Методы и технические средства повышения производительности тестирования электронных компонентов

Новые приборы серии 2600 компании Keithley Instruments (США) сочетают высокую степень интеграции тестирующей аппаратуры с гибкостью конфигурирования и эффективными аппаратно-программными средствами для организации информационного обмена. Эти приборы позволяют увеличить производительность в 2–4 раза по сравнению с аналогами других компаний и значительно снижают стоимость тестирования и измерений для широкого круга промышленных и научных задач.

Объединение аналоговых, цифровых и радиочастотных цепей в одной интегральной микросхеме и увеличение плотности размещения компонентов (рис. 1) приводит к росту числа выводов в новых поколениях микросхем (IC, RFIC, SOC). В результате усложняются процедуры тестирования и увеличивается время их выполнения, что влияет на стоимость готовых изделий и длительность производственного цикла. Таким образом, производителям интегральных схем приходится постоянно решать задачу повышения производительности тестирующей аппаратуры, при этом предъявляемые к ней требования порой оказываются на грани технических возможностей. Например, увеличение числа одновременно тестируемых элементов требует увеличения числа измерительных и питающих блоков. В то же время стандартные шины, в частности GPIB, посредством которых обеспечивается синхронизация и необходимый порядок проведения измерений, ограничивают информационный обмен как по скорости, так и по количеству участников.

Сократить время тестирования можно различными способами, в том числе:

• увеличением числа каналов контрольно-измерительных приборов;
• увеличением производительности контрольно-измерительных приборов;
• увеличением функциональных возможностей каждого тестирующего канала.

Кроме производительности, существуют и другие требования к контрольно-измерительным приборам. В частности, понятно стремление увеличить степень интеграции тестирующих каналов в одной системе: легче решаются вопросы синхронизации измерений, сокращаются затраты на программирование, уменьшается объем занимаемого рабочего пространства, число и надежность кабельных соединений. Еще одно требование к контрольно-измерительным приборам — возможность гибкой настройки конфигурации и программного обеспечения для решения различных задач, например для проведения однократных измерений, снятия характеристик и т. д. Контрольно-измерительные приборы должны также обеспечивать широкий динамический диапазон выходных и измеряемых токов и напряжений, что особенно важно при тестировании слаботочных компонентов, предназначенных для работы от автономных источников питания. В ряде случаев еще требуется контроль и ограничение токов и напряжений в питающих цепях.

Существует три основных способа построения контрольно-измерительных систем:

1. Объединение большого числа каналов в одном корпусе. Такие системы позволяют достичь высоких скоростей тестирования и хорошей синхронизации процессов за счет использования внутренней параллельной шины, встроенного полнофункционального компьютера и максимальной интеграции компонентов. Однако стоят такие системы очень дорого, при этом возможности дельнейшего увеличения числа каналов и скорости тестирования жестко ограничены.
2. Объединение нескольких контрольно-измерительных приборов под управлением персонального компьютера. Такие системы дешевле, обеспечивают требуемую гибкость, но обладают малой производительностью.
3. Объединение нескольких контрольно-измерительных приборов на основе использования системных контроллеров стандартных интерфейсов (GPIB и др.). Такие системы позволяют достичь высоких скоростей тестирования, обеспечивают необходимую гибкость, однако требуют значительных затрат на программирование, конфигурирование и настройку.

Оптимальное решение должно сочетать высокую степень интеграции тестирующей аппаратуры с гибкостью конфигурирования и эффективными аппаратно-программными средствами для организации информационного обмена. Примером такого решения является новая серия 2600 приборов компании «Кейтли» (Keithley Instruments, Inc., США). Эти приборы позволяют увеличить производительность в 2–4 раза по сравнению с аналогами других компаний и значительно снижают стоимость тестирования и измерений для широкого круга промышленных и научных задач (рис. 2).

Особенностями серии 2600 являются использование измерительно-питающих устройств третьего поколения, модульный принцип построения систем тестирования, применение новейшей разработки «Кейтли» — процессора сценариев тестирования с высокоскоростным интерфейсом и других технических решений в области прецизионных измерений.

Измерительно-питающие устройства

Измерительно-питающее устройство (ИПУ) соединяет в себе функции программируемого источника напряжения, программируемого источника тока, амперметра, вольтметра (рис. 3) и обеспечивает проведение широкого круга измерений при постоянных, импульсных и переменных токах и напряжениях. Фактически каждый канал ИПУ представляет собой прецизионный источник питания, цифровой мультиметр, программируемый низкочастотный генератор и измеритель сигналов специальной формы, причем установка выходных уровней (сигналов) происходит одновременно с измерениями тока и напряжения в исследуемой цепи. Компания «Кейтли» разработала одно из первых в мире ИПУ. Каждое ИПУ заменяет сразу несколько раздельных модулей. Помимо удобства использования, ИПУ значительно повышает точность измерений, так как благодаря внутренним обратным связям повышается точность установки требуемых значений токов и напряжений. Рис. 4 иллюстрирует типичное применение двух ИПУ для исследования характеристик биполярного транзистора. Источник питания ИПУ может при необходимости использоваться как электронная нагрузка. На рис. 5 показана нагрузочная характеристика ИПУ: в первом и третьем квадранте он используется как источник, а во втором и четвертом — рассеивает мощность внешнего источника. Кроме того, для расширения динамического диапазона несколько ИПУ могут соединяться последовательно или параллельно. Первые модели этой серии (2601 и 2602) имеют один и два ИПУ соответственно.

