Archived: Entwurf von automatisierten Halbleitertestsystemen mit dem Digitalmodul NI PXIe-6556

Die PPMU PXIe-6556 nutzt verschiedene Schnittstellen, um einen Prüfling und weitere Messgeräte anzuschließen. Abbildung 1 zeigt die Pinbelegung der Anschlüsse. Auf die Haupt-Digital-I/O kann über einen VHDCI-Anschluss zugegriffen werden. Zudem gibt es einen weiteren VHDCI-Anschluss für Remote-Sensing. An der Vorderseite des Moduls befinden sich drei SMA-Anschlüsse für den Import und die Erzeugung von externem Takt sowie einem PFI-Anschluss (Programmable Functional Interface). Der PFI-Anschluss kann per Software als Ein- oder als Ausgang konfiguriert werden oder sich selbst als Takt bzw. Trigger-basierter Port festlegen. In Abbildung 1 sind die Anschlüsse PFI 4 und PFI 5 dargestellt.

Abb. 1: Anschlüsse des PXIe-6556

NI bietet einige Optionen für die Anbindung an VHDCI- und PFI-Leitungen. Eine direkte Anbindung kann über ein geschirmtes 50-Ω-Kabel (SHC68-C68-D2) erfolgen, das speziell dafür ausgelegt ist, durch Impedanzanpassung und minimales Übersprechen die Signalqualität zu bewahren, und das in Längen von 0,5 m bis 2 m verfügbar ist. Beide Enden des Kabels verfügen über eine VHDCI-Stecker. Vereinfacht wird die Anbindung an eine Leiterplatte mit den speziellen Anschlussoptionen für Leiterplatten. Verschiedene Anschlussblöcke sind z. B. mit einem Schraubklemmenanschluss (CB-2162) oder einem Single-ended-SMB-Anschluss zur Kanalaufschlüsselung (SMB-2163) erhältlich. Wenn eine direkte Anbindung an alle Header-Pins über das PXIe-6556 erforderlich ist, kann das geschirmte Single-ended-Kabel SHC68-H1X38 mit offenen Anschlüssen gewählt werden. In Abbildung 2 sind beispielhaft einige Anbindungsoptionen abgebildet.

Abb. 2: Anbindungsoptionen für Analog- und Digital-I/O von NI

Die zuvor genannten Anbindungsmöglichkeiten eignen sich insbesondere für Anwendungen, wenn nur wenige Anschlüsse nötig sind, also z. B. während der Entwicklung oder Charakterisierung. Wenn eine wiederholbare und schnelle Anbindung an die PPMU PXIe-6556 erforderlich ist, eignet sich eine Massenanschlussoption (Mass Interconnect). Dies ist bei automatisierten Testsystemen für den Fertigungsbereich üblich. In diesem Whitepaper kann zwar nicht näher auf dieses Thema eingegangen werden, da es zu umfangreich ist, doch mit Massenanschlussoptionen lässt sich die richtige Plattform zur Anbindung des Prüflings ermitteln. Zugleich werden eine gute Anbindung und ein einfacher Zugang zu digitalen I/O-Hardwaremodulen ermöglicht.

NI arbeitet eng mit MAC Panel und Virginia Panel zusammen und beide Unternehmen bieten einige Anbindungsmöglichkeiten. Abbildung 3 zeigt die Anbindung eines Prüflings an ein PXI-System.

Abb. 3: Massenanschlüsse an einem PXI-System mit SCOUT-Schnittstelle von MAC Panel

Abb. 4: Rack und Anbindung an einen Massenanschluss von Virginia Panel

Digitale Muster setzen sich aus digitalen Zuständen (z. B. 0, 1, Z) und den zugehörigen Timing-Informationen zusammen. Obwohl diese digitalen Muster auf viele Arten dargestellt werden können, sind sie identisch, solange die digitalen Zustände und Timing-Informationen identisch sind. Dies bedeutet aber nicht, dass alle digitalen Testgeräte diese Muster erzeugen können, da jedes Testgerät eigene Funktionen und Beschränkungen hat. Werden diese gerätespezifischen Beschränkungen außer Acht gelassen, kann ein digitales Muster auf mehrere Arten dargestellt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Muster in Abbildung 5.

