Введение

Аппарат, используемый для аппаратного тестирования, который автоматически выполняет серию испытаний. Автоматическое испытательное оборудование (ATE) – это любое устройство, которое выполняет тесты на устройстве, известном как испытываемое устройство (DUT), испытываемое оборудование (EUT) или испытываемый модуль (UUT), используя автоматизацию для быстрого проведения измерений и оценки результатов тестов. ATE может быть простым компьютерным цифровым мультиметром или сложной системой, содержащей десятки сложных приборов для испытаний (реального или имитируемого электронного испытательного оборудования), способных автоматически тестировать и диагностировать неисправности в сложных электронных компонентах в корпусе или при тестировании на пластине, включая системы на кристалле и интегральные схемы. ATE широко используется в электронной промышленности для тестирования электронных компонентов и систем после их производства. ATE также используется для тестирования авионики и электронных модулей в автомобилях. Оно применяется в военной сфере, например, в радарах и беспроводной связи.

В полупроводниковой промышленности

Полупроводниковые АТЕ, предназначенные для тестирования полупроводниковых приборов, могут испытывать широкий спектр электронных устройств и систем – от простых компонентов (резисторов, конденсаторов и индуктивностей) до интегральных схем (ИС), печатных плат (ПП) и сложных, полностью собранных электронных систем. Для этого используются зондовые карты. Системы АТЕ разработаны для сокращения времени, необходимого для проверки работоспособности конкретного устройства, или для быстрого выявления его неисправностей до того, как деталь будет использована в конечном потребительском продукте. Чтобы снизить производственные затраты и повысить выход годных, полупроводниковые приборы следует тестировать после изготовления, чтобы предотвратить попадание бракованных устройств к потребителю.

Компоненты

Полупроводниковая архитектура ATE состоит из главного контроллера (обычно компьютера), который синхронизирует один или несколько источников сигнала и измерительных приборов (перечисленных ниже). Ранее в ATE-системах использовались специализированные контроллеры или реле. Испытуемое устройство (DUT) физически подключается к ATE с помощью другого роботизированного устройства, называемого манипулятором или зондовым устройством, и через специализированный интерфейсный тестовый адаптер (ITA) или "приспособление", который обеспечивает соответствие ресурсов ATE требованиям DUT.

Промышленный ПК

Промышленный ПК – это обычный настольный компьютер, выполненный в 19-дюймовом рэковом формате и оснащенный достаточным количеством слотов PCI/PCIe для установки карт стимуляции/считывания сигналов. Он выполняет роль контроллера в системе ATE. Разработка тестовых приложений и хранение результатов осуществляется на этом ПК. Большинство современных полупроводниковых ATE включают в себя несколько компьютерных приборов для генерации или измерения широкого спектра параметров. Эти приборы могут включать источники питания устройств (DPS), параметрические измерительные модули (PMU), генераторы произвольных сигналов (AWG), аналого-цифровые преобразователи, цифровые входы/выходы и вспомогательные источники питания. Приборы выполняют различные измерения тестируемого устройства (DUT), при этом их работа синхронизирована для генерации и измерения сигналов в нужные моменты времени. В зависимости от требований к скорости отклика, для стимуляции и захвата сигналов также рассматривается использование систем реального времени.

Массовое соединение

Массовое соединение – это интерфейс подключения между измерительными приборами (PXI, VXI, LXI, GPIB, SCXI и PCI) и испытываемыми устройствами/блоками (D/UUT). Этот модуль служит узловой точкой для сигналов, входящих и выходящих между ATE и D/UUT.

Пример: простое измерение напряжения

Например, для измерения напряжения конкретного полупроводникового устройства, приборы цифровой обработки сигналов (DSP) в ATE измеряют напряжение напрямую и отправляют результаты на компьютер для обработки сигнала, где и вычисляется необходимое значение. Этот пример демонстрирует, что во многих АТЭ обычные приборы, такие как амперметр, могут не использоваться из-за ограниченного количества измерений, которые прибор способен выполнить, и времени, требуемого для проведения этих измерений. Ключевым преимуществом использования DSP для измерения параметров является скорость. Если для расчета пикового напряжения электрического сигнала и других его параметров необходимо использовать детектор пикового напряжения, а также другие приборы для проверки остальных параметров, то при использовании приборов на основе DSP достаточно снять образец сигнала, а остальные параметры можно вычислить на основе этого единственного измерения.

