Bildergalerie
Bild1: Systemkonfiguration mit PMU, digitalem Messgerät und Schaltmatrix.
Bild 2: 3U PXI, 32-Kanal-Digital-I/O mit PMU-pro-Pin-Architektur.
Bild 3: PXI-Halbleitertestsystem mit Pogo-Pin-Aufnahme und Selbsttest-Board.
Bild 4: Test des Eingangs-Leckstroms mithilfe der Digitalmessgerät-PMU-Funktion.
Bild 5: V-I-Kurve, Charakterisierung der Eingangs-Schutzdioden eines Prüflings.
Bild 6 – Datenformatierung mit Phasensteuerung.
Bild7: Setup- und Hold-Test.
Bild 8a: Setup- und Hold-Shmoo-Plots.
Bild 8b: Setup- und Hold-Shmoo-Plots.

Heutige PXI-Testsysteme unterstützen eine mittlere bis hohe Anzahl an Kanälen für Digital- und SoC-Testanwendungen, einschließlich parametrischer Messeinheiten (PMU) pro Pin. Allerdings konnten digitale PXI-Subsysteme bisher aufgrund der eingeschränkten Funktionalität ihrer Timing-Engine normalerweise nur für die Verifizierung von DC- und Funktionstestcharakteristika von Bauteilen eingesetzt werden. Um den vollen Umfang an Testanforderungen abzudecken, wie es klassische ATE-Systeme können, müssen PXI-basierte Systeme – und deren digitale Subsysteme – auch die AC-Charakteristika von Bauteilen, wie beispielsweise Setup- und Hold-Zeit, testen können. Dies wurde bis dato nur unzureichend erfüllt. Die neueste Generation von PXI-basierten Systemen und Messgeräten unterstützt aber mittlerweile viele Funktionen, die bisher nur proprietäre ATE-Systeme bieten konnten.

Zu den Grundanforderungen an den Test von digitalen und Mixed-Signal-Bauteilen gehören parametrische und funktionale DC/AC-Tests. Bei DC-Tests müssen alle Pins des Bauteils charakterisiert werden. Dafür ist eine PMU (parametrische Messeinheit) erforderlich. Sie muss auf alle Pins des Bauteils zugreifen können. Bei Einsatz nur einer PMU ist hierfür ein Umschalter bzw. Multiplexer erforderlich. Nach Abschluss der DC-Charakterisierung können funktionale und AC-Parameter-Tests durchgeführt werden.

Die in Bild 1 dargestellte Konfiguration ist schon bei ATE-Systemen mit mittlerer Pin-Zahl kaum praktikabel. Heutige PXI-Testsysteme basieren auf einer Architektur mit einer PMU pro Pin oder Kanal. Damit sind Konfigurationen mit hohen Kanalzahlen möglich, und dies bei exzellenter Testleistung, sowohl was die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit der Messung betrifft. Bild 2 zeigt die detaillierte Architektur eines Digitalmessgeräts mit PMU-pro-Pin-Konfiguration. Derartige Messgeräte können die Basis für kompakte ATE-Systeme mit einer hohen Anzahl von Kanälen bilden (Bild 3).

Durchführung von parametrischen DC-Tests

Für DC-Charakterisierungstests der Eingangs- und Ausgangs-Pins von digitalen Bauteilen sind zwei unterschiedliche PMU-Modi verfügbar:

  • Konstante Spannung und Messung des Stroms: Durch die PMU wird eine konstante Spannung angelegt und der durch das Bauteil/den Pin gezogene Strom wird mit den integrierten Messfunktionen erfasst. Die durch die PMU angelegte Spannung kann ebenfalls gemessen werden.
  • Konstanter Strom und Messung der Spannung: Das Parametermessgerät erzwingt entweder einen konstanten Strom über ein Bauteil oder es funktioniert als Senke für einen konstanten Strom und die resultierende Spannung wird gemessen. Der von der PMU erzeugte Strom kann ebenfalls gemessen werden.

Durch die Kombination einer PMU pro Kanal mit Digitaltestfunktionen in einem Gerät wird es erheblich einfacher, unterschiedliche DC-Tests bei digitalen oder Mixed-Signal-Bauteilen durchzuführen. Zu den häufig bei digitalen Bauteilen durchgeführten Tests gehören: Eingangs-Spannungspegel (VIH/VIL), Ausgangs-Spannungspegel (VOL/VOH), Eingangs-Leckstrom und Ausgangs-Kurzschlussstrom.

