Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Введение

2. Методы измерений цифровых интегральных схем

3. Контроль и метод проверки параметров

3.1 Измерение динамических электрических параметров микросхем

3.2 Измерение времени задержки включения и времени задержки выключения

3.3 Измерение времени задержки распространения сигнала при включении и времени задержки распространения сигнала при выключении

3.4 Измерение времени перехода при включении и времени перехода при выключении

3.5 Измерение максимальной тактовой частоты

3.6 Измерение динамических параметров, характеризующих время выполнения функции микросхемой

4. Примеры существующих измерительных установок для проверки цифровых интегральных схем

4.1 Ультравысокочастотный тестер СБИС «FORMULA® HF Ultra»

4.2 Тестер микросхем «FT-17HF»

4.3 Тестеры микросхем фирмы «Teradyne»

4.4 Тестер микросхем «FT-17DT»

4.5 Тестер полупроводниковых приборов «FT-17SC»

5. Практическая реализация блока коммутации измерительной установки ИС

5.1 Выбор электронных компонентов

5.2 Коммутационные элементы блока коммутации

5.3 Микросхемы преобразователей выходных уровней

5.4 Программируемый источник напряжения

6. Построение принципиальной схемы и топологии блока коммутации

7. Разработка конструкции коммутационных колодок

8. Безопасность жизнедеятельности

8.1 Вредные факторы при работе с ПК

8.2 Организация рабочего места, оснащение, требование к помещению

8.3 Микроклимат в производственных помещениях микроэлектроники

8.4 Электромагнитное излучение

8.5 Электробезопасность

8.6 Пожарная безопасность

9. Заключение

10. Ссылочные нормативные документы

Приложение А Перечень принятых сокращений

Приложение Б Библиография



1. Введение

измерительный микросхема комутация цифровой

Современная жизнь немыслима без радиоэлектронных приборов. Радиоэлектроника внедрилась во все сферы деятельности человека, начиная от бытовых проблем, заканчивая медициной и космонавтикой. Современные радиоэлектронные приборы строятся на основе полупроводниковых приборов. Это различные транзисторы, диоды, стабилитроны. И на их основе созданные большие интегральные схемы (БИС). При производстве данных полупроводниковых изделий на заводах радиоэлектронной промышленности используют различные измерительные устройства и установки для контроля параметров данных приборов. Так, например, на Новосибирском заводе полупроводниковых приборов с опытным конструкторским бюро «НЗПП с ОКБ» используют ряд автоматизированных измерительных установок, которые работают под управлением электронных вычислительных машин и предназначены для контроля параметров КМОП интегральных микросхем. Данные установки проверяют интегральные микросхемы по динамическому, функциональному контролю и контролю статических параметров [9]. Кроме того, с помощью отдельных устройств измерений контролируются максимальная тактовая частота проверяемых интегральных схем. Но данное оборудование, выпущенное в начале-середине 80-х годов прошлого столетия, полностью выработало свой ресурс и морально устарело, что приводит к постоянным отказам действующего измерительного оборудования и срыву плана производства полупроводниковых изделий, в частности микросхем. В связи с этим, для данного предприятия разрабатывается измерительная установка для проверки КМОП интегральных микросхем по динамическому, функциональному контролю и контролю максимальной тактовой частоты [1].

Неотъемлемой частью этой установки являются различные внутренние блоки: блок функционального контроля, блок контроля динамических параметров и блок измерения частот. Для конфигурирования выводов проверяемых интегральных микросхем важным блоком является блок коммутации. Именно о разработке этого блока, о разработке его конструкции и схемотехнических решений пойдет речь в данной дипломной работе.



2. Методы измерений цифровых интегральных схем

Выпускаемые промышленностью интегральные микросхемы в конце своего технологического пути проверяются по нескольким параметрам: контроль динамических параметров, статических параметров и функциональный контроль. Функциональный контроль - это контроль следующих параметров: выполняет ли микросхема свои функции или нет. То есть если это инвертор, то инвертирует ли он сигнал на выходе, если это триггер, то переключается ли он в правильной последовательности, в зависимости от поданных на его входы комбинаций. Динамические параметры - это контроль времени задержки прохождения сигнала. Контроль статических параметров - это контроль различных токов потребления, напряжения срабатывания и т.д. Проектируемая измерительная установка будет контролировать интегральные микросхемы по функциональному контролю и контролю динамических параметров. О контроле и методе проверки данных параметров будет идти речь ниже.



3. Контроль и метод проверки параметров

3.1 Измерение динамических электрических параметров микросхем

В данном разделе будут описаны методики измерения времени задержки включения и выключения; измерение времени задержки распространения сигнала при включении и времени задержки распространения сигнала при выключении; измерение времени перехода при включении и времени перехода при выключении; измерение максимальной тактовой частоты; измерение динамических параметров, характеризующих время выполнения функции микросхемы.

3.2 Измерение времени задержки включения и времени задержки выключения

Измерение следует проводить на измерительной установке, электрическая структурная схема которой приведена в соответствии с рисунком 3.1.

Рисунок 3.1 Cтруктурная схема измерительной установки G1, G2 - источники постоянного напряжения; D - микросхема; G3 - генератор импульсного напряжения; P - измеритель динамических параметров; E - эквивалент нагрузки

Сначала подготавливают измерительную установку к работе, затем подключают микросхему к измерительной установке. Далее на микросхему подают напряжение питания от источника G2, входные постоянные напряжения от источника G1 и входные импульсные напряжения от источника G3, значения которых установлены в стандартах или технических условиях (далее - ТУ) на микросхемы конкретных типов. Интервал времени между входным и выходным импульсами измеряют в соответствии с рисунком 3.2 при значениях уровней отсчета U1, U2, U3, U4, указанных в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Рисунок 3.2 Интервал времени между входным и выходным импульсами 1 - входное напряжение; 2 - выходное напряжение (инвертирующая микросхема); 3 - выходное напряжение (неинвертирующая микросхема); U₁, U₂, U₃, U₄ - уровни отсчета; t^1,0_зд - время задержки включения; t^0,1_зд - время задержки выключения

