CC BY
15
А.В. Никонов, A.V. Nikonov, e-mail: nalva@mail.ru
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
АНАЛИЗ АРХИТЕКТУР КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ БИС
ANALYSIS OF ARCHITECTURES OF CONTROL EQUIPMENT DESIGNED FOR TESTING HIGHLY-INTEGRATED CHIPS
Аннотация: изложена оценка различных подходов к построению высокоточной контрольно-измерительной аппаратуры для испытаний БИС, работающих в широком частотном диапазоне.
In the course of the article, the author evaluates different approaches to designing high-precision control equipment for testing highly-integrated chips that operate in wide frequency range.
Ключевые слова: архитектура, функциональный контроль, параметрический контроль, ВЧ-УВЧдиапазон, динамические параметры
Keywords: architecture, functional testing, parametric testing, RF-UHF range, dynamic parameters
Разработке скоростных интегральных схем и автоматизированного испытательного оборудования придаётся большое значение в ведущих промышленных странах мира. При производстве изделий электронной техники (ИЭТ), выполняемом в большом объёме, совершается значительное число операций контроля и испытаний - 30-40 % от числа элементарных технологических операций [1]. Их трудоёмкость и стоимость составляет 40-60 % стоимости всего производства. Проблема создания методов построения контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) для области ВЧ-УВЧ, обладающей свойствами быстродействия, прецизионности, многоканальности и универсальности, является актуальной. Если в 80-х годах разработка ИЭТ увязывалась с разработкой КИА Министерством электронной промышленности, то в начале 90-х годов прекратилось финансирование разработок. Это привело к зависимости государства от импорта как в области современных интегральных схем даже малой степени интеграции, так и в области КИА для вторичной приёмки, не говоря уже о выпуске ИЭТ, испытаниях приёмо-сдаточного и периодического характера.
По данным [2], «вторые поставщики» имеют право закупать и поставлять только те изделия, применительно к которым они аттестованы. Но в РФ нет ни одного второго поставщика, имеющего в области своей аттестации электронные модули и изделия высокого уровня конструктивной сложности.
Лучшие образцы КИА, созданной в США и Японии, обладают многофункциональностью, высокими техническими характеристиками по ряду основных параметров и приемлемой стоимостью. Автоматизированные системы контроля и диагностики (АСКД) отличаются как архитектурой, так и техническими решениями, им присущи свои достоинства и недостатки, но они имеют недостаточное значение верхней границы диапазона тактовых частот.
При проведении функциональных испытаний, системы должны обеспечивать генерацию тестовых воздействий в определенные интервалы времени, задавать временные характеристики тестовых последовательностей. При проведении параметрических исследований должна быть обеспечена возможность регулировки таких параметров, как напряжение и ток в нагрузке, длительностей фронта и среза, положений фронта и среза во времени.
Вопросы, определяющие требования к КИА со стороны конкретных исследуемых объектов, изложены в [3]. Можно отметить следующие требования:
44
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
а) обеспечение функционирования в частотном диапазоне 1 МГц - (1-3) ГГц и выше;
б) снижение систематической составляющей суммарной погрешности по времени до значения не более 5 % от периода тактового сигнала;
в) снижение случайной составляющей суммарной погрешности до значения не более 20 % от систематической составляющей;
д) обеспечение минимального дискрета установки временных параметров (относительно периода тактового сигнала) значением (10-10)/Гг;
е) обеспечение минимального времени переустановки временных параметров при сохранении точности;
ж) обеспечение электромагнитной, конструктивной и режимной совместимости широкополосных формирователей тест-сигнала.
Потребителям требуются испытательные системы, выполняющие как функциональные, так и внутрисхемные исследования. Это даёт почти стопроцентную уверенность, что изделие функционирует правильно. По [4], свыше 80 % отказов выявляется внутрисхемными системами, а функциональные испытания выявляют большую часть остальных неисправностей.