Abb. 5: Timing-Diagramm des digitalen Musters

Wird dieses digitale Muster als Timing-Set und in Form von digitalen Daten abgebildet, könnte tset1 folgendermaßen bestimmt werden:

Der obigen Bestimmung von tset1 entsprechend könnten die digitalen Daten als Vektorliste oder als Scankette definiert werden.

Anstelle von Timing-Sets könnten die Daten auch mehrfach abgetastet und festgelegt werden, dass das Muster mit einer bestimmten Sample-Rate ausgegeben wird. Bei dem obigen Muster wird mit einer Abtastung alle 50 ns (20 MHz) der Signalverlauf nachgestellt, ohne dass das Timing-Signal modifiziert werden muss. Bei einer Taktrate von 20 MHz könnte das digitale Muster so dargestellt werden:

Wie zuvor beschrieben bilden alle diese Methoden das gleiche digitale Muster wie in Abbildung 5 nach. Dies impliziert jedoch nicht, dass alle Testgeräte dieses Muster erstellen können. Vielmehr kann ein digitales Muster mit mehreren Methoden nachgebildet werden.

Die Funktionen des PXIe-6556 lassen sich mit den nachfolgenden Zeitbasen einer WGL-Datei besser nachvollziehen.

Die wichtigsten Variablen der Timing-Definition einer WGL-Datei sind:

D = Logik 0 S = Datenmuster anwenden x = Maskenausgang (vernachlässigbar) Q = Datenmuster erwarten

Das PXIe-6556 unterstützt zwar keine Timing-Sets (siehe oben), aber mit Überabtastung und großem Onboard-Speicher können die Digitalvektoren dargestellt werden. Als erster Schritt bei der Überabtastung eines Musters muss die gewünschte Taktrate festgesetzt werden. Für die optimale Ressourcenauslastung sollte die niedrigste mögliche Taktrate verwendet werden. Bei tp1 ändert sich der Ausgang bei X*(5 ns) + C, wobei X ein Integerwert und C ein konstanter Offset für jeden Ausgangskanal ist. Das gleiche gilt für die Eingangskanäle, da sich jeder bei X*(5 ns) + C ändert, und C ist erneut ein konstanter Wert für jeden Eingangskanal.

Da alle Kanäle ein Vielfaches von 5 ns plus Offset sind, kann die Taktrate auf 1/(5 ns) oder 200 MHz festgesetzt werden. Um den Offset C zu erreichen, muss die Positionsverzögerung auf den geeigneten Wert konfiguriert werden. Die Verzögerungswerte werden in der untenstehenden Tabelle angezeigt.

¹Die WGL-Datei definiert die Signalrichtung aus Sicht des Geräts. Die NI-Karten bestimmen die Signalrichtung aus Sicht der Karte. Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräte werden also entgegengesetzt zur WGL-Datei benannt (der Eingang spiegelt die Datenerstellung und der Ausgang die -erfassung wider).

Mit den oben aufgeführten Verzögerungswerten kann das PXIe-6556 jedes Muster über die Zeitbasis tp1 erzeugen.

Beispiel: Zeitbasisperiode von 100 ns
Da der Onboard-Takt bei 200 MHz ausgeführt wird, dauert ein Sample eines PXIe-6556 5 ns. Um ein Muster mit 100 ns zu erstellen, sind demnach 20 Samples nötig. Daher wird jeder Vektor, der in der WGL-Datei definiert ist, anhand von 20 Samples auf dem PXIe-6556 dargestellt.