Погрешность измерения времени задержки выключения должна быть в пределах:

± 10 % - для интегральных микросхем со среднем временем задержки распространения 5 нс и более;

± 15 % - для интегральных микросхем со среднем временем задержки распространения от 1,0 до 5,0 нс;

± 20 % - для интегральных микросхем со среднем временем задержки распространения от 1,0 нс и соответствовать установленной в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Доверительную вероятность погрешности измерения выбирают из ряда: 0,950; 0,990; 0,997. Конкретное значение доверительной вероятности устанавливают в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Границы интервала погрешности измерения времени задержки включения и времени задержки выключения ?? определяют по формуле:

где - - относительные коэффициенты влияния соответственно фронта, спада, высоты и длительности выходного импульса на r-м входе на измеряемый параметр;

, - относительные коэффициенты влияния уровня отсчета соответственно на входном и выходном импульсе на измеряемый параметр;

- относительные коэффициенты влияния напряжения питания на i-м выводе питания на измеряемый параметр;

- относительные коэффициенты влияния постоянного напряжения на j-м входе на измеряемый параметр;

- относительный коэффициент влияния параметра k-го элемента нагрузки на измеряемый параметр;

- относительный коэффициент влияния температуры окружающей среды или температуры в заданной точке на корпусе (теплоотводе) микросхемы на измеряемый параметр;

- относительный коэффициент влияния временной нестабильности сдвига водного импульса на ?-м входе относительно входного импульса на -м входе на измеряемый параметр;

- - относительные погрешности установления и поддержания соответственно фронта, спада, высоты и длительности входного импульса на r-м входе;

, - относительная погрешность установления и поддержания уровня отсчета соответственно на входном и выходном импульсе;

- относительная погрешность установления и поддержания напряжения питания на i-м выводе питания;

- относительная погрешность установления и поддержания постоянного напряжения на j-м входе;

- относительная погрешность установления и поддержания параметра k-го элемента нагрузки;

- относительная погрешность измерителя динамических параметров;

- относительная погрешность временной нестабильности фронта (спада) входного импульса;

- относительная погрешность установления и поддержания температуры окружающей среды или температуры в заданной точке на корпусе (теплоотводе) микросхемы;

- относительная погрешность временной нестабильности сдвига входного импульса на ?-м входе относительно входного импульса на -м входе;

- относительная погрешность, обусловленная неучтенным -м источником погрешности;

- коэффициенты, зависящие от закона распределения соответствующей погрешности ,,,,,,,

,,,,,, и доверительной вероятности;

l - число выводов питания;

m - число входов, на которые подают постоянное напряжение;

n - число элементов нагрузки;

z - число входов, на которые подают импульсное напряжение.

3.3 Измерение времени задержки распространения сигнала при включении и времени задержки распространения сигнала при выключении

Подготовка к измерениям - по пункту 3.2.

Проведение измерений производят следующим образом. На микросхему подают напряжения питания от источника G2, входные постоянные напряжения от источника G1, входные импульсные напряжения

от источника G3, значения которых установлены в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Интервал времени между входным и выходным импульсами измеряют в соответствии с рисунком 3.3 при значениях уровней отсчета U1, U2, указанных в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.



Рисунок 3.3 Интервал времени между входным и выходным импульсами 1 - входное напряжение; 2 - выходное напряжение (инвертирующая микросхема); 3 - выходное напряжение (неинвертирующая микросхема); U₁, U₂ - уровни отсчета; t^1,0_зд.р - время задержки распространения сигнала при включении; t^0,1_зд.р - время задержки распространения сигнала при выключении

Показатели точности измерения - по пункту 3.2.

3.4 Измерение времени перехода при включении и времени перехода при выключении

Подготовка к измерениям - по пункту 3.2.

Проведение измерений производят следующим образом. На микросхему подают напряжения питания от источника G2, входные постоянные напряжения от источника G1 и входные импульсные напряжения от источника G3, значения которых установлены в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Интервал времени измеряют в соответствии с рисунком 3.4 между моментами достижения выходным напряжением уровней отсчета U₁, U₂, значения которых указаны в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Рисунок 3.4 Интервал времени между входным и выходным импульсами. 1 - входное напряжение; 2 - выходное напряжение (инвертирующая микросхема); 3 - выходное напряжение (неинвертирующая микросхема); U₁, U₂ - уровни отсчета; t^1,0 - время перехода при включении; t^0,1 - время перехода при выключении

Далее рассмотрим показатели точности измерения. Погрешность измерения времени перехода при включении и времени перехода при выключении - по п. 3.2.

Доверительная вероятность погрешности измерения - по п. 3.2.

Границы интервала погрешности измерения времени перехода при включении (времени перехода при выключении) д_ф определяют по формуле

где , - относительные коэффициенты влияния фронта (спада) выходного импульса соответственно в 1 и 2-й точках отсчета на измеряемый параметр;

д_1, д₂ - относительная погрешность установления и поддержания уровня отсчета на выходном импульсе соответственно в 1 и 2-й точках отсчета на измеряемый параметр;

К₁, К₂ - коэффициенты, зависящие от закона распределения соответствующих погрешностей д_1, д₂ и доверительной вероятности.

Остальные обозначения - смотреть формулу 3.1.

3.5 Измерение максимальной тактовой частоты

Измерения следует проводить на измерительной установке, электрическая структурная схема которой приведена в соответствии с рисунком 3.5.

Рисунок 3.5 Электрическая структурная схема на измерительной установки

G1 - генератор импульсного напряжения; G2, G3 - источники постоянного напряжения; D - микросхема; E - эквивалент нагрузки; P - измеритель частоты.

Подготовка к измерениям - по пункту 3.2.

