利用測(cè)試排序儀器降低大批量元器件生產(chǎn)的測(cè)試成本

越來越小的利潤(rùn)空間正驅(qū)使元器件制造商降低生產(chǎn)成本，包括測(cè)試成本在內(nèi)。采用具有嵌入式測(cè)試排序器的儀器會(huì)起到作用。

對(duì)測(cè)試的需求增加

隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的程度越來越高，生產(chǎn)測(cè)試的成本日益增加。更高的復(fù)雜性意味著要增加測(cè)試功能，因而要增加設(shè)備成本和空間。例如，在單片集成電路上集成模擬、數(shù)字甚至RF電路意味著更高的密度和引腳數(shù)。更高的引腳數(shù)需要更多的測(cè)試通道來保持可接受的吞吐量。

擴(kuò)展測(cè)試通道的數(shù)量?jī)H僅是解決方案的一部分。目前在生產(chǎn)線末端對(duì)產(chǎn)品集中進(jìn)行功能級(jí)測(cè)試的做法也需要改變。在那里發(fā)現(xiàn)的故障使得制造商承擔(dān)高昂的成本。更好的解決方案是把更多的測(cè)試轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線的前端。這樣就可以在生產(chǎn)過程中更早地去除壞的元器件。

為了采取更有效的測(cè)試手段來提高利潤(rùn)空間，制造商要考慮新的測(cè)試范例以及構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的方法。在許多情況下，可以利用新的測(cè)試技術(shù)和儀器降低系統(tǒng)及測(cè)試操作成本，改善現(xiàn)有測(cè)試臺(tái)的性能。新一代具有先進(jìn)的嵌入式測(cè)試排序器和數(shù)據(jù)通信能力的SMU(源測(cè)量單元)能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)。

SMU具有的這些功能容許建立緊湊并且經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，進(jìn)行快速的多通道元器件測(cè)試。隨著測(cè)試要求的改變，它們也具備很高的靈活性，可以快速和方便的加以修改。采用這些儀器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以在生產(chǎn)周期中更早地承擔(dān)更多的測(cè)試任務(wù)，并幫助降低生產(chǎn)線末端測(cè)試的高昂成本。

典型的測(cè)量要求

首先，創(chuàng)建適合不同元器件制造商需要的基于儀器的系統(tǒng)看起來不切實(shí)際。DUT(被測(cè)器件)可能是簡(jiǎn)單的2引腳或4引腳器件，如二極管、 LED或三極管。這些測(cè)試都需要非常簡(jiǎn)單的源測(cè)量程序,要具備快速的瞬時(shí)響應(yīng)，以在兩個(gè)通道上生成精確的I-V曲線。由于元器件操控的速度很快(某些情況下達(dá)到每部件小于100毫秒)，因而儀器速度至關(guān)重要。

對(duì)于像電阻和RC網(wǎng)絡(luò)、多引腳瞬態(tài)電壓抑制器、EMI濾波陣列這樣的元器件，在一個(gè)陣列獲得通過之前，所有的單個(gè)元器件都必須通過測(cè)試。因此，需要并行的多通道測(cè)試以實(shí)現(xiàn)高的吞吐量。

隨著元器件復(fù)雜性的增加，測(cè)試和通道的數(shù)量也需要增加。對(duì)于半導(dǎo)體器件，測(cè)試設(shè)備應(yīng)該能夠適合晶圓級(jí)測(cè)試，因?yàn)榉庋b成本高昂。在生產(chǎn)的初級(jí)階段，需要在納安級(jí)別對(duì)各種復(fù)雜低功率器件的靜態(tài)和泄漏電流進(jìn)行測(cè)量。此外，需要對(duì)晶圓上的所有DUT進(jìn)行簡(jiǎn)單的直流測(cè)量以檢查基本功能。因?yàn)槊恳粋€(gè)晶圓存在成千上萬個(gè)的DUT，所以必須采用快速多通道的測(cè)試。