Implementieren von Timing-Sets für die GPIO-Leitungen
Wie zuvor erwähnt, dauert jedes Sample 5 ns und jeder Vektor einer WGL-Datei wird von 20 Samples dargestellt. Wird dies zur obigen Verzögerungstabelle in Bezug gesetzt, ergibt sich die folgende Tabelle mit den Werten der 20 Samples, aus denen sich ein Vektor der WGL-Datei für jede der GPIO-Leitungen zusammensetzt.

¹ Das PXIe-6556 kann die Zustände 0, 1 und Z annehmen. Die D-Zustände sollen durch die Werte ersetzt werden, die bei den digitalen Vektoren festgelegt sind.
² Das PXIe-6556 kann die Zustände 0, 1 und Z annehmen. Der P-Zustand soll durch den vorangegangenen Wert ersetzt werden, der bei den digitalen Vektoren festgelegt ist.
³ Das PXIe-6556 kann die Zustände mit L, H und X vergleichen. Die Q-Zustände sollen durch die Werte ersetzt werden, die bei den digitalen Vektoren festgelegt sind.

Um zu zeigen, dass dieses Timing-Set korrekt implementiert wurde, muss GPIO_3 überprüft werden. Wenn das PXIe-6556 Daten ausgibt, ändert sich die Logik nach einer Periode (5 ns) und hält den aktuellen Wert in den verbleibenden 95 ns. Dies ist auch der Fall bei der Zeitbasis, die in der WGL-Datei festgelegt wurde. Bei einem Datenvergleich ignoriert das PXIe-6556 alle Daten außer dem elften und zwölften Sample. Dabei ist zu beachten, dass die Signale um 1 ns verzögert erfasst wurden. Der Wert wird bei 11*(5 ns) + (1 ns) bzw. 56 ns und erneut bei 12*(5 ns) + (1 ns) bzw. 61 ns verglichen. Zwischen 0 und 56 ns sowie zwischen 66 und 100 ns wird der Wert als X entsprechend der Vorgabe durch die Zeitbasis ausgegeben.

Nun soll ein digitales Muster tp2 verwenden. Dabei könnte derselbe Prozess wie bei tp1 genutzt werden. Das Bestimmen der Onboard-Taktrate (1/7,8125 ns) oder 128 MHz wären eine gute Wahl. Da jeder Wert einem Vielfachen von 7,8125 ns entspricht, ist kein Offset erforderlich. Mithilfe von vier Samples kann jedes in der WGL-Datei definierte Muster erstellt werden.

Was geschieht, wenn die WGL-Datei Vektoren enthält, die tp1- und tp2-Zeitbasen einsetzen? Wenn ein tp2-Muster mit der tp1-Konfiguration ausgeführt wird, wäre dies die tatsächliche Zeitbasis:

Hierbei ist zu beachten, dass die Periode und viele der Flanken von den ursprünglichen Werten abweichen. Obwohl einige Anwendungen diese Änderung nicht übernehmen können, soll dieses Verhalten nicht erwünscht sein und das Timing des Musters verbessert werden.

Im Idealfall könnte die Onboard-Taktrate erhöht und so die Auflösung erzielt werden, die nötig ist, um die beiden Zeitbasen exakt wiederzugeben. Im obigen Beispiel kann dies nicht durchgeführt werden, da das PXIe-6556 über eine maximale Taktrate von 200 MHz verfügt.

Da eine Erhöhung der Taktrate nicht möglich ist, könnte die Hardware durch ein Hin- und Herschalten zwischen tp1 und tp2 rekonfiguriert werden. Die Hardware kann den letzten Wert aufrechterhalten, während sie rekonfiguriert wird. Solange die Anwendung und der Prüfling bei der Rekonfigurierung der Hardware einige Millisekunden Verzögerung tolerieren, stellt dies eine gute Option dar.

