引言

受人工智能的快速發(fā)展和電氣化轉(zhuǎn)型的推動(dòng)，半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)的增長(zhǎng)要求制造商在不犧牲測(cè)試精度的情況下，提高測(cè)試和驗(yàn)證的吞吐量。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是并行測(cè)試，即同時(shí)對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行測(cè)試。一旦測(cè)試流程被驗(yàn)證，它就必須被復(fù)制以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。這引入了新的挑戰(zhàn)，包括通道間的時(shí)間同步以及擴(kuò)展帶來(lái)的額外成本。

Tektronix MP5000系列模塊化精密測(cè)試系統(tǒng)旨在滿(mǎn)足并行測(cè)試需求。高密度1U主機(jī)MP5103可配置多達(dá)3個(gè)模塊化源表單元（SMUs）和/或電源單元（PSUs），實(shí)現(xiàn)最多6個(gè)獨(dú)立通道。MP5103支持Test Script Processor (TSP)，并可通過(guò)TSP-Link輕松擴(kuò)展至最多32臺(tái)主機(jī)。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹如何在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體與光學(xué)表征測(cè)試中實(shí)現(xiàn)6通道并行同步。

新觸發(fā)模型，帶來(lái)新測(cè)試可能性

精確計(jì)時(shí)的并行測(cè)試的關(guān)鍵是觸發(fā)模型，它用于協(xié)調(diào)各儀器通道的操作。傳統(tǒng)儀器使用固定觸發(fā)模型，動(dòng)作順序固定，握手控制能力有限。這些模型在需要多個(gè)通道時(shí)功能受限，編程困難。而沒(méi)有觸發(fā)模型或觸發(fā)模型過(guò)于靈活的儀器雖然易于編程，但通常無(wú)法在測(cè)試步驟之間提供精確計(jì)時(shí)，從而導(dǎo)致測(cè)試延遲或因不當(dāng)?shù)臏y(cè)試條件損壞器件。

MP5000系列結(jié)合了傳統(tǒng)性能與靈活性的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造了新的TriggerFlow觸發(fā)模型。該觸發(fā)模型完全可定制，采用模塊化流程圖風(fēng)格。用戶(hù)可以在觸發(fā)模型中以任意順序控制儀器的動(dòng)作與設(shè)置。通過(guò)各種延時(shí)與通知模塊，可以在通道之間實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)與握手，而無(wú)需復(fù)雜的外部觸發(fā)代碼。

圖1：TriggerFlow提供4種模塊類(lèi)型，可在固定模型之外自定義測(cè)試流程

借助TriggerFlow觸發(fā)模型，只需幾個(gè)步驟即可從構(gòu)思到執(zhí)行：

計(jì)劃：確定所需的測(cè)試流程，包括儀器設(shè)置、掃描配置、所需通道數(shù)及計(jì)時(shí)要求。

擴(kuò)展：為測(cè)試中的每個(gè)通道繪制流程圖。將步驟擴(kuò)展為 MP5000 可用的觸發(fā)模型模塊。

構(gòu)建：將流程圖中的模塊替換為代碼，以建立觸發(fā)模型。編程事件與延時(shí)，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)。

接下來(lái)的章節(jié)將通過(guò)示例演示如何在并行條件下同步通道，并構(gòu)建TriggerFlow模型。

示例：雙通道MOSFET曲線族

對(duì)MOSFET的輸出特性進(jìn)行表征至少需要2個(gè)SMU通道：

? 一個(gè)通道在柵極端子上施加階躍電壓偏置并進(jìn)行測(cè)量；

? 另一個(gè)通道在漏極端子上執(zhí)行電壓掃描并測(cè)量電流。

該測(cè)試序列如圖2所示。

? 藍(lán)色方塊表示測(cè)量點(diǎn)；

? 綠色虛線箭頭表示同步點(diǎn)