Модульный принцип построения систем тестирования не нов. Традиционно для обеспечения взаимодействия модулей при проведении автоматизированных измерений используется шина IEEE-488 (GPIB, или канал общего пользования). Однако в ряде случаев ее пропускной способности уже недостаточно. Кроме того, стандарт GPIB ограничивает число участников информационного обмена — их может быть не более 15. Модули серии 2600 объединяются посредством новой TSP-шины, обеспечивая взаимодействие от 2 до 128 ИПУ с десятикратной производительностью по сравнению с системами, построенными на основе шины GPIB.

Процессор сценариев тестирования

Использование уникального встроенного процессора сценариев тестирования на основе патентованной технологии «Кейтли» TSP (Test Script Processor) совместно со 100-Мбитной TSP-шиной предоставляет широкие возможности взаимодействия и синхронизации с внешними устройствами, конфигурирование 2601 и 2602 в сети различной архитектуры, в том числе древовидной и кольцевой, автономную работу одного или нескольких модулей и др., в том числе в режиме параллельного и непараллельного тестирования. Загрузка сценариев тестирования производится посредством интерфейса GPIB или RS-232 с персонального компьютера, причем он не участвует в управлении системой, а используется для генерирования новых сценариев и анализа результатов тестирования (рис. 6), что повысило скорость тестирования до 10 раз. Для программирования TSP используется простой язык, аналогичный Бейсику (в среде Test Script Builder). Использование этих средств позволяет в 2–4 раза сократить время разработки программного обеспечения. Использование TSP-технологии позволило ввести новые возможности программирования тестов: использование подпрограмм, циклов, условных переходов, динамического контроля цифровых линий и регистров RS-232, организация параллельного тестирования и др.

Аналого-цифровые преобразователи серии 2600 выполнены на основе патентованной технологии и позволяют обеспечить частоту одновременного считывания тока и напряжения свыше 10 кГц и скорость снятия ВАХ свыше 5000 точек в секунду. Пользователь имеет возможность оптимизировать работу АЦП либо по скорости (10 000 Кслов/с), либо по точности (эффективная разрядность до 24 бит).

Цифро-аналоговые преобразователи серии 2600 позволяют подавать на исследуемый элемент не только постоянные токи и напряжения, но и сигналы произвольной формы. Например, синусоида с частотой 400 Гц может быть задана 20 дискретными отсчетами. Также возможна подача импульсных сигналов с минимальной длительностью 150 мкс.

Цифровые линии ввода-вывода (14 линий) предоставляют возможности одновременного тестирования цифровых устройств, АЦП, ЦАП, а также могут использоваться для организации взаимодействия с другими системами, в частности, с устройством позиционирования электронных компонентов, контрольно-измерительными приборами, для передачи или приема триггерных сигналов. Для передачи данных или команд управления предусмотрен также интерфейс RS-232 (рис. 7).

Методы построения систем тестирования, реализованные в серии 2600 компании «Кейтли», позволяют эффективно решать задачи:

• исследования характеристик двухэлектродных устройств (резисторов, диодов, считывающих головок, сенсоров, термисторов, конденсаторов);
• исследования характеристик транзисторов (BJT, FET и др.);
• параллельного или независимого тестирования двух- и трехэлектродных устройств;
• тестирования интегральных схем (IC, RFIC, SOC), чипов, в том числе содержащих одновременно цифровые, аналоговые элементы, АЦП, ЦАП;
• тестирования оптоэлектронных устройств (лазерных диодов, светодиодов, индикаторов, жидкокристаллических дисплеев и др.).

Основные технические характеристики моделей 2601 и 2602 приведены в таблице.

Заключение

Методы построения систем тестирования, основанные на модульном принципе с использованием измерительно-питающих устройств и встроенных процессоров сценариев тестирования, позволяют достичь наилучших на сегодняшний день показателей производительности, качества и стоимости. Так, приборы 2601 и 2602 компании «Кейтли» позволяют создавать недорогие и быстродействующие автоматизированные системы тестирования электронных компонентов и интегральных схем, содержащих цифровые и аналоговые узлы. Кроме того, эти модели легко расширяют возможности уже действующих систем, для этого не требуется больших финансовых вложений. Такие системы тестирования реально уменьшают затраты на эксплуатацию при высокой гибкости и надежности.

В статье использованы материалы сайта www.keithley.com.