Проведение измерений производят следующим образом. На микросхему подают напряжения питания от источника G2, входные постоянные напряжения от источника G1 и входные импульсные напряжения от источника G3, значения которых установлены в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Измеряют частоту следования импульсов на входе микросхемы, при которой обеспечивается функционирование микросхемы в соответствии с требованиями, установленными в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Максимальную тактовую частоту f_{ск max} определяют по формуле

f_{ск max} = f_G = nf₀,

где f_G - частота следования импульсов на выходе генератора;

f₀ - частота следования импульсов на выходе микросхемы;

n - целое число, указанное в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов.

Далее рассмотрим показатели точности измерения. Погрешность измерения максимальной тактовой частоты - по пункту 3.2.

Доверительная вероятность максимальной тактовой частоты - по пункту 3.2.

Границы интервала погрешности измерения максимальной тактовой частоты ??_f определяют по формуле

где обозначения - смотри формулу 3.1.

3.6 Измерение динамических параметров, характеризующих время выполнения функции микросхемой

Методы измерения динамических параметров, характеризующих время выполнения микросхемой функции (время выборки, время выборки адреса, время выборки разрешения, время восстановления и т. п.) должны соответствовать указанным в разделах 3.2 и 3.3.

Конкретный метод измерения устанавливают в стандартах или ТУ на микросхемы конкретных типов [2].



4. Примеры существующих измерительных установок для проверки цифровых интегральных схем

4.1 Ультравысокочастотный тестер СБИС «FORMULA^® HF Ultra»

Разработчик и производитель данного тестера - ООО «ФОРМ», Россия. Государственный Реестр средств измерений №61779-15 от 01.10.2015. внешний вид данного тестера приведен в соответствии с рисунком 4.1.

Рисунок 4.1 Внешний вид ультравысокочастотного Тестера СБИС «FORMULA^® HF Ultra»

Тестер «FORMULA^® HF Ultra», 1024 канала/1200/550 МГц/128М - сверхсовременное средство измерений российского производства, флагман линейки высокочастотных тестеров «FORMULA^® HF».

Тестер предназначен для комплексного автоматизированного функционального и параметрического контроля СБИС при проведении испытаний широкой номенклатуры микроконтроллеров и микропроцессоров, СБИС на БМК, ПЛИС, SoC, ЦАП, АЦП, ОУ, а также быстродействующей памяти.

Тестер успешно решает задачу импортозамещения современных зарубежных тестеров СБИС, применяемых для верификации и приемочных испытаний новых проектов микросхем, для выполнения отбраковочных, приемо-сдаточных, периодических и сертификационных испытаний, а также для входного контроля СБИС.

«FORMULA^® HF Ultra» в полной мере учитывает современные потребности электронной промышленности и ВПК России, обеспечивает требования метрологического законодательства РФ и нормативной документации в области измерений и испытаний в микроэлектронике.

Данный тестер имеет Уникальные возможности для измерений широкой номенклатуры СБИС, которые будут рассмотрены ниже.

Тестер объединяет две подсистемы функционального контроля на 1024 канала с частотой до 550МГц на канал, объемом памяти векторов/ошибок 128М/128М и обеспечением четырехуровневых сигналов, в том числе дифференциальных, в диапазоне напряжений (-1,5…+13)В независимо по каждому каналу:

- генератор тестовой последовательности (ГТП) для функционального контроля СБИС произвольной логики;

- алгоритмический генератор тестов (АГТ) для контроля быстродействующих ЗУ: FLASH, DRAM, DDR, DDR2, SRAM, ROM, PROM и иной регулярной логики.

Специальный режим одновременного использования ГТП и АГТ предназначен для тестирования «Систем на кристалле» (SoC), «Систем в корпусе» (СвК), микроконтроллеров и микропроцессоров методами функционального и алгоритмического контроля в едином цикле измерений.

Характеристики сигналов универсальных каналов Тестера определяют высокое качество измерений ультравысокочастотных СБИС:

- минимальная длительность фронта и среза импульса (275±150) пс;

- минимальная длительность импульса (750±150) пс.

Для обеспечения требований подключения испытуемой микросхемы к Тестеру предусмотрено программируемое формирование крутизны фронта/среза сигнала от 100% до 25% независимо по каждому каналу. Для сохранения формы импульса при подключении к объекту контроля используется программируемая компенсация искажений сигнала в каждом тракте приема/передачи независимо по каждому каналу.

Мощная и точная подсистема измерений электрических статических параметров СБИС включает:

- измерительные источники питания VCC, до 32 шт. (0…+6 В; ±250 мкА... ±4 А);

- измерительные источники питания VDD, до 32 шт. (?2…+15 В; ±200 нА…±400 мА);

- многоканальные измерители PMU, до 32 шт. (?2…+13 В; ±200 нА…±150 мА);

- Поканальные измерители PPMU, до 1024 шт. ( ?2…+13 В; ±2 мкА… ±50 мА)

- Измерительные источники HVDD, до 8 шт. (?17..+17 В; ?500 мА …+500 мА)

- Мощные источники питания LVDD, 2 шт. (4,5 В; 20 А)

- Сверхмощный источник питания SPS (3,5 В; 50 A)

Мощные источники LVDD и SPS предназначены для питания многоядерных микропроцессоров, ПЛИС и иных микросхем с высоким током потребления. Источники HVDD могут быть использованы для программирования FLASH и ПЗУ, а также для контроля операционных усилителей и компараторов.

Прецизионная подсистема измерений динамических параметров СБИС реализована на универсальных измерительных каналах Тестера и обеспечивает измерение времени задержки распространения сигнала, исследование длительности импульса, фронта и среза, а также иных временных характеристик СБИС с точностью, определяемой на основе погрешностей:

- Формирование входных перепадов (±150 пс)

- Контроль выходных перепадов (±250 пс)

- Общая системная временная погрешность (±250 пс)

Аналогово-цифровой модуль ARP 1200МГц/1200Мпс/(-10…+10)В предназначен для измерения динамических параметров преобразования быстродействующих микросхем АЦП до 14-ти разрядов/260 МГц, а также для измерения статических параметров преобразования микросхем ЦАП и АЦП до 16-ти разрядов.