在所有這些元器件生產(chǎn)的過程中，一種常見需要就是利用一組重復(fù)的測(cè)試序列向DUT施加電壓或電流，測(cè)量其響應(yīng)，將測(cè)量結(jié)果與可接受的極限進(jìn)行比較，并作出合格/不合格決策。SMU的基本設(shè)計(jì)使它們非常適合于這類測(cè)試。然而，生產(chǎn)測(cè)試工程師需要仔細(xì)考慮儀器和測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)中的差異，以針對(duì)當(dāng)前的任務(wù)選擇最佳的測(cè)試儀器，并設(shè)法預(yù)測(cè)將來的測(cè)試需要。

對(duì)于多DUT測(cè)試或?qū)Ω鼜?fù)雜器件的多通道測(cè)試，要采用并行通道的I-V系統(tǒng)來提高測(cè)試吞吐量。盡管如此，測(cè)試速度可能仍然受限于儀器、應(yīng)用程序或DUT穩(wěn)定時(shí)間?，F(xiàn)有并行通道系統(tǒng)的限制包括連續(xù)通道跳躍(即不能同時(shí)對(duì)所有并行通道進(jìn)行測(cè)量)、測(cè)量量程變化的速度慢以及數(shù)據(jù)通信速度低。

可擴(kuò)展多通道系統(tǒng)針對(duì)更為復(fù)雜的元器件和測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。它們常常包括針對(duì)各種測(cè)試功能的不同儀器。SMU常常是一個(gè)核心組件，寬帶儀器(信號(hào)發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀等)往往在外部添加。兩種最為常見的架構(gòu)是集成的功能測(cè)試儀和具有開放API(應(yīng)用編程接口)儀器的I-V測(cè)試系統(tǒng)。

開放API意味著要把獨(dú)立儀器安裝到定制的測(cè)試系統(tǒng)之中，這通常通過用戶或系統(tǒng)集成商實(shí)現(xiàn)。比較而言，功能或參數(shù)測(cè)試儀是一種完全預(yù)裝 (交鑰匙)的系統(tǒng)，其中的大多數(shù)硬件和軟件集成已經(jīng)在交付使用之前為用戶做好了。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是成本比較高。開放API系統(tǒng)為用戶和系統(tǒng)集成商提供了高度靈活的解決方案，具有實(shí)現(xiàn)更低成本的潛力。

圖1：基于TSP的多SMU測(cè)試系統(tǒng)

采用最新SMU獲得更高的吞吐量

測(cè)試夾具被加載后，大多數(shù)測(cè)試時(shí)間都是由下列時(shí)間段消耗：

1.信號(hào)源應(yīng)用，包括電壓或電流瞬態(tài)；

2.DUT穩(wěn)定時(shí)間；

3.測(cè)量，在需要時(shí)變更量程；

4.觸發(fā)延遲；

5.數(shù)據(jù)通信；

6.程序執(zhí)行，包括合格/不合格及裝箱決策；

7.測(cè)試夾具移動(dòng)和/或電氣切換時(shí)間。

通過將獨(dú)立的儀器轉(zhuǎn)換到集成的SMU測(cè)試系統(tǒng)，縮短了獨(dú)立儀器與PC控制器之間的觸發(fā)延遲和數(shù)據(jù)通信時(shí)間。一些SMU具備的程序存儲(chǔ)器可以運(yùn)行高達(dá)100項(xiàng)的預(yù)定義測(cè)試，能利用或不用PC進(jìn)行極限比較、執(zhí)行條件程序分支等工作。這就減少了較慢的GPIB流量和PC的延遲時(shí)間。

在單通道系統(tǒng)中，采用具備測(cè)試程序存儲(chǔ)器的SMU來獲得測(cè)試時(shí)間的改善相對(duì)容易；然而，在多SMU系統(tǒng)中由于難以管理多個(gè)觸發(fā)和測(cè)試排序器，要縮短測(cè)試時(shí)間就要復(fù)雜得多。

