利用測試排序儀器降低大批量元器件生產的測試成本

越來越小的利潤空間正驅使元器件制造商降低生產成本，包括測試成本在內。采用具有嵌入式測試排序器的儀器會起到作用。

對測試的需求增加

隨著產品復雜性的程度越來越高，生產測試的成本日益增加。更高的復雜性意味著要增加測試功能，因而要增加設備成本和空間。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)需要更多的測試通道來保持可接受的吞吐量。

擴展測試通道的數(shù)量僅僅是解決方案的一部分。目前在生產線末端對產品集中進行功能級測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高昂的成本。更好的解決方案是把更多的測試轉移到生產線的前端。這樣就可以在生產過程中更早地去除壞的元器件。

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

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

典型的測量要求

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)看起來不切實際。DUT(被測器件)可能是簡單的2引腳或4引腳器件，如二極管、 LED或三極管。這些測試都需要非常簡單的源測量程序,要具備快速的瞬時響應，以在兩個通道上生成精確的I-V曲線。由于元器件操控的速度很快(某些情況下達到每部件小于100毫秒)，因而儀器速度至關重要。

對于像電阻和RC網絡、多引腳瞬態(tài)電壓抑制器、EMI濾波陣列這樣的元器件，在一個陣列獲得通過之前，所有的單個元器件都必須通過測試。因此，需要并行的多通道測試以實現(xiàn)高的吞吐量。

隨著元器件復雜性的增加，測試和通道的數(shù)量也需要增加。對于半導體器件，測試設備應該能夠適合晶圓級測試，因為封裝成本高昂。在生產的初級階段，需要在納安級別對各種復雜低功率器件的靜態(tài)和泄漏電流進行測量。此外，需要對晶圓上的所有DUT進行簡單的直流測量以檢查基本功能。因為每一個晶圓存在成千上萬個的DUT，所以必須采用快速多通道的測試。

在所有這些元器件生產的過程中，一種常見需要就是利用一組重復的測試序列向DUT施加電壓或電流，測量其響應，將測量結果與可接受的極限進行比較，并作出合格/不合格決策。SMU的基本設計使它們非常適合于這類測試。然而，生產測試工程師需要仔細考慮儀器和測試系統(tǒng)架構中的差異，以針對當前的任務選擇最佳的測試儀器，并設法預測將來的測試需要。

對于多DUT測試或對更復雜器件的多通道測試，要采用并行通道的I-V系統(tǒng)來提高測試吞吐量。盡管如此，測試速度可能仍然受限于儀器、應用程序或DUT穩(wěn)定時間。現(xiàn)有并行通道系統(tǒng)的限制包括連續(xù)通道跳躍(即不能同時對所有并行通道進行測量)、測量量程變化的速度慢以及數(shù)據(jù)通信速度低。

可擴展多通道系統(tǒng)針對更為復雜的元器件和測試場景進行設計。它們常常包括針對各種測試功能的不同儀器。SMU常常是一個核心組件，寬帶儀器(信號發(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是集成的功能測試儀和具有開放API(應用編程接口)儀器的I-V測試系統(tǒng)。

開放API意味著要把獨立儀器安裝到定制的測試系統(tǒng)之中，這通常通過用戶或系統(tǒng)集成商實現(xiàn)。比較而言，功能或參數(shù)測試儀是一種完全預裝 (交鑰匙)的系統(tǒng)，其中的大多數(shù)硬件和軟件集成已經在交付使用之前為用戶做好了。這種系統(tǒng)的缺點是成本比較高。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，具有實現(xiàn)更低成本的潛力。

圖1：基于TSP的多SMU測試系統(tǒng)

采用最新SMU獲得更高的吞吐量

測試夾具被加載后，大多數(shù)測試時間都是由下列時間段消耗：

1.信號源應用，包括電壓或電流瞬態(tài)；

2.DUT穩(wěn)定時間；

3.測量，在需要時變更量程；

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.測試夾具移動和/或電氣切換時間。

通過將獨立的儀器轉換到集成的SMU測試系統(tǒng)，縮短了獨立儀器與PC控制器之間的觸發(fā)延遲和數(shù)據(jù)通信時間。一些SMU具備的程序存儲器可以運行高達100項的預定義測試，能利用或不用PC進行極限比較、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的延遲時間。

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

正因為如此，老一代SMU具有僅僅采用命令提示的排序器，即它們存儲多個GPIB命令，通過PC的單次調用執(zhí)行。這些SMU通常不具備執(zhí)行極限測試或進行即時合格/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，許多老的設計不容許并行通道測試—通道都是順序被訪問的，所以對吞吐量的改進有限。

最新的SMU設計(有時稱為智能SMU)具有解決這些問題的測試腳本處理器(TSP)和高速控制總線。這就容許進行簡單的編程，能夠運行已經下載并儲存在儀器中的復雜和高速的測試程序。利用跨越多個SMU的先進的資源共享方法可以實現(xiàn)這一點。