Требования к параметрам испытаний и время испытаний

Не все устройства тестируются одинаково. Тестирование требует затрат, поэтому компоненты с низкой себестоимостью редко тестируются полностью, в то время как медицинские или дорогостоящие компоненты (где важна надежность) часто подвергаются тестированию. Однако необходимость тестирования устройства по всем параметрам зависит от функциональности устройства и конечного пользователя. Например, если устройство используется в медицинских изделиях или системах жизнеобеспечения, то многие его параметры должны быть протестированы, а некоторые – гарантированы. Но определение параметров для тестирования – это сложный выбор, основанный на соотношении стоимости и выхода годных изделий. Если устройство представляет собой сложное цифровое устройство с тысячами логических элементов, необходимо рассчитать процент покрытия тестами. И здесь решение также сложное, основанное на экономической целесообразности, учитывающей частоту, количество и тип входов/выходов устройства, а также область его применения.

Ручной прибор или зонд и адаптер для испытания устройства

ATE может использоваться для тестирования как в корпусе (типичный чип интегральной схемы), так и непосредственно на кремниевой пластине. Для тестирования деталей в корпусе используется манипулятор, который устанавливает устройство на специализированную интерфейсную плату, в то время как кремниевые пластины тестируются напрямую с помощью высокоточных пробников. Системы ATE взаимодействуют с манипулятором или пробником для тестирования тестируемого устройства (DUT).

Многоместное

Один из способов сократить время тестирования — тестировать несколько устройств одновременно. Системы ATE теперь поддерживают наличие нескольких "сайтов", на которых ресурсы ATE распределяются между ними. Некоторые ресурсы могут использоваться параллельно, а другие необходимо последовательно применять к каждому DUT.

Программирование ATE

Компьютер ATE использует современные языки программирования (например, C, C++, Java, VEE, Python, LabVIEW или Smalltalk) с дополнительными командами для управления оборудованием ATE через стандартные и проприетарные интерфейсы прикладного программирования (API). Существуют также специализированные языки программирования, такие как Abbreviated Test Language for All Systems (ATLAS). Автоматическое испытательное оборудование также может быть автоматизировано с помощью системы управления испытаниями, например, NI TestStand. Иногда для разработки последовательности испытаний используется автоматическая генерация тестовых шаблонов.

Диагностика

Автоматическая диагностика испытательного оборудования — это часть тестирования ATE, определяющая неисправные компоненты. Тесты ATE выполняют две основные функции. Первая — проверка работоспособности испытуемого устройства (DUT). Вторая — в случае неисправности DUT, определение причины этой неисправности. Диагностическая часть может быть наиболее сложной и дорогостоящей частью тестирования. Как правило, ATE позволяет сузить область поиска неисправности до группы или кластера компонентов. Одним из способов уменьшения этих групп неоднозначности является добавление в систему ATE тестирования с использованием анализа аналоговых сигнатур. Диагностике часто способствует использование зондового тестирования с подвижными контактами.

Переключение испытательного оборудования

Добавление высокоскоростной системы коммутации в состав испытательной системы обеспечивает более быстрое и экономичное тестирование множества устройств и разработано для снижения количества ошибок и стоимости испытаний. Проектирование коммутационной конфигурации испытательной системы требует понимания переключаемых сигналов, выполняемых тестов, а также доступных форм-факторов коммутационного оборудования.

Платформы испытательного оборудования

В настоящее время для конфигурирования автоматизированных систем электронных испытаний и измерений широко используются несколько модульных платформ электронных приборов. Эти системы широко применяются для входного контроля, обеспечения качества и производственного тестирования электронных устройств и подсистем. Отраслевые стандартные коммуникационные интерфейсы связывают источники сигналов с измерительными приборами в системах с компоновкой "rack and stack" или на основе шасси/майнфрейма, часто под управлением специализированного программного обеспечения, работающего на внешнем ПК.

