測試背景
MEMS技術(shù)應(yīng)用使得金屬氧化物(MOX)氣體傳感器在晶圓級大規(guī)模生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用,大大降低了硅晶圓制造的成本。這些氣體傳感器裝置適用于一氧化碳(CO)和各種揮發(fā)性有機化合物(OCs),如:如乙醇、丙酮和甲苯的精確測量。出于健康和安全考慮,這些傳感器的應(yīng)用主要包括環(huán)境監(jiān)測、生物研究、工業(yè)控制、便攜式酒精測量儀和家庭空氣監(jiān)測系統(tǒng)。
MOX氣體傳感器采用MEMS技術(shù),大大降低了制造成本。但是這些傳感器也必須經(jīng)過測試,這與典型半導(dǎo)體器件的制造和測試相比是一組獨特的挑戰(zhàn)。這篇白皮書介紹了一個半導(dǎo)體氣體傳感器制造商采用的基于PXI的集成化測試解決方案,該方案可提供測試所需的準確性,適應(yīng)非常大規(guī)模的現(xiàn)場計數(shù),并且在低成本的情況下可匹配高性能半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的整體吞吐量性能。
MOX氣體傳感器介紹
MOX氣體傳感器是作為多芯片模塊(MCM)制作的微機電系統(tǒng)(微機電系統(tǒng))器件。MCM的基本組成部分是微控制器ASIC,在晶圓片上預(yù)測試,以及傳感器本身。這些組件被放置在一個共同的基板上,蓋子被放置在組件上,有一個小的孔或網(wǎng),允許氣體進入傳感器,如下圖。
該傳感器由一個小型發(fā)熱元件組成,該發(fā)熱元件位于涂有專用金屬氧化物材料的薄膜之下。MOX材料是一個可變電阻,對它所接觸的氣體中的化學(xué)物質(zhì)作出反應(yīng)。MOX可以被設(shè)計成對特定類型或類別的氣體(稱為目標氣體)做出不同的響應(yīng)。在真空環(huán)境中,MOX的阻力可以是幾個MOhms。當加熱時,在目標氣體的存在下,MOX材料的電阻明顯下降,下降到幾十個KOhms。當應(yīng)用的熱量被消除,和/或測試氣體被消除,MOX阻力恢復(fù)到以前的值。
由于實際應(yīng)用中的熱量,需要測量MOX涂層在真空下的電阻值,然后測量MOX涂層在空氣中存在一定量的目標氣體(以ppm測試)的情況下的電阻值,兩者的比值作為校準設(shè)備的依據(jù)。在實際操作中,校準的MOX電阻測量是對環(huán)境中目標氣體密度的指示。
對傳感器加熱器和MOX測量值的控制,就好比對設(shè)備寄存器的讀/寫,由控制器ASIC執(zhí)行,而ASIC又由測試系統(tǒng)通過I2C接口進行控制。I2C接口是四線制總線,由兩個I2C總線(SCL和SDA)、中斷信號和復(fù)位信號組成。下圖詳細說明了MOX傳感器MCM設(shè)備的組成。
測試系統(tǒng)需求
為了測試這些設(shè)備,測試系統(tǒng)需要具備以下功能和屬性:
測試/校準MOX傳感器的時間可能需要幾十分鐘。由于需要在真空和目標氣體“浸泡”傳感器,所以需要很長的“soak”時間。顯然,使用大型、高性能的半導(dǎo)體測試儀,在soak期間需要閑置一段時間,這樣不能有效的利用這些昂貴的資源。所以,解決方案必須具有較低的初始資本成本。
測試吞吐量很重要。由于駐留時間長,因此系統(tǒng)必須支持非常大的并行測試能力,這樣才能將soak時間內(nèi)分攤到多個設(shè)備上
DUT負載板必須位于一個可以對氣體濃度進行精確控制的封閉環(huán)境中。這就排除了使用處理handler來加載和卸載設(shè)備,導(dǎo)致需要手動插入和刪除設(shè)備的典型應(yīng)用方法。因此,操作人員需要一種方法來直觀地識別手工裝訂的傳遞和故障組件。
