0 v ，= o 5 v 和= i v 的情况。当= 0 v 时， 相当于集电极和发射极短路，即集电结和发射结并联，输入特性曲线和p n 结的正向特性曲线相类似。当u 。= i v ，集电结已处在反向偏置，管子工作在 放大区，集电极收集基区扩散过来的电子，使在相同u 。值的情况下，流向 基极的电流，。减小，输入特性随着【，。的增大而右移。当u c 。 i v 以后，输入 特性几乎与珥，= i v 时的特性曲线重合，这是因为屹 i v 后，集电极已将发 射区发射过来的电子几乎全部收集走，对基区电子与空穴的复合影响不大， ，。的改变也不明显。 因晶体管工作在放大状态时，集电结要反偏，以，必须大于l v ，所以， 只要给出u ，= i v 时的输入特性就可以了。 2 、输出特性曲线 9 长春工业大学顾士学位论文 输出特性曲线是描述三极管在输入电流保持不变的前提下，集电极电 流厶和管压降之阈的函数关系，即 - ，o ) i 一c o n s t ( 2 4 ) 三极管的输出特性曲线如图2 7 所示。由图2 7 可见，当，。改变时，厶和 的关系是一组平行的曲线族，并有截止、放大、饱和三个工作区。 ( 1 ) 截止区 ，。= o 特性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏， 发射结电压u 。 0 ，也是处于反偏的状态。由于i s = 0 ，在反向饱和电流可 忽略的前提下，c 一声，。也等于0 ，晶体管无电流的放大作用。处在截止状态 下的三极管，发射极和集电结都是反偏，在电路中犹如一个断开的开关。 实际的情况是：处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流k ，该 电流称为三极管的穿透电流，它是在基极开路时测得的集电极发射极间的电 流，不受，。的控制，但受温度的影响。 ( 2 ) 饱和区 在图2 4 的三极管放大电路中，集电极接有电阻，如果电源电压一 定，当集电极电流i c 增大时，一一七将下降，对于硅管，当降低 到小于0 。7 v 时，集电结也进入正向偏置的状态，集电极吸引电子的能力将 下降，此时，。再增大，几乎就不再增大了，三极管失去了电流放大作用， 处于这种状态下工作的三极管称为饱和。 规定。= u 。时的状态为临界饱和态，图2 7 中的虚线为i 临界饱和线， 在临界饱和态下工作的三极管集电极电流和基极电流的关系为： l c s 。v c c - 。u 必，多k ( 2 5 ) 式中的k ，k ，u 。分别为三极管处在临界饱和态下的集电极电流、 基极电流和管子两端的电压( 饱和管压降) 。当管子两端的电压u c e b ，管子就会被击穿。 ( 5 ) 集电极最大允许耗散功率足。 集电流过l ，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值 时的最大集电极耗散功率称为。管子实际的耗散功率等于集电极直流电 压和电流的乘积，即尼一i c 。使用时应使足 1 2 ，这时用极差估计总体标准差的效率降低， 要用s 图来代替r 图。 ( 3 ) x m e d r 控制图是用中位数图代替均值图。中位数指一组按大小顺序 排列的数列中居中的数。 2 计数型数据 1 3 1 ( 1 ) 控制对象只能定性而不能定量。 ( 2 ) 只有两个取值。 ( 3 ) 与不良项目有关。 1 9 长春工业大学硕士学位论文 计数型控制图：能反映计数型数据特征，用来绘制、分析计数型数据的 控制图。以下为常用计数型数据控制图。 ( 1 ) p 控制图。用于控制对象为不合格品率或合格品率等计数值质量指标 的场合。注意：在根据多种检查项目总合起来确定不合格品率的情况，当控 制图显示异常后难以找出异常的原因。因此，使用p 图时应选择重要的检查 项目作为判断不合格品的依据。p 图用于样本大小不相同的场合。 ( 2 ) p n 控制图。用于控制对象为不合格品数的场合。设1 1 为样本大小，p 为不合格品率，则p n 为不合格品个数，取p n 为不合格品数控制图的简记记 号。p n 图用于样本大小相同的场合。 ( 3 ) c 控制图。用于控制一部机器、一个部件、一定的长度、一定的面积 或任何一定的单位中所出现的缺陷数目。c 图用于样本大小相等的场合。 3 2 3 控镧图选择 按照飞利浦半导体有限公司的要求，s p c 分析系统需要对半导体晶圆上 的器件不合格数和由于各种缺陷参数引起的不合格产品统计分析，很明显参 数统计属性属于计数性数据。 另外，在飞利浦半导体有限公司，作为规定把5 0 片晶圆作为一个生产 单位( 1 0 t ) ，每一个晶圆上的半导体器件数是固定不变的。所以在s p c 数 据抽样时，考虑到生产的惯例和方便，并且为了保证工艺工程师在分析芯片 测试数据时，反映真实的生产情况，我选择了一个生产单位的5 0 片晶圆作 为一次采样，以每片晶圆上的晶体管数量为采集样本数。由于每一个晶圆上 的半导体器件数是固定不变的，p 图用于样本大小不相同的场合，排除了p 控制图，因此在此s p c 分析系统中采用两种控制图即不合格品数控制图( 只 c h a r t ) 和缺陷数控制图( cc h a r t ) 。 1 不合格品数控制图( c h a r t ) 只控制图用于检测工艺过程中不合格品数的起伏变化是否处于统计受控 状态，一般用于每批样本h 固定不变的情况。由于受检测的不合格品数等于 不合格品率p 与每批样本大小n 的乘积只，因此不合格品数控制图又称为只 控制图。 由于不合格品数随机变量如= n p 的均值，标准偏差一x n p o - p ) ，因此 不合格品数控制图( 只) 的中心限和上下限为： u c l 。n p 一刈而 c l = n p l c l ：n p + 刈而 2 缺陷数控制图( cc h a r t ) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 长春工业