Автоматическое испытательное оборудование или автоматизированное испытательное оборудование ( ATE ) — это любой аппарат, который выполняет испытания на устройстве, известном как тестируемое устройство (DUT), тестируемое оборудование (EUT) или тестируемый блок (UUT), используя автоматизацию для быстрого выполнения измерений и оценки результатов испытаний. ATE может быть простым цифровым мультиметром с компьютерным управлением или сложной системой, содержащей десятки сложных испытательных приборов (реальное или имитируемое электронное испытательное оборудование ), способное автоматически тестировать и диагностировать неисправности в сложных электронных корпусированных деталях или на пластинах , включая системы на чипах и интегральные схемы .
ATE широко используется в электронной промышленности для тестирования электронных компонентов и систем после изготовления. ATE также используется для тестирования авионики и электронных модулей в автомобилях. Он используется в военных приложениях, таких как радары и беспроводная связь.
Semiconductor ATE, названный в честь тестирования полупроводниковых приборов , может тестировать широкий спектр электронных приборов и систем, от простых компонентов ( резисторов , конденсаторов и индукторов ) до интегральных схем (ИС), печатных плат (ПП) и сложных, полностью собранных электронных систем. Для этой цели используются карты зондов . Системы ATE предназначены для сокращения времени тестирования, необходимого для проверки работоспособности конкретного прибора или для быстрого обнаружения его неисправностей до того, как деталь получит возможность быть использованной в конечном потребительском продукте. Чтобы снизить производственные затраты и повысить выход продукции, полупроводниковые приборы следует тестировать после изготовления, чтобы предотвратить попадание неисправных приборов к потребителю.
Архитектура полупроводникового ATE состоит из главного контроллера (обычно компьютера ), который синхронизирует один или несколько источников и захватных приборов (перечисленных ниже). Исторически сложилось так, что в системах ATE использовались специально разработанные контроллеры или реле . Тестируемое устройство (DUT) физически подключено к ATE с помощью другой роботизированной машины, называемой обработчиком или зондом , и через настроенный интерфейсный тестовый адаптер (ITA) или «фиксатор», который адаптирует ресурсы ATE к DUT.
Промышленный ПК представляет собой обычный настольный компьютер, упакованный в 19-дюймовую стойку со слотами PCI/PCIe для размещения карт стимулятора/датчика сигнала. Он выполняет роль контроллера в ATE. Разработка тестовых приложений и хранение результатов управляются в этом ПК. Большинство современных полупроводниковых ATE включают в себя несколько управляемых компьютером приборов для источника или измерения широкого спектра параметров. Приборы могут включать в себя источники питания устройств (DPS), [1] [2] параметрические измерительные блоки (PMU), генераторы произвольных сигналов (AWG), дигитайзеры, цифровые входы/выходы и вспомогательные источники. Приборы выполняют различные измерения на DUT, и приборы синхронизированы таким образом, чтобы они генерировали и измеряли формы сигналов в надлежащее время. Исходя из требования времени отклика, системы реального времени также рассматриваются для стимуляции и захвата сигнала.
Массовое соединение представляет собой интерфейс соединителя между тестовыми приборами (PXI, VXI, LXI, GPIB, SCXI и PCI) и тестируемыми устройствами/блоками (D/UUT). Эта секция действует как узловая точка для сигналов, входящих/исходящих между ATE и D/UUT.
Например, чтобы измерить напряжение конкретного полупроводникового устройства, приборы цифровой обработки сигналов (DSP) в ATE измеряют напряжение напрямую и отправляют результаты на компьютер для обработки сигнала, где вычисляется требуемое значение. Этот пример показывает, что обычные приборы, такие как амперметр , не могут использоваться во многих ATE из-за ограниченного количества измерений, которые может выполнить прибор, и времени, которое потребуется для использования приборов для выполнения измерения. Одним из ключевых преимуществ использования DSP для измерения параметров является время. Если нам нужно рассчитать пиковое напряжение электрического сигнала и другие параметры сигнала, то мы должны использовать прибор пикового детектора, а также другие приборы для проверки других параметров. Однако, если используются приборы на основе DSP, то делается выборка сигнала, и другие параметры могут быть вычислены из одного измерения.
