Ein modulares Konzept zur Validierung von Halbleitern

Autor(en):

Dipl.-Ing. Wolfgang Rominger - NXP Semiconductors Austria GmbH, PL Secure Car Access

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2016 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

Eingesetzte Produkte: LabVIEW, TestStand

Kurzfassung

Der folgende Beitrag zeigt ein erprobtes modulares Konzept für automatisierte Messaufgaben. Das Anwendungsgebiet umfasst die Validierung von Halbleiterprodukten. Die wesentlichen Aspekte des Konzepts beinhalten den modularen Aufbau der Software, die benutzerdefinierte Abstraktion der Messgeräte und die Wiederverwendbarkeit der Module. Dadurch können sowohl individuelle als auch automatisierte Testabläufe mit LabVIEW und TestStand entwicklerfreundlich und flexibel umgesetzt werden.

Einleitung

Post-Silizium-Validierungsmessungen an Halbleiterprodukten werden zunehmend komplexer. Post-Silizium-Validierung beschreibt eine Methode zur Bestimmung und Beseitigung von Problemen in integrierten Schaltkreisen nach deren Fertigung. Obwohl die Durchführung einer Messung auf den ersten Blick eine einfach zu lösende Aufgabe darstellt, birgt die Automatisierung von Messungen oft Herausforderungen und bringt beträchtliche Konsequenzen mit sich. Erstens müssen automatisierte Messungen möglichst viele parametrische Daten liefern, um das Produktverhalten innerhalb der Spezifikationen zu garantieren. Deshalb werden automatisierte Messaufbauten benötigt, welche als wesentliche Entwicklungskriterien einen gewissen Standardisierungsgrad sowie Wiederverwendbarkeit verlangen. Damit wird die Flexibilität von automatisierten Messungen eingeschränkt, weil diese Messaufbauten in der Regel starr sind. Darüber hinaus kann die Entwicklung und Fehlerbeseitigung automatisierter Messungen zeit- und kostenintensiv sein.

Weiters führt die steigende Komplexität von Halbleiterprodukten zu einer ebenfalls steigenden Komplexität der Messungen. In Bild 1 ist der Einfluss der Komplexität auf den Entwicklungsaufwand dargestellt. Bei Testapplikationen, die einem traditionellen Paradigma folgen, steigt der Entwicklungsaufwand für automatisierte Messungen üblicherweise stetig oder exponentiell mit der Messkomplexität. Bei modular gestalteten Testapplikationen kann der Entwicklungsaufwand hingegen in Abhängigkeit der Komplexität nahezu konstant gehalten werden.

Zudem befinden sich automatisierte Testsysteme oftmals länger in Verwendung als einzelne Systemkomponenten. Das zu testende Produkt hat häufig einen Lebenszyklus von mehreren Jahrzehnten, während Messgeräte in kürzeren Abständen vom Markt genommen oder mit neuen Funktionen ausgestattet werden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Lebenszyklen besteht das Risiko, dass bestimmte Messgeräte nicht mehr lieferbar sind. In diesem Fall müsste man die Testapplikation an ein vergleichbares Messgerät, möglicherweise von einem anderen Hersteller, anpassen. Diese Anpassung führt dazu, dass eine zweite Testapplikation entwickelt und gewartet werden muss.

Zusammenfassend lässt sich festellen, dass die Erweiterung von automatisierten Testsystemen zusätzlichen Entwicklungsaufwand, zusätzliche Dokumentation und eine Neuvalidierung des Gesamtsystems erfordert. Dieser zusätzliche Aufwand ist teuer, zeit- und ressourcenintensiv. Daraus ergibt sich der Bedarf, Testsysteme zu erweitern und Geräte zu ersetzen, ohne die komplette Testapplikation neu zu entwickeln oder den Messaufbau maßgeblich zu verändern.

Plattformkonzept

Um den angeführten Herausforderungen zu begegnen, wurde ein modulares Konzept mit klar definierten Schnittstellen zur Trennung von Automatisierungsebene, Messebene und Hardwareschicht gewählt.

