使用泰克MP5000系列实现高密度并行测试

引言

受人工智能的快速发展和电气化转型的推动，半导体芯片市场的增长要求制造商在不牺牲测试精度的情况下，提高测试和验证的吞吐量。

实现这一目标的一种方法是并行测试，即同时对多个器件进行测试。一旦测试流程被验证，它就必须被复制以满足生产需求。这引入了新的挑战，包括通道间的时间同步以及扩展带来的额外成本。

Tektronix MP5000系列模块化精密测试系统旨在满足并行测试需求。高密度1U主机MP5103可配置多达3个模块化源表单元（SMUs）和/或电源单元（PSUs），实现最多6个独立通道。MP5103支持Test Script Processor (TSP)，并可通过TSP-Link轻松扩展至最多32台主机。本应用笔记重点介绍如何在标准半导体与光学表征测试中实现6通道并行同步。

新触发模型，带来新测试可能性

精确计时的并行测试的关键是触发模型，它用于协调各仪器通道的操作。传统仪器使用固定触发模型，动作顺序固定，握手控制能力有限。这些模型在需要多个通道时功能受限，编程困难。而没有触发模型或触发模型过于灵活的仪器虽然易于编程，但通常无法在测试步骤之间提供精确计时，从而导致测试延迟或因不当的测试条件损坏器件。

MP5000系列结合了传统性能与灵活性的优点，创造了新的TriggerFlow触发模型。该触发模型完全可定制，采用模块化流程图风格。用户可以在触发模型中以任意顺序控制仪器的动作与设置。通过各种延时与通知模块，可以在通道之间实现精确计时与握手，而无需复杂的外部触发代码。

图1：TriggerFlow提供4种模块类型，可在固定模型之外自定义测试流程

借助TriggerFlow触发模型，只需几个步骤即可从构思到执行：

计划：确定所需的测试流程，包括仪器设置、扫描配置、所需通道数及计时要求。

扩展：为测试中的每个通道绘制流程图。将步骤扩展为 MP5000 可用的触发模型模块。

构建：将流程图中的模块替换为代码，以建立触发模型。编程事件与延时，实现精确计时。

接下来的章节将通过示例演示如何在并行条件下同步通道，并构建TriggerFlow模型。

示例：双通道MOSFET曲线族

对MOSFET的输出特性进行表征至少需要2个SMU通道：

• 一个通道在栅极端子上施加阶跃电压偏置并进行测量；

• 另一个通道在漏极端子上执行电压扫描并测量电流。

该测试序列如图2所示。

• 蓝色方块表示测量点；

• 绿色虚线箭头表示同步点

在测试过程中：

• 漏极通道通知栅极通道启动；

• 当漏极开始扫描时，会发送测量开始与结束的通知，以协调扫描；

•在扫描结束时，漏极必须通知栅极进入下一个阶跃。

传统方式下，这必须通过嵌套for循环来编程，以在栅极的每个电压阶跃上重复漏极扫描。这种顺序执行的方式导致测试时间更长。

MP5000使用单个MSMU60-2模块的两个通道简化了此过程。其TriggerFlow模型如图3所示，其中通道1连接栅极，通道2连接漏极。

当一个动作依赖另一个动作时（例如，漏极扫描需在栅极电压切换后开始），就会使用notify-wait（通知-等待）模块对。

• 当一个动作完成时，触发模型执行一个notify模块。

• 此信号可以路由到其他事件，或直接发送到另一个触发模型中的wait模块，该模块将暂停直到接收到该事件。

这样可以保证：

• 一个触发模型完成后，另一个触发模型立即开始执行，无延迟；

• 各个模型继续并行运行，直到遇到新的时间控制模块。

当测试中需要重复操作或做出分支判断时，则使用branch（分支）模块。在MOSFET的案例中，branch模块用于对生成扫描与采集测量的模块进行循环，从而将这部分测试简化为3个模块。

此外，还可以使用额外的notify模块来确保栅极测量与漏极测量同时进行。

图2：MOSFET曲线族测试序列

图3：MP5000在MOSFET漏极曲线族测试中的触发模型

图5显示了该触发模型序列在示波器上捕获的输出。栅极波形（上方）与漏极扫描（中间）完全同步，时间上无显著延迟。

图5：MOSFET曲线族测试输出，栅极电压（上）、漏极电压（中）和漏极电流（下）。

示例：双通道VCSEL LIV表征

对发光器件（如 LED、激光器和 VCSEL）进行光-电流-电压（LIV）特性表征时，要求仪器通道分别控制不同器件，但仍需保持紧密同步。

在此示例中：

• 一个SMU通道对激光二极管进行正向电流扫描并测量电压；

• 另一个通道测量独立光电二极管检测到的电流。

这些测试中的许多需要脉冲信号，以防止热效应，因此光电二极管的测量必须在正确的时刻进行，即激光二极管开启或稳定输出时。

图6：光电二极管与激光二极管对的LIV表征

此测试如图6所示。

在TriggerFlow中，此测试被转换为2个触发模型：

• 一个用于源出并测量；

• 另一个仅用于测量。

再次使用notify-wait（通知-等待）模块对来协调动作完成的时机，并通过branch（分支）模块重复部分步骤以执行扫描。

此外，还包含一个常数延时（constant delay）模块，用于在测量开始前提供额外的等待时间。

此测试的触发模型如图7所示。

图7：用于LIV表征的MP5000触发模型

当执行该测试时，图8所示的结果波形展示了二极管的典型正向电压特性（上方），以及光电二极管电流的测量结果（下方）。同样，这些波形是同步的，测量中没有额外的间隙或延迟。

图8：LIV触发模型的输出，激光二极管电压（上）、激光二极管电流（中）、光电二极管电流（下）

示例：6通道同步

同步并行测试可以包括所有通道或通道组，它们要么运行相同的测试，要么运行必须在相同时间启动的不同测试，或者依赖某个通道的动作来驱动其他通道。

我们可以将前两个示例与另外2个SMU通道上的简单波形源出相结合，并在每个模型的开头添加一个wait（等待）块，从而使所有6个通道同时启动。完整的并行测试如图9所示。

图9：6个触发模型并行运行

第五个模型通过源出操作块（source action blocks）改变输出电平，并通过常数延时块（delay constant block） 控制脉冲的时间，从而执行脉冲扫描。

第六个模型使用源出步骤（source action step）与常数延时块生成正弦波。这两个模型都在输出开始时使用重叠测量块（measure overlapped block）启动测量。

这样，SMU可以在后台执行测量的同时继续运行触发模型中的其他模块，本质上是利用高速数字化仪来捕获输出波形。

这两个模型都没有使用notify-wait（通知-等待）模块对，因为它们独立于其他通道运行，只在启动点上同步。

在图10中，示波器捕获到的执行结果显示：每个通道在相同时间启动，并且并行执行。

图10：在示波器上捕获的6通道执行结果

在图11中展示了通过Python开发的GUI仪表板绘制的SMU通道采集数据。这复制了器件数据表上通常会显示的表征测试结果。用于执行此示例的代码可在Tektronix Github获取。

图11：使用Python绘制的6个通道的测量数据

结论

该示例展示了在6个通道上并行运行，并执行4个彼此独立、但各自需要不同操作和不同同步水平的任务。这种并行测试应用可以通过TSP-Link同步触发模型，进一步扩展到更多主机。

MP5000模块化精密测试系统通过采用可自定义、用户友好的触发模型，旨在实现高密度和高吞吐量测试。它提供了从验证到生产，构建最适合的自动化测试系统所需的灵活性。