ATE – Automatic Test Equipment

Cos’è e come è fatto un ATE (Automatic Test Equipment)? E’ possibile riutilizzare per progetti diversi i componenti prodotti per gli ATE?

Le macchine di collaudo automatiche (ATE) per componenti o circuiti elettronici sono destinate al collaudo funzionale in produzione ed al controllo di tutti i parametri statici e dinamici di un componente o, più in generale, modulo. L’architettura è piuttosto complessa, malgrado la semplificazione del flusso interno di segnali operata nella figura, architettura in cui coesistono esigenze molto diverse, elevata frequenza, precisi livelli DC, elevate correnti di alimentazione, stabilità e ripetibilità, eccetera.

La macchina ha due “cervelli”, uno costituito dall’host computer ed il secondo realizzato da un modulo spesso chiamato “sequencer”. Il computer Host assicura l’interfaccia con l’utente, la connessione con il database centrale contenente i programmi e risultati di test, avvia e termina le sessioni di test. Host pilota anche le macchine preposte al posizionamento automatico sulla contattiera dei dispositivi sotto test (DUT, Device Under Test). Il sequencer controlla invece l’esecuzione a velocità piena (real time) del singolo test, coordinando le risorse hardware dell’ATE in modo che i segnali di livello e temporizzazioni desiderate arrivino ordinatamente ai pin del DUT ed i segnali da esso provenienti siano correttamente acquisiti. Si può immaginare il sequencer come uno speciale microprocessore, le cui istruzioni assembler non sono le classiche general-purpose ma istruzioni specificamente progettate per la gestione del test. Ad esempio, avremo istruzioni tipo jump-on-fail, invece che jump condizionali su condizioni multiple. Un altro modulo fondamentale è il generatore della base dei tempi che impone la temporizzazione sincrona fondamentale a tutto il sistema. A partire dal clock base da lui generato, viene ricavato il clock di test visto dal DUT e le temporizzazioni di tutte le transizioni logiche interne al periodo, ad esempio l’istante di commutazione da basso ad alto nel segnale inviato al DUT. Anche le temporizzazioni del campionamento della risposta del DUT sono naturalmente generate da questo modulo. Una memoria veloce (Pattern Memory) contiene sia il programma per il sequencer che i cosiddetti “pattern di test”, ovvero la sequenza di stati logici da forzare o acquisire ad ogni ciclo di clock DUT.

Questa memoria viene indirizzata dal sequencer. Il dato ottenuto ad ogni ciclo viene “formattato” ovvero gli vengono assegnate le temporizzazioni ed il livello logico desiderati ed è poi inviato al Driver. Questo provvede ad una “formattazione elettrica” del segnale, definendo con precisione il valore di tensione corrispondente al livello alto e basso, prima che il segnale, ora completamente definito, sia inviato al DUT. Il Driver ha impedenza di uscita ben definita, tipicamente 50 ohm, in modo da permettere di costruire una connessione ad impedenza controllata con il DUT, per garantire la necessaria qualità del segnale ed assenza di distorsioni o riflessioni. Tutti i livelli di forzamento e comparazione sono ottenuti dal modulo “Level Generator”, sostanzialmente costituito da un banco di DAC indipendenti. Notate la presenza del modulo de-skew. I segnali devono essere temporalmente allineati con precisione ai pin del DUT, quindi è necessario poter recuperare le inevitabili differenze nei ritardi di propagazione, compensandole con l’inserimento di ritardi programmati che riallineano tutti i pin dell’ATE sul più lento. La risposta del DUT viene acquisita ad ogni ciclo di clock e confrontata con il dato atteso presente nella Pattern Memory, generando un’informazione di “PASS”, con prosecuzione del test o “FAIL” con interruzione e scarto del dispositivo. La prima valutazione viene fatta da un veloce comparatore analogico che confronta il segnale ricevuto con i livelli programmati come soglie per il livello alto e basso (VoH,VoL). Il dato logico ricavato viene poi confrontato con il dato digitale atteso, ‘0’ o ‘1’. La valutazione della risposta può essere fatta imponendo al pin sotto test un carico corrispondente a quanto definito dal datasheet del DUT. A questo provvede il modulo “Active Load”, capace di erogare o assorbire una corrente programmabile (IoH, IiL). L’interessante peculiarità di questo modulo è la sua capacità di passare da generatore a carico alla piena velocità del test. L’insieme Driver/Comparator/Active-Load è spesso definito “Pin Electronics” dell’ATE. Il modulo DPS (Device Power Supply) genera le tensioni di alimentazione programmabili dedicate al dispositivo sotto test ed attentamente distinte dalle alimentazioni interne della macchina. Un altro modulo molto importante è la cosiddetta “PMU” (Precision Measurement Unit”. Infine, il DPS consente di esplorare il range di funzionamento del dispositivo, autoproteggendosi contemporaneamente grazie a circuiti di rivelazione di sovracorrenti. Anche i limiti di intervento di questi ultimi sono programmabili, tipicamente prima del lancio del test. L’architettura vista può essere implementata in molti modi diversi, cambiando di volta in volta la centralizzazione o distribuzione per pin di una specifica risorsa o in funzione del maggiore o minore livello di integrazione circuitale. Mantiene comunque la sua validità come schema di principio generico.