一旦達到了預(yù)期的soak時間,所有的測量都需要在不到一秒的時間內(nèi)完成,以避免由于不同的浸泡時間而產(chǎn)生的結(jié)果偏差。
由于組件是一個新的設(shè)計,系統(tǒng)需要可擴展,因此測試容量會隨著產(chǎn)量的增加而增加。
wafer級ASIC測試完成后,設(shè)備通過通用I2C從地址到達封裝測試。系統(tǒng)需要有能力對每個設(shè)備的I2C總線進行隔離,從而消除了修改從地址進行測試的需要。由于加載板涉及到DUT的手動插入,因此在開始冗長的測試過程之前,需要一種測試方法來驗證正確的組件插入。一個簡單的接觸測試實現(xiàn)了這一點,因此系統(tǒng)需要提供PMU/pin功能。
系統(tǒng)實現(xiàn)
架構(gòu)
該方案選擇的架構(gòu)是一個基于PXI的混合(hybrid)系統(tǒng),由PXI儀器和USB控制的外部儀器組成。注意,在這種情況下使用hybrid一詞并不意味著PXI Express hybrid;PXI儀器均為標準PXI-1。在此文中,hybrid是指PXI和非PXI工具的結(jié)合。
電源
在正?;蚩臻e狀態(tài)下,設(shè)備的工作電流很低,但在測量過程中,實驗表明,當傳感器加熱器被激活時,每個設(shè)備的涌流可能很高。為了支持大型多站點配置(最多512臺設(shè)備),PXI power解決方案被認為是不夠的,所以選擇了外部Keysight E36313A電源。
數(shù)字儀器
一個簡單的實現(xiàn)方法是為每個被測試的設(shè)備使用一個專用的數(shù)字儀器,這才滿足為每個設(shè)備隔離I2C總線的要求,但是這種“蠻力”方法的成本將超過整個系統(tǒng)預(yù)算。因此設(shè)計了一種利用開關(guān)或多路復(fù)用的數(shù)字接口實現(xiàn)每個DUT通過專用的I2C總線進行通信,從而最大限度地減少數(shù)字儀器資源?;诔杀?、通道密度和易用性,該方案選擇的儀器是Marvin Test Solutions公司的 GX5295 數(shù)字 I/O 板卡。
GX5295板卡單槽為有32個通道,每個pin支持PMU,深度緩存以及一個強大的API函數(shù)庫。GX5295支持并行測試8個設(shè)備,不會出現(xiàn)從地址沖突問題。通過整合8:1的多路復(fù)用開關(guān),可以使GX5295板卡一次測試64個設(shè)備中的其中8個,且避免了從地址沖突。這種方法使得一個價格不昂貴的GX5295在分配好的時間預(yù)算下測量一個64站點的負載板。并且,由于GX5295支持多儀器同步擴展,在512臺設(shè)備上進行測量的時間與在64臺設(shè)備上進行測量的所花費的時間相同。
系統(tǒng)擴展只需添加額外的GX5295板卡、負載板、槽位以及ITA電纜,最多可達8套。(512 個DUTs)。
負載板
負載板的密度設(shè)置為64個設(shè)備(如圖2)。由于上面解釋的原因,這為系統(tǒng)擴展提供了一個自然的粒度。為了簡化系統(tǒng)/DUT接口,將mux開關(guān)裝置放置在負載板上,消除了外部開關(guān)和相關(guān)電纜,同時保持了良好的信號完整性。
負載板包括64個三色led,用于直觀地指示每個DUT的通過/失敗狀態(tài)。LED電源包括一個電池備份,這樣即使當負載板從系統(tǒng)中移除時,視覺上的通過/失敗狀態(tài)仍然保持——這對于操作者手動移除和添加設(shè)備是非常必要的。在測試過程中,負載板上的充電電路可以保持電池處于關(guān)閉狀態(tài)。