Модуль включает: прецизионный двухканальный генератор тактовых импульсов до 1200 МГц, генератор сигналов произвольной формы с высокочастотным и низкочастотным трактами и частотой преобразования до 1200 Мпс; два прецизионных 20/24-разрядных источника опорного напряжения с диапазоном от -10В до +10В.

Реализация технологии BIST при посредстве встроенного в Тестер порта JTAG, который обеспечивает выполнение всех стандартных функций, включая заливку конфигурационных файлов в ПЛИС, а также встроенный JAM PLAYER с поддержкой языка STAPL.

Режим «мультисайт» для группового высокопроизводительного контроля микросхем с применением поканальных измерителей PPMU.

Наилучшие возможности для испытаний и интеграции с внешним оборудованием отечественного и иностранного производства, в том числе, с зондовыми установками, проходными камерами, испытательным оборудованием, внешними приборами и IT-инфраструктурой предприятий. Обеспечены измерения под воздействием температур непосредственно на плате прижимного устройства, без применения кабелей и потери качества сигналов.

Продуманная эргономика: прижимное устройство для установки и фиксации измерительной оснастки выполнено на основе оригинальной конструкции собственной разработки. Манипулятор поворота измерительного блока в стойке (90°) обеспечен электроприводом с удобным электронным управлением.

Программный комплекс FormHF.exe. Программный комплекс FormHF.exe - это русскоязычная среда c единым графическим интерфейсом (GUI) для реализации всех этапов измерительного процесса: от разработки и отладки программ контроля до их выполнения, документирования результатов измерений и их последующего анализа. Среда обеспечивает прослеживаемость процессов путем формирования записей, разграничения прав доступа персонала к оборудованию и базам данных.

Комплекс FormHF.exe включает Мастер измерительных программ (МИП) - систему, адаптированную для разработки программ контроля техническими специалистами широкого профиля, без применения языков программирования. МИП поддерживает все типовые методы контроля, средства трансляции тестов из форматов VCD, SVF, HEX/BIN и полный комплекс средств отладки: аппаратный логический анализатор, осциллограф, Карту ошибок «емкостью» 128М, которая, особенно при верификации проектов, позволяет анализировать функциональные отказы, выявленные при контроле.

Наряду с МИП при разработке программ контроля могут применяться внешние среды (IDE) с поддержкой языков С++/Pascal, которые позволяют при необходимости модифицировать код, генерируемый Мастером.

Мастер измерительных программ превращает разработку измерительной программы в сборку деталей конструктора, сокращая время разработки и отладки тестов до нескольких дней.

Интеллектуальный инструментарий программного комплекса автоматизирует и предельно сокращает не только все этапы измерительного процесса, но и сервисное обслуживание тестера, включая его диагностику, калибровку и поверку в соответствии с утвержденной методикой поверки.

Система контактирования и измерительная оснастка. Качество системы контактирования и оснастки является решающим фактором для передачи сигналов без потерь и искажений. Для тестера «FORMULA® HF Ultra» разработана оригинальная система контактирования нового поколения для измерений как в нормальных условиях, так и в диапазоне температур от ?60°С до +180°С. Обеспечено удобство и быстрота установки, фиксации и смены оснастки благодаря применению «вечных» термостойких контактов, гарантирующих не менее 1 миллиона присоединений.

Качество тестера «FORMULA® HF Ultra». Разработчик и Производитель, предприятие «ФОРМ», гарантирует полное метрологическое соответствие тестеров «FORMULA®» заявленным характеристикам, высокое качество и надежность в эксплуатации. Обеспечивается надлежащее техническое обслуживание и оперативный инженерный сервис от Производителя в течение всего срока эксплуатации.

Важнейшие аспекты качества «FORMULA®HF Ultra»:

- Соответствие метрологическому законодательству РФ.

Характеристики «FORMULA® HF Ultra» метрологически обеспечены в производстве и эксплуатации, подтверждены государственными испытаниями на утверждение типа средств измерений. Калибровка и поверка тестера проводятся в отношении всех заявленных параметров оборудования и выполняются согласно методике поверки, утвержденной уполномоченным органом Росстандарта. Метрологические процедуры выполняются в собственной аккредитованной калибровочной лаборатории «ФОРМ».

- Соответствие регламентам системы менеджмента качества СМК по ГОСТ Р ISO 9001-2011.

Бизнес-процессы разработки, производства, поставки и обслуживания тестеров «FORMULA® HF Ultra», а также обучения и поддержки Потребителей регламентированы и выполняются подразделениями предприятия «ФОРМ» с соблюдением всех требований ГОСТ Р, что подтверждается результатами инспекционного контроля СМК (регистрационный № РОСС RU.ФК14.К00124 от 21.10.2014 г.).

- Качество продукта «FORMULA® HF Ultra».

Качество тестера гарантировано всеобъемлющей верификацией Тестеров, результатами приемочных испытаний, валидацией, а также широким опытом применения высокочастотных Тестеров-предшественников на платформе «FORMULA® HF».

На этапе эксплуатации техническое и метрологическое соответствие тестера подтверждается встроенной системой автоматической диагностики и калибровки. При этом контролируются все нормируемые параметры тестера в установленных эксплуатационных диапазонах и режимах с покрытием десятков миллионов контрольных точек.

Стабильность и высокая надежность программного обеспечения FormHF.exe гарантируется преемственностью многолетней разработки, внутренними аудитами, регулярным тестированием, а также широким применением в измерительной практике собственной испытательной лаборатории.

Качество каждого экземпляра тестера обеспечивается полнотой конструкторской документации, современной технологией производства «ФОРМ», применением надлежащих компонентов и материалов, всесторонними испытаниями тестера на соответствие ТУ, включая финишные процедуры калибровки и поверки средства измерений.

Далее рассмотрим состав и конфигурирование тестера. Тестер предусматривает заказное конфигурирование в соответствии с задачами и требованиями потребителя. Конфигурация каждого экземпляра тестера отражается в спецификации поставки, прилагаемой к коммерческому предложению.

