Bildergalerie
Bild 1: ATE-Kosten pro IC in (rosa) und fallende Equipmentpreise (blau).
Bild 2: Systemkonfiguration mit PMU, digitalem Instrument und Schaltmatrix.
Bild 3: 32 digitale I/O-Kanäle mit je eigener PMU.
Bild 4: Messung von VOH, VOL und IOS mittels eines digitalen Instruments mit eigener PMU je Pin.
Bild 5: Digitales Instrument / Prüfling (DUT).
Bild 6: Charakterisierung der Ausgangslast eines Achtfach-Registers.
Bild 7: Eingangs-Leckstrom-Test mittels PMU des digitalen Instruments.
Bild 8: Spannungs-/Stromdiagramm charakterisiert die Eingangsschutzdiode eines Prüflings.
Bild 9: Integriertes PXI-Halbleiter-Testsystem.

Moderne Halbleiterbauteile enthalten eine Vielfalt von digitalen, analogen und Hochfrequenz-Features, die z. B. als System-on-Chip (SoC) in einem einzigen Gehäuse zusammengepackt sind. Testlösungen müssen also nicht nur kostengünstig, sondern auch flexibel sein, um die Bandbreite an Schaltungstypen einschließlich Logik, Speicher, Analogschaltung, MEMs und Hf abzudecken.

Jüngste Fortschritte bei digitalen PXI-Testprodukten und Systemen (Compact PCI Extensions for Instrumentation) ermöglichen es den Testingenieuren inzwischen, bestimmte ATE-Bauteiltests auf Basis der PXI-Plattform zu realisieren. PXI-Digital-Produkte mit nicht-gemultiplexten Testkanälen einschließlich parametrischen Messeinheiten (PMU) je Kanal sowie komplette PXI-Testsysteme mit diesen Eigenschaften können jetzt ATE-Halbleitertests zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Testsysteme durchführen.

Der deutlich niedrigere Einstiegspreis für derartige PXI-Testsysteme bietet die Möglichkeit, diese kostengünstigen ATE-Systeme zur Fehleranalyse, zur Verifizierung von Prototypen-Bauteilen sowie zum Test von Pilotproduktionen und ersten Serienanläufen zu verwenden. ATE-Großsysteme können gezielt für die Tests innerhalb der Serien-Produktion eingesetzt werden, während die PXI-Systeme den Test-Abteilungen ATE-Fähigkeiten auf der Basis von Tischgeräten bieten.

Anforderungen beim Halbleitertest

Die elementaren Testanforderungen für digitale und analog-digitale Bauteile umfassen sowohl parametrische DC-Tests als auch Funktionstests. Beim DC-Test müssen alle Pins des Bauteils mittels einer parametrischen Messeinheit (PMU) charakterisiert werden. Die PMU, die eine Spannung vorgeben und den zugehörigen Strom messen kann oder einen Strom einprägen und die zugehörige Spannung messen kann, muss alle Pins des Bauteils erreichen können. Wenn eine einzelne PMU zum Einsatz kommt, werden zusätzliche Schalter/Multiplexer benötigt.

Sobald die DC-Charakterisierung abgeschlossen ist, kann der funktionale Test des Bauteils durchgeführt werden. Hierfür wird ein digitales Testinstrument benötigt. Es muss über einen ausreichend tiefen Speicher, individuelle Programmierbarkeit von Spannung, Last und Richtung je Kanal sowie über eine Echtzeit-Vergleichsfunktion verfügen, um die funktionalen Tests durchführen zu können. Bild 2 zeigt die grundlegende Struktur, die diese Anforderungen erfüllt.

Die Verbindung einer einkanaligen PMU mit einem Schalt-Netzwerk und einem digitalen Instrument wie in Bild 2 wird schnell unhandlich und die Leistung sinkt bei Bauteilen mit mittlerer oder hoher Pin-Anzahl. Darüber hinaus erreicht die Verbindung von Schaltzeit und Programmier-Messzeit für den DC-Test leicht die Bereiche von 10 oder gar 100 ms, sodass sich für den parametrischen DC-Test ein hoher Zeitbedarf ergibt.

Eine bessere Lösung, die typischerweise bei den proprietären ATE-Großsystemen zum Einsatz kommt, ist die, pro Pin oder Kanal eine eigene PMU vorzusehen, die sowohl in Bezug auf Geschwindigkeit als auch in Bezug auf Messgenauigkeit eine deutlich höhere Leistung bietet. Bild 3 zeigt die Struktur eines digitalen Instruments, das eine eigene PMU pro Pin aufweist.