正因?yàn)槿绱?，老一代SMU具有僅僅采用命令提示的排序器，即它們存儲(chǔ)多個(gè)GPIB命令，通過PC的單次調(diào)用執(zhí)行。這些SMU通常不具備執(zhí)行極限測(cè)試或進(jìn)行即時(shí)合格/不合格決策的邏輯。它們也不具備DUT操控接口，因此存在大量的GPIB流量。此外，許多老的設(shè)計(jì)不容許并行通道測(cè)試—通道都是順序被訪問的，所以對(duì)吞吐量的改進(jìn)有限。

最新的SMU設(shè)計(jì)(有時(shí)稱為智能SMU)具有解決這些問題的測(cè)試腳本處理器(TSP)和高速控制總線。這就容許進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，能夠運(yùn)行已經(jīng)下載并儲(chǔ)存在儀器中的復(fù)雜和高速的測(cè)試程序。利用跨越多個(gè)SMU的先進(jìn)的資源共享方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

例如，在Keithley Instruments(吉時(shí)利儀器)的Series 2600 System SourceMeter儀器中，一種主-從安排容許對(duì)所有通道實(shí)施并行測(cè)量。這種架構(gòu)也容許方便地實(shí)現(xiàn)多通道的擴(kuò)展。因此，測(cè)試工程師可以充分利用各種測(cè)試應(yīng)用中的其它SMU功能。這些特性和功能包括：

1. 用于100s高速嵌入式測(cè)試程序的存儲(chǔ)器；

2. 電壓和電流脈沖及掃描能力；

3. 4象限I-V操作；

4. 寬的源/測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍(1uV到200V; 1pA到10A)；

5. 6位半數(shù)字分辨率；

6. 高速的即時(shí)合格/不合格測(cè)試；

7. 用于觸發(fā)管理和元器件操控接口的數(shù)字I/O。

此外，智能SMU具備脈沖和低頻任意波形發(fā)生器的功能，可施加到每一個(gè)通道。通過提供針對(duì)多種應(yīng)用的通用的模擬I/O引腳簡(jiǎn)化了復(fù)雜的測(cè)試。

通過采用這些功能及改變測(cè)試系統(tǒng)編程的方法，就有可能極大地提高吞吐量。不再只依賴基于PC的控制，SMU的測(cè)試排序器和程序存儲(chǔ)器就可以控制大多數(shù)的測(cè)試。在吉時(shí)利儀器的Series 2600中，通過采用SMU的測(cè)試腳本處理器、高速排序器和快速控制總線(TSP-Link)，吞吐量得到進(jìn)一步提高?？梢愿鶕?jù)需要的通道數(shù)量(最高達(dá) 128)，將多個(gè)SMU連接在一起，把它們像單臺(tái)儀器那樣使用。TSP-Link技術(shù)采用低延遲的100Mbps串行總線，能在多個(gè)SMU之間進(jìn)行多通道 I-V掃描。

這些智能SMU也具備寬的動(dòng)態(tài)范圍和無縫的量程切換。當(dāng)測(cè)量要覆蓋很寬的范圍時(shí)，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檎{(diào)整量程可能消耗大量的源測(cè)量時(shí)間。圖1描述了這種類型的多SMU系統(tǒng)。其吞吐量相當(dāng)于基于主機(jī)(mainframe)的系統(tǒng)。

節(jié)省的其它成本

智能SMU使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師易于集成各單元，且縮短了軟件開發(fā)時(shí)間。例如，吉時(shí)利儀器的TSP提供一種類似Basic的直觀的命令語言作為簡(jiǎn)單的編程接口。采用TSP和Test Script Builder軟件，便于創(chuàng)建復(fù)雜的測(cè)試序列，以控制作為單個(gè)實(shí)體的多個(gè)SMU通道。不斷演進(jìn)的測(cè)試要求很容易通過最小的SMU硬件變化來調(diào)整。

