_____

引言

受人工智能的快速發(fā)展和電氣化轉型的推動，半導體芯片市場的增長要求制造商在不犧牲測試精度的情況下，提高測試和驗證的吞吐量。實現(xiàn)這一目標的一種方法是并行測試，即同時對多個器件進行測試。一旦測試流程被驗證，它就必須被復制以滿足生產需求。這引入了新的挑戰(zhàn)，包括通道間的時間同步以及擴展帶來的額外成本。

Tektronix MP5000 系列模塊化精密測試系統(tǒng)旨在滿足并行測試需求。高密度1U主機MP5103可配置多達 3 個模塊化源表單元（SMUs）和/或電源單元（PSUs），實現(xiàn)最多6個獨立通道。MP5103 支持 Test Script Processor (TSP)，并可通過 TSP-Link? 輕松擴展至最多32臺主機。本應用筆記重點介紹如何在標準半導體與光學表征測試中實現(xiàn)6通道并行同步。

新觸發(fā)模型，帶來新測試可能性

精確計時的并行測試的關鍵是觸發(fā)模型，它用于協(xié)調各儀器通道的操作。傳統(tǒng)儀器使用固定觸發(fā)模型，動作順序固定，握手控制能力有限。這些模型在需要多個通道時功能受限，編程困難。而沒有觸發(fā)模型或觸發(fā)模型過于靈活的儀器雖然易于編程，但通常無法在測試步驟之間提供精確計時，從而導致測試延遲或因不當?shù)臏y試條件損壞器件。

MP5000 系列結合了傳統(tǒng)性能與靈活性的優(yōu)點，創(chuàng)造了新的 TriggerFlow? 觸發(fā)模型。該觸發(fā)模型完全可定制，采用模塊化流程圖風格。用戶可以在觸發(fā)模型中以任意順序控制儀器的動作與設置。通過各種延時與通知模塊，可以在通道之間實現(xiàn)精確計時與握手，而無需復雜的外部觸發(fā)代碼。

借助 TriggerFlow 觸發(fā)模型，只需幾個步驟即可從構思到執(zhí)行：

1.計劃：確定所需的測試流程，包括儀器設置、掃描配置、所需通道數(shù)及計時要求。

2.擴展：為測試中的每個通道繪制流程圖。將步驟擴展為 MP5000 可用的觸發(fā)模型模塊。

3.構建：將流程圖中的模塊替換為代碼，以建立觸發(fā)模型。編程事件與延時，實現(xiàn)精確計時。

圖1 TriggerFlow提供4種模塊類型，可在固定模型之外自定義測試流程

接下來將通過示例演示如何在并行條件下同步通道，并構建 TriggerFlow 模型。

示例：雙通道MOSFET曲線族

對 MOSFET 的輸出特性進行表征至少需要2個SMU通道：

●   一個通道在柵極端子上施加階躍電壓偏置并進行測量；

●   另一個通道在漏極端子上執(zhí)行電壓掃描并測量電流。

該測試序列如圖2所示。

●   藍色方塊表示測量點；

●   綠色虛線箭頭表示同步點。

在測試過程中：

●   漏極通道通知柵極通道啟動；

●   當漏極開始掃描時，會發(fā)送測量開始與結束的通知，以協(xié)調掃描；

●   在掃描結束時，漏極必須通知柵極進入下一個階躍。

傳統(tǒng)方式下，這必須通過嵌套 for 循環(huán)來編程，以在柵極的每個電壓階躍上重復漏極掃描。這種順序執(zhí)行的方式導致測試時間更長。

MP5000 使用單個 MSMU60-2 模塊的兩個通道簡化了此過程。其 TriggerFlow 模型如圖3所示，其中通道 1 連接柵極，通道 2 連接漏極。當一個動作依賴另一個動作時（例如，漏極掃描需在柵極電壓切換后開始），就會使用 notify-wait（通知-等待）模塊對。

●   當一個動作完成時，觸發(fā)模型執(zhí)行一個 notify 模塊。

●   此信號可以路由到其他事件，或直接發(fā)送到另一個觸發(fā)模型中的 wait 模塊，該模塊將暫停直到接收到該事件。

這樣可以保證：

●   一個觸發(fā)模型完成后，另一個觸發(fā)模型立即開始執(zhí)行，無延遲；

●   各個模型繼續(xù)并行運行，直到遇到新的時間控制模塊。

當測試中需要重復操作或做出分支判斷時，則使用 branch（分支）模塊。在 MOSFET 的案例中，branch 模塊用于對生成掃描與采集測量的模塊進行循環(huán)，從而將這部分測試簡化為 3 個模塊。此外，還可以使用額外的 notify 模塊來確保柵極測量與漏極測量同時進行。