Moderne Instrumente wie das Geotest GX5295 bieten 32 digitale I/O-Kanäle mit je eigener PMU pro Pin und beanspruchen dabei nur einen 3-HE-PXI-Steckplatz. Damit besteht die Möglichkeit, ein Testsystem für digitale und analog-digitale Tests bei hoher Kanalzahl in einem kompakten PXI-Chassis zu realisieren.

Durchführung parametrischer DC-Tests

Wie bereits angedeutet, kann eine parametrische Messeinheit PMU auf zwei Arten zur DC-Charakterisierung der Ein- und Ausgänge digitaler Bauteile verwendet werden.

Spannung einprägen und Strom messen

Bei dieser Methode legt die PMU eine konstante Spannung an und misst den Strom, den das zu testende Bauteil/Pin zieht. Die von der PMU ausgegebene Spannung kann ebenfalls gemessen werden.

Strom einprägen und Spannung messen

Bei dieser Methode prägt die PMU einen konstanten Strom in einen Bauteil-Pin ein oder zieht einen entsprechenden Strom und misst die sich ergebende Spannung. Der eingeprägte bzw. gezogene Strom der PMU kann ebenfalls gemessen werden.

Durch die Verknüpfung von je einer PMU pro Kanal mit digitalen Testmöglichkeiten in einem gemeinsamen Instrument wird die Durchführung zahlreicher DC-Tests an digitalen und analog-digitalen Bauteilen erheblich vereinfacht. Zu den typischen DC-Tests an einem digitalen Bauteil gehören:

  • VIH: (Voltage Input High), die minimale positive Spannung am Eingang eines Bauteils, die vom Bauteil als logisch „High“ akzeptiert wird,
  • VIL: (Voltage Input Low), die maximale positive Spannung am Eingang eines Bauteils, die vom Bauteil als logisch „Low“ akzeptiert wird,
  • VOL: (Voltage Output Low), die maximale positive Spannung am Ausgang eines Bauteils bei spezifiziertem Laststrom, die als „garantierter“ Maximalwert für einen positiven „logisch Low“ Pegel definiert ist
  • VOH: (Voltage Output High), die minimale positive Spannung am Ausgang eines Bauteils bei spezifiziertem Laststrom, die als „garantierter“ Minimalwert für einen positiven „logisch High“-Pegel definiert ist
  • IIL: (Low Level Input Leakage), der Eingangsleckstrom, der bei einem logisch „Low“-Zustand des Eingangs gemessen wird
  • IIH: (High Level Input Leakage), der Eingangsleckstrom, der bei einem logisch „High“-Zustand des Eingangs gemessen wird
  • IOS(H): (High-level short-circuit output current), der Kurzschluss-Ausgangsstrom, der gemessen wird, wenn der Ausgang auf logisch „High” steht
  • IOS(L): (Low-level short-circuit output current), der Kurzschluss-Ausgangsstrom, der gemessen wird, wenn der Ausgang auf logisch „Low” steht.

Durchführung der VOH-, VOL- und IOS-Tests

Mithilfe der Ausgangsspannungspegel-Tests wird verifiziert, ob der digitale Ausgang unter seinen spezifizierten Lastbedingungen richtig arbeitet. Sie können auch dazu verwendet werden, ungünstigste Lastbedingungen (Worst-Case) an einem Prüfling zu simulieren, um zu beobachten, wie sich das Bauteil verhält, wenn es über seine spezifizierten Grenzen hinaus – etwa durch einen Kurzschluss nach Masse – belastet wird. Bei dieser Testart sollte der Strombereich so vorgegeben werden, dass der Ausgang ordnungsgemäß getestet wird, ohne den Prüfling (DUT) zu schädigen.

Das folgende Beispiel illustriert einen VOH-Test an einem digitalen Ausgang. Der Zweck dieses Tests ist es, sicherzustellen, dass der Prüfling eine Ausgangsspannung aufrecht erhalten kann, die bei Belastung mit Nenn-Ausgangsstrom oberhalb seines spezifizierten „High“-Ausgangspegels liegt. Für diesen Test wird die PMU so programmiert, dass sie zur Simulation eines Lastzustands Strom aus dem DUT zieht (Stromsenke). Die Bilder 4 und 5 zeigen, wie der Prüfling (DUT) mit dem digitalen Instrument verbunden ist.

Um diesen Test durchzuführen, wird der Prüfling mit Spannung versorgt. Ein Kanal des Instruments (im Beispiel Ch1) stellt einen logischen Eingangspegel am Prüfling bereit, der am Ausgang des Prüflings logisch „High“ erzwingt. Jeder Kanal des Instruments lässt sich als PMU oder digitales I/O konfigurieren. Diese Flexibilität und Funktionalität ist erforderlich, um die VOH-, VOL- und IOS-Tests durchzuführen. Bevor die PMU-Messungen gestartet werden können, müssen die betroffenen Ausgänge in den entsprechenden logischen Zustand gebracht werden.

Ein zweiter digitaler Kanal (im Beispiel Ch2) wird in der PMU-Betriebsart „Strom einprägen, Spannung messen“ so programmiert, dass der anfänglich gezogene Strom den Ausgang des Prüflings nicht schädigen wird. Anschließend wird die PMU so programmiert, dass sie schrittweise den Strom vom minimalen bis zum maximalen Testwert steigert. Zu jedem Wert des Teststroms wird die Spannung am Ausgang des Prüflings gemessen, um sicherzustellen, dass sie die Grenzwerte des Spannungsbereichs für logisch „High“ einhält.

Der tatsächliche PMU-Strom kann zusätzlich gemessen werden, um für jeden Ausgang die Ausgangsspannung als Funktion des Laststroms in einem Diagramm aufzutragen (Bild 6). In diesem Fall ist der Prüfling ein Achtfach-Register (Latch). Bei jedem Ausgang wird der Spannungspegel als Funktion des Laststroms getestet.

Das oben beschriebene Testverfahren kann auch für die VOL- und IOS-Tests angewendet werden. Beim VOL-Test wird der Ausgang des Prüflings auf logisch „Low“ programmiert und eine spezifizierte (Strom-) Last auf den Ausgang gegeben. Anschließend wird der Pegel der Ausgangsspannung gemessen um sicherzustellen, dass er sich innerhalb der für das Bauteil spezifizierten Grenzen befindet. Zum Testen des IOS-Parameters wird der Ausgang auf den spezifizierten Logik-Zustand programmiert. Anschließend wird ein Kurzschluss auf den Ausgang gegeben und der resultierende Strom gemessen.

Durchführung der Eingangs-Leckstrom-Tests (IIL, IIH)

Zu den Tests an Bauteileingängen gehören sowohl Leckstrom-Tests als auch die Charakterisierung der an jedem Eingang des Prüflings vorhandenen Schutzdioden. Die Leckströme werden getestet, indem an die Eingangspins des Prüflings eine konstante Testspannung angelegt wird, die in mehreren Schritten den gesamten Bereich der spezifizierten Spannung durchläuft. Zu jedem Schritt wird der zugehörige Eingangsstrom gemessen. Da sich Leckströme häufig im µA-Bereich bewegen, sollte die PMU auf empfindliche Strommessbereiche eingestellt werden, um genauere Messergebnisse zu erhalten.

Um den Eingangs-Leckstrom-Test durchzuführen, wird der Prüfling mit Spannung versorgt und die PMU des Messkanals in die Betriebsart „Spannung einprägen, Strom messen“ versetzt (Bild 7). Zu jeder Spannungsstufe misst die PMU den zugehörigen Strom des Eingangs und verifiziert den Wert gegen die Spezifikation des Prüflings. Die von der PMU tatsächlich angelegte Spannung kann ebenfalls gemessen werden. Das hier beschriebene Testverfahren kann auch für die VIL- und VIH-Tests angewendet werden.

Um die Eingangsschutzdioden zu messen/charakterisieren, die im Bauteil mit den VDD- und VSS-Anschlüssen verbunden sind, wird die PMU auf die Betriebsart „Spannung einprägen, Strom messen“ eingestellt. Die Spannung wird dann in kleinen Schritten erhöht, um für jede Diode die Spannungs-/Stromkurve zu generieren. Bild 8 zeigt die Spannungs-/Stromkurve für eine Schutzdiode eines digitalen TTL-Bauteils. Achtung – ab einer Spannung (in Durchlassrichtung) von ungefähr 0,4 V wird das Bauteil leitend.

PXI-Systeme für den Halbleiter-Test

Mit der Verfügbarkeit von Instrumenten, die sowohl digitale Testfähigkeiten als auch je eigene PMU pro Kanal innerhalb eines Single-Slot, 3 HE-PXI-Moduls bieten, stehen Testingenieuren und Systemintegratoren nun Halbleiter-Testsysteme zur Verfügung, die bezüglich Features und Leistung mit proprietären ATE-Systemen gleichziehen. Um etwa den Testanforderungen für ein 512-Pin Bauteil gerecht zu werden, ist heute schon ein PXI-System kommerziell verfügbar. Es basiert auf einem 20-Slot PXI-Chassis, das mit 16 der oben beschriebenen 32-kanaligen digitalen Instrumente ausgestattet ist (Bild 9). Das System beinhaltet ein Hochleistungs-Interface für Prüflinge. Außerdem stehen weitere Slots zur Verfügung, um zusätzliche Instrumente oder Spannungsversorgungen für den Prüfling aufzunehmen.