Beispiel: Durchführung von Eingangs-Leckstromtests (IIL, IIH) und V-I-Tests

Zum Test der Eingänge eines Bauteils gehören die Messung des Eingangs-Leckstroms sowie die Charakterisierung der Schutzdioden, die an jedem Eingang des Prüflings vorhanden sind. Diese Tests werden durchgeführt, indem eine konstante Spannung an den Eingangspin des Prüflings angelegt wird, welche schrittweise über einen definierten Testspannungsbereich geändert wird. Dabei wird bei jedem Schritt der Eingangsstrom gemessen (Bild 4). Da Leckströme oft im μA-Bereich liegen, sollte die PMU auf einen Bereich mit hoher Stromempfindlichkeit eingestellt werden, um exakte Messergebnisse zu gewährleisten.

Zur Durchführung eines Eingangs-Leckstromtests wird der Prüfling mit Spannung versorgt und der PMU-Pin wird im Konstantspannungs-Modus betrieben, wobei der Strom gemessen wird. Die PMU erfasst für jeden Wert der Eingangsspannung den entsprechenden Strom und vergleicht dann den Messwert mit der Spezifikation des Prüflings. Außerdem kann die tatsächlich von der PMU angelegte Testspannung gemessen werden. Diese Testmethode kann auch für VIL- und VIH-Tests verwendet werden.

Zur Messung bzw. Charakterisierung der Eingangs-Schutzdioden, die mit den Masse- und VCC-Pins des Bauteils verbunden sind, wird die PMU so konfiguriert, dass eine definierte Spannung angelegt und schrittweise erhöht wird, wobei der jeweilige Strom gemessen wird. Daraus ergibt sich eine V-I-Kurve für jede Diode. In Bild 5 ist die V-I-Kurve der Schutzdiode eines digitalen TTL-Bauteils dargestellt. Man kann sehen, dass die Leitfähigkeit des Bauteils bei einer Übergangsspannung von ca. 0,7 Volt beginnt.

Die Entwicklung solcher Tests kann durch den Einsatz von Software-Tools und -Bibliotheken erheblich vereinfacht werden. Mit diesen Tools besteht die Möglichkeit, die Erstellung von V-I-Kurven, 2D-Shmoo-Plots und parametrischen DC-Bauteiltests zu automatisieren.

AC-Parametertestfunktionen

Um die Funktionalität von proprietären digitalen ATE-Messgeräten nachzubilden, müssen PXI-basierte digitale Subsysteme ein flexibles, dynamisches Timing pro Pin oder pro Kanal unterstützen. Bei bisherigen digitalen 3U-PXI-Subsystemen kam ein „singuläres“ Timing-System zum Einsatz, bei dem alle I/O-Kanäle mit derselben Clock-Flanke getaktet wurden. Im Gegensatz dazu stehen bei einem System mit dynamischem Timing pro Pin verschiedene „Phasen“ zur Verfügung, wodurch die Daten für jeden Kanal individuell und dynamisch positioniert werden können. Werden diese Phasen in Verbindung mit Datenformatierung eingesetzt, beispielsweise mit Return to Zero- oder Non Return to Zero-Kodierung, dann kann damit zusätzliche Flexibilität für die Emulation komplexer Bus-Timing-Abläufe oder beim Test auf Pulsbreitenempfindlichkeit erreicht werden. In Bild 6 ist dargestellt, wie Timing-Phasen in Kombination mit Datenformatierung eingesetzt werden. Ein PXI-basiertes Testsystem kann mithilfe dynamischer Timing-Funktionen und Datenformatierung ähnliche Testmöglichkeiten bieten wie proprietäre ATE-Systeme.

Dynamisches Timing setzt die Fähigkeit voraus, Flanken mit ausreichender Auflösung schrittweise pro Testsequenz zu verschieben. Bei einem singulären Timing-System liegt die Herausforderung darin, dass die Platzierung von Flanken auf die ansteigende oder abfallende Flanke der Vektor-Clock-Rate beschränkt, und dass die Platzierung der Flanke für einen kompletten Vektor-Burst festgelegt ist. Um digitale Bauteile mit Toggle-Raten von 100 MHz und mehr adäquat charakterisieren und testen zu können, müssen aber die Daten- und Clock-Flanken von Testsystemen mit einer Auflösung von 1 ns oder höher inkrementell und dynamisch verschoben werden können. Eine typische Anwendung ist die Charakterisierung der Setup- und Hold-Zeiten von Bauteilen. Dafür müssen die Daten gegenüber einer Clock inkrementell verschoben werden (Bild 7).

Bei diesem Test werden die Daten relativ zur Clock (oder die Clock relativ zu den Daten) in kleinen Schritten verschoben. Dies ermöglicht eine umfassende AC-Charakterisierung des Bauteils. Mithilfe des mehrfach einstellbaren Timings des digitalen Subsystems kann jeder Sequenz bzw. jedem Testschritt ein anderer Wert zugeordnet werden. Damit kann die Clock-Flanke über den gesamten Bereich der Setup- und Hold-Zeiten schrittweise geändert werden.

Um die erforderliche Timing-Auflösung zu erreichen, ohne dass hierfür Clock-Raten von 1 GHz oder mehr benötigt werden, wird ein dynamischer Timing-Interpolator eingesetzt. So können die Drive- und Sense-Testvektoren flexibel an einer beliebigen Stelle innerhalb des Testschritts positioniert werden und nicht nur an der Flanke der Vektor-Clock, und zwar mit einer Auflösung von 1 ns und höher. So kann ein präzises Vektor-Timing erzeugt werden, ohne dass auf Behelfslösungen zurückgegriffen werden muss. Außerdem wird durch die Verfügbarkeit einer dynamischen Timing-Programmierung von Pins die Erzeugung und Ausführung von Timing-Shmoo-Plots sowie die Validierung und Charakterisierung der AC-Parameter von Bauteilen enorm vereinfacht, und die Konvertierung von WGL-, STIL- und VCD-Testvektoren wird ebenfalls erleichtert. Werden diese Tests mit einem Messgerät ausgeführt, welches nur ein „statisches“ Timing pro Pin unterstützt, dann werden die Testzeiten wesentlich höher. Es kann vorkommen, dass das Messgerät die Anforderungen der Anwendung einfach nicht erfüllen kann. In der folgenden Tabelle sind die Fähigkeiten der neuen digitalen PXI-I/O-Subsysteme mit einer Timing-pro-Pin-Architektur im Vergleich zu einer singulären Timing-Architektur dargestellt.

Durch die Kombination der Timing-pro-Pin-Architektur mit Software-Tools ist es möglich, die dynamische Charakteristik von digitalen und Mixed-Signal-Bauteilen auf einfache Weise zu erfassen. So kann die Leistung eines Bauteils beispielsweise mit einem zweidimensionalen Shmoo-Plot charakterisiert werden, basierend auf Variationen der Versorgungsspannung oder anderer Parameter. In den Bilden 8 wird das Setup- und Hold-Beispiel wieder aufgegriffen; die dargestellten Shmoo-Plots zeigen die Änderung dieser beiden Parameter, wenn die Versorgungsspannung variiert wird. In beiden Fällen wurden auf den Prüfling Testvektoren mit unterschiedlichen Timing- und Versorgungsspannungswerten angewendet, wobei für jede Betriebsbedingung die Pass-/Fail-Ergebnisse dargestellt sind.

Halbleiter-Testlösungen

Mit der neuesten Generation digitaler PXI-Messgeräte stehen Fähigkeiten und Testfunktionen zur Verfügung, die bisher nur von proprietären ATE-Halbleitertestsystemen unterstützt wurden. Mit der Einführung dieser neuen, fortschrittlichen digitalen Subsysteme können Halbleiter-Testlösungen auf der Basis von PXI jetzt ein wesentlich größeres Spektrum an Testfunktionen im Bereich der Digital-, Mixed-Signal- und RF-Testanwendungen abdecken. Aktuelle PXI-Systeme bieten eine Funktionalität und Leistung, die mit proprietären ATE-Systemen vergleichbar ist. Damit sind überzeugende Testlösungen für Anwendungen in den Bereichen Verifizierung, spezialisierte Produktion und Fehleranalyse möglich.

Productronica 2015: Halle A1, Stand 345