Разработка установки автоматизированного контроля цифровых КМОП ИС

С.Ю. Фарафонтов,

инж. НИЛ-1, магистрант, rai2@mail.ru,

В.И. Сединин,

проф., д.т.н, sedvi@bk.ru,

СибГУТИ, г. Новосибирск,

А.В. Глухов,

зам.ген. дир. по научн. работе, к.т.н., gluhov@nzpp.ru,

АО «НЗПП с ОКБ», г. Новосибирск

В данной статье рассматривается вопрос разработки установки динамического и функционального контроля КМОП-микросхем с максимальным количеством выводов 24. Данная система предназначена для замены устаревшего оборудования на предприятиях радиоэлектронной промышленности.

This article is dedicated to the development of a system of dynamic and functional control CMOS chip with a maximum number of conclusions 24. The system is designed to replace obsolete equipment in the electronic industry enterprises.

При производстве любых изделий или компонентов задействованы те или иные измерительные установки. Не исключение и предприятия электронной промышленности, в частности заводы занимающие выпуском различных полупроводниковых приборов. На различных этапах производства полупроводниковых приборов (далее ПП) контролируются самые разнообразные параметры с использованием весьма обширного парка измерительных устройств. На многих отечественных предприятиях радиоэлектронной промышленности остро стоит вопрос замены или глубокой модернизации измерительных и технологических устройств, по причине выработки ресурса эксплуатации. При этом предприятия сталкиваются с материальными трудностями в приобретении нового оборудования, которые вынуждают прибегнуть к разработке нового или модернизации имеющегося парка установок силами предприятия.

Аналогичная ситуация и на Новосибирском заводе полупроводниковых приборов с особым конструкторским бюро. Данное предприятие изготавливает стабилитроны и КМОП-интегральные микросхемы. Для проверки кристаллов на пластинах или уже корпусированных микросхем применяются устройства с исчерпанным сроком эксплуатации. Данная ситуация приводит к частым поломкам и простою оборудования, срываются планы по выпуску продукции, в связи с этим была поставлена задача, разработать макетный, а затем опытный образец установки автоматизированного динамического и функционального контроля КМОП-микросхем. Преследуемая цель при разработке измерителя – это замена старого и изношенного штата измерительного оборудования для предприятия НЗПП с ОКБ.

Разрабатываемая установка предназначается для проверки цифровых КМОП ИС с максимальным количеством выводов 24 (с ограничениями до 48) на функциональный контроль, контроль максимальной тактовой частоты и времени задержек.

В общем плане измеритель состоит из двух функциональных блоков – это блоки функционального и динамического контроля.

Методика проведения функционального контроля весьма проста. На входы испытуемой микросхемы подаются различные тестовые комбинации, одновременно на выходах проверяемой микросхемы контролируют правильность выдаваемых данных. Если хоть одна комбинация, выдаваемая проверяемой микросхемой, окажется неверной, микросхема считается бракованной. Сравнение данных на выводах проверяемой микросхемы может быть реализовано по-разному. Одно из таких решений – это контроль с помощью эталонной микросхемы[1]. При данном варианте тестовые комбинации, во время проверки интегральной микросхемы, подаются не только на нее, но и на эталонную микросхему, при этом выходные данные с обеих микросхем сравниваются между собой, если они не совпали, то проверяемая микросхема бракованная. Самым простым элементом сравнения является логический элемент «исключающее ИЛИ». Так, например, если проверяемая микросхема имеет 13 выходов, то для сравнения всех 13 сигналов с сигналами с эталонной микросхемы нужно 13 таких логических элементов. Все выходы данных логических элементов объединены в один с помощью 13 входового логического элемента ИЛИ. Если хоть на одном из элементов произошло не совпадение, вырабатывается общий сигнал брака. Другое возможное решение - сверка результатов на выходах испытуемой микросхемы с данными, хранящимися в памяти измерительной установки[1]. Данные сравнения перед процессом контроля записываются в память измерительной установки, которые затем уже используются для анализа проверяемых микросхем. Последний вариант более сложен по сравнению с первым, но позволяет сделать систему достаточно гибкой, так как переход от одного типа проверяемых микросхем к другой производится лишь путем смены информации в памяти установки. Кроме того отсутствие эталонной микросхемы позволяет устранить вероятность пропуска брака или наоборот браковку годных микросхем при выходе эталона из строя. Память такой установки должна быть достаточно большой, так как таблицы сравнения для сложных многовыводных микросхем весьма велики. Кроме того частота, с которой производится проверка, может колебаться от нескольких Гц до нескольких МГц. Поэтому память должна быть не только большой, но и быстродействующей и иметь возможность статической работы. Таким образом, идеально для решения поставленной задачи подходят микросхемы статического ОЗУ. Современные микросхемы статических ОЗУ обладают большой разрядностью и очень малым временем доступа к ячейке памяти. Конечно, при отключении установки из электрической сети, хранимая в ОЗУ информация удалится, но повторно загружать туда данные, при включении установки, не составляет большого труда. Именно данный способ организации функционального контроля был выбран для разрабатываемого измерителя.