COMPONENTISTICA PER ATE OGGI

Caratteristiche fondamentali della circuiteria interna degli ATE sono:

  • forme d’onda pulite, con minimi overshoot ed undershoot e fronti monofonici, senza inversioni di polarità (causate ad esempio da riflessioni).
  • Fronti di commutazione ripidi e ripetibili.
  • Tempi di propagazione e caratteristiche DC stabili.

Tali caratteristiche permettono di mantenere lo stato imposto dalla calibrazione per lunghi periodi, assicurando stabilità e ripetibilità dei risultati di test. Originariamente, ogni modulo base di un ATE veniva realizzato da ogni produttore di ATE su una o più schede dedicate, magari facendo uso di ASIC sviluppati ad hoc. Oggi molte funzioni analogiche sono disponibili come circuiti integrati mentre le funzioni digitali sono realizzate da dense FPGA. Questo ha permesso la riduzione costi ed il lancio sul mercato di macchine molto compatte, cui si è assistito negli scorsi anni. Per la realizzazione di ATE, ma anche di macchine di Burn-In, Tester funzionali per schede, Tester per collaudo schede in-circuit, macchine di collaudo custom per ASIC, i circuiti integrati analogici e mixed-signal sono molto utilizzati. Vediamo modulo per modulo quali possono essere gli usi alternativi di tali integrati.

IL DRIVER

La sua flessibilità, l’uscita ad impedenza controllata, la capacità di programmare indipendentemente tutti i livelli, la buona capacità di pilotaggio ne fanno un componente ideale per lo stadio di uscita per generatori di impulsi e Driver di circuiti digitali in grado di lavorare con varie differenti tecnologie (e quindi livelli di tensione). Gamme di tensioni di lavoro tipiche vanno da -2V a +7V,coprendo sostanzialmente le esigenze di tutte le famiglie logiche in uso. La frequenza di funzionamento massima è tipicamente compresa tra qualche decina e qualche centinaio di megahertz, ma può arrivare ad 1GHz. Purtroppo non è possibile usare questi componenti come stadi di uscita di Generatori di Funzioni, come si potrebbe sperare. Si tratta essenzialmente di componenti digitali, realizzati con veloci interruttori che collegano l’uscita al livello alto, basso o nessuno dei due, permettendo al pin del DUT di restare floating o divenire uscita, pilotando il comparatore della Pin Electronics.

COMPARATORI

Il comparatore tipicamente deve discriminare tra tre regioni:

  • Livello basso, tensione di ingresso < VoL
  • Livello alto, tensione di ingresso > VoH
  • Alta Impedenza, tensione intermedia tra VoL e VoH.