80-е - 90-е годы характерны разработкой систем с числом выводов 120-288 и частотой 20-40 МГц. В одном цикле задания данных реализуется до шести переключений. Традиционно применяемая коммутационная архитектура переключает прецизионные сигналы на весь набор каналов воздействия или сравнения. Преимущество такой архитектуры - ограниченное число средств повышенной точности и стабильности, а недостаток - сложность коммутационных устройств, неизбежные потери в метрологических характеристиках: резко увеличиваются погрешность задания сигналов во времени и сложность калибровки. Подстраивать электрическую длину всех цепей прохождения сигналов слишком сложно и дорого. А отсутствие такой подстройки при различных видах объектов с различными параметрами сигналов синхронизации ведёт к возникновению динамических погрешностей, для компенсации которых требуется ужесточить пределы изменений параметров сигналов объекта, что ведёт к снижению выхода годных изделий и росту стоимости испытаний. Особенно увеличивается паразитная связь между каналами с ростом частоты функционирования системы: если для частоты 1 МГц она имеет уровень минус 80 дБ, то для частоты 100 МГц - уже минус 20 дБ [5].
В данном подходе предполагается, что для нескольких разных контактов исследуемого объекта требуются сигналы с одинаковыми временными параметрами, токами и напряжениями - поэтому аппаратные ресурсы системы можно распределить между этими контактами [6]. Однако при испытаниях СБИС со многими контактами резко усложняется разработка тест-программ, резко снижаются производительность и точность систем. Коммутационная матрица, через которую проходят сигналы на выход каналов, имеет практически бесконечное число возможных комбинаций, и каждой из них соответствует своя собственная задержка. Следовательно, крайне сложно обеспечить калибровку каждого канала и каждого положения тест-сигнала.
Архитектура с поконтактным набором ресурсов [7] имеет полный аппаратный набор на каждый вывод системы. Здесь существенно расширены функциональные возможности, обеспечивается высокое временное разрешение и точность, но необходима элементная база на матричных БИС и гибридная технология: реализация на дискретных компонентах ведет к большим габаритам и сложности взаимной синхронизации каналов. Но эта архитектура позволяет группировать каналы любым требуемым образом, реализовать индивидуальное управление в каждом канале. Архитектура базируется на том, что до 60 % стоимости системы приходится на приконтактную электронику (элементы обработки). Рациональное использование ресурсов является предпосылкой создания архитектуры, позволяющей наращивать аппаратные средства для решения задач, удовлетворяющей конкретным требованиям, то есть - архитектуры с независимыми поконтактными ресурсами: на каждом контакте имеется полный независимый набор технических средств приконтактной электроники.
45
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
В канале выполняется и генерация тест-векторов, и параметрическая и логическая обработка сигналов. Но в канале должны находиться достаточно универсальные и эффективные средства синхронизации, позволяющие сфазировать между собой все каналы системы. Здесь не сложная разработка тест-программ: благодаря наличию одинаковых полных наборов аппаратных средств в каждом канале, нет необходимости манипулировать ресурсами системы, а программное обеспечение более универсально.
Отсутствие коммутации сигналов синхронизации обеспечивает более высокие точности, а модульная структура с поконтакными испытательными узлами позволяет легко вводить в систему дополнительные контактные секции для увеличения максимального количества контактов у испытываемых приборов.
Системы с разделяемыми ресурсами стоят дешевле, однако с ростом сложности испытываемых кристаллов архитектура с поконтактными ресурсами предпочтительнее. Единст-
венный быстродействующий сигнал - системный сигнал тактовой синхронизации, который подается на все секции в параллель без помощи коммутационной матрицы, в результате чего сигнальные цепи оказываются короткими и специализированными, что позволяет выполнять индивидуальную предварительную калибровку для каждого контакта. Кроме того, так как каждый контакт оснащен собственным независимым набором ресурсов, то на таком принципе можно строить испытательные системы с общим количеством контактов до 512 и более.