在測(cè)試過(guò)程中：

? 漏極通道通知柵極通道啟動(dòng)；

? 當(dāng)漏極開(kāi)始掃描時(shí)，會(huì)發(fā)送測(cè)量開(kāi)始與結(jié)束的通知，以協(xié)調(diào)掃描；

?在掃描結(jié)束時(shí)，漏極必須通知柵極進(jìn)入下一個(gè)階躍。

傳統(tǒng)方式下，這必須通過(guò)嵌套for循環(huán)來(lái)編程，以在柵極的每個(gè)電壓階躍上重復(fù)漏極掃描。這種順序執(zhí)行的方式導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間更長(zhǎng)。

MP5000使用單個(gè)MSMU60-2模塊的兩個(gè)通道簡(jiǎn)化了此過(guò)程。其TriggerFlow模型如圖3所示，其中通道1連接?xùn)艠O，通道2連接漏極。

當(dāng)一個(gè)動(dòng)作依賴(lài)另一個(gè)動(dòng)作時(shí)（例如，漏極掃描需在柵極電壓切換后開(kāi)始），就會(huì)使用notify-wait（通知-等待）模塊對(duì)。

? 當(dāng)一個(gè)動(dòng)作完成時(shí)，觸發(fā)模型執(zhí)行一個(gè)notify模塊。

? 此信號(hào)可以路由到其他事件，或直接發(fā)送到另一個(gè)觸發(fā)模型中的wait模塊，該模塊將暫停直到接收到該事件。

這樣可以保證：

? 一個(gè)觸發(fā)模型完成后，另一個(gè)觸發(fā)模型立即開(kāi)始執(zhí)行，無(wú)延遲；

? 各個(gè)模型繼續(xù)并行運(yùn)行，直到遇到新的時(shí)間控制模塊。

當(dāng)測(cè)試中需要重復(fù)操作或做出分支判斷時(shí)，則使用branch（分支）模塊。在MOSFET的案例中，branch模塊用于對(duì)生成掃描與采集測(cè)量的模塊進(jìn)行循環(huán)，從而將這部分測(cè)試簡(jiǎn)化為3個(gè)模塊。

此外，還可以使用額外的notify模塊來(lái)確保柵極測(cè)量與漏極測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。

圖2：MOSFET曲線族測(cè)試序列

圖3：MP5000在MOSFET漏極曲線族測(cè)試中的觸發(fā)模型

圖5顯示了該觸發(fā)模型序列在示波器上捕獲的輸出。柵極波形（上方）與漏極掃描（中間）完全同步，時(shí)間上無(wú)顯著延遲。

圖5：MOSFET曲線族測(cè)試輸出，柵極電壓（上）、漏極電壓（中）和漏極電流（下）。

示例：雙通道VCSEL LIV表征

對(duì)發(fā)光器件（如 LED、激光器和 VCSEL）進(jìn)行光-電流-電壓（LIV）特性表征時(shí)，要求儀器通道分別控制不同器件，但仍需保持緊密同步。

在此示例中：

? 一個(gè)SMU通道對(duì)激光二極管進(jìn)行正向電流掃描并測(cè)量電壓；

? 另一個(gè)通道測(cè)量獨(dú)立光電二極管檢測(cè)到的電流。

這些測(cè)試中的許多需要脈沖信號(hào)，以防止熱效應(yīng)，因此光電二極管的測(cè)量必須在正確的時(shí)刻進(jìn)行，即激光二極管開(kāi)啟或穩(wěn)定輸出時(shí)。

圖6：光電二極管與激光二極管對(duì)的LIV表征

此測(cè)試如圖6所示。

在TriggerFlow中，此測(cè)試被轉(zhuǎn)換為2個(gè)觸發(fā)模型：

? 一個(gè)用于源出并測(cè)量；

? 另一個(gè)僅用于測(cè)量。

再次使用notify-wait（通知-等待）模塊對(duì)來(lái)協(xié)調(diào)動(dòng)作完成的時(shí)機(jī)，并通過(guò)branch（分支）模塊重復(fù)部分步驟以執(zhí)行掃描。