В состав поставки входит полная эксплуатационная и метрологическая документация (Свидетельство об утверждении типа СИ, методика поверки, свидетельство о первичной поверке).

В поставку тестера опционально включаются заказные тестовые решения (оснастка, программа контроля и паспорт), которые производитель «ФОРМ» разрабатывает и изготавливает для наиболее сложных образцов СБИС, в том числе для измерений в проходных камерах, климатических установках и прочем испытательном оборудовании.

4.2 Тестер микросхем «FT-17HF»

Внешний вид данного тестера приведен в соответствии с рисунком 4.2.

Рисунок 4.2 Внешний вид тестера микросхем «FT-17HF»

Основное назначение тестера микросхем - параметрический, динамический и функциональный контроль цифровых и цифро-аналоговых микросхем на частотах до 200 МГц. Основу комплекса составляет набор универсальных плат, выполненных по технологии «тестер-на-канал».

Подобная архитектура тестера микросхем позволяет получить максимум измерительных возможностей при минимальном времени контроля и затратах на изготовление измерительной оснастки.

В состав комплекса может входить до 12-ти универсальных плат, общим количеством выводов до 768-ми, а также специализированные платы для контроля компонентов смешанного сигнала.

Дополнительно к базовым возможностям в системе могут быть реализованы заданные алгоритмы тестирования структур.

Области применения тестера микросхем:

- выходной контроль параметров интегральных микросхем (в корпусе и на полупроводниковой пластине) на производстве и в лабораторных условиях;

- входной контроль параметров интегральных микросхем на предприятиях-потребителях;

- научно-исследовательские работы, контроль граничных параметров изделий микроэлектроники;

- образовательный процесс, изучение принципов работы микроэлектроники и тестового оборудования.

Отличительные особенности:

- высокая производительность - за счет современной архитектуры «тестер-на-канал» и широких возможностей параллельного контроля;

- универсальность - контроль как цифровых, так и цифро-аналоговых схем;

- гибкость - конфигурация тестера может легко изменяться и наращиваться при необходимости;

- измерительная часть тестера выполнена с применением последних технологий в области компонентой базы;

- простота создания тестовых последовательностей;

- простота в эксплуатации и обслуживании;

- возможность непосредственной стыковки («жесткая» стыковка) с автоматическими загрузчиками изделий (зондовые установки, проходные камеры и др.).

Технические характеристики:

- количеств измерительных каналов: 768 (до 12 плат по 64 канала);

- максимальная частота следования тестовых векторов: 400 Mbps;

- дискретность задания временных параметров: 39 пс;

- количество временных меток на канал: 4 или 8 (в режиме мультиплексирования);

- максимальное рассогласование каналов: ±250 пс (пикосекунд);

- глубина памяти тестовых векторов на канал: 128 Мбит (расширение до 256 Мбит);

- диапазон задания напряжения: - 2... +6 В (или 0… +8 В);

- максимальная потребляемая мощность: 4 кВт (киловатт);

- система охлаждения: воздушная;

- сжатый воздух/вакуум для тестера микросхем не требуется.

4.3 Тестеры микросхем фирмы «Teradyne»

Внешний вид данного тестера приведен в соответствии с рисунком 4.3.

Рисунок 4.3 Внешний вид тестера микросхем фирмы «Teradyne»

Тестеры микросхем производства компании «Teradyne» предназначены для функционального и параметрического контроля интегральных схем (ИС) различной степени интеграции (от малой до сверхбольшой).

Измерительная часть тестеров микросхем фирмы «Teradyne», их гибкость и универсальность предоставляют пользователю все возможности для проведения тестирования сложных микросхем со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), начиная от микроконтроллеров до ASIC (специализированные микросхемы), включая микросхемы памяти, ЦАП, АЦП, а так же смарт-карты, RFID и т.д. Возможность проведения параллельного тестирования позволяет существенно увеличить производительность тестеров при применении их на выходном контроле предприятий - производителей компонентов. Все тестеры «Teradyne» построены на платформе, позволяющей расширять (наращивать) измерительные возможности тестера и видоизменять его при появлении новых требований пользователя к контролю компонентов.

Основу тестеров микросхем фирмы «Teradyne» составляет тестовое шасси с установленными измерительными модулями, которое может размещаться или стационарно на поворотном механизме или на манипуляторе, при использовании тестеров микросхем фирмы «Teradyne» совместно с автоматическими загрузчиками микросхем или пластин. Такая компоновка тестовой системы позволяет разместить измерительную и задающую части непосредственно на самой тестовой головке и избежать применения объединительной платы и длинных кабельных межсоединений и тем самым выполнять тестирование компонентов на высоких частотах.



4.4 Тестер микросхем «FT-17DT»

Внешний вид данного тестера приведен в соответствии с рисунком 4.4.

Рисунок 4.4 Внешний вид тестера микросхем «FT-17DT»

Тестер микросхем «FT-17DT» представляет собой настольный вариант тестера «FT-17HF» (англ.: DT, desk top - настольный), предыдущей разработки специалистов «Совтест АТЕ» в области контроля качества изделий микроэлектроники.

Тестер микросхем «FT-17DT» имеет удобный эргономичный дизайн, что делает его лучшим решением для потребителей, которые занимаются сертификационными испытаниями микросхем или применяют у себя на предприятии входной контроль небольших партий компонентов. По своим техническим возможностям новая модель тестера ни в чем не уступает «FT-17 HF», единственное отличие - в максимальном количестве модулей pin-электроники («FT-17DT» - 4 модуля и 256 измерительных каналов; «FT-17HF» - 12 модулей и 786 измерительных каналов).Однако главное преимущество системы «FT-17DT» заключается в том, что это продукт исключительно российской разработки: от электроники до корпуса. Программное обеспечение тестера - XperTest - также является результатом работы специалистов «Совтест АТЕ» и, что немаловажно, использует русский язык.

Основные области применения:

- выходной контроль параметров микроэлектронных компонентов и систем (в корпусе и на полупроводниковой пластине) на производстве и в лабораторных условиях.

