Новейшие российские разработки в области измерений ультравысокочастотных СБИС

Для выполнения программы импортозамещения в области производства микросхем высокой степени интеграции, помимо прочего, необходимы средства проверки и измерений, которые должны обладать не только передовыми характеристиками, но и отвечать государственным метрологическим стандартам. Одна из таких отечественных разработок — тестер СБИС FORMULA® HF Ultra.

Стратегия импортозамещения в области интегральных схем предполагает долгосрочные и масштабные инновации в электронной отрасли. Важной составляющей в общей организационно-технической перестройке микроэлектроники является создание отечественных автоматизированных средств измерений (СИ), соответствующих требованиям комплексной проверки и испытаний новой высокотехнологичной продукции: СБИС, микросхем памяти (ЗУ), микросхем АЦП/ ЦАП, СнК («систем на кристалле»), СвК («систем в корпусе»).

Необходимость разработки отечественных СИ взамен зарубежных продиктована не только режимом санкций, который имеет преходящий характер, но прежде всего — потребностью метрологического обеспечения единства измерений при проверке параметров и функций микросхем.

Основой метрологического обеспечения измерений и испытаний служат единые стандарты и реализующие их утвержденные типовые СИ, которые метрологически полностью обеспечены в разработке, производстве и эксплуатации. 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 утвержденного типа СИ.

Поскольку ни один зарубежный поставщик СИ не предоставляет на экспертизу Росстандарта указанные документы, метрологическая экспертиза и надзор при эксплуатации импортного оборудования реализуются с большими ограничениями, что создает существенные риски в системе метрологического единства измерений СБИС, а значит — и в системе испытаний в целом. Таким образом, создание собственных СИ для СБИС следует считать важнейшей задачей обеспечения национальной технологической безопасности.

Для того чтобы удовлетворить требования программ импортозамещения СБИС с проектными нормами до 40 нм и менее, предприятие «ФОРМ» разработало и освоило выпуск нового отечественного типового средства измерений — ультравысокочастотного тестера СБИС FORMULA® HF Ultra (рис. 1).

Рис. 1 Внешний вид тестера FORMULA® HF Ultra

При проектировании тестера уровень его функциональных, параметрических и метрологических характеристик был определен в первую очередь потребностями разработчиков и производителей СБИС, создающих микросхемы, составляющие основу государственной программы импортозамещения.

Универсальность тестера FORMULA®HF Ultra обеспечивается его модульно-магистральной архитектурой, реализующей принцип заказного конфигурирования с выбором основных и дополнительных устройств, соответствующих кругу решаемых измерительных и испытательных задач. Характеристики тестера позволяют осуществлять комплексную проверку широкой номенклатуры СБИС.

Тестер имеет 1024 универсальных двунаправленных канала с частотой функционального контроля (частотой смены тестовых векторов) до 550 МГц каждый. Объем памяти тестовых векторов и памяти ошибок составляет 128 М на канал. Сочетание этих характеристик создает основу для проверки ультравысокочастотных сверхинтегрированных микросхем с числом сигнальных выводов до 1024 (что соответствует общему числу выводов до 1700).

Аппаратура тестера объединяет две подсистемы функционального контроля:

• генератор тестовой последовательности (ГТП) для функционального контроля СБИС произвольной логики;
• алгоритмический генератор тестов (АГТ) для проверки быстродействующих ЗУ: FLASH, DRAM, DDR, DDR2, SRAM, ROM, PROM и иной регулярной логики;
• специальный режим совместного использования ГТП и АГТ предназначен для проверки микросхем типа СнК, СвК, микроконтроллеров и микропроцессоров методами функционального и алгоритмического контроля в едином цикле измерений.
• характеристики сигналов универсальных каналов тестера (рис. 2) полностью соответствуют ультравысокой частоте функционального контроля 550 МГц:
• наименьшая длительность фронта и среза импульса: (275 ±100) пс;
• наименьшая длительность импульса: (750 ±150) пс.

Рис. 2 Характеристики сигналов универсальных каналов тестера FORMULA® HF Ultra на частоте функционального контроля 550 МГц

Для сохранения формы импульса при подключении к проверяемому объекту — независимо по каждому каналу — предусмотрена программируемая компенсация искажений сигнала в тракте приема/передачи, а также программируемое формирование крутизны фронта/среза сигнала от 100 до 25%.