Не все устройства тестируются одинаково. Тестирование добавляет расходы, поэтому недорогие компоненты редко тестируются полностью, тогда как медицинские или дорогостоящие компоненты (где важна надежность) тестируются часто.
Но тестирование устройства по всем параметрам может потребоваться или не потребоваться в зависимости от функциональности устройства и конечного пользователя. Например, если устройство находит применение в медицинских или спасательных изделиях, то многие из его параметров должны быть протестированы, а некоторые параметры должны быть гарантированы. Но принятие решения о тестируемых параметрах является сложным решением, основанным на соотношении стоимости и производительности. Если устройство является сложным цифровым устройством с тысячами вентилей, то необходимо рассчитать покрытие тестовых ошибок. Здесь снова решение является сложным, основанным на экономике тестирования, на частоте, количестве и типе входов/выходов в устройстве и конечном приложении...
ATE можно использовать на упакованных деталях (типичный 'чип' ИС) или непосредственно на кремниевой пластине . Упакованные детали используют манипулятор для размещения устройства на индивидуальной интерфейсной плате, тогда как кремниевые пластины тестируются напрямую с помощью высокоточных зондов. Системы ATE взаимодействуют с манипулятором или зондом для тестирования DUT.
Системы ATE обычно взаимодействуют с автоматизированным инструментом размещения, называемым «обработчиком», который физически помещает тестируемое устройство (DUT) на адаптер тестирования интерфейса (ITA), чтобы его можно было измерить с помощью оборудования. Также может быть адаптер тестирования интерфейса (ITA), устройство, просто устанавливающее электронные соединения между ATE и тестируемым устройством (также называемым тестируемым устройством или UUT), но также оно может содержать дополнительную схему для адаптации сигналов между ATE и DUT и иметь физические возможности для монтажа DUT. Наконец, для соединения ITA и DUT используется розетка . Розетка должна выдерживать жесткие требования производственного цеха, поэтому ее обычно часто заменяют.
Простая электрическая схема интерфейса: ATE → ITA → DUT (пакет) ← Handler
В тестовых тестах на основе пластин обычно используется устройство, называемое зондом , которое перемещается по кремниевой пластине для проверки устройства.
Простая электрическая схема интерфейса: ATE → Prober → Wafer (DUT)
Один из способов улучшить время тестирования — это тестирование нескольких устройств одновременно. Системы ATE теперь могут поддерживать наличие нескольких «сайтов», где ресурсы ATE совместно используются каждым сайтом. Некоторые ресурсы могут использоваться параллельно, другие должны быть сериализованы для каждого DUT.
Компьютер ATE использует современные компьютерные языки (например , C , C++ , Java , VEE , Python , LabVIEW или Smalltalk ) с дополнительными операторами для управления оборудованием ATE через стандартные и фирменные интерфейсы прикладного программирования (API). Также существуют некоторые специализированные компьютерные языки, например, сокращенный язык тестирования для всех систем (ATLAS). Автоматическое испытательное оборудование также может быть автоматизировано с помощью движка выполнения тестов, например, TestStand от NI . [3]
Иногда для разработки серии тестов используется автоматическая генерация тестовых шаблонов .
Многие платформы ATE, используемые в полупроводниковой промышленности, выводят данные с использованием стандартного формата тестовых данных (STDF).
Автоматическая диагностика испытательного оборудования является частью теста ATE, которая определяет неисправные компоненты. Тесты ATE выполняют две основные функции. Первая — проверка того, правильно ли работает тестируемое устройство. Вторая — диагностика причины, когда DUT работает неправильно. Диагностическая часть может быть самой сложной и дорогостоящей частью теста. Для ATE типично сводить отказ к кластеру или группе неоднозначности компонентов. Одним из методов, помогающих сократить эти группы неоднозначности, является добавление тестирования анализа аналоговой сигнатуры в систему ATE. Диагностика часто облегчается использованием летающего зонда .