圖2 MOSFET曲線族測試序列

圖3 MP5000在MOSFET漏極曲線族測試中的觸發(fā)模型

圖 5 顯示了該觸發(fā)模型序列在示波器上捕獲的輸出。柵極波形（上方）與漏極掃描（中間）完全同步，時間上無顯著延遲。

圖5 MOSFET 曲線族測試輸出，柵極電壓（上）、漏極電壓（中）和漏極電流（下）

示例：雙通道VCSEL LIV表征

對發(fā)光器件（如 LED、激光器和 VCSEL）進行光-電流-電壓（LIV）特性表征時，要求儀器通道分別控制不同器件，但仍需保持緊密同步。

在此示例中：

●   一個 SMU 通道對激光二極管進行正向電流掃描并測量電壓；

●   另一個通道測量獨立光電二極管檢測到的電流。

這些測試中的許多需要脈沖信號，以防止熱效應，因此光電二極管的測量必須在正確的時刻進行，即激光二極管開啟或穩(wěn)定輸出時。此測試如圖 6 所示。

圖6 光電二極管與激光二極管對的LIV表征

在 TriggerFlow 中，此測試被轉換為 2 個觸發(fā)模型：

●   一個用于源出并測量；

●   另一個僅用于測量。

再次使用 notify-wait（通知-等待）模塊對 來協(xié)調動作完成的時機，并通過 branch（分支）模塊重復部分步驟以執(zhí)行掃描。此外，還包含一個常數(shù)延時（constant delay）模塊，用于在測量開始前提供額外的等待時間。此測試的觸發(fā)模型如圖7所示。

圖7 用于LIV表征的MP5000觸發(fā)模型

當執(zhí)行該測試時，圖 8 所示的結果波形展示了二極管的典型正向電壓特性（上方），以及光電二極管電流的測量結果（下方）。同樣，這些波形是同步的，測量中沒有額外的間隙或延遲。

圖8 LIV觸發(fā)模型的輸出，激光二極管電壓（上）、激光二極管電流（中）、光電二極管電流（下）

示例：6通道同步

同步并行測試可以包括所有通道或通道組，它們要么運行相同的測試，要么運行必須在相同時間啟動的不同測試，或者依賴某個通道的動作來驅動其他通道。

我們可以將前兩個示例與另外 2 個 SMU 通道上的簡單波形源出相結合，并在每個模型的開頭添加一個 wait（等待）塊，從而使所有6個通道同時啟動。完整的并行測試如圖9所示。

圖9 6個觸發(fā)模型并行運行

第五個模型通過源出操作塊（source action blocks）改變輸出電平，并通過常數(shù)延時塊（delay constant block） 控制脈沖的時間，從而執(zhí)行脈沖掃描。第六個模型使用源出步驟（source action step）與常數(shù)延時塊生成正弦波。這兩個模型都在輸出開始時使用 重疊測量塊（measure overlapped block） 啟動測量。這樣，SMU 可以在后臺執(zhí)行測量的同時繼續(xù)運行觸發(fā)模型中的其他模塊，本質上是利用高速數(shù)字化儀來捕獲輸出波形。這兩個模型都沒有使用 notify-wait（通知-等待）模塊對，因為它們獨立于其他通道運行，只在啟動點上同步。

在圖10中，示波器捕獲到的執(zhí)行結果顯示：每個通道在相同時間啟動，并且并行執(zhí)行。

圖10 在示波器上捕獲的6通道執(zhí)行結果

在圖11中展示了通過 Python 開發(fā)的 GUI 儀表板繪制的 SMU 通道采集數(shù)據(jù)。這復制了器件數(shù)據(jù)表上通常會顯示的表征測試結果。用于執(zhí)行此示例的代碼可在 Tektronix Github 獲取。

圖11 使用Python繪制的6個通道的測量數(shù)據(jù)

結論

該示例展示了在 6 個通道上并行運行，并執(zhí)行 4 個彼此獨立、但各自需要不同操作和不同同步水平的任務。這種并行測試應用可以通過 TSP-Link? 同步觸發(fā)模型，進一步擴展到更多主機。MP5000模塊化精密測試系統(tǒng)通過采用可自定義、用戶友好的觸發(fā)模型，旨在實現(xiàn)高密度和高吞吐量測試。它提供了從驗證到生產，構建最適合的自動化測試系統(tǒng)所需的靈活性。