Ist dies nicht der Fall oder wechselt die Anwendung oft zwischen tp1 und tp2, dann kann die Verzögerung über die steigende Flanke des Sample-Takts angepasst werden, um den Unterschied zwischen den beiden Timing-Sets aufzuteilen. Diese Vorgehensweise ist zwar nicht so präzise wie das Rekonfigurieren der Hardware, jedoch bietet sie eine gute Möglichkeit, um die Präzision zu steigern.

Nun soll tp2 an eine 30-ns-Periode angepasst werden können. Dafür könnten Flanken mit einer Präzision von ±860 ps platziert werden. Wenn die Anwendung es zulässt, dass alle tp2-Werte von 32 auf 33,3 MHz (30-ns-Periode) skaliert werden, können Muster mit jedem Timing-Set ohne weitere Anpassungen oder Rekonfigurationen ausgeführt werden.

Für Anwender, die daran gewöhnt sind, Timing-Sets zu spezifizieren, mag Überabtastung Neuland sein. Doch oftmals ist es nicht nötig, die maschinennahen Details von Überabtastung zu verstehen. Mithilfe von Wandlern lassen sich digitale Daten ohne großen Aufwand von einem Format in ein anderes umwandeln.

Dank der Vielzahl an Softwarewerkzeugen und Produktionstestplattformen können digitale Daten in unterschiedlichen Dateiformaten gespeichert werden, beispielsweise:

• WGL (.wgl)
• STIL (.stil)
• VCD (.vcd)
• EVCD (.evcd)
• Teradyne (.atp)
• Advantest (.pin, .tim, .tmap, .pat)
• Verigy (.avc, .dvc)
• LTX (.evo, .eva)

Diese Dateien können in zwei Kategorien unterteilt werden. Die erste Kategorie besteht aus Dateien, die bei Simulationen erstellt werden (WGL, STIL, VCD und EVCD). Welches Dateiformat verwendet wird, hängt von den Werkzeugen und Paketen ab, die der Entwickler eingesetzt hat. Dabei ist zu beachten, dass die Daten teilweise in mehr als einem Format gespeichert werden können.

In die zweite Kategorie fallen testspezifische Dateien, z. B. im .atp-Dateiformat. Häufig entstehen diese Dateien beim Konvertieren und Importieren von Daten aus den zuvor aufgeführten Simulationsdateien. Die Daten müssen allerdings nicht aus den Simulationsdateien stammen. Manchmal erfordert der Testplan das Lesen und Schreiben von Registern mit einem spezifischen Protokoll. In diesem Fall können die Dateien mithilfe eines Scripts oder möglicherweise auch manuell erstellt werden.

Dateien können zwar mit speziellen Werkzeugen von einem Testformat in ein anderes umgewandelt werden, doch grundsätzlich sollte(n) die ursprüngliche(n) Quelldatei(en) verwendet werden, um testspezifische Dateien zu generieren. Alle Testgeräte unterliegen Einschränkungen und für das Ausführen eines speziellen Musters auf einem Testgerät muss möglicherweise das Timing angepasst werden. Beim Wechsel des Testgeräts muss vermutlich das eingestellte Timing erneut geändert werden, wodurch eine Datei erstellt wird, die die vorherige Testdatei am besten widerspiegelt. Die optimale Darstellung der vorangegangenen Testdatei ist unter Umständen nicht die optimale Abbildung der Originaldatei. NI unterstützt deshalb die Umwandlung einiger Simulationsdateien.

WGL/STIL

Die Software TD-Scan von Test System Strategies Inc. (TSSI) kommt in der Halbleiterindustrie zum Einsatz, um Simulations- und Testdateien in spezifische Testformate umzuwandeln. Bei NI-Produkten können mit TD-Scan STIL- und WGL-Dateien umgewandelt werden. Dabei lassen sich Timing-Sets anpassen und die STIL- und WGL-Dateien daraufhin in ein ASCII-basiertes Format umwandeln, das NI-Produkte einfach nutzen können. Weitere Informationen zur Software TD-Scan bietet das Whitepaper Test Description (TD) Scan für standardisierte Hochgeschwindigkeits-DIO-Anwendungen.