Bild 2 zeigt dieses Konzept. TestStand wird als Entwicklungsplattform für die „standardisierte Automatisierung” verwendet, um Messungen effizient und einfach zu implementieren. LabVIEW wird für Benutzeroberflächen genutzt, um eine Interaktion mit Entwicklern und Benutzern zu ermöglichen. Die Gerätefunktionen- und Modulschicht beinhaltet im Kern eine Hardware-Abstraktionsschicht (HAL), wodurch sich Zeit und Kosten bei der Erweiterung und Migration von Testsystemen sparen lassen. Aufgrund der hohen Wiederverwendbarkeit und generischen Architektur sinken der Entwicklungsaufwand und die Entwicklungszeit von automatisierten Messungen. Ein weiterer Vorteil der Funktionen ist die ausreichende Stabilität und geringe Fehleranfälligkeit durch die große Entwicklerzahl.

Plattformschichten

Bild 3 zeigt die beteiligten Schichten im Detail.

Der HAL definiert eine Reihe von Gerätekategorien, wie zum Beispiel „Multimeter“, mit hersteller- und geräteunabhängigen High-Level(HL)-Funktionen und -Parametern. Gerätespezifische Funktionen, Referenzen und Treiberkommandos werden von speziellen Geräteklassen implementiert und über Vererbung sowie Polymorphie von einer abstrakten Geräteklasse aufgerufen. Die Gerätefunktionen- und Modulschicht verwendet unabhängig von gerätespezifischen Befehlen die HL-Funktionen zur Implementierung von Messungen. Diese entkoppeln die automatisierte Messung von den verwendeten Messgeräten. Entwickler automatisierter Messungen müssen nicht die gesamte Applikation von Grund auf neu erstellen, stattdessen können sie auf bereits verfügbare Funktionen und Messungen aufbauen.

Standardisierte Automatisierung

Die Modularität des Konzepts ermöglicht es Benutzern, von einem einheitlichen Funktionsset und der Wiederverwendbarkeit der entwickelten Messmodule zu profitieren. Dadurch verringern sich Entwicklungszeit und Aufwand, dies wiederum führt zu sehr gut definierten und gut getesteten Messmodulen. Zusätzlich wird der Wartungsaufwand verringert.

Bild 4 veranschaulicht das Wiederverwendungskonzept: Durch „Drag-and-drop“ von Templates kann zum Beispiel für ein Multimeter eine Strommessung unter verschiedenen Bedingungen erreicht werden. Damit könnte die Messung sofort durchgeführt werden. Die Dokumentation der Testsequenz ist leicht ersichtlich, aufgrund des What-you-see-is-what-you-get-Prinzips von TestStand.

Hardware-Abstraktionsschicht

Die Funktionen, die von TestStand aufgerufen werden, werden an eine objektorientiere Implementierung in LabVIEW delegiert. Das „instrument-oriented Application Programming Interface“ abstrahiert Geräteunterschiede durch einen gemeinsamen Satz von Funktionsaufrufen, ähnlich dem IVI-Standard. Bild 5 zeigt eine Referenz-implementierung für die Abstraktion einer Spannungsquelle. Auf der linken Seite ist die abstrakte LabVIEW-Basisklasse zu sehen, die Klassenhierachie wird auf der rechten Seite dargestellt. Mit der Funktion „selectInstr.vi" werden die erforderlichen Objekte instantiiert und effizient in den Speicher geladen. Nach der Auswahl kann das Objekt für die Kommunikation mit dem Gerät verwendet werden. Die Abstraktion von anderen Geräten folgt demselben Prinzip.

Zusammenfassung

Das dargestellte modulare Konzept ist als eine standardisierte und flexible Methode für die Post-Silizium-Validierung zu sehen. Der Ansatz hat sich in den letzten Jahren innerhalb der NXP-Produktlinie Secure Car Access bewährt. Das Konzept ist skalierbar auf mehrere Entwickler und mehrere Messanwendungen. Die Kombination von LabVIEW und TestStand ermöglicht es, Geräte leicht auszutauschen, ohne die Testsequenz zu verändern. Weiters entsteht durch die Wiederverwertbarkeit eine Entwicklungszeitersparnis. Abgesehen davon ist die Wartung des Systems einfach, da die Module klein und überschaubar sind. Darüber hinaus wird die Reproduzierbarkeit und Dokumentation durch den Einsatz modernster Werkzeuge wie LabVIEW und TestStand garantiert.

Informationen zum Autor:

Dipl.-Ing. Wolfgang Rominger
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