由于I2C接口是開路集電極,因此需要外部上拉電阻才能工作。這些電阻干擾PMU接觸測試,以確定適當?shù)?span>DUT插入插座--電流通過上拉電阻淹沒ESD二極管的測量值。因此,在進行接觸測量時,需用Vcc控制的上拉繼電器將上拉電阻與Vcc進行隔離(下圖3)。
負載板控制
價格不貴的MTS GX5733是一個靜態(tài)數(shù)字I/O模塊,可用于控制負載板上的所有功能(I2C MUX,三色LED和Vcc上拉隔離繼電器)。為此開發(fā)了一種簡化的負載板控制驅(qū)動程序。
PXI機箱
PXI機箱選用的是MTS GX7305大功率機箱。機箱可提供20個PXI-1(非PXIe)插槽--一個槽位是MXI遠程控制器槽位,另外19個槽位是用于設(shè)備槽位。機箱超過了PXI最低規(guī)格的功率傳輸和冷卻能力,并且包括背板電壓和槽位溫度監(jiān)測的功能。
接口測試適配器( Interface Test Adapter, ITA)
為GX7305的前面板設(shè)計的專用ITA,允許在測試系統(tǒng)資源和加載板之間進行簡單、干凈的布線。PXI儀器線纜和外部E36313A電源線與ITA背板的連接器進行適配,當鉸鏈面板關(guān)閉時,連接器是隱藏在內(nèi)部的。ITA的前面板有連接到負載板的線纜、質(zhì)量流量控制器和排氣閥的連接裝置(如圖4)。
圖5詳細描述了測試系統(tǒng)資源和相關(guān)的ITA結(jié)構(gòu)框圖。
氣體控制
為了精確控制氣體對DUT的曝光量,專門設(shè)計了一個封閉的環(huán)境(chamber)來容納負載板,并將測試氣體限制在一個有限的空間內(nèi)。通過質(zhì)量流量控制器(MFCs)將氣體引入到這個封閉的空間中,質(zhì)量控制器測量潔凈干燥空氣、濕化空氣和測試氣體,允許它們精確地混合,以達到所需的氣體密度(單位為百萬分之一)。還為每個chamber提供了一個單獨的MFC,以便測量混合氣體到封閉室的控制體積。MFC的控制是使用GX5295的J3連接器上的外部PMU通道來執(zhí)行的。
測試完成后,使用排氣閥將測試氣體從負載板的封閉室內(nèi)排出。排氣閥是通過電磁閥進行操作,所需的電源由E36313A電源供給,控制是通過ITA上面的12V的開關(guān)繼電器進行控制。
軟件
控制系統(tǒng)的軟件是使用的ATEasy 10。軟件控件的編寫方便了后期系統(tǒng)的擴展。ATEasy支持多線程應(yīng)用。對于每個GX5295/負載板 /chamber(封閉室),ATEasy實例化一個單獨的線程來處理測量數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)日志報告。ATEasy測試應(yīng)用程序可查詢系統(tǒng)中安裝的GX5295的數(shù)量(每64個站點的負載板對應(yīng)一個GX5295),然后為每個負載板動態(tài)分配一個線程。處理所有線程中共有的線程,如:初始化每個負載板上并行運行的數(shù)字測試模式,方便使用線程進行同步。
ATEasy測試應(yīng)用程序中的驅(qū)動包括GX5295、GX5733、Keysight 電源模塊、GX7305機箱控制器以及一個用于管理數(shù)據(jù)日志記錄的Excel電子表格驅(qū)動程序。在GX5733靜態(tài)數(shù)字設(shè)備上構(gòu)建了一個MOX驅(qū)動程序,用于簡化對負載板的控制。
交付的包中包含用于高級創(chuàng)建I2C總線模式、連接和加載I2C總線序列以及下載捕獲的I2C總線流量進行診斷和分析的工具。將數(shù)據(jù)記錄到Excel電子表格中可以方便地使用Excel的所有高級數(shù)據(jù)分析工具,如圖形、過濾器和公式的應(yīng)用。
與DUT的通信是通過I2C總線完成的。如上所述,每個設(shè)備都預(yù)先配置了相同的I2C從地址。如果所有DUT都駐留在同一個I2C總線上,那么在進行測試之前,需要用唯一的從地址對每個設(shè)備重新編程,以避免總線沖突,然后將從地址重新編程為默認值,以便交付給客戶。使用每個設(shè)備的專用總線允許發(fā)生在該默認地址上的所有通信,節(jié)省了時間和金錢,也可以避免潛在的認為錯誤。一個獨立的GX5295有32個I/O通道可以允許8組I2C總線同事進行通訊,而無須考慮地址沖突問題。
I2C測試模式是通過一個用ATEasy編寫的簡單應(yīng)用程序生成的(如圖6)??偩€命令是使用預(yù)先定義的總線命令的下拉菜單構(gòu)造的,用于對設(shè)備寄存器進行讀/寫操作??臻e命令還允許在需要空閑時間的命令之間插入空閑時間,或者作為數(shù)據(jù)模式中的可視分隔。
基于測試流程的需求,需要對單個設(shè)備生成一系列的命令。然后使用用于生成和診斷GX5295數(shù)字測試模式的工具DIOEasy(如圖7),將單個(四線)總線控制復(fù)制到GX5295支持的其余7個總線上。每個測試進程都被寫為一系列獨立的測試序列,所以可以以任何想要的順序進行組合。
執(zhí)行這種組合的ATEasy包含一個離線實用程序,它可以生成一個大型的測試文件,在系統(tǒng)初始化期間快速加載到測試硬件中。為了幫助調(diào)試和診斷,也將生成一個文本文件,其中會標識加載測試的順序、他們的初始向量地址和每個模式序列中的模式大小。
在測試執(zhí)行期間記錄每個引腳的狀態(tài)。測試完成后,實際的總線流量(命令和DUT響應(yīng))可以從硬件上傳到DIOEasy,允許用戶評估和/或記錄I2C總線通信。
測試過程
Continuity 連續(xù)性
每個GX5295 I/O通道提供的每引腳PMU功能用于對通過每個DUT的ESD二極管產(chǎn)生一個小電流,測量二極管上產(chǎn)生的電壓降,以確定DUT是否正確安裝在其插座中。在此之前,需要啟用上拉隔離繼電器,因此流經(jīng)I2C上拉電阻的電流不會破壞連續(xù)性測量。設(shè)備根據(jù)PASS/FAIL狀態(tài)分類。任何具有FAIL容器狀態(tài)的設(shè)備都會繞過未來的測試評估。
Sensor Initialization 傳感器初始化
在將DUT暴露于測試氣體并測量MOX電阻之前,必須初始化傳感器。初始化讀取相關(guān)的NVM(非易失性存儲器)數(shù)據(jù)并存儲它以用于將來的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。它還根據(jù)存儲的加熱器電阻和當前腔室溫度動態(tài)計算每個DUT的最小和最大允許MOX電阻值。這些值被存儲以供將來使用。氣體測試將在確定好/壞設(shè)備時使用這些值。
Gas Measurement 氣體測量
氣體測量測試是MOX氣體傳感器生產(chǎn)測試的核心。一旦初始化,所有室內(nèi)的所有裝置都暴露于“干凈/干燥空氣”(CDA),“加濕空氣”(通過起泡器運行CDA-BBL)和“測試氣體”的受控混合物中。使用可編程質(zhì)量流量控制器MFC精確控制氣體混合物(PPM)。三個MFC中每一個都是通過0V-5V的應(yīng)用程序進行控制,分別表示占額定流量的0%-100%。每個腔室/負載板中包含第四個MFC。MFC控制電壓由GX5295s的J3連接器上的輔助PMU通道提供。