- входной контроль параметров микроэлектронных компонентов и систем на предприятиях-потребителях ЭКБ.

- научно-исследовательские работы, контроль граничных параметров микроэлектронных компонентов и систем, сертификационные испытания.

Объекты контроля и измерений:

- цифровые ИС произвольной логики (ПЛИС, микропроцессоры, микроконтроллеры, ИС стандартной логики и т.п.);

- запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ различных типов);

- аналого-цифровые ИС (АЦП, ЦАП, системы на кристалле);

- RFID (радиочастотные метки, смарт-карты).

4.5 Тестер полупроводниковых приборов «FT-17SC»

Внешний вид данного тестера приведен в соответствии с рисунком 4.5.

Рисунок 4.5 Внешний вид тестера полупроводниковых приборов «FT-17SC»

Тестер полупроводниковых приборов и компонентов «FT-17SC» предназначен для задания и контроля электрических режимов полупроводниковых компонентов (диодов, стабилитронов, оптопар, транзисторов, MOSFET, IGBT, симисторов и др. полупроводниковых приборов) на этапе проведения их испытаний и проведения измерений электрических параметров и характеристик изделий в процессе проведения исследований.

Область применения тестера полупроводниковых приборов - входной и выходной контроль полупроводниковых компонентов. Производитель - ООО «Совтест-АТЕ».

Диапазоны токов и напряжений, которые подаёт и измеряет тестер полупроводниковых приборов в базовой комплектации:

- 2.0 нA - 50A для токов;

- 10 мВ - 1000В для анодного напряжения;

- 10 мВ - 20 В для напряжений на управляющих электродах п/пр компонентов.

Опционально можно расширить эти диапазоны:

- до 100 А для токов;

- до 2000 В для анодных напряжений;

- до 80 В для напряжений на управляющих электродах п/пр компонентов.

Электропитание Комплекса осуществляется от однофазной сети: напряжением 220В (+22 -34); частотой 50±1 Гц; потребляемый ток не более 7 А.

В тестере полупроводниковых приборов осуществлена опция графопостроителя. Согласно программе испытаний тестер может отобразить и вывести на печать различные графические характеристики полупроводниковых компонентов, например. В настоящий момент проводятся работы по утверждению измерительного шасси тестера как средства измерения.

5. Практическая реализация блока коммутации измерительной установки ИС

5.1 Выбор электронных компонентов

Основным элементом измерительной установки для проверки интегральных микросхем является блок коммутации. Проверяемые цифровые микросхемы могут быть разными. Это значит, что выводы у проверяемой микросхемы могут быть разного назначения, то есть, они могут работать как на вход, так и на выход. Согласно заданию, поставленном при проектировании измерителя, была поставлена задача спроектировать устройство для проверки интегральных микросхем с количеством выводов 24. Следовательно, установка должна проверять микросхему с любым количество выводов до 24-х.

Но у проверяемой микросхемы, как мы сказали ранее, выводы могут работать как на вход, так и на выход. Как раз для коммутации проверяемых входных сигналов линии выводов данных микросхем и предназначен блок коммутации. Кроме того, блок коммутации предназначен для подключения проверяемых выводов интегральной микросхемы резистивной нагрузки, емкостной нагрузки, то есть конденсатора, и подключение внутренних цепей данного измерителя.

Кроме того, данный блок коммутации должен ещё выполнять функцию перекоммутации проверяемой микросхемы с самого измерителя на другой измеритель для проверки статических параметров.

Основные требования, которые предъявляются к блоку коммутации - минимальная паразитная емкость, то есть минимальная емкость монтажа, минимальные значения токов утечек, то есть максимальное значение сопротивления изоляции.

Кроме того, блок коммутации должен вносить минимально возможное сопротивление в измерительную линию. Таким образом, на блок коммутации накладываются весьма жесткие требования, то есть коммутационные элементы должны обладать нулевым сопротивлением во включенном состоянии, в выключенном состоянии - сопротивлением нескольких десятков мегаом, а лучше даже сотен мегаом, а еще обладать минимально возможной паразитной емкостью, в наихудшем случае в районе 1 пФ. Таким образом, возникает достаточно сложный выбор коммутационных устройств. Исходя из этих требований становится понятно, что применение цифровых интегральных микросхем ключей для коммутации выводов проверяемой интегральной микросхемы невозможно, по причине наличия у электронных ключей достаточно большого сопротивления в открытом состоянии и достаточно низкого сопротивления ключа в закрытом состоянии. Кроме того, блок коммутации должен обеспечивать величину коммутационного тока в районе 200-300 мА, а при работе в динамическом режиме допускать значения импульсных токов до 700 мА. Помимо этого, блок коммутации должен обеспечивать устойчивую коммутацию напряжения в диапазоне от 1 В до 18 В. Кроме того, он должен обеспечивать минимальное время задержки прохождения сигнала, который проходит через него.

Таким образом, становится ясно, что все-таки действительно применение интегральных микросхем ключей в блоке коммутации невозможно из-за столь жестких условий. Поэтому коммутационное устройство целесообразнее построить с применением герконовых реле.

Кроме того, блок коммутации должен иметь и выходной преобразователь уровней. Дело в том, что соединительная линия между проверяемыми микросхемами и выходным каскадом преобразователей уровней должна иметь минимальную длину, для обеспечения требований к паразитной емкости, то есть к емкости монтажа, а так же для возможности лучшего согласования линий при работе на высоких частотах. Поэтому в блоке коммутации должно еще находится устройство для согласования уровней. Помимо этого, в блок коммутации должен быть интегрирован многоканальный переключатель, для задания напряжения для преобразователей уровней.

Таким образом, блок коммутации сосредотачивает в себе непосредственно сам набор коммутационных элементов герконовых реле, микросхем выходных каскадов, ключей транзисторных для коммутации источников напряжения для задания необходимого уровня для преобразователей уровня, и, кроме всего прочего, программируемый источник напряжения. Дело в том, что при проверке различных интегральных микросхем требуется зачастую подача на них определенных логических уровней, то есть определенных напряжений логической единицы.

