Стратегия импортозамещения в области интегральных схем требует от электронной отрасли долгосрочных и масштабных инноваций. Ключевым фактором в общей организационно-технической перестройке микроэлект-роники является создание отечественных автоматизированных средств измерений (СИ), соответствующих требованиям к комплексной проверке и испытаниям новой высокотехнологичной продукции: быстродействующих СБИС типа «система на кристалле» (СнК), цифровой логики, микросхем статической и динамической памяти запоминающих устройств, а также СБИС АЦП и ЦАП.
Актуальность разработки отечественных СИ взамен зарубежных продиктована не только режимом санкций, который имеет преходящий характер, но прежде всего – требованием метрологического обеспечения единства измерений при проверке параметров и функций микросхем.
Основой метрологического обеспечения измерений и испытаний являются единые стандарты и реализующие их утверждённые типовые СИ, которые должны быть полностью метрологически обеспечены при их разработке, производстве и экс-плуатации.
Очевидно, что для обеспечения метрологического единства необходимо управление жизненным циклом СИ и государственный надзор со стороны Росстандарта, выполняемый, согласно закону, посредством:
- метрологической экспертизы конструкторской, программной, технологической и метрологической документации на СИ при утверждении типа СИ;
- метрологического надзора государства при эксплуатации утверждённого типа СИ.
Поскольку ни один зарубежный поставщик СИ не предоставляет на экспертизу Росстандарта указанные документы, метрологическая экспертиза и метрологический надзор при эксплуатации импортного оборудования реализуются с большими ограничениями, что создаёт существенные риски в системе метрологического единства измерений СБИС, а значит и в системе испытаний в целом.
Таким образом, создание собственных СИ для испытаний СБИС следует считать важнейшей задачей обеспечения национальной технологической безопасности.
Российское оборудование
Чтобы удовлетворить требованиям программ импортозамещения СБИС, предприятие ФОРМ (Москва) разработало и освоило выпуск нового отечественного типового средства измерений – ультравысокочастотного Тестера СБИС FORMULA® HF Ultra (см. рис. 1). Тестер предназначен для комплексного автоматизированного функционального и параметрического контроля микросхем. Прибор является флагманом в линейке российских высоко-частотных Тестеров FORMULA® HF.
Тестер решает задачу импортозамещения современных зарубежных тестеров СБИС, применяемых для верификации и приёмочных испытаний микросхем, для выполнения отбраковочных, приёмо-сдаточных, периодических и сертификационных испытаний, а также для входного контроля микросхем (см. таблицу).
Основные технические характеристики тестера определяются следующими величинами:
- количество универсальных двунаправленных каналов – до 1024;
- частота – до 550/1200 МГц;
- память векторов/ошибок – до 128 М/128 М;
- блок аналоговых измерений – 1200 МПс/24 бит.
Уровень и состав функциональных, параметрических и метрологических характеристик тестера, установленный при его разработке, был определён, исходя из номенклатуры и характеристик микросхем, составляющих основу государственной программы импортозамещения (см. таблицу), а также с учётом обеспечения конкурентоспособности с современным зарубежным оборудованием аналогичного наз-начения.
Универсальность и инновации
Тестер FORMULA® HF Ultra имеет модульно-магистральную архитектуру, реализующую принцип заказного конфигурирования оборудования с выбором основных и дополнительных устройств, соответствующих кругу решаемых измерительных и испытательных задач.
Тестер открывает возможности для комплексной проверки широкой номенклатуры СБИС (включая СнК) благодаря следующим инновациям (см. рис. 2):
-
Тестер объединяет в своём составе две подсистемы функционального контроля на 1024 канала с частотой до 550 МГц на канал с обеспечением четырёхуровневых сигналов, в том числе дифференциальных в диапазоне напряжений –1,5…+13 В независимо по каждому каналу:
- генератор тестовой последовательности (ГТП) для тестирования СБИС произвольной логики;
- алгоритмический генератор тестов (АГТ) для контроля быстродействующих ЗУ: FLASH, DRAM, DDR, DDR2/3, SRAM, ROM, PROM и иной регулярной логики.
Характеристики подсистем функ-ционального контроля тестера позволяют успешно применять его при тестировании сверхинтегрированных ультравысокочастотных СБИС с числом выводов до 1600…1700, например, ASICs и ПЛИС.
Специальный режим одновременного использования ГТП и АГТ предназначен для тестирования СБИС с архитектурой СнК, таких как микроконтроллеры и микропроцессоры, методами функционального и алгоритмического контроля в едином цикле измерений.