Добавление высокоскоростной коммутационной системы к конфигурации тестовой системы позволяет проводить более быстрое и экономичное тестирование нескольких устройств и призвано сократить как ошибки тестирования, так и затраты. Проектирование коммутационной конфигурации тестовой системы требует понимания сигналов, которые будут коммутироваться, и тестов, которые будут выполняться, а также доступных форм-факторов коммутационного оборудования.
Несколько модульных электронных инструментальных платформ в настоящее время широко используются для настройки автоматизированных электронных систем тестирования и измерения. Эти системы широко используются для входного контроля, обеспечения качества и производственного тестирования электронных устройств и узлов. Стандартные отраслевые интерфейсы связи связывают источники сигналов с измерительными приборами в системах на основе « стойки и стека » или шасси/мэйнфрейма, часто под управлением пользовательского программного приложения, работающего на внешнем ПК.
Универсальная интерфейсная шина ( GPIB ) — это стандартный параллельный интерфейс IEEE-488 (стандарт, созданный Институтом инженеров по электротехнике и электронике ), используемый для подключения датчиков и программируемых приборов к компьютеру. GPIB — это цифровой 8-битный параллельный интерфейс связи, способный обеспечить передачу данных со скоростью более 8 МБ/с. Он позволяет последовательно подключать до 14 приборов к системному контроллеру 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 определили ее основные правила связи с программным обеспечением. GPIB лучше всего подходит для приложений в промышленных условиях, где требуется надежное соединение для управления приборами.
Первоначальный 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 различных поставщиков. В 1975 году IEEE опубликовал стандарт ANSI/IEEE 488-1975, IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation, который содержал электрические, механические и функциональные спецификации интерфейсной системы. Этот стандарт впоследствии был пересмотрен в 1978 году (IEEE-488.1) и 1990 году (IEEE-488.2). Спецификация IEEE 488.2 включает в себя Стандартные команды для программируемого прибора (SCPI), которые определяют конкретные команды, которым должен подчиняться каждый класс приборов. SCPI обеспечивает совместимость и настраиваемость между этими приборами.
Шина IEEE-488 давно пользуется популярностью, поскольку она проста в использовании и использует большой выбор программируемых инструментов и стимулов. Однако большие системы имеют следующие ограничения:
Стандарт LXI определяет протоколы связи для систем измерительных приборов и сбора данных с использованием Ethernet. Эти системы основаны на небольших модульных приборах, использующих недорогую локальную сеть открытого стандарта (Ethernet). Приборы, совместимые с LXI, предлагают преимущества размера и интеграции модульных приборов без ограничений по стоимости и форм-фактору архитектур с каркасом для карт. Благодаря использованию связи Ethernet стандарт LXI обеспечивает гибкую упаковку, высокоскоростной ввод-вывод и стандартизированное использование подключения к локальной сети в широком спектре коммерческих, промышленных, аэрокосмических и военных приложений. Каждый прибор, совместимый с LXI, включает драйвер взаимозаменяемого виртуального прибора (IVI) для упрощения связи с приборами, не соответствующими LXI, поэтому устройства, совместимые с LXI, могут взаимодействовать с устройствами, которые сами по себе не соответствуют LXI (т. е. приборами, использующими GPIB, VXI, PXI и т. д.). Это упрощает создание и эксплуатацию гибридных конфигураций приборов.
Инструменты LXI иногда используют скрипты с использованием встроенных процессоров тестовых скриптов для настройки приложений тестирования и измерений. Инструменты на основе скриптов обеспечивают архитектурную гибкость, улучшенную производительность и более низкую стоимость для многих приложений. Скрипты увеличивают преимущества инструментов LXI, и LXI предлагает функции, которые как позволяют, так и улучшают скрипты. Хотя текущие стандарты LXI для инструментов не требуют, чтобы инструменты были программируемыми или реализовывали скрипты, несколько функций в спецификации LXI предвосхищают программируемые инструменты и предоставляют полезную функциональность, которая расширяет возможности скриптов на инструментах, совместимых с LXI. [5]
Архитектура шины VXI представляет собой открытую стандартную платформу для автоматизированного тестирования на основе VMEbus . Представленная в 1987 году, VXI использует все форм-факторы Eurocard и добавляет линии запуска, локальную шину и другие функции, подходящие для измерительных приложений. Системы VXI основаны на мэйнфрейме или шасси с 13 слотами, в которые могут быть установлены различные модули инструментов VXI. [6] Шасси также обеспечивает все требования к электропитанию и охлаждению для шасси и содержащихся в нем инструментов. Модули шины VXI обычно имеют высоту 6U .