例如，在Keithley Instruments(吉時利儀器)的Series 2600 System SourceMeter儀器中，一種主-從安排容許對所有通道實施并行測量。這種架構也容許方便地實現(xiàn)多通道的擴展。因此，測試工程師可以充分利用各種測試應用中的其它SMU功能。這些特性和功能包括：

1. 用于100s高速嵌入式測試程序的存儲器；

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/測量動態(tài)范圍(1uV到200V; 1pA到10A)；

5. 6位半數(shù)字分辨率；

6. 高速的即時合格/不合格測試；

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，可施加到每一個通道。通過提供針對多種應用的通用的模擬I/O引腳簡化了復雜的測試。

通過采用這些功能及改變測試系統(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的測試排序器和程序存儲器就可以控制大多數(shù)的測試。在吉時利儀器的Series 2600中，通過采用SMU的測試腳本處理器、高速排序器和快速控制總線(TSP-Link)，吞吐量得到進一步提高。可以根據(jù)需要的通道數(shù)量(最高達 128)，將多個SMU連接在一起，把它們像單臺儀器那樣使用。TSP-Link技術采用低延遲的100Mbps串行總線，能在多個SMU之間進行多通道 I-V掃描。

這些智能SMU也具備寬的動態(tài)范圍和無縫的量程切換。當測量要覆蓋很寬的范圍時，這一點非常重要，因為調整量程可能消耗大量的源測量時間。圖1描述了這種類型的多SMU系統(tǒng)。其吞吐量相當于基于主機(mainframe)的系統(tǒng)。

節(jié)省的其它成本

智能SMU使系統(tǒng)設計工程師易于集成各單元，且縮短了軟件開發(fā)時間。例如，吉時利儀器的TSP提供一種類似Basic的直觀的命令語言作為簡單的編程接口。采用TSP和Test Script Builder軟件，便于創(chuàng)建復雜的測試序列，以控制作為單個實體的多個SMU通道。不斷演進的測試要求很容易通過最小的SMU硬件變化來調整。

機架空間和硬件也會增加測試系統(tǒng)的成本。新型SMU的高密度設計采用節(jié)省空間的2U半機架外形。在向高引腳數(shù)轉換的過程中，這容許多通道系統(tǒng)保持在一個測試架中。這種類型的機架堆疊系統(tǒng)消除了通常跟主機系統(tǒng)相關的大型硬件和開銷成本。當需要對測試系統(tǒng)做出改變時，可重用的SMU硬件和更為簡單的軟件開發(fā)也將進一步降低成本。

本文小結

吉時利儀器的Series 2600代表了下一代的SMU，滿足了高引腳數(shù)器件生產和多個DUT測試對快速的吞吐量和有成本效益的自動測試系統(tǒng)的需求。這些儀器方便向現(xiàn)有測試臺添加新的功能和容量，并進一步降低了新測試臺的成本。它們提供方便的擴展能力、更簡單的系統(tǒng)集成和很少的測試臺占用空間，減少了測試系統(tǒng)開發(fā)時間，與此同時增加了靈活性、性能和可靠性。

作者：

Andrew Armutat

產品市場部

吉時利儀器

附錄

實現(xiàn)快速且精確的I-V測試的可擴展儀器

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

在I-V功能測試應用中，Series 2600儀器的測試速度比競爭方案高2到4倍。它們還提供更高的源測量通道密度和更低的擁有成本。模擬/數(shù)字轉換器在100μs(10,000 讀數(shù)/s)以內同時提供電流和電壓測量，且源測量掃描速度小于每點200μs(5,500 點/s)。這種高速源測量能力加上先進的自動化功能和節(jié)省時間的軟件工具，使Series 2600 SourceMeter儀器特別適用于對各種設備進行I-V測試。

Series 2600儀器采用了一種創(chuàng)新的技術，容許經濟地創(chuàng)建多通道的I-V測試系統(tǒng)，而不必犧牲測試吞吐量。TSP-Link是一種高速系統(tǒng)擴展接口，它可以被用于以主/從配置連接多臺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機箱中一樣。根據(jù)應用的要求，TSP-Link為彈性增加或減少測試系統(tǒng)通道的數(shù)量提供了無限的靈活性。

基于Series 2600的系統(tǒng)可以在主單元的測試腳本處理器(TSP)上運行高速嵌入式測試腳本。這是這些儀器具有的另外的新技術。測試序列在儀器中的嵌入式計算機上得到處理和運行，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測試腳本實現(xiàn)的吞吐量可以達到同等基于PC的經GPIB的程序操作的10倍。TSP測試腳本可以從前面板或通過系統(tǒng)的GPIB接口運行。單一TSP測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Series 2600儀器。