Abb. 6: Benutzeroberfläche des TD-Scan Timing Editor

VCD

Mit dem NI Digital Waveform Editor können VCD-Dateien importiert werden. Eine grafische Benutzeroberfläche führt durch den Prozess. Zunächst muss der Signaltyp (Ausgang, Vergleich und/oder bidirektional) ausgewählt werden (vgl. Abb. 7). Bei bidirektionalen Signalen müssen als nächster Schritt die Ausgangssignale gewählt und mit den passenden bidirektionalen Signalen verbunden werden. Dies ist erforderlich, da VCD keine Informationen über die Signalrichtung enthält. Bei neueren Formaten wie WGL und EVCD ist dieser Schritt nicht nötig.

Abb. 7: Auswahl des Signals mit dem VCD Import Wizard

Wurden die bidirektionalen Signale verbunden, kann eine Sample-Rate ausgewählt und, falls erwünscht, können bestimmte digitale Zustände außer Kraft gesetzt werden. Nach der Installation wird die VCD-Datei in den NI Digital Waveform Editor importiert, in dem sie gespeichert und bei Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräten von NI eingesetzt werden kann, z. B. im PXIe-6556.

Viele Testgeräte können zwar ein bestimmtes Gerät testen, doch Testingenieure sind selten in der Lage, beim ersten Versuch eine Verbindung zum Prüfling herzustellen und alle Muster perfekt auszuführen. Um die Ursache dieses Problems aufspüren zu können, benötigen sie Fehlerbehebungswerkzeuge. Nachfolgend werden einige Fehlerbehebungswerkzeuge angeführt, die mit dem PXIe-6556 eingesetzt werden können.

Analyse und Modifikation von Mustern

Mit dem NI Digital Waveform Editor können digitale Muster dargestellt und modifiziert werden. Abbildung 8 zeigt die Benutzeroberfläche des Digital Waveform Editor.

Abb. 8: NI Digital Waveform Editor

Hardwarevergleich

Mit einem Hardwarevergleich können H-, L- und X-Zustände erzeugt werden. Wenn das eingehende Signal nicht wie erwartet ausfällt (z. B. wurde „0“ erfasst, aber „H“ erzeugt), tritt ein Sample-Fehler auf. Bei einem Sample-Fehler speichert das PXIe-6556 den fehlerhaften Kanal, die Sample-Anzahl und (optional) die Häufigkeit, wie oft hintereinander dieser Fehler aufgetreten ist. Abbildung 9 zeigt die Daten, die bei einem Hardwarevergleich erstellt wurden.

Abb. 9: Daten des Hardwarevergleichs

Datenerfassung

Die erfassten digitalen Daten können stets mit einem Testprogramm gelesen und analysiert oder auf einer Festplatte gespeichert werden, um sie mit dem Digital Waveform Editor zu analysieren. Abbildung 10 zeigt die in NI LabVIEW erfassten digitalen Daten.

Abb. 10: Mit LabVIEW erfasste digitale Daten

Gängige Fehlerbehebungswerkzeuge

Mit Software von NI können eigene Fehlerbehebungswerkzeuge erstellt werden. Abbildung 11 zeigt ein Shmoo-Diagramm in LabVIEW.

Abb. 11: LabVIEW-Shmoo-Diagramm

Wenn die Anzahl der digitalen Kanäle für den Test erweitert werden soll, können dem PXI-Chassis Module hinzugefügt werden. Je nach Kanalanzahl und Chassis kann statt einem Chassis auch eine Konfiguration mit mehreren Chassis gewählt werden. NI empfiehlt das Chassis NI PXIe-1075 für viele automatisierte Testanwendungen mit Mixed-Signal-Testhardware. Das Chassis mit 18 Steckplätzen bietet die Funktionalität, dass bis zu acht PXIe-6556 angeschlossen werden können. Diese acht Module verfügen über insgesamt 224 Leitungen für Parametermessungen pro Pin (PPMU). Werden mehr als 224 Kanäle benötigt, können mit der Technologie NI MXI-Express mehrere Chassis zusammengeschaltet werden. Abbildung 12 zeigt ein Beispiel für diese Erweiterung.