Динамический контроль ИС сводится к контролю максимальной тактовой частоты и к контролю задержек на переключение. Допустим, требуется определить время задержки на включение и выключение инвертора. Для этого с генератора прямоугольных импульсов с длительностью фронтов не более 20 нс подают сигнал на вход проверяемого инвертора, при этом контролируя сигнал одним из входов двухканального осциллографа. Вторым входом осциллографа контролируют сигнал на выходе инвертора, в результате чего получается осциллограмма, показанная на рис.1.

Рис. 1 Сигнал на входе и выходе инвертора

Время задержки на выключение и включение есть разница на уровне 0,5 между фронтами сигналов на входе и выходе, то есть и соответственно[2]. Таким образом, для контроля динамических параметров нужен генератор импульсов и двухканальный осциллограф. Использование осциллографа для измерения времени между фронтами входного и выходного сигнала не рационально. Поэтому измеритель времени задержки реализован на скоростном счетчике. Структурная схема измерителя задержек показана на рисунке 2.

Рис. 2 Структурная схема измерителя задержек

При поступлении входного сигнала уровнем выше 0,5 от амплитуды, срабатывает компаратор запуска, защелкивается триггер и запускается счетчик, тактируемый тактовым сигналом 500 МГц. При прибытии выходного сигнала, срабатывает компаратор остановки, на выходе триггера возникает логический 0, счётчик останавливается. Таким образом, хранящиеся число в счётчике позволяет определить время задержки. Оно определяется как количество подсчитанных импульсов умноженных на период тактового сигнала, в нашем случае 2 нс.

В установке в качестве генератора импульсов используется половина 48-битного ОЗУ, которая отвечает за установку тестовых последовательностей при проведении ФК. Таким образом, блок ОЗУ общий, как для проведения ФК, так и для измерения динамических параметров.

Не маловажным блоком в проектируемой установке является блок коммутации. В зависимости от проверяемой ИС блок коммутации настраивает определенные выводы на вход или на выход, осуществляет подключение на выводы внутренних измерителей задержек и частотомера, а так же внешнего измерителя статических параметров. К коммутационным элементам предъявляются определенные требования в частности: минимальная утечка, паразитная емкость не более 10 пФ, высокая надежность, сопротивление открытого ключа не более 0,5 Ом и иметь возможность коммутацию токов до 200 мА. Идеальным решением является постройка блока коммутации на миниатюрных герконовых реле. В блоке коммутации данной установки используется 240 герконовых реле, благодаря их малым размерам, данный блок имеет не большие размеры.

В итоге общая структурная схема установки показана на рисунке 3.

Рис. 3 Структурная схема установки функционального и динамического контроля КМОП ИС

Сердцем измерительной установки является микропроцессорный модуль, работающий под операционной системой Linux. На данном модуле запускается специально разработанное ПО, которое управляет внутренними блоками измерительной установки, а так же осуществляет сбор данных в процессе измерения. На мониторе оператора отображаются текущие параметры измерения. Для функционального контроля есть возможность узнать параметры брака, а именно: какую строку теста не прошла микросхема, по какому выводу произошло не совпадение. В динамических параметрах выводятся реальные измеренные значения частот и задержек, и значения, которым они должны соответствовать. Кроме того, на всех режимах измерения имеется защита от перегрузок выходных каскадов измерителя. Такое возможно при проверке микросхем с большими утечками либо короткими замыканиями. Номера выводов, на которых возникла перегрузка по току, так же выводятся на дисплей оператора. Программа осуществляет подсчет годных и бракованных микросхем, осуществляет составление файла отчета проведенных измерений. Данный файл по локальной сети отправляется на сервер предприятия. Внутреннее устройство и внешний вид опытного экземпляра измерителя показан на рисунках 4 и 5.

Рис. 5 Внутреннее устройство измерителя

Рис. 6 Внешний вид установки динамического и функционального контроля КМОП ИС

В ходе выполнения данной работы был построен макетный вариант установки, на котором подтвердилась правильность выбранных нами решений, а так же были обнаружены ряд недостатков. Данные недостатки будут устранены в опытном образце установки. На данный момент аппаратная часть опытного экземпляра измерителя смонтирована, осуществляется написание программного обеспечения и наладка установки.

Литература

1. Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М., 1979;

2. ГОСТ 18683.2-83. Микросхемы интегральные цифровые. Методы измерения динамических электрических параметров. М., 1983.