Per ottenere questo, tipicamente il comparatore elementare è in realtà composto da due comparatori connessi come comparatore a finestra. Il range di tensione è uguale al Driver, il comparatore presenta veloci tempi di commutazione ed elevata impedenza di ingresso. Queste caratteristiche ne fanno dei buoni comparatori per usi generali, per strumentazione, line receiver o precisi discriminatori di brevi impulsi.

ACTIVE LOAD

Per quanto molto interessante, il Carico Attivo non ha molte applicazioni al di fuori del mondo testing. E’ interessante notare la caratteristica di passare da sorgente a carico in modo dinamico, in funzione del valore della tensione di pilotaggio. Il circuito eroga corrente quando la tensione di ingresso (uscita per il DUT) è maggiore della tensione di riferimento programmata sull’active load. Il punto di commutazione tra force e sink è quindi a sua volta programmabile.

LINEE DI RITARDO

Le linee di ritardo sono usate negli ATE per il deskew della circuiteria Pin Electronics e per creare ritardi inferiori o intermedi rispetto al periodo minimo dei clock di sistema. Tipicamente sono composti da un comparatore ed un generatore di corrente che genera una rampa caricando un condensatore. Il ritardo desiderato può essere ottenuto direttamente con una parola digitale di controllo o una tensione analogica applicata al pin di controllo del comparatore. La risoluzione ottenibile scende fino alle centinaia di psec. Altra caratteristica interessante è la capacità di cambiare il valore di ritardo al volo, consentendo di costruire generatori di clock a periodo programmabile, a partire da una precisa base dei tempi ottenuta per divisione binaria da una sorgente di riferimento, tipicamente quarzata e termostatata.

PMU

Tipicamente le PMU disponibili in forma monolitica sono in grado di generare tensioni e misurare la corrente erogata/assorbita o viceversa. Sono anche in grado di gestire connessioni a quattro fili (force+sense) per recuperare le cadute di tensione delle connessioni a carichi di basso valore. Possono essere usati per realizzare alimentatori di precisione ed alimentatori a quattro quadranti. Le correnti massime sono spesso estendibili con l’aggiunta di buffer esterni.

DPS / DAC – ADC MULTICANALE

Il gran numero di alimentazioni e livelli DC da generare fa si che siano disponibili nei cataloghi per ATE densi circuiti integrati con molti DAC integrati ed ADC caratterizzati da ampia dinamica. In particolare i DAC arrivano ad avere decine di canali. Sono anche disponibili componenti DPS che integrano sorgenti di tensioni e circuiti di misura della corrente, correzione di offset ed errore di guadagni e protezioni dal sovraccarico. Sono inoltre disponibili funzioni di generazione di rampe con velocità di salita programmabile. Tutte queste caratteristiche ne fanno interessanti componenti intorno a cui progettare alimentatori da laboratorio, oltre che per strumentazione di test. Notate l’esistenza di circuiti integrati contenenti multiple funzioni, come Analog Devices ADATE205, tali da costruire sistemi estremamente compatti.

CAUTELE DI IMPIEGO

Purtroppo i componenti ATE non sono privi di problemi nell’utilizzo pratico. Probabilmente il maggiore consiste nella loro reperibilità, accertatevi anzitutto dello stato di ‘full production’ del componente che vi interessa. Tenete presente che non esistono seconde sorgenti. Alcuni fabbricanti hanno anche per questi componenti un servizio di campionature o acquisti in piccole quantità on-line. Digikey ha a catalogo alcuni prodotti ATE, una ricerca nei siti dei maggiori distributori per corrispondenza vale la pena. Componenti veloci come i Driver o comparatori possono essere difficili da utilizzare a causa di rumore ed auto oscillazioni. Anche componenti di precisione come le PMU possono riservare brutte sorprese su un prototipo non sufficientemente meditato. Il consiglio è, ove possibile, procurarsi l’Evaluation Board del componente di interesse ed usarla estesamente per familiarizzare con le performance del dispositivo. Schema della EVA, stack-up, layout, posizionamento dei componenti e montaggio vanno in ogni caso studiati attentamente ed importati nel proprio PCB. Particolare attenzione va riservata all’alimentazione ed al disaccoppiamento tra ingresso ed uscita.

 

 

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