PXI — это периферийная шина, специализированная для систем сбора данных и управления в реальном времени. Представленная в 1997 году, PXI использует форм-факторы CompactPCI 3U и 6U и добавляет линии запуска, локальную шину и другие функции, подходящие для измерительных приложений. Спецификации оборудования и программного обеспечения PXI разрабатываются и поддерживаются PXI Systems Alliance. [7] Более 50 производителей по всему миру выпускают оборудование PXI. [8]
USB подключает периферийные устройства, такие как клавиатуры и мыши, к ПК. USB — это шина Plug and Play , которая может обрабатывать до 127 устройств на одном порту и имеет теоретическую максимальную пропускную способность 480 Мбит/с (высокоскоростной USB, определенный спецификацией USB 2.0). Поскольку порты USB являются стандартными функциями ПК, они являются естественной эволюцией традиционной технологии последовательного порта. Однако он не получил широкого распространения при создании промышленных испытательных и измерительных систем по ряду причин; например, кабели USB не являются промышленными, чувствительны к шуму, могут случайно отсоединиться, а максимальное расстояние между контроллером и устройством составляет 30 м. Как и RS-232 , USB полезен для приложений в лабораторных условиях, где не требуется надежное шинное соединение.
RS-232 — это спецификация для последовательной связи, которая популярна в аналитических и научных приборах, а также для управления периферийными устройствами, такими как принтеры. В отличие от GPIB, с интерфейсом RS-232 можно подключать и управлять только одним устройством одновременно. RS-232 также является относительно медленным интерфейсом с типичной скоростью передачи данных менее 20 КБ/с. RS-232 лучше всего подходит для лабораторных приложений, совместимых с более медленным, менее надежным соединением. Он работает от источника питания ±24 В.
Граничное сканирование может быть реализовано как интерфейсная шина уровня печатной платы или системного уровня с целью управления выводами ИС и облегчения тестов непрерывности (взаимосвязей) на тестовой цели (UUT), а также функциональных кластерных тестов на логических устройствах или группах устройств. Его также можно использовать как интерфейс управления для других приборов, которые могут быть встроены в сами ИС (см. IEEE 1687) или приборов, которые являются частью внешней управляемой тестовой системы.
Одна из самых последних платформ тестовых систем использует приборы, оснащенные встроенными процессорами тестовых сценариев в сочетании с высокоскоростной шиной. При таком подходе один «главный» прибор запускает тестовый сценарий (небольшую программу), который управляет работой различных «ведомых» приборов в тестовой системе, с которой он связан через высокоскоростную синхронизацию триггеров на основе локальной сети и межблочную коммуникационную шину. Скриптинг — это написание программ на языке сценариев для координации последовательности действий.
Этот подход оптимизирован для небольших передач сообщений, характерных для приложений тестирования и измерений. С очень небольшими сетевыми издержками и скоростью передачи данных 100 Мбит/с он значительно быстрее, чем GPIB и 100BaseT Ethernet в реальных приложениях.
Преимущество этой платформы в том, что все подключенные приборы ведут себя как одна тесно интегрированная многоканальная система, поэтому пользователи могут масштабировать свою тестовую систему, чтобы соответствовать требуемому количеству каналов с минимальными затратами. Система, настроенная на платформе такого типа, может работать автономно как комплексное решение для измерения и автоматизации, при этом главный блок управляет источником, измерением, принятием решений о прохождении/непрохождении, управлением потоком последовательности испытаний, биннингом и обработчиком компонентов или зондом. Поддержка выделенных линий триггера означает, что синхронные операции между несколькими приборами, оснащенными встроенными процессорами тестовых сценариев, которые связаны этой высокоскоростной шиной, могут быть достигнуты без необходимости дополнительных соединений триггера. [9]