GPIB/IEEE-488

Автобус интерфейса общего назначения (GPIB) — это стандартный параллельный интерфейс IEEE 488 (стандарт, созданный Институтом инженеров электротехники и электроники), используемый для подключения датчиков и программируемых приборов к компьютеру. GPIB — это цифровой 8-битный интерфейс для параллельной связи, способный осуществлять передачу данных со скоростью более 8 МБ/с. Он позволяет последовательно соединять до 14 приборов с контроллером системы с помощью 24-контактного разъема. Это один из наиболее распространенных интерфейсов ввода-вывода, присутствующих в приборах, и разработан специально для приложений управления приборами. Спецификации IEEE 488 стандартизировали эту шину и определили ее электрические, механические и функциональные характеристики, а также основные правила программного взаимодействия. GPIB наиболее эффективен в промышленных условиях, где требуется надежное соединение для управления приборами. Изначальный стандарт GPIB был разработан в конце 1960-х годов компанией Hewlett Packard для подключения и управления программируемыми приборами, производимыми компанией. Появление цифровых контроллеров и программируемого испытательного оборудования создало потребность в стандартном высокоскоростном интерфейсе для связи между приборами и контроллерами от разных производителей. В 1975 году IEEE опубликовал стандарт ANSI/IEEE 488 1975, IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation, который содержал электрические, механические и функциональные спецификации системы интерфейса. Этот стандарт был впоследствии пересмотрен в 1978 году (IEEE 488.1) и 1990 году (IEEE 488.2). Спецификация IEEE 488.2 включает в себя стандартные команды для программируемых приборов (SCPI), которые определяют конкретные команды, которым должен подчиняться каждый класс приборов. SCPI обеспечивает совместимость и конфигурируемость этих приборов. Шина IEEE 488 долгое время была популярна благодаря простоте использования и широкому выбору программируемых приборов и стимулов. Однако большие системы имеют следующие ограничения:

Ограниченная пропускная способность драйвера ограничивает систему 14 устройствами плюс контроллер. Ограничение длины кабеля ограничивает расстояние между контроллером и устройством до двух метров на устройство или до 20 метров в целом, в зависимости от того, что меньше. Это создает проблемы с передачей данных в системах, расположенных в помещении, или в системах, требующих дистанционных измерений. Ограничение первичных адресов ограничивает систему 30 устройствами с первичными адресами. Современные приборы редко используют вторичные адреса, поэтому размер системы ограничен 30 устройствами.

Расширения LAN для приборов (LXI)

Стандарт LXI определяет протоколы связи для приборостроения и систем сбора данных, использующих Ethernet. Эти системы основаны на небольших модульных приборах, использующих недорогие, открытые стандарты LAN (Ethernet). Приборы, соответствующие стандарту LXI, обеспечивают преимущества модульных приборов в отношении размеров и интеграции, избегая при этом ограничений по стоимости и форм-фактору, свойственных архитектурам на основе карт расширения. Благодаря использованию Ethernet-коммуникаций, стандарт LXI обеспечивает гибкую компоновку, высокоскоростной ввод-вывод и стандартизированное использование подключения к локальной сети в широком спектре коммерческих, промышленных, аэрокосмических и военных приложений. Каждый прибор, соответствующий стандарту LXI, включает в себя драйвер виртуального инструмента (IVI) для упрощения связи с приборами, не соответствующими LXI, что позволяет устройствам, соответствующим LXI, взаимодействовать с устройствами, не являющимися LXI (например, приборами, использующими GPIB, VXI, PXI и т.д.). Это упрощает создание и эксплуатацию гибридных конфигураций приборов. Приборы LXI иногда используют скрипты, применяя встроенные процессоры тестовых скриптов для настройки приложений для тестирования и измерений. Приборы, управляемые скриптами, обеспечивают гибкость архитектуры, повышенную производительность и сниженную стоимость для многих приложений. Скрипты расширяют преимущества приборов LXI, а LXI предлагает функции, которые как позволяют, так и улучшают использование скриптов. Хотя текущие стандарты LXI для приборостроения не требуют, чтобы приборы были программируемыми или поддерживали скрипты, спецификация LXI содержит ряд функций, предусматривающих программируемые приборы и предоставляющих полезные возможности для расширения функциональности скриптов на приборах, соответствующих LXI.