В комбинированной архитектуре (из представленных выше) [8] производится коммутация сигналов опорного генератора импульсов с различными фазами во все каналы и воздействия, и сравнения. А увеличение ресурсных возможностей каждого канала обеспечивается применением ОЗУ. Управление ресурсами всех каналов идет синхронно сигналом тактового генератора с программируемым периодом.
К недостаткам таких систем относятся низкая тактовая частота (20-40 МГц), малая точность и большой дискрет задания напряжений по причинам, аналогичным предыдущим видам систем.
В ряде комплексов результаты измерений динамических параметров испытуемых БИС и СБИС используются для сравнения их с соответствующими эталонными значениями. Параметры, определяющие взаимные соотношения входных сигналов, проверяются путём их сравнения с параметрами эталонных сигналов, воздействующих на объект исследований (ОИ) во время динамического функционального тестирования [7]. Запрограммированные значения параметров эталонных сигналов принимаются как предельные, а проверяемый объект выполняет роль компаратора. Сравнение происходит по данным и моменту их появления. Для измерения динамических характеристик применяют итерационные процедуры. Для архитектуры этих систем характерно (как и для других):
а) с увеличением тактовой частоты уменьшается абсолютное значение дискрета задания временных сдвигов, увеличиваются требования к точности компарирования, т. е. минимизации абсолютной погрешности как задания, так и фиксации (измерения) амплитудно-временных параметров;
б) с увеличением степени интеграции объекта увеличивается как число динамических параметров, так и степень сложности их определения, что ведет к увеличению длительности тест-последовательностей.
В отдельную область можно выделить системы, использующие не электрические принципы, в частности оптические, при формировании тест-воздействий, введении и съёме информации с объекта [9]. Такая система позволяет исследовать объекты, частота сигналов которых достигает 1,2 ГГц. Основной принцип системы - сканирование лазерным лучом оптического датчика. Используется эффект Поккельса, когда взаимодействие света и электрического поля в кристалле даёт возможность измерить напряжение электрического сигнала. Очевидно, это целесообразно при оценке сигнала-отклика от объекта, а также фиксации зна-
46
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
чения электрического параметра сигнала, служащего тестирующим. Оптический метод позволил уменьшить ёмкость контакта выходного узла системы до значения менее 1 пФ, а расстояние между объектом и узлом считывания информации - до 5 мм. В основу считывания положена стробоскопия световыми импульсами. Подсистема синхронизации увязывает во времени все процессы в системе. Подсистема формирования тест-сигнала (драйвер) питает сигналом не только объект исследований, но и подсистему лазерного воздействия. Проблема многоканальности при считывании информации решается сканированием луча лазера (дискретные точки). Подсистема синхронизации использует в качестве опорного сигнала метки времени, полученные с помощью лазера, работающего в непрерывном режиме с синхронизацией мод.
Подсистема, исследующая сигнал-отклик от объекта, принимает световые импульсы длительностью 100 пс с частотой следования 1 МГц, и для выборки необходимого оптического импульса используется специальная схема в блоке выборки данных. Изменения вектора поляризации световой волны под воздействием напряжения в точке контроля является информативным параметром (эффект Поккельса). Для наведения светового лазерного луча в необходимую точку используются управляемые линза и набор зеркал. Отраженный луч расщепляется анализатором Уолластона и обрабатывается с помощью двух фотодетекторов,
которые измеряют изменение поляризации дифференциальным методом. Далее идет усиление и аналого-цифровое преобразование. Нужно отметить линейность этого метода измерения, большой динамический и частотный диапазон.
Имеются системы, позволяющие проводить исследования как цифровых, так и аналоговых ИЭТ [10]: в архитектуре в канале каждого контакта объединены средства аналоговых и цифровых испытаний. Если канал находится в режиме функциональных испытаний, то перед началом тестирования в его локальную память загружаются сжатые и закодированные данные, которые в максимальном объеме включают в себя подаваемый и ожидаемый биты. Затем указанные данные поступают в узел восстановления тест-кодов, где декодируются в реальном времени. Генераторы синхроимпульсов и схемы формирования времени задержки синхронизируют все подсистемы канала, а также координируют работу отдельных каналов, когда выполняются измерения.