此外，還包含一個(gè)常數(shù)延時(shí)（constant delay）模塊，用于在測(cè)量開(kāi)始前提供額外的等待時(shí)間。

此測(cè)試的觸發(fā)模型如圖7所示。

圖7：用于LIV表征的MP5000觸發(fā)模型

當(dāng)執(zhí)行該測(cè)試時(shí)，圖8所示的結(jié)果波形展示了二極管的典型正向電壓特性（上方），以及光電二極管電流的測(cè)量結(jié)果（下方）。同樣，這些波形是同步的，測(cè)量中沒(méi)有額外的間隙或延遲。

圖8：LIV觸發(fā)模型的輸出，激光二極管電壓（上）、激光二極管電流（中）、光電二極管電流（下）

示例：6通道同步

同步并行測(cè)試可以包括所有通道或通道組，它們要么運(yùn)行相同的測(cè)試，要么運(yùn)行必須在相同時(shí)間啟動(dòng)的不同測(cè)試，或者依賴(lài)某個(gè)通道的動(dòng)作來(lái)驅(qū)動(dòng)其他通道。

我們可以將前兩個(gè)示例與另外2個(gè)SMU通道上的簡(jiǎn)單波形源出相結(jié)合，并在每個(gè)模型的開(kāi)頭添加一個(gè)wait（等待）塊，從而使所有6個(gè)通道同時(shí)啟動(dòng)。完整的并行測(cè)試如圖9所示。

圖9：6個(gè)觸發(fā)模型并行運(yùn)行

第五個(gè)模型通過(guò)源出操作塊（source action blocks）改變輸出電平，并通過(guò)常數(shù)延時(shí)塊（delay constant block） 控制脈沖的時(shí)間，從而執(zhí)行脈沖掃描。

第六個(gè)模型使用源出步驟（source action step）與常數(shù)延時(shí)塊生成正弦波。這兩個(gè)模型都在輸出開(kāi)始時(shí)使用重疊測(cè)量塊（measure overlapped block）啟動(dòng)測(cè)量。

這樣，SMU可以在后臺(tái)執(zhí)行測(cè)量的同時(shí)繼續(xù)運(yùn)行觸發(fā)模型中的其他模塊，本質(zhì)上是利用高速數(shù)字化儀來(lái)捕獲輸出波形。

這兩個(gè)模型都沒(méi)有使用notify-wait（通知-等待）模塊對(duì)，因?yàn)樗鼈儶?dú)立于其他通道運(yùn)行，只在啟動(dòng)點(diǎn)上同步。

在圖10中，示波器捕獲到的執(zhí)行結(jié)果顯示：每個(gè)通道在相同時(shí)間啟動(dòng)，并且并行執(zhí)行。

圖10：在示波器上捕獲的6通道執(zhí)行結(jié)果

在圖11中展示了通過(guò)Python開(kāi)發(fā)的GUI儀表板繪制的SMU通道采集數(shù)據(jù)。這復(fù)制了器件數(shù)據(jù)表上通常會(huì)顯示的表征測(cè)試結(jié)果。用于執(zhí)行此示例的代碼可在Tektronix Github獲取。

圖11：使用Python繪制的6個(gè)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)

結(jié)論

該示例展示了在6個(gè)通道上并行運(yùn)行，并執(zhí)行4個(gè)彼此獨(dú)立、但各自需要不同操作和不同同步水平的任務(wù)。這種并行測(cè)試應(yīng)用可以通過(guò)TSP-Link同步觸發(fā)模型，進(jìn)一步擴(kuò)展到更多主機(jī)。

MP5000模塊化精密測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)采用可自定義、用戶(hù)友好的觸發(fā)模型，旨在實(shí)現(xiàn)高密度和高吞吐量測(cè)試。它提供了從驗(yàn)證到生產(chǎn)，構(gòu)建最適合的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)所需的靈活性。