Расширения VME для приборов (VXI)

Архитектура шины VXI — это открытая стандартная платформа для автоматизированного тестирования, основанная на VMEbus. Представленная в 1987 году, VXI использует все форм-факторы Eurocard и добавляет линии запуска, локальную шину и другие функции, предназначенные для измерительных приложений. Системы VXI базируются на центральном блоке или шасси с до 13 слотами, в которые можно устанавливать различные модули приборов VXI. Шасси также обеспечивает все требования к электропитанию и охлаждению как самого шасси, так и содержащихся в нем приборов. Модули шины VXI обычно имеют высоту 6U.

Расширения PCI для приборов (PXI)

PXI — это периферийная шина, специализирующаяся на системах сбора данных и управления в реальном времени. Представленная в 1997 году, PXI использует форм-факторы CompactPCI 3U и 6U и добавляет линии синхронизации, локальную шину и другие функции, предназначенные для измерительных приложений. Технические характеристики PXI разрабатываются и поддерживаются PXI Systems Alliance. Более 50 производителей по всему миру выпускают оборудование PXI.

Универсальная последовательная шина (USB)

USB соединяет периферийные устройства, такие как клавиатуры и мыши, с компьютерами. USB – это шина Plug and Play, способная поддерживать до 127 устройств на одном порту и имеющая теоретическую максимальную пропускную способность 480 Мбит/с (высокоскоростной USB, определенный спецификацией USB 2.0). Поскольку USB-порты являются стандартной комплектацией компьютеров, они представляют собой естественное развитие традиционной технологии последовательных портов. Однако USB не получил широкого распространения при создании промышленных систем тестирования и измерений по ряду причин: например, USB-кабели не соответствуют промышленным стандартам, чувствительны к помехам, могут случайно отсоединяться, а максимальное расстояние между контроллером и устройством составляет 30 м. Как и RS 232, USB полезен для применений в лабораторных условиях, где не требуется надежное подключение по шине.

RS-232

RS 232 – это спецификация для последовательной связи, широко используемая в аналитических и научных приборах, а также для управления периферийными устройствами, такими как принтеры. В отличие от GPIB, интерфейс RS 232 позволяет подключать и управлять только одним устройством одновременно. RS 232 также является относительно медленным интерфейсом с типичными скоростями передачи данных менее 20 КБ/с. RS 232 лучше всего подходит для лабораторных применений, совместимых с более медленным и менее надежным соединением. Он работает от источника питания ±24 вольт.

Граничное сканирование

Граничное сканирование может быть реализовано как шина интерфейса на уровне печатной платы или на уровне системы для управления выводами интегральной схемы и обеспечения выполнения тестов целостности соединений (взаимосоединений) на испытуемом устройстве (UUT), а также функциональных кластерных тестов на логических устройствах или группах устройств. Оно также может использоваться как управляющий интерфейс для другого измерительного оборудования, которое может быть встроено в сами интегральные схемы (см. IEEE 1687) или является частью внешней управляемой испытательной системы.

Процессоры скриптов для тестирования и шина расширения канала

Одна из самых недавно разработанных платформ испытательных систем использует приборы, оснащенные встроенными процессорами тестовых сценариев в сочетании с высокоскоростной шиной. В этом подходе один "главный" прибор запускает тестовый скрипт (небольшую программу), который управляет работой различных "подчиненных" приборов в испытательной системе, к которым он подключен через высокоскоростную синхронизацию триггеров по LAN и шину межблочной связи. Скриптирование – это написание программ на языке сценариев для координации последовательности действий. Этот подход оптимизирован для передачи небольших сообщений, характерных для приложений тестирования и измерений. Благодаря минимальным сетевым накладным расходам и скорости передачи данных 100 Мбит/с, он значительно быстрее, чем GPIB и 100BaseT Ethernet в реальных условиях. Преимущество этой платформы заключается в том, что все подключенные приборы функционируют как единая тесно интегрированная многоканальная система, что позволяет пользователям масштабировать свою испытательную систему для соответствия требуемому количеству каналов экономически эффективно. Система, сконфигурированная на этой платформе, может работать автономно как полноценное решение для измерений и автоматизации, при этом главный прибор управляет источниками сигнала, измерениями, принятием решений о соответствии/несоответствии, управлением потоком тестовой последовательности, сортировкой и обработкой компонентов или зондированием. Поддержка выделенных линий триггера позволяет выполнять синхронные операции между несколькими приборами, оснащенными встроенными процессорами тестовых сценариев и соединенными этой высокоскоростной шиной, без необходимости дополнительных триггерных соединений.