-
Метрологически аттестованные характеристики сигналов универсальных каналов тестера определяют высокое качество измерений ультравысокочастотных СБИС и полностью соответствуют ультравысокой частоте функционального контроля 550 МГц (см. рис. 3):
- минимальная длительность фронта и среза импульса составляет 275 ±150 пс;
- минимальная длительность импульса – 750 ±150 пс.
Для сохранения формы импульса и требований подключения к проверяемой микросхеме предусмотрена программируемая независимо по каждому каналу компенсация искажений сигнала в тракте приёма/передачи, а также программируемое формирование крутизны фронта/среза сигнала в диапазоне от 100 до 25% (программируется и выполняется так же поканально-независимо).
-
Канальная электроника тестера воспроизводит четырёхуровневые сигналы, в том числе дифференциальные в широком диапазоне напряжений от –1,5 до +13 В, независимо по каждому каналу. Это позволяет контролировать микросхемы с 4-уровневым кодированием данных, например, СБИС обработки видеосигнала.
-
Тестер обладает высокоточной подсистемой измерений электрических статических параметров СБИС, которая включает:
- измерительные источники питания VCC – 32 шт., 0…+6 В; ±250 мкА…±4 А;
- измерительные источники питания VDD – 32 шт., –2…+15 В; ±200 нА… ±400 мА;
- многоканальные измерители PMU – 32 шт., –2…+13 В; ±200 нА…±150 мА;
- поканальные измерители PPMU – 1024 шт., –2…+13 В; ±2 мкА…±50 мА;
- измерительные источники HVDD – 8 шт., –17…+17 В; –500…+500 мА.
Применение поканальных измерителей PPMU позволяет обеспечить режим «мультисайт» для параллельного высокопроизводительного контроля микросхем на пластинах и в корпусе. Источники HVDD могут быть использованы для программирования FLASH и ПЗУ, а также для контроля аналоговых микросхем, таких как операционные усилители и компараторы.
-
Тестер имеет специальные дополнительные ресурсы для питания высокопотребляющих СБИС:
- мощные источники питания LVDD – 2шт., 4,5 В; 20 А;
- сверхмощный источник питания SPS – 1 шт., 3,5 В; 50 А / 100 А.
Источники LVDD и SPS предназначены для питания многоядерных микропроцессоров, ПЛИС и иных микросхем с высоким током потреб-ления.
-
Прецизионная подсистема измерений динамических параметров СБИС обеспечивает измерение времени задержки распространения сигнала, длительности импульса, фронта и среза, а также других временны¢х характеристик СБИС с точностью, определяемой на основе следующих погрешностей:
- формирование входных перепадов импульса (IEPA) ±150 пс;
- контроль выходных перепадов импульса (OEPA) ±250 пс;
- общая системная временна¢я погрешность (OTA) ±250 пс.
- Дискретность установки меток времени составляет 11 пс.
Подсистема реализована на универсальных измерительных каналах тестера.
-
Технология BIST. Учитывая потребность разработчиков в проведении внутрисхемного контроля СБИС на этапе исследования опытных образцов, в тестере реализована возможность использования технологии BIST. Для этого используется встроенный в тестер порт JTAG, который обеспечивает выполнение всех стандартных функций, включая заливку конфигурационных файлов в ПЛИС. Дополнительно имеется встроенный JAM PLAYER с поддержкой языка STAPL.
-
Блок аналоговых измерений ARP. Для измерений микросхем смешанного сигнала (ЦАП и АЦП) тестер оснащён прецизионным аналогово-цифровым блоком (1200 МГц / 1200 Мпс / (–10…+10) В), который обеспечивает измерение динамических и статических параметров преобразования быстродействующих микросхем АЦП до 14 разрядов при формировании на их входах периодических сигналов с частотой до 260 МГц, а также измерение статических параметров преобразования микросхем низкочастотных ЦАП и АЦП до 16 разрядов.
Блок ARP включает следующие функциональные устройства (см. рис. 4):
- прецизионный двухканальный ге-нератор 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 напряжения –10…+10 В.
Для обеспечения низких уровней перекрёстных помех все устройства ARP гальванически изолированы. Объединение всех «земель» осуществляется в точке объединения аналоговых и цифровых «земель» контролируемого объекта (АЦП или ЦАП) в соответствии с техническими требованиями на их применение. Для питания применены отдельные малошумящие экранированные линейные источники питания.
Испытания СБИС на внешние воздействующие факторы
Конструкция, аппаратное и программное обеспечение тестера создают хорошие условия для испытаний микросхем, в том числе для испытаний, совмещённых с измерениями, например, с использованием установок «Термострим» и проходных камер. Обеспечены измерения под воздействием температур непосредственно на плате прижимного устройства без применения кабелей и потери качества сигналов.