Abb. 12: Erweiterung um mehrere PXI-Chassis

Sobald mehrere Module PXIe-6556 an ein Chassis angebunden wurden, soll das Timing jedes Moduls synchronisiert werden, damit es wie ein Gerät mit höherer Kanalanzahl funktioniert. Dies geschieht über die Technologie NI-TClk. NI-TClk ist ein Synchronisationswerkzeug, das in allen SMC-basierten modularen Messgeräten von NI enthalten ist, z. B. Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräte, Digitizer, Analogsignalverlaufsgeneratoren und RF-Messgeräte. Es verwendet Synchronisationsschaltungen auf jedem Gerät, um das Taktsignal so präzise wie möglich auf 40 ps des Laufzeitunterschieds auszurichten. Weitere Informationen über NI-TClk entnehmen Sie dem Whitepaper T-Clock-Technologie von NI für Timing und Synchronisation modularer Messgeräte.

In Abbildung 13 ist ein Beispiel dargestellt, wie NI-TClk in LabVIEW bei mehreren Modulen des Typs PXIe-6556 implementiert werden kann.

Abb. 13: LabVIEW-Blockdiagramm mit T-Clock-Integration in zwei Module

Zusammenfassung

Das Modul PXIe-6556 von NI ist eine Pin-Elektronik-Karte für flexibles digitales Testen und Messen pro Pin. Es kann für Signaltests, -steuerungen und -regelungen mit hoher Zuverlässigkeit an zahlreiche Optionen von NI angebunden werden. Wird das Modul für den Produktionstest verwendet, stehen dem Anwender eine Vielzahl an Massenanschlussoptionen von MAC Panel und Virginia Panel zur Verfügung. Das PXIe-6556 bietet eine flexible Softwareschnittstelle, die in LabVIEW, .NET und C unterstützt wird. Es ist nicht mit festen Timing-Sets kompatibel, doch diese können mit Techniken zur Überabtastung erstellt werden. Diese Techniken nutzen verschiedene Methoden für Datenverzögerung und Laufzeitunterschied, damit benutzerdefinierte Timing-Sets erstellt werden können. 

Das PXIe-6556 importiert und exportiert gängige digitale Signalverläufe in verschiedenen Dateiformaten, z. B. WGL, STIL und ATP. Um einige Umwandlungen an den Signalverläufen vorzunehmen und die Kompatibilität mit den Datentypen der digitalen Signalverläufe zu gewährleisten, die direkt mit dem PXIe-6556 funktionieren, verwendet NI Softwarewerkzeuge von TSSI. Sobald der benötigte Datentyp ermittelt ist, müssen möglicherweise Fehler am digitalen Signalverlauf behoben werden. In diesem Fall kann der NI Digital Waveform Editor Anwender dabei unterstützen, die Muster der digitalen Signalverläufe darzustellen und Fehler zu beheben. Mit Anzeigefunktionen für Signalverläufe in LabVIEW kann die Ansicht über Graphen, z. B. Shmoo-Diagramm, benutzerdefiniert angepasst werden. Um mehrere Module des Typs PXIe-6556 zu integrieren, bietet NI eine Funktion in NI-TClk, mit der eine ausgewählte Trigger-Verzögerung für die Synchronisation von 40 ps zwischen den Modulen erzielt werden kann. Die Technologie MXI-Express nutzt die Funktionalität in NI-TClk, um mehrere Chassis zusammenzuschalten, wenn die Anzahl der Module in einem Chassis überschritten wird.