В [11] сделана попытка найти общий подход к архитектуре системы. Этот подход можно интерпретировать как выделение самостоятельных подсистем (на основании фазового ядра): выделяется подсистема фазовой синхронизации, являющейся интегрированной основой всех иных подсистем и обеспечивающая метрологические функции. В этом случае реализуется функция контроля (а обобщая, можно сказать - измерения электрических и информационных параметров сигнала-отклика объекта исследований).
На основании проведённого анализа можно выделить следующие основные направления совершенствования разрабатываемых систем.
1 Оптимизация архитектуры с целью выбора структуры, в наибольшей степени удовлетворяющей ставящимся противоречивым требованиям.
2 Повышение быстродействия средств приконтактной электроники при обеспечении прецизионного задания временных параметров и уровней тест-сигналов.
3 Увеличение скорости генерации тест-последовательностей.
4 Повышение быстродействия, разрешающей способности и точности подсистемы синхронизации в частотном диапазоне.
5 Увеличение быстродействия прецизионного измерения параметров сигналов отклика.
6 Оптимизация подсистемы управления с целью повышения производительности контроля и управления процессом скоростной передачи тест-сигналов на входы СБИС при ограничениях на объем используемой памяти.
47
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014 Библиографический список
1. Бондаревский А.С. Тенденции развития метрологического обеспечения электронной техники и уточнение основных понятий метрологии / А.С. Бондаревский, В.Н. Сретенский // Электронная промышленность. - 1986. - № 5. - С. 44-50.
2. Кобзарь Д. Процедурные вопросы применения электронных средств в военной технике: нормативная база и правда жизни // Современные технологии автоматизации. - 2007. -№ 3. - С. 86-97.
3. Казамаки Т. Отличительные признаки АИО нового поколения / Пер. с англ. Пиме-новой И.А. - г. Пенза : НИИ «Контрольприбор» МПСАСУ, 1989. - 20 с.
4. Микропроцессорные системы поэлементного диагностирования РЭА / Н.П. Байда, И.В. Кузьмин, В.Т. Шпилеквой. - М. : Радио и связь, 1987. - 256 с.
5. Nikonov, AV; Nikonova, GV. Frequency-synthesizer for automatic-control systems at ultrahigh frequencies. - Instruments and Experimental Techniques. - Vol.: 36. - Issue: 1. - P. 114117 Part: Part 2. - Published: Jan-Feb 1993.
6. Свон Р., Макминн Ч. Универсальный комплекс для испытания СБИС с полными независимыми поконтактными наборами ресурсов // Электроника. - 1983. - № 18. - С. 25-34.
7. Отдельные проблемы, возникающие при тестировании БИС и СБИС / МПСА и СУ. -УТОиО НИИ «Контрольприбор». - № 1115. - г. Пенза, 30.11.89, 30 с. - Пер. ст. J. Kern из журн.: «Prace PIE». - 1988. - № 105. - Р. 23-57.
8. Комплекс контроля СБИС (КВК. ФИЦ. Э-40-003) / Д.А. Ефремов, С.В. Ключанцев, Б.П. Лучин, В.И. Самсонов // Электронная промышленность. - 1989. - № 3. - С. 64-65.
9. Новеллино Д. Электрооптический тестер, работающий на частоте более 1 ГГц // Электроника. - 1988. - № 25. - С. 49-51.
10. Джонсон Д. Тестеры для СБИС, позволяющие испытывать комбинированные схемы с аналоговыми и цифровыми сигналами // Электроника. - 1984. - № 8. - С. 39-46.
11. Никонов А.В. Контрольно-измерительная аппаратура электронной промышленности на основе фазового ядра (теория и практика построения). дис. ... д-ра техн. наук по сп. 05.11.05. - Омск, 1999. - 520 с.
