Разработка измерительных систем

Разработка измерительных систем

Одним из основных направлений деятельности НПК «Технологический центр» является разработка, изготовление и серийная поставка интегральных микросхем. Многие микросхемы являются системами на кристалле и содержат сложные цифровые, аналоговые и аналого-цифровые блоки. Для измерений электрических параметров данных микросхем силами специалистов ОИМ создаются на базе модулей фирмы National Instruments измерительные системы параметрического и функционального контроля.
В качестве примера такой системы можно рассмотреть измерительный стенд контроля электрических параметров и функционирования микросхем до 320 информационных выводов. 
В состав измерительный стенда входят (рисунок 1):

• модульное шасси PXIe-1095 с измерительными модулями и контроллером PXIe-8880 на базе операционной системы (ОС) Windows;
• кабели коммутационные высокочастотные и силовые; 
• оснастка измерительная;
• программируемый источник питания GW Instek GPP-74323;
• корпус на базе TS 8 для промышленных рабочих станций Rittal 6900100;
• система охлаждения на базе фильтрующих вентиляторов Rittal 3238100;
• монитор;
• клавиатура;
• компьютерная мышь.

Модульная конструкция шасси PXIe-1095 позволяет изменять состав измерительных модулей стенда. Управление и синхронизация модулей осуществляется контроллером PXIe-8880 на базе ОС Windows. Для разработки алгоритмов тестирования, программ контроля и автоматизации процесса измерения микросхем используется среда графического программирования LabVIEW.
Перечень модулей установленных в шасси PXIe-1095 и их функциональное назначение (рисунок 2):

• контроллер PXIe-8880 на базе ОС Windows;
• осциллограф PXIe-5162; 
• генератор сигналов произвольной формы PXIe-5433; 
• программируемый источник питания PXIe-4130;
• цифровой мультиметр PXIe-4082;
• модуль синхронизации PXIe-6674T;
• прибор для работы с цифровыми последовательностями NI PXIe-6571 на 32 канала (10 шт.).

Рисунок 2 – Модульное шасси PXIe-1095: 1 – контроллер PXIe-8880;
2 – осциллограф PXIe-5162; 3 – генератор сигналов произвольной формы PXIe-5433; 4 – программируемый источник питания PXIe-4130; 5 – цифровой мультиметр PXIe-4082; 6 – модуль синхронизации PXIe-6674T; 7 – приборы для работы с цифровыми последовательностями PXIe-6571; 8 – кабели коммутационные

В модульное шасси PXIe-1095 интегрированы система охлаждение, два блока питания мощностью 82 Вт с возможностью горячей замены, система тактирования и синхронизации, включающая в себя встроенный термостатированный кварцевый генератор, внешнюю синхронизацию и маршрутизацию сигналов запуска.
Контроллер PXIe-8880 (рисунок 3) с 8-ядерным процессором 2,3 ГГц является встраиваемым контролером для систем PXI Express. Контроллер PXIe-8880 оснащен двумя портами Ethernet, двумя портами USB 3.0, четырьмя портами USB 2.0, встроенным жестким диском, последовательным портом и другими интерфейсами включая RS-232 и GPIB. Совместно с программным обеспечением LabVIEW контроллер управляет измерительными модулями, которые формируют входные воздействия на микросхему, принимают электрические сигналы с микросхемы и обрабатывают полученные результаты измерения.
Осциллограф PXIe-5162 (рисунок 4) – высокочастотный осциллограф, имеющий четыре канала с полосой пропускания 1,5 ГГц, настраиваемым диапазоном напряжений и системой фильтрации сигналов. Осциллограф PXIe-5162 оснащен функцией потоковой обработки и анализа данных.
Генератор сигналов произвольной формы PXI-5433 (рисунок 5) с частотой 80 МГц генерирует сигналы произвольной формы, включая синусоидальные, прямоугольные, треугольные сигналы и сигналы с линейным нарастанием амплитуды. Диапазон генерации сигналов находится в пределах от минус 12 до плюс 12 В.
Программируемый источник питания PXIe-4130 (рисунок 6) формирует постоянное напряжение на резистивной нагрузке с возможностью измерения статического и динамического токов потребления.
Цифровой мультиметр PXI-4082 (рисунок 7) является многофункциональным устройством измерения значений напряжения, силы тока, частоты, емкости, индуктивности, температуры и сопротивления.
Модуль синхронизации PXIe-6674T (рисунок 8) генерирует и маршрутизирует тактовые сигналы и сигналы запуска между устройствами в шасси PXIe-1095 или сторонними приборами. Модуль синхронизации PXIe-6674T генерирует два типа тактовых сигналов: высокостабильный тактовый сигнал частотой 10 МГц на базе прецизионного термостатированного кварцевого генератора и тактовый сигнал от блока прямого цифрового синтеза.
Прибор для работы с цифровыми последовательностями PXIe-6571 (рисунок 9) – 32-канальный модуль функционального и параметрического контроля цифровых компонентов. Модуль имеет редактор цифровых последовательностей для конфигурации выводов, синхронизации последовательностей и задания уровней цифровых сигналов. При работе с модулем используется редактор Digital цифровых каналов. Использование 10 модулей для работы с цифровыми последовательностями позволяет тестировать микросхемы до 320 выводов.