Согласно техническому заданию на проектируемую установку диапазон заданий выходных уровней лежит от 1 В до 15 В. Таким образом требуется наличие какого-либо программируемого источника напряжения, кроме того, к этому программируемому источнику предъявляется такое требование, как шаг, минимальный шаг установки напряжения 0,1 В. То есть, должна быть возможность установки выходного напряжения логической единицы с минимальным шагом 0,1 В.

При проведении испытаний, зачастую требуется наличие выходных напряжений различных уровней, поэтому требуется создание не одного программируемого источника в измерительной установки, а несколько. Самым целесообразным является использование 5-ти программируемых источников напряжения. 4-х программируемых источников, собственно для самих выходных преобразователей уровня в блок коммутации, и одного программируемого источника для разъёма, для подключения дополнительных нагрузок. Таким образом, блок коммутации сосредотачивает в себе несколько устройств, таких как: само коммутационное поле, микросхемы выходного каскада и программируемые источники. О строении этих устройств дальше пойдёт речь.



5.2 Коммутационные элементы блока коммутации

Наименее надежным узлом электромагнитного реле является контактная система. Существенным недостатком также является наличие трущих металлических деталей, износ которых приводит к снижению работоспособности реле. Перечисленные недостатки привели к созданию герметических магнитно управляемых контактов, которые называются герконы.

Принцип действия герконов основан на использовании сил взаимодействия, возникающих в магнитном поле между ферромагнитными телами. При этом силы вызывают деформацию и перемещение ферромагнитных токопроводов электронов.

Магнитоуправляемый контакт (геркон) представляет собой электрический аппарат, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического размыкания или замыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов, пружин и участков электрической и магнитной цепей.

Простейшее герконовое реле с замыкающими контактами состоит из двух контактных сердечников с высокой магнитной проницаемостью, размещенных в стеклянном герметичном баллоне, заполненном либо инертным газом, либо чистым азотом, либо сочетанием азота с водородом.

Инертная среда предотвращает окисление контактных сердечников. Стеклянный баллон герконового реле устанавливается внутри обмотки управления, питаемой постоянным током. При подаче тока в обмотку герконового реле возникает магнитное поле, которое проходит по контактным сердечникам через рабочий зазор между ними и замыкается по воздуху вокруг катушки управления. Создаваемый при этом магнитный поток при прохождении через рабочий зазор образует тяговую электромагнитную силу, которая, преодолевая упругость контактных сердечников, соединяет их между собой.

Для создания минимального переходного сопротивления контактов, поверхности касания герконов покрывают золотом, радием, паладием или серебром.

При отключении тока в обмотке электромагнита герконового реле сила исчезает, и под действием сил упругости контакты размыкаются.

В герконовых реле отсутствуют детали, подвергающиеся трению, а контакты сердечника многофункциональны, так как при этом выполняют одновременно функцию магнитопровода, пружины и токопровода.

Для уменьшения размеров намагничивающей катушки увеличивают допустимую плотность тока, используя для намотки теплостойкий эмалированный провод. Все детали изготавливаются штамповкой, а соединяются сваркой или пайкой. Для уменьшения зоны включенного состояния в герконах применяются магнитные экраны.

Особый класс герконов - реле на ферритах, которые обладают свойством памяти. В таких реле для переключения в катушку необходимо подать импульс тока обратной полярности с целью размагничивания ферритного сердечника. Они называются герметизированные запоминающие контакты или гезаконы.

Достоинства герконовых реле:

- полная герметизация контакта позволяет использовать герконовые реле в различных условиях влажности, запыленности и т.д.;

- простота конструкции, малая масса и габариты;

- высокое быстродействие, что позволяет использовать герконовые реле при высокой частоте коммутаций;

- высокая электрическая прочность межконтактного промежутка;

- гальваническая развязка коммутируемых цепей и цепей управления герконовых реле;

- расширенные функциональные области применения герконовых реле;

- надежная работа в широком диапазоне температур (-60, +120°С).

Недостатки герконовых реле:

- низкая чувствительность у МДС управления герконовых реле;

- восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от внешних воздействий;

- хрупкий баллон герконовых реле, чувствительный к ударам;

- малая мощность коммутируемых цепей у герконов и герсиконов;

- возможность самопроизвольного размыкания контактов герконовых реле при больших токах;

- недопустимое замыкание и размыкание контактов герконовых реле при питании переменным напряжением низкой частоты.

5.3 Микросхемы преобразователей выходных уровней

Назначение данных микросхем - это преобразование уровня логической единицы в необходимое значение. Дело в том, что задача логических комбинаций в измерительной установке получается из блока ОЗУ, при этом величина логической единицы там всегда постоянна и равна 4,5 В.

Согласно техническому заданию, выходной уровень должен регулироваться шагом, как мы говорили ранее, по 0,1 В от 1 до 18 В.

Следовательно, надо как-то преобразовывать постоянный уровень логической единицы входной 5 В, выходной в соответствующем диапазоне от 1 до 20 с шагом 0,1 В. Эту функцию как раз выполняет микросхема преобразователей уровней. К ним предъявляются очень жесткие требования по времени включения и выключения данных микросхем, то есть они должны обладать минимальным временем включения и выключения, конкретно время включения и выключения не должно превышать 15 наносекунд, то есть оно может быть меньше, но не больше. Исходя из этих требований, предъявляются такие жесткие нормы, что при выходном уровне от 1 до 18 В мы должны обеспечивать время включения и выключения не хуже 15 наносекунд. Для этих целей целесообразней применять интегральные микросхемы драйверов затворов мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, сокращенно МОП-транзисторы [8].