在氣體測試期間,測試氣體的濃度和每個特定濃度的暴露時間由“浸泡列表”定義。浸泡列表包含三種氣體的設(shè)定點,以及在移動到列表中的下一個設(shè)定點之前保持該濃度的持續(xù)時間。在規(guī)定的時間段結(jié)束時,進行MOX測量,與先前計算的MOX最小/最大值進行比較并記錄。其它分箱設(shè)置類似。
為了簡化浸泡參數(shù)的應(yīng)用,在ATEasy中創(chuàng)建了一個表單(圖8),允許工程師使用GUI創(chuàng)建浸泡列表。可以添加、插入、修改和刪除設(shè)置點。在執(zhí)行過程中,GUI會突出顯示測試過程在列表中的位置,為操作人員提供測試運行了多長時間,以及完成測試需要多長時間的指示。
在運行浸泡列表時可以啟用的一個可選參數(shù)是進行中間MOX測量——在浸泡列表設(shè)置點之間進行測量。通過在漫長的測試中記錄這些額外的測量值,提供MOX操作的其它特征數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)日志記錄的“Off”選項,僅在設(shè)置點進行測量,每分鐘測試“2”、“4”、“6”測量值。中間測量值保存到Excel數(shù)據(jù)日志文件中,但不用于評估通過/失敗狀態(tài)。
Pre-Initialization預(yù)初始化
設(shè)備由合同制造商(CM)提供,設(shè)備的非易失性存儲器(NVM)中已經(jīng)存儲了一些信息,如產(chǎn)品ID、相關(guān)跟蹤號、加熱器電阻和測量電阻的環(huán)境溫度、從地址等。預(yù)初始化測試允許工程師用新數(shù)據(jù)覆蓋NVM。這不是在生產(chǎn)過程中使用的正常測試過程。相反,它常常用于讓工程師在設(shè)備上運行特性測試,并完全控制所有DUT參數(shù)。
Sensor Aging 傳感器老化測試
傳感器老化測試也不是常規(guī)生產(chǎn)測試的一部分。它常常用來表征模擬老化過程下的MOX特性。老化測試將CDA運行到加熱器溫度延長的部件上,用戶定義1分鐘的循環(huán)次數(shù)。在此過程中收集分析數(shù)據(jù),在老化試驗結(jié)束時進行正常氣體試驗,記錄MOX特征。
DUT Polling DUT輪詢測試
在運行氣體測試、傳感器老化測試等測試過程中,利用微控制器執(zhí)行和控制的測試序列表對DUT進行編程。在此序列表執(zhí)行期間,除了輪詢寄存器外,DUT寄存器不可用于訪問。輪詢寄存器在表序列執(zhí)行期間更新,測試系統(tǒng)可以查詢輪詢寄存器,以確定序列表是否已完成,或者序列中的當前表是否正在執(zhí)行。由于許多MOX測試(每個使用序列表的進程)都需要輪詢,因此輪詢被實現(xiàn)為一個子例程,在需要時可以調(diào)用它。執(zhí)行序列表所需的時間可以根據(jù)測試需求(表中的步驟數(shù)和每個步驟的延遲參數(shù))而變化。為了向操作員提供序列執(zhí)行的狀態(tài),創(chuàng)建了一個運行時間表單(圖9),以提供剩余時間的可視化反饋,以完成序列表。
DUT Status DUT狀態(tài)測試
和DUT輪詢測試類似,DUT狀態(tài)測試由多個測試進程查詢,并作為子例程實現(xiàn)。狀態(tài)指示DUT的健康狀態(tài)——具體地說,如果最近發(fā)生了電源復(fù)位。POR位在設(shè)備的功率中斷或重啟時進行設(shè)置。讀取POR狀態(tài)將重置位。如果顯示為POR,就意味著許多測試將不能正常工作,或者被認為是無效的。