Одной из приоритетных задач при проектировании конструкции тестера являлась разработка способов передачи сигналов тестера на испытуемую СБИС и обратно с минимальными потерями и искажениями сигналов. Специально для многоканального Тестера FORMULA®HF Ultra разработана оригинальная система контактирования нового поколения, предназ-наченная для измерений как в нормальных условиях, так и в диапазоне температур –60…+125°С. Обеспечены надёжность, удобство и быстрота установки, фиксации и смены измерительной оснастки, которые достигаются благодаря применению прецизионного прижимного устройства (см. рис. 5), специальных рамок для крупногабаритной оснастки и «вечных» контактов (POGO-PIN), гарантирующих не менее миллиона присоединений оснастки.
Тестер оснащён средствами для интеграции с внешним оборудованием отечественного и иностранного производства, в том числе с зондовыми установками, испытательным оборудованием, внешними приборами. Манипулятор поворота измерительного блока имеет электропривод с электронным управлением, обеспечивая отличную эргономику рабочего места во всех режимах его эксплуатации.
Программный комплекс тестера
Программный комплекс тестера – это русскоязычная среда FormHF c единым графическим интерфейсом (GUI), предназначенная для реализации всех этапов измерительного процесса: от разработки и отладки программ контроля до выполнения измерений, документирования результатов и их последующего анализа. Среда FormHF обеспечивает выполнение и прослеживаемость совокупности этих процессов путём формирования записей, разграничения прав доступа персонала к оборудованию и базам данных.
На рисунке 6 представлены «5 шагов»: от разработки и отладки программ контроля до выполнения измерений, документирования результатов и их последующего анализа в среде программного обеспечения тестера.
По существу, программный комплекс FormHF является системой автоматизации трудоёмкого процесса разработки и отладки измерительных программ (программ контроля) и адаптирован к применению техническими специалистами широкого профиля без использования языков программирования. Поддерживаются все типовые методы контроля, а также средства трансляции тестов из стандартных форматов VCD, WGL, SVF и Intel HEX.
Для анализа функциональных и параметрических отклонений, выявленных при измерениях и при отладке программ контроля, применяются встроенные средства: многоканальный аппаратный «Логический анализатор», «Осциллограф», «Карта ошибок» ёмкостью 128М, которые особенно удобны при верификации новых проектов СБИС.
Для исследования диапазонов работоспособности и технологической устойчивости СБИС служат инструменты: SHMOO-диаграмма и DRV-анализ.
Программная среда тестера, будучи самодостаточной, тем не менее не ограничивает разработчика использованием только собственных средств ПО FormHF, но позволяет ему применить при желании и внешние среды разработки (IDE) с поддержкой языков С++/Pascal. Такой подход открывает, при необходимости, возможность ручного изменения автоматически сгенерированного программного кода в тех случаях, когда требуется создание и использование нестандартных методов измерений либо адаптация стандартных методов.
В целом программный комплекс FormHF превращает разработку измерительной программы в своего рода 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, настройку, метрологическую калибровку и поверку.
Качество тестера
Качество Тестера Formula® HF Ultra определяется следующими важнейшими критериями, выполнение которых обеспечивает разработчик и изготовитель тестера – предприятие ФОРМ:
- соответствие метрологическому законодательству РФ – характеристики Тестера Formula® HF Ultra метрологически обеспечены при производстве и эксплуатации, подтверждены государственными испытаниями на утверждение типа средств измерений. Калибровка и поверка тестера проводятся в отношении всех заявленных в описании типа СИ параметров оборудования и выполняются согласно методике поверки, утверждённой уполномоченным органом Росстандарта. Метрологические процедуры выполняются в собственной аккредитованной калибровочной лаборатории предприятия-изготовителя;
- современная технология проектирования и производства тестера соответствует регламентам системы менеджмента качества СМК по ГОСТ Р ISO9001-2011. 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 указанных требований, что подтверждается результатами ежегодного инспекционного конт-роля СМК;
- наличие полного комплекта КД на тестер с литерой «О1» обеспечивает поддержку всех этапов жизненного цикла тестера.
Качество Тестера Formula® HF Ultra подтверждено результатами испы-таний:
- на утверждение типа средств измерений с включением в ГосРеестр СИ;
- на электробезопасность и электромагнитную совместимость;
- на климатические воздействия и на транспортную тряску;
- валидацией функциональных и параметрических характеристик тестера при измерении на нём микросхем ЗУ1645РУ4 (режим «Мультисайт») и ПЛИС Altera STRATIX4;
- многолетним опытом производства, применения и сопровождения в эксплуатации высокочастотных тестеров-предшественников на платформе Formula® HF.
Таким образом, Тестер 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.