Рисунок 3 – Контроллер PXIe-8880

Рисунок 4 – Осциллограф PXIe-5162

Рисунок 5 – Генератор сигналов произвольной формы PXIe-5433

Рисунок 6 – Программируемый источник питания PXIe-4130

Рисунок 7 – Цифровой мультиметр PXIe-4082

Рисунок 8 – Модуль синхронизации PXIe-6674T

Рисунок 9 – Прибора для работы с цифровыми последовательностями PXIe-6571

Измерительная оснастка
Для разбраковки цифровых и аналого-цифровых микросхем на пластинах и в корпусном исполнении на стенде разработана измерительная оснастка, основным элементом которой является материнская плата (рисунок 10). Материнская плата закреплена в столешницу Rittal 6902300 (рисунок 11).
Измерительная оснастка имеет два основных режима работы: цифровой и аналоговый контроль. В режиме цифрового контроля цифровые каналы модулей PXIe-6571 коммутируются непосредственно к выводам микросхемы. В режиме аналогового контроля коммутация происходит через аналоговую плату, на которой размещаются электронные компоненты для реализации схемы включения контроля аналоговых параметров микросхемы.
Преключения между режимами работы измерительной оснастки осуществляется за счет коммутационных матриц реле IM06TS TE Connectivity. Управление коммутационных матриц реле реализуется внешним источником напряжения GW Instek GPP-74323.

Рисунок 10 – Материнская плата измерительной оснастки для разбраковки цифровых и аналого-цифровых микросхем: 1 – разъемы для подключения аналоговой платы; 2 – разъемы для подключения переходной платы

Рисунок 11 – Размещение материнской платы в столешнице Rittal 6902300 (вид изнутри корпуса на базе TS 8 для промышленных рабочих станций Rittal 6900100)
Для коммутации микросхемы с измерительной оснасткой используется контактирующее устройство (КУ) (рисунок 12). Микросхема затаривается в тара-спутник и фиксируется в КУ перед началом процесса измерений.

Рисунок 12 – Столешница измерительного стенда с установленной измерительной оснасткой: 1 – аналоговые платы коммутационные; 2 – переходная плата коммутационная; 3 – контактирующие устройство

Управление измерительным стендом осуществляется при помощи устройств ввода и вывода данных (клавиатуры, компьютерной мыши и монитора). Использование корпуса на базе TS 8 для промышленных рабочих станций Rittal 6900100 позволяет снизить влияние внешних факторов на измерительное оборудование и процесс измерения микросхем. К данным факторам относятся: частицы пыли и влаги в производственном или лабораторном помещении, механические воздействия при работе и транспортировке стенда. Корпус включает в себя распределительный шкаф, конструкцию с поворотным держателем для монитора, полку для клавиатуры и систему охлаждения.

Измерение параметров цифровых и цифро-аналоговых микросхем в составе пластин
Для разбраковки цифровых и аналого-цифровых микросхем в составе пластин на измерительном стенде реализована функция управления зондовой установки
ЭМ-6190А (рисунок 13) по интерфейсу GPIB.

 

Рисунок 13 – Установка зондовая ЭМ-6190А

Программное обеспечение
Для автоматизированного процесса разбраковки микросхем в составе пластинах и в корпусном исполнении разработано программное обеспечение в среде графического программирования LabVIEW. Программное обеспечение позволяет разбраковывать микросхемы в ручном и автоматическом режиме с применением проходной климатической камеры тепла-холода и зондовой установки ЭМ-6190А.
Процесс тестирования микросхемы включает в себя: 

• проверку контактирования выводов БИС к измерительным системам стенда;
• проверку наличия коротких замыканий между шинами «Земля» и «Питание»;
• функциональный контроль; 
• измерение токов утечки входов и выходов в состоянии «выключено»;
• проверку нагрузочной способности выходов;
• измерение токов потребления;
• измерение аналоговых характеристик. 

Для каждого параметра в программе контроля задается диапазон допустимых значений. При обнаружении хотя-бы одного параметра за пределами диапазона допустимых значений микросхема отбраковывается. Результаты измерения выводятся на монитор. Лицевая панель интерфейса пользователя представлена на рисунке 14.
Использование данного измерительного стенда для разбраковки микросхем в составе пластин и в корпусном исполнении с применением проходной климатической камеры тепла-холода и зондовой установки обеспечивают высокое качество измерений параметров микросхем в процессе их производства. 

Рисунок 14 – Интерфейс разработанного программного обеспечения для разбраковки микросхем на измерительном стенде:
1 – панель управления; 2 – полученные значения параметров и их границы; 3 – программа контроля; 4 – информация о количестве измеренных микросхем