Данные микросхемы обеспечивают большой диапазон выходных напряжений, который задаётся с помощью отдельного вывода у данной микросхемы, кроме того они обеспечивают минимальное время переключения (минимальное время включения и выключения). Так конкретно выбор пал на интегральные микросхемы MAX4373 и на микросхемы ТС4420 [6]. Данные микросхемы удовлетворяют необходимым требованиям по выходному напряжению и по уровню фронтов, но, как говорилось ранее, выходной каскад должен быть рассчитан на значение выходных токов до 500 мА и импульсных токов до 700 мА. Микросхема МАХ4373 к сожалению в статическом режиме работы выходной ток в 500 мА обеспечить не может, поэтому построение блока коммутации на базе данной микросхемы невозможно. Микросхема ТС4420 обеспечивает и удовлетворяет точнее выше поставленным параметрам по всем пунктам, поэтому проектируемое нами изделие будет построено на базе данных интегральных микросхем [4].

Более подробные характеристики выше указанных микросхем приведены ниже.

Порог срабатывания микросхемы MAX4373 определяется по формуле:

где V_REF - источник опорного напряжения (600 mV);

A_V - коэффициент усиления, равный 100 mV-150 mV

(в зависимости от выбора микросхемы);

R₁, R₂, R_SENSE - порог срабатывания при токе свыше 700 мА.

R₁ на принципиальной схеме соответствует R₁₁, R₂ соответствует R₁₂, R_SENSE - R₁₀ соответственно.

Типовая схема включения микросхемы MAX4373 приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 Типовая схема включения микросхемы MAX4373

Назначение выводов микросхемы MAX4373 приведены на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 Назначение выводов микросхемы MAX4373

Далее рассмотри микросхему TC4420.

Внешний вид корпуса микросхемы TC4420 приведен на рисунке 5.3.



Рисунок 5.3 Внешний вид корпуса микросхемы TC4420

Габариты микросхемы TC4420 приведены в соответствии с таблицей 5.1.

Таблица 5.1

Габариты микросхемы TC4420

Units	INCHES*	MILLIMETERS
Dimension Limits	min	max	min	max
Lead Pitch	e	0.060	0.072	1.52	1.83
Overall Lead Centers	e1	0.263	0.273	6.68	6.93
Space Between Leads	e3	0.030	0.040	0.76	1.02
Overall Height	A	0.160	0.190	4.06	4.83
Overall Width	E	0.385	0.415	9.78	10.54
Overall Length	D	0.560	0.590	14.22	14.99
Flag Length	H1	0.234	0.258	5.94	6.55
Flag Thickness	F	0.045	0.055	1.14	1.40
Thought Hole Center	Q	0.103	0.113	2.62	2.87
Thought Hole Diameter	P	0.146	0.156	3.71	3.96
Lead Length	L	0.540	0.560	13.72	14.22
Base to Bottom of Lead	J1	0.090	0.115	2.29	2.92
Lead Thickness	C1	0.014	0.022	0.36	0.56
Lead Width	b	0.025	0.040	0.64	1.02
Mold Draft Angle	a	3°	7°	3°	7°

Функциональная блок-диаграмма микросхемы TC4420 приведена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 Функциональная блок-диаграмма микросхемы TC4420

Микросхема TC4420 является MOSFET драйвером с одним выходом и обеспечивает максимальный ток в 6 А. TC4420 - неинвертирующий драйвер.

Эти драйверы изготовлены при помощи КМОП технологии, для более низкого энергопотребления и более эффективной работы по сравнению с биполярными драйверами.

Это устройство имеет ТТЛ/КМОП совместимые входы, может управляться напряжением в пределах от +0,3 В до -5 В без вреда для устройства. Это исключает необходимость внешнего смещения уровня.

Далее рассмотрим микросхему CD4556B.

Микросхема CD4556B содержит по два дешифратора двухразрядного двоичного кода (входы А и В) в информацию на четырех выходах (0...3). Вход E является разрешающим дешифрацию. При высоком уровне на входе E дешифрация запрещается и на всех выходах CD4556B устанавливается высокий уровень. При низком уровне на входе E разрешается дешифрация, на одном из выходов CD4556B устанавливается низкий уровень. Таким образом CD4556B дешифрирует входное число в инверсном коде [5]. Условное обозначение микросхемы CD4556B приведено на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 Условное обозначение микросхемы CD4556B

Далее рассмотрим микросхему IRLR7843 [7]. Внешний вид микросхемы IRLR7843 показан в соответствии с рисунком 5.6.

Рисунок 5.6 Внешний вид микросхемы IRLR7843

Основные параметры транзистора IRLR7843 приведены в таблице 5.2.



Таблица 5.2

Основные параметры транзистора IRLR7843

	Parameter	Max	Units
VDC	Drain-to-Source Voltage	30	V
VGC	Gate-to-Source Voltage	±20
ID (TC = 25°C)	Continuous Drain Current, VGC = 10V	161	A
ID (TC = 100°C)	Continuous Drain Current, VGC = 10V	113
IDM	Pulsed Drain Current	620
PD (TC = 25°C)	Maximum Power Dissipation	140	W
PD (TC = 100°C)	Maximum Power Dissipation	71
	Linear Derating Factor	0,95	W/°C
TJ TSTG	Operating Junction and Storage Temperature Range	-55…+175	°C
	Soldering Temperature, for 10 seconds	300 (1,6 mm for case)

5.4 Программируемый источник напряжения

Программируемый источник напряжения должен быть 4-х канальным, как говорилось ранее. Это означает, что будет четыре схемы программируемых источников. То есть, они могут работать вне зависимости друг от друга, то есть, допустим, на одном источнике можно выставить 1 В, на другом 3 В, на третьем еще какое-то значение, а четвертый вообще отключить. Данные источники будут построены на основе цифровых потенциометров, это такие микросхемы которые изменяют своё сопротивление, в зависимости от поданного на них цифрового кода.

Данные цифровые потенциометры будут включены в цепь делителей напряжения импульсных преобразователей постоянного тока в постоянный ток, на базе интегральной микросхемы LM2596. Применение данного преобразователя позволит изменять выходное напряжение в широком диапазоне (от 1 до 18 В), кроме того применение данных импульсных преобразователей позволит значительно увеличить КПД данного источника, что приведет к минимизации тепловыделений при работе данного источника.

...