機(jī)架空間和硬件也會(huì)增加測(cè)試系統(tǒng)的成本。新型SMU的高密度設(shè)計(jì)采用節(jié)省空間的2U半機(jī)架外形。在向高引腳數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中，這容許多通道系統(tǒng)保持在一個(gè)測(cè)試架中。這種類型的機(jī)架堆疊系統(tǒng)消除了通常跟主機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的大型硬件和開銷成本。當(dāng)需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)做出改變時(shí)，可重用的SMU硬件和更為簡(jiǎn)單的軟件開發(fā)也將進(jìn)一步降低成本。

本文小結(jié)

吉時(shí)利儀器的Series 2600代表了下一代的SMU，滿足了高引腳數(shù)器件生產(chǎn)和多個(gè)DUT測(cè)試對(duì)快速的吞吐量和有成本效益的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的需求。這些儀器方便向現(xiàn)有測(cè)試臺(tái)添加新的功能和容量，并進(jìn)一步降低了新測(cè)試臺(tái)的成本。它們提供方便的擴(kuò)展能力、更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)集成和很少的測(cè)試臺(tái)占用空間，減少了測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，與此同時(shí)增加了靈活性、性能和可靠性。

作者：

Andrew Armutat

產(chǎn)品市場(chǎng)部

吉時(shí)利儀器

附錄

實(shí)現(xiàn)快速且精確的I-V測(cè)試的可擴(kuò)展儀器

吉時(shí)利儀器的Series 2600 System SourceMeter儀器為電子元件和半導(dǎo)體器件制造商提供了一種用于精確DC、脈沖和低頻AC源測(cè)量測(cè)試的有成本效益、可伸縮、高吞吐量的解決方案。每一個(gè)SourceMeter儀器既是高度穩(wěn)定的DC電源，也是真正儀表級(jí)的5位半數(shù)字萬用表。在操作上，這些儀器可以充當(dāng)電壓源、電流源、電壓表、電流源和歐姆表。

在I-V功能測(cè)試應(yīng)用中，Series 2600儀器的測(cè)試速度比競(jìng)爭(zhēng)方案高2到4倍。它們還提供更高的源測(cè)量通道密度和更低的擁有成本。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器在100μs(10,000 讀數(shù)/s)以內(nèi)同時(shí)提供電流和電壓測(cè)量，且源測(cè)量掃描速度小于每點(diǎn)200μs(5,500 點(diǎn)/s)。這種高速源測(cè)量能力加上先進(jìn)的自動(dòng)化功能和節(jié)省時(shí)間的軟件工具，使Series 2600 SourceMeter儀器特別適用于對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行I-V測(cè)試。

Series 2600儀器采用了一種創(chuàng)新的技術(shù)，容許經(jīng)濟(jì)地創(chuàng)建多通道的I-V測(cè)試系統(tǒng)，而不必犧牲測(cè)試吞吐量。TSP-Link是一種高速系統(tǒng)擴(kuò)展接口，它可以被用于以主/從配置連接多臺(tái)Series 2600儀器。

一旦建立連接，在系統(tǒng)中的所有儀器可以被編程并在主單元的控制下操作，好像它們就安裝在同一個(gè)機(jī)箱中一樣。根據(jù)應(yīng)用的要求，TSP-Link為彈性增加或減少測(cè)試系統(tǒng)通道的數(shù)量提供了無限的靈活性。

基于Series 2600的系統(tǒng)可以在主單元的測(cè)試腳本處理器(TSP)上運(yùn)行高速嵌入式測(cè)試腳本。這是這些儀器具有的另外的新技術(shù)。測(cè)試序列在儀器中的嵌入式計(jì)算機(jī)上得到處理和運(yùn)行，而不是利用外部控制器，從而消除了因GPIB流量擁塞造成的延遲。

TSP測(cè)試腳本實(shí)現(xiàn)的吞吐量可以達(dá)到同等基于PC的經(jīng)GPIB的程序操作的10倍。TSP測(cè)試腳本可以從前面板或通過系統(tǒng)的GPIB接口運(yùn)行。單一TSP測(cè)試腳本可以控制所有在系統(tǒng)中的SourceMeter通道，并從任何連接到TSP鏈路的儀器采集數(shù)據(jù)，并支持最多連接64臺(tái)Series 2600儀器。