Немаловажным фактором, расширяющим назначение тестера, является свойство канальной электроники воспроизводить четырехуровневые сигналы, в том числе дифференциальные, в диапазоне напряжений –1,5…+13 В (также независимо по каждому каналу). Это позволяет проверять микросхемы обработки видеосигналов.

Тестер обладает точной подсистемой измерений электрических статических параметров СБИС, а также мощной подсистемой питания:

• 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 мА …+500 мА;
• мощные источники питания LVDD, 2 шт.: 4,5 В; 20 А;
• сверхмощный источник питания SPS: 3,5 В; 50 A. 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 проверки операционных усилителей и компараторов. Применение поканальных измерителей PPMU позволяет обеспечить режим «мультисайт» для параллельного высокопроизводительного контроля микросхем на пластинах и в корпусе.

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

• формирование входных перепадов импульса (IEPA): ±150 пс;
• контроль выходных перепадов импульса (OEPA): ±250 пс;
• общая системная временная погрешность (OTA): ±250 пс;
• дискретность установки меток времени: 11 пс.

Учитывая потребность разработчиков в проведении внутрисхемного контроля СБИС на этапе исследования опытных образцов, тестер реализует возможность применения технологии BIST. Для этого используется встроенный в тестер порт JTAG, который обеспечивает выполнение всех стандартных функций, включая загрузку конфигурационных файлов в ПЛИС, а также имеет встроенный JAM PLAYER с поддержкой языка STAPL.

Для измерений микросхем смешанного сигнала тестер оснащен аналоговоцифровым модулем ARP: 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.

Модуль ARP содержит следующие функциональные устройства (рис. 3):

• 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 напряжения –10…+10 В.

Рис. 3 Функциональные устройства модуля ARP

Для обеспечения низких уровней перекрестных помех все устройства ARP гальванически изолированы. Объединение всех «земель» осуществляется в точке объединения аналоговых и цифровых «земель» проверяемого АЦП или ЦАП в соответствии с техническими требованиями на их применение. Для питания предусмотрены отдельные малошумящие экранированные линейные источники питания.

Конструкция, аппаратное и программное обеспечение тестера создают наилучшие возможности для испытаний СБИС, в том числе совмещенных 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.

Передача сигналов тестера на испытуемую СБИС и обратно с наименьшими потерями и искажениями являлась одной из приоритетных задач при разработке устройства. Была специально спроектирована оригинальная система контактирования нового поколения, предназначенная для измерений как в нормальных условиях, так и в диапазоне температур −60…+125 °С. Благодаря применению прецизионного прижимного устройства (рис. 4), специальных рамок для крупногабаритной оснастки и «вечных» контактов (POGOPIN), гарантирующих не менее 1 млн присоединений, обеспечены надежность, удобство и быстрота установки, фиксации и смены измерительной оснастки.

Рис. 4 Прецизионное прижимное устройство измерительного блока

Тестер оснащен 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 эксплуатации.

Программный комплекс тестера FORMULA® HF Ultra

Программный комплекс тестера — это русскоязычная среда с единым графическим интерфейсом (GUI), предназначенная для выполнения всех этапов измерительного процесса: от разработки и отладки программ проверки до выполнения измерений, документирования результатов и их последующего анализа (рис. 5). Среда обеспечивает выполнение и «прослеживаемость» совокупности этих процессов путем формирования записей, разграничения прав доступа персонала к оборудованию и базам данных.

Рис. 5 Программный комплекс тестера FORMULA® HF Ultra

По существу, программный комплекс является системой автоматизации трудоемкого процесса разработки и отладки измерительных программ (программ проверки) и адаптирован к применению техническими специалистами широкого профиля без использования языков программирования. Поддерживаются все типовые методы проверки, а также средства трансляции тестов из стандартных форматов VCD, SVF, HEX/BIN.

Для анализа функциональных и параметрических отклонений, выявленных при измерениях и при отладке программ проверки, применяются встроенные средства: многоканальный аппаратный «Логический анализатор», «Осциллограф», «Карта ошибок» емкостью 128 М, которые особенно удобны при верификации проектов. 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 тестера, но позволяет ему применить при желании и внешние среды разработки (IDE) с поддержкой языков С++/ Pascal. Такой подход открывает возможность изменения автоматически сгенерированного программного кода.

В целом программный комплекс тестера 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, калибровку и поверку.

Качество тестера FORMULA® HF Ultra определяется следующими важнейшими критериями: