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5-2023

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Testfähigkeiten und Testsystemproduktivität mit neuen MEMS-Schaltern erweitern Bild 1: Bediener installiert ein Load-Board auf einem Tester zur Prüfung von digitalen SoCs Hochentwickelte digitale Prozessoren benötigen zur Qualitätssicherung separates automatisches Testequipment (ATE) für parametrische DC-Prüfungen und schnelle digitale Tests. Dies bringt signifikante Kosten und logistische Herausforderungen mit sich. Dieser Artikel beschreibt, wie der SPDT-MEMS- Wechselschalter ADGM1001 (single pole, double throw) eine Prüfung sowohl von DC-Parametern als auch schnellen digitalen Signalen mit nur einem Testadapter (One-Pass-Single-Insertion-Test) ermöglicht, was die Testkosten reduziert und die Logistik für den Test von digitalen/ HF-Systemen in einem Chip (SoC) vereinfacht. Herausforderungen beim Testen Der Halbleitermarkt entwickelt sich hin zu immer schnelleren Datenraten und höheren Schaltungsdichten für die Chip-interne Kommunikation bei hochentwickelten Prozessoren wie 5G-Modem- und Grafik-ICs sowie zentralen Recheneinheiten. Inmitten dieser Komplexität und dem Bedarf nach steigendem Durchsatz ist die Qualitätssicherung die größte Herausforderung für die Entwickler heutiger automatischer Testsysteme (ATE). Ein wichtiger Aspekt dabei ist die steigende Anzahl an Übertragungs-(Tx)-/Empfänger- (Rx)-Kanälen, die sowohl schnelle digitale als auch DC-Parameter- Tests erfordern. Diese Herausforderungen treiben die Komplexität im Halbleitertest in die Höhe und führen, wenn man dieses Problem nicht löst, zu längeren Testzeiten, erhöhter Komplexität des Testboards und reduziertem Testdurchsatz. Dies treibt wiederum die Betriebskosten (OPEX) in die Höhe und senkt die Produktivität in einer modernen Testumgebung. „Eintest“-Plattform Um diese Herausforderungen im Test zu lösen ist ein Schalter nötig, der sowohl bei DC als auch hohen Frequenzen arbeitet. Der ADGM1001 kann sowohl echte Gleichspannungssignale (0 Hz) als auch schnelle Signale bis zu 64 Gbit/s handhaben. Dies ermöglicht eine effiziente „Eintest“-Plattform (nur ein Testadapter bzw. Load-Board), die so konfiguriert werden kann, dass sie sowohl DC-Parameter als auch schnelle digitale Kommunikationsstandards wie PCIe Gen 4/5/6, PAM 4 und USB 4 prüfen kann. Bild 2 zeigt das Augendiagramm des ADGM1001 bei 32 Gbit/s. Autoren: Richard Houlian (oben), Product Marketing Manager Naveen Dhull (Mitte), Product Applications Engineer Padraig Fitzgerald (unten), Principal IC Design Engineer Analog Devices www.analog.com Bild 2: Augendiagramm des ADGM1001 bei 32 Gbit/s (HF1 bis HFC mit Referenzkurve, Pattern nutzt PRBS 2 15 -1) 26 PC & Industrie 5/2023

Qualitätssicherung Bild 3: Illustration einer Testmethode mit zwei Testadaptern Bild 4: Der MEMS-Schalter ADGM1001 ermöglicht sowohl schnelle Digital- als auch DC-Tests (es ist hier nur der P-Kanal dargestellt) Wie werden HSIO-Pins getestet? Der Test von schnellen Ein-/Ausgangs-Schnittstellen (HSIO = High Speed Input Output) in einer Großserien-Produktionsumgebung ist eine riesige Herausforderung. Eine gängige Methode ein HSIO-Interface zu validieren ist eine Testarchitektur mit einer schnellen Rückkoppelschleife zu implementieren. Diese beinhaltet in einer einzigen Konfiguration sowohl schnelle digitale als auch DC-Testpfade. Um schnelle Rückkopplungstests auszuführen, wird generell eine pseudozufällige Bit-Sequenz (PRBS) mit hoher Geschwindigkeit vom Transmitter übertragen und auf der Empfangsseite aufgenommen, nachdem sie an das Load- oder Test-Board rückgekoppelt wurde, wie in Bild 3 (linke Seite) zu sehen. Auf der Empfangsseite wird diese Sequenz analysiert, um die Bit-Fehlerrate (BER) zu berechnen. Funktion sicherstellen Parametrische DC-Tests, wie Durchgangsprüfung und Lecktest, werden an den Ein-/Ausgangs-Pins durchgeführt, um die Funktion des Prüflings sicherzustellen. Um diese Tests durchzuführen, müssen die Pins direkt mit einem DC-Messgerät verbunden werden, mit dem ein Strom eingeprägt und eine Spannung gemessen wird, um Fehler zu entdecken. Um sowohl einen schnellen Rückkoppeltest als auch einen parametrischen DC-Test an den Ein-/Ausgängen des Prüflings (DUT) auszuführen, gibt es mehrere Methoden, die man nutzen kann, um das digitale SoC zu testen. Beispielsweise kann man MEMS-Schalter, Relais oder zwei unterschiedliche Load-Boards einsetzen, eines für den schnellen digitalen und das andere für den DC-Test, was allerdings zwei unterschiedliche Testadapter erfordert. Relais nur bedingt geeignet Das Durchführen von schnellen digitalen und parametrischen DC- Tests mit Relais ist eine Herausforderung, weil die meisten Relais nicht über 8 GHz arbeiten, sodass die Anwender Kompromisse bei der Signalgeschwindigkeit und Testabdeckung eingehen müssen. Zudem sind Relais groß und belegen eine große Fläche auf der Leiterplatte, was die Ausmaße der Gesamtlösung insgesamt erhöht. Die zuverlässige Lebensdauer ist bei Relais ebenfalls immer ein Thema, denn sie arbeiten üblicherweise nur bis zu 10 Millionen Schaltzyklen, was die Betriebsdauer des Systems und die Lebenszeit des Load-Boards begrenzt. Zwei Testadapter für schnelle Rückkopplung Bild 3 zeigt ein Prüfverfahren mit zwei Testadaptern, um einen schnellen Rückkoppel- und einen parametrischen DC-Test durchzuführen. In diesem Bild ist auf der linken Seite der Aufbau für den schnellen digitalen Rückkoppeltest dargestellt, in dem der Transmitter des Prüflings über einen Koppelkondensator auf den Empfänger zurück gekoppelt ist. Auf der rechten Seite in Bild 3 ist der Aufbau des parametrischen DC-Tests zu sehen, für den die Prüflings-Pins für Parametertests direkt mit dem Testsystem verbunden sind. Bis jetzt war es aufgrund von Einschränkungen der verfügbaren Komponenten nicht möglich mit demselben Load-Bord schnelle Rückkoppel- und DC-Tests auszuführen. Herausforderungen beim Testen mit zwei Testadaptern • Handhaben von zwei Hardwaresätzen: Die Anwender müssen zwei unterschiedliche Load-Boards für den DC- und Rückkoppeltest handhaben und warten. Dies bringt einen signifikanten Mehraufwand mit sich, besonders, wenn man hohe Prüflingsstückzahlen testet. • Längere Testzeiten und höhere Testkosten: Zwei unterschiedliche Testadapter bedeuten auch, dass jeder Prüfling zweimal geprüft werden muss, wodurch sich die Umrüstzeit (indexing time) während jedes Tests verdoppelt, was letztlich die Testkosten steigert und den Testdurchsatz signifikant verringert. • Optimierung der Testzeit: Die Testzeit lässt sich nicht optimieren, wenn zwei unterschiedliche Hardwaresätze beteiligt sind. Höhere Kosten entstehen auch, wenn ein Bauteil im zweiten Test ausfällt. Der erste Test ist somit verschwendete Testzeit. • Anfälliger für menschliche Fehler: Da jeder Prüfling zweimal getestet wird, verdoppelt sich auch das Risiko von menschlichen Fehlern. • Doppelter Testaufbau: Die Testmethode mit zwei Testadaptern erfordert zwei Hardwaresätze, wodurch sich auch die Zeit für den Hardwareaufbau verdoppelt. • Logistischer Mehraufwand: Die Testmethode mit zwei Testadaptern erfordert mehr Prüflingstransporte. Es müssen Komponenten zwischen unterschiedlichen Testern und potenziell sogar zwischen Testhäusern befördert werden, was eine Herausforderung für die Planung und Logistik mit sich bringt. Lösung: 34-GHz-Schalttechnik Die 34-GHz-MEMS-Schalttechnik von ADI bietet mit herausragender Schaltungsdichte in einem kleinen LGA-Gehäuse mit 5 x 4 x 0,9 mm Kantenlänge, wie in Bild 4 gezeigt, die Möglichkeit zur Durchführung sowohl von schnellen Digital- als auch DC-Tests. Um einen schnellen Digitaltest durchzuführen werden schnelle Signale von einem Transmitter durch den Schalter und zurück auf einen Empfänger geführt, wo nach dem Dekodieren die BER analysiert wird. Für parametrische DC-Tests verbindet der Schalter die Pins mit dem DC- Tester, auf dem Parametertests wie Durchgangs- und Lecktests ausgeführt werden, um die Funktion des Prüflings sicherzustellen. Während des parametrischen DC-Tests bieten die MEMS-Schalter auch die Option mit hoher Frequenz mit dem PC & Industrie 5/2023 27

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel