利用测试排序仪器降低大批量元器件生产的测试成本

    越来越小的利润空间正驱使元器件制造商降低生产成本，包括测试成本在内。采用具有嵌入式测试排序器的仪器会起到作用。

对测试的需求增加

    随着产品复杂性的程度越来越高，生产测试的成本日益增加。更高的复杂性意味着要增加测试功能，因而要增加设备成本和空间。例如，在单片集成电路上集成模拟、数字甚至RF电路意味着更高的密度和引脚数。更高的引脚数需要更多的测试通道来保持可接受的吞吐量。

    扩展测试通道的数量仅仅是解决方案的一部分。目前在生产线末端对产品集中进行功能级测试的做法也需要改变。在那里发现的故障使得制造商承担高昂的成本。更好的解决方案是把更多的测试转移到生产线的前端。这样就可以在生产过程中更早地去除坏的元器件。

    为了采取更有效的测试手段来提高利润空间，制造商要考虑新的测试范例以及构建测试系统的方法。在许多情况下，可以利用新的测试技术和仪器降低系统及测试操作成本，改善现有测试台的性能。新一代具有先进的嵌入式测试排序器和数据通信能力的SMU(源测量单元)能够实现这一点。

    SMU具有的这些功能容许建立紧凑并且经济的系统，进行快速的多通道元器件测试。随着测试要求的改变，它们也具备很高的灵活性，可以快速和方便的加以修改。采用这些仪器设计的系统可以在生产周期中更早地承担更多的测试任务，并帮助降低生产线末端测试的高昂成本。

典型的测量要求

    首先，创建适合不同元器件制造商需要的基于仪器的系统看起来不切实际。DUT(被测器件)可能是简单的2引脚或4引脚器件，如二极管、 LED或三极管。这些测试都需要非常简单的源测量程序,要具备快速的瞬时响应，以在两个通道上生成精确的I-V曲线。由于元器件操控的速度很快(某些情况下达到每部件小于100毫秒)，因而仪器速度至关重要。

    对于像电阻和RC网络、多引脚瞬态电压抑制器、EMI滤波阵列这样的元器件，在一个阵列获得通过之前，所有的单个元器件都必须通过测试。因此，需要并行的多通道测试以实现高的吞吐量。

    随着元器件复杂性的增加，测试和通道的数量也需要增加。对于半导体器件，测试设备应该能够适合晶圆级测试，因为封装成本高昂。在生产的初级阶段，需要在纳安级别对各种复杂低功率器件的静态和泄漏电流进行测量。此外，需要对晶圆上的所有DUT进行简单的直流测量以检查基本功能。因为每一个晶圆存在成千上万个的DUT，所以必须采用快速多通道的测试。

    在所有这些元器件生产的过程中，一种常见需要就是利用一组重复的测试序列向DUT施加电压或电流，测量其响应，将测量结果与可接受的极限进行比较，并作出合格/不合格决策。SMU的基本设计使它们非常适合于这类测试。然而，生产测试工程师需要仔细考虑仪器和测试系统架构中的差异，以针对当前的任务选择最佳的测试仪器，并设法预测将来的测试需要。

    对于多DUT测试或对更复杂器件的多通道测试，要采用并行通道的I-V系统来提高测试吞吐量。尽管如此，测试速度可能仍然受限于仪器、应用程序或DUT稳定时间。现有并行通道系统的限制包括连续通道跳跃(即不能同时对所有并行通道进行测量)、测量量程变化的速度慢以及数据通信速度低。

    可扩展多通道系统针对更为复杂的元器件和测试场景进行设计。它们常常包括针对各种测试功能的不同仪器。SMU常常是一个核心组件，宽带仪器(信号发生器、示波器、频谱分析仪等)往往在外部添加。两种最为常见的架构是集成的功能测试仪和具有开放API(应用编程接口)仪器的I-V测试系统。

    开放API意味着要把独立仪器安装到定制的测试系统之中，这通常通过用户或系统集成商实现。比较而言，功能或参数测试仪是一种完全预装 (交钥匙)的系统，其中的大多数硬件和软件集成已经在交付使用之前为用户做好了。这种系统的缺点是成本比较高。开放API系统为用户和系统集成商提供了高度灵活的解决方案，具有实现更低成本的潜力。

图1：基于TSP的多SMU测试系统

采用最新SMU获得更高的吞吐量

    测试夹具被加载后，大多数测试时间都是由下列时间段消耗：

1.信号源应用，包括电压或电流瞬态；

2.DUT稳定时间；

3.测量，在需要时变更量程；

4.触发延迟；

5.数据通信；

6.程序执行，包括合格/不合格及装箱决策；

7.测试夹具移动和/或电气切换时间。

    通过将独立的仪器转换到集成的SMU测试系统，缩短了独立仪器与PC控制器之间的触发延迟和数据通信时间。一些SMU具备的程序存储器可以运行高达100项的预定义测试，能利用或不用PC进行极限比较、执行条件程序分支等工作。这就减少了较慢的GPIB流量和PC的延迟时间。

    在单通道系统中，采用具备测试程序存储器的SMU来获得测试时间的改善相对容易；然而，在多SMU系统中由于难以管理多个触发和测试排序器，要缩短测试时间就要复杂得多。

    正因为如此，老一代SMU具有仅仅采用命令提示的排序器，即它们存储多个GPIB命令，通过PC的单次调用执行。这些SMU通常不具备执行极限测试或进行即时合格/不合格决策的逻辑。它们也不具备DUT操控接口，因此存在大量的GPIB流量。此外，许多老的设计不容许并行通道测试—通道都是顺序被访问的，所以对吞吐量的改进有限。

    最新的SMU设计(有时称为智能SMU)具有解决这些问题的测试脚本处理器(TSP)和高速控制总线。这就容许进行简单的编程，能够运行已经下载并储存在仪器中的复杂和高速的测试程序。利用跨越多个SMU的先进的资源共享方法可以实现这一点。

    例如，在Keithley Instruments(吉时利仪器)的Series 2600 System SourceMeter仪器中，一种主-从安排容许对所有通道实施并行测量。这种架构也容许方便地实现多通道的扩展。因此，测试工程师可以充分利用各种测试应用中的其它SMU功能。这些特性和功能包括：

1. 用于100s高速嵌入式测试程序的存储器；

2. 电压和电流脉冲及扫描能力；

3. 4象限I-V操作；

4. 宽的源/测量动态范围(1uV到200V; 1pA到10A)；

5. 6位半数字分辨率；

6. 高速的即时合格/不合格测试；

7. 用于触发管理和元器件操控接口的数字I/O。

    此外，智能SMU具备脉冲和低频任意波形发生器的功能，可施加到每一个通道。通过提供针对多种应用的通用的模拟I/O引脚简化了复杂的测试。

    通过采用这些功能及改变测试系统编程的方法，就有可能极大地提高吞吐量。不再只依赖基于PC的控制，SMU的测试排序器和程序存储器就可以控制大多数的测试。在吉时利仪器的Series 2600中，通过采用SMU的测试脚本处理器、高速排序器和快速控制总线(TSP-Link)，吞吐量得到进一步提高。可以根据需要的通道数量(最高达 128)，将多个SMU连接在一起，把它们像单台仪器那样使用。TSP-Link技术采用低延迟的100Mbps串行总线，能在多个SMU之间进行多通道 I-V扫描。

    这些智能SMU也具备宽的动态范围和无缝的量程切换。当测量要覆盖很宽的范围时，这一点非常重要，因为调整量程可能消耗大量的源测量时间。图1描述了这种类型的多SMU系统。其吞吐量相当于基于主机(mainframe)的系统。

节省的其它成本

    智能SMU使系统设计工程师易于集成各单元，且缩短了软件开发时间。例如，吉时利仪器的TSP提供一种类似Basic的直观的命令语言作为简单的编程接口。采用TSP和Test Script Builder软件，便于创建复杂的测试序列，以控制作为单个实体的多个SMU通道。不断演进的测试要求很容易通过最小的SMU硬件变化来调整。

    机架空间和硬件也会增加测试系统的成本。新型SMU的高密度设计采用节省空间的2U半机架外形。在向高引脚数转换的过程中，这容许多通道系统保持在一个测试架中。这种类型的机架堆叠系统消除了通常跟主机系统相关的大型硬件和开销成本。当需要对测试系统做出改变时，可重用的SMU硬件和更为简单的软件开发也将进一步降低成本。

本文小结

    吉时利仪器的Series 2600代表了下一代的SMU，满足了高引脚数器件生产和多个DUT测试对快速的吞吐量和有成本效益的自动测试系统的需求。这些仪器方便向现有测试台添加新的功能和容量，并进一步降低了新测试台的成本。它们提供方便的扩展能力、更简单的系统集成和很少的测试台占用空间，减少了测试系统开发时间，与此同时增加了灵活性、性能和可靠性。

作者：

Andrew Armutat

产品市场部

吉时利仪器

附录

实现快速且精确的I-V测试的可扩展仪器

    吉时利仪器的Series 2600 System SourceMeter仪器为电子元件和半导体器件制造商提供了一种用于精确DC、脉冲和低频AC源测量测试的有成本效益、可伸缩、高吞吐量的解决方案。每一个SourceMeter仪器既是高度稳定的DC电源，也是真正仪表级的5位半数字万用表。在操作上，这些仪器可以充当电压源、电流源、电压表、电流源和欧姆表。

    在I-V功能测试应用中，Series 2600仪器的测试速度比竞争方案高2到4倍。它们还提供更高的源测量通道密度和更低的拥有成本。模拟/数字转换器在100μs(10,000 读数/s)以内同时提供电流和电压测量，且源测量扫描速度小于每点200μs(5,500 点/s)。这种高速源测量能力加上先进的自动化功能和节省时间的软件工具，使Series 2600 SourceMeter仪器特别适用于对各种设备进行I-V测试。

    Series 2600仪器采用了一种创新的技术，容许经济地创建多通道的I-V测试系统，而不必牺牲测试吞吐量。TSP-Link是一种高速系统扩展接口，它可以被用于以主/从配置连接多台Series 2600仪器。

    一旦建立连接，在系统中的所有仪器可以被编程并在主单元的控制下操作，好像它们就安装在同一个机箱中一样。根据应用的要求，TSP-Link为弹性增加或减少测试系统通道的数量提供了无限的灵活性。

    基于Series 2600的系统可以在主单元的测试脚本处理器(TSP)上运行高速嵌入式测试脚本。这是这些仪器具有的另外的新技术。测试序列在仪器中的嵌入式计算机上得到处理和运行，而不是利用外部控制器，从而消除了因GPIB流量拥塞造成的延迟。

    TSP测试脚本实现的吞吐量可以达到同等基于PC的经GPIB的程序操作的10倍。TSP测试脚本可以从前面板或通过系统的GPIB接口运行。单一TSP测试脚本可以控制所有在系统中的SourceMeter通道，并从任何连接到TSP链路的仪器采集数据，并支持最多连接64台Series 2600仪器。