Chamber Characterization 腔室特性分析
驗證測試系統(tǒng)有效性最有挑戰(zhàn)性的其中一方面是表征測試氣體在燃燒室中的分布情況(圖10)。最初的概念是將氣體引入負載板的四個角落,假設(shè)隨著時間的推移,氣體將混合并均勻分布在腔內(nèi)。但試驗證明,這種氣體“在浸漬表規(guī)定的時間內(nèi)不會在室內(nèi)達到均勻濃度”。增加測試氣體的流速和延長浸泡時間都被認為是對這一缺陷的一種彌補,但最終分別被認為在氣體利用和測試吞吐量方面過于昂貴。
后來通過大量的流體模擬實驗,證明了一種改進型歧管方法產(chǎn)生接近理想氣體分布。氣體直接在DUT插座上方四個點通過一個小體積流形管被引入。每個插座上方的管匯上的針孔直接將測試氣體的集中流輸送到每個設(shè)備。在不影響測試吞吐量的情況下,使用最少測試氣體的最終結(jié)果接近最佳性能。腔室的設(shè)計將被修改,并將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到生產(chǎn)系統(tǒng)中。
總結(jié)
總而言之,測試系統(tǒng)要求的每個標準都達到或超過了。
解決方案必須具有較低的成本?;赑XI形式,一個創(chuàng)造性的硬件和軟件的結(jié)合實現(xiàn),使得成本遠遠低于傳統(tǒng)半導(dǎo)體測試系統(tǒng)成本的1/5。
系統(tǒng)需要支持非常大的并行測試能力。站點數(shù)量可以從64個站點擴展到512個站點,每次增加64個站點。在這些容量下,整個測試周期為35分鐘,每個設(shè)備的吞吐量僅為4秒多一點。進一步優(yōu)化測試代碼、氣體流量、浸泡時間和通過/失敗參數(shù)的優(yōu)化將推動每臺設(shè)備的測試時間。
操作人員需要一種方法來直觀地識別并手動按照需要將passing和failing組件放回箱中。帶有電池備份的測試狀態(tài)LED為操作者提供DUT站點通過/失敗的可視化指示(圖11)。
所有的測量都需要在一秒內(nèi)完成n次。64個位點的MOX電阻測量時間是在小于800ms的條件下測量的,由于GX5295數(shù)字測試儀器的并聯(lián)運行,將位點數(shù)擴展到512不會明顯增加測量時間。
這個系統(tǒng)需要是可擴展的。站點計數(shù)可以以64個站點的增量從64個站點擴展到512個站點。
可將IC總線隔離到每個設(shè)備。每個DUT套接字都有一個用于編程和讀寫寄存器的獨立IC總線,以8×8矩陣(8組8個DUT)的形式訪問。
提供PMU/每針腳的功能。GX5295的標準配置具有每個針腳的PMU功能,以及4個一般應(yīng)用的另外的PMUs。PMU提供了一個執(zhí)行接觸測試的簡單方法,額外的PMU專用于MFC控制,有助于降低系統(tǒng)成本,消除額外的硬件。
與MOX氣體傳感器測試相關(guān)的特殊需求帶來了獨特的挑戰(zhàn)。特別是,這些設(shè)備所要求的大測試“停留”時間要求一種不同類型的測試方案—該方案要求很容易進行擴展,具有非常大并行測試能力,同時成本明顯低于傳統(tǒng)的“big iron” ATE解決方案。如上所述,基于PXI的解決方案,是基于現(xiàn)成的硬件和軟件的方案,可實現(xiàn)最佳的測試效果—可實現(xiàn)高吞吐量,并且成本適中。
譯者:廣州虹科電子
原文:Marvin Test Solutions