Testowanie wewnątrzobwodowe układów cyfrowych

1. Testowanie wewnątrzobwodowe układów cyfrowych Jakub Dębowski Karol Czerwionka

2. Definicja testowania wewnątrz obwodowego • Testowanie impedancji pomiędzy dwoma punktami pomiarowymi i porównanie z impedancją pakietu zdatnego. • Testowanie elementów. Polega na sprawdzeniu poprawności montażu elementów na pakiecie i pomiarze ich parametrów, niezależnie od otaczającego obwodu. Testowanie odbywa się sekwencyjnie - każdy test dotyczy jednego elementu.

3. Zasada działania Połączenia elektryczne z wewnętrznymi węzłami pakietu są realizowane za pośrednictwem ostrzowych głowic kontaktowych.  Wyróżniamy cztery typy głowic: •  dedykowana •  uniwersalna •  muszla małża •  ruchoma sonda

4. Bed of nails

5. Testy: • zwarcia i przerwy obwodu drukowanego • rezystancje • pojemności • indukcyjności • diody • tranzystory • transformatory • układy cyfrowe • ...

6. Testowanie wewnątrzobwodowe • testowany jest indywidualnie każdy układ scalony i połączeniamiędzy układami • musi być zapewniony dostęp do wszystkich wyprowadzeńkażdego układu scalonego – wieloostrzowa głowica kontaktowado kilku tysięcy ostrzy • testowany element musi być wyizolowany z sieci • zakłada się, że jeżeli poszczególne układy i połączenia sąsprawne, to testowany pakiet jest sprawny • testowanie wewnątrzobwodowe nie uwzględnia zjawiskdynamicznych

7. Metody wyizolowywania układów cyfrowych z sieci  • nodeforcing • backdriving

8. Nodeforcing (Wymuszanie stanu Lo) Schemat

9. Nodeforcing cd. Wykres

10. Backdriving(Wymuszenie stanu High) schemat

11. Backdriving cd. Wykres

12. Problemy związane z wymuszaniem stanu Hi i Lo • wzrost temperatury złącza i połączeń wewnątrz układuscalonego • możliwość wejścia układów CMOS w stan zatrzaśnięcia (latch up state) przy gwałtownej zmianie stanu wyjścia ipojawieniu się szpilki napięcia przekraczającej napięciazasilania • należy ograniczyć czas wymuszania stanu Hi i Lo • nie używać techniki wymuszania stanu Hi i Lo do wieluwyjść w jednej obudowie układu, jeżeli to koniecznewypełnienie 1/10 (czas wymuszania 1/10 całego testu) • zapewnić czas na chłodzenie • najnowsze tendencje - kontrola w czasie rzeczywistymwartości prądu i czasu, tak by nie przekroczyćdopuszczalnych wartości (Teradyne)

13. Truth Table Gray Code 74LS08 Truth Table 74LS138 Tablica prawdy rozbudowanych układów Truth Table 74LS04

14. Przykład 1. • narastające zbocze sygnału zegarowego CLK wymuszone przez driver D powoduje zmianę stanu na wyjściu przerzutnika oraz na wejściu połączonej z nim bramki • zmiana stanu na wejściu bramki powoduje , że bramka chce przejść do stanu ”0”, natomiast driver chcąc wymusić w dalszym ciągu stan ”1”musi zwiększyć prąd • ze względu na istniejące w układzie indukcyjności powstaje szpilka napięcia, której dodatnie zbocze przerzuca przerzutnik w fałszywy stan Przykładowe problemy z wymaszeniem stanu Low i High oraz ich zapobieganie

15. Przykład 1. cd Zapobieganie: • zastosowanie bramki trójstanowej i ustawienie jej w stan wysokiej impedancji, • wymuszenie na wejściu bramki stanu ”0”

16. Przykład 2.Układ niskonapięciowy • do wymuszenia Hi na wyjściu U1 potrzebny jest prąd backdrive 80 mA • zaprogramowane 1.2 V pojawia się na wejściu U2 jako 0.62 V • poziom przełączania U2 jest 0.78 V • U2 nie może być testowane, ponieważ driver wymusił za małe napięcie w stanie Hi • zaprogramujmy wyższe napięcie drivera, żeby przekroczyć poziom 0.78 V

17. Przykład 2 cd. • programujemy większe napięcie driverów na 1.7 V • zaprogramowane 1.7 V pojawia się na wejściu U2 jako 1.12 V • U2 może być testowany, ponieważ napięcie na jego wejściu jest wyższe niż Uih min • zaprogramowane 1.7 V pojawia się na wejściu U1 jako 1.6 V • możliwość uszkodzenia U1 ponieważ przekroczony jest poziom 1.2 V

18. Przykład 3 • żeby przetestować U3 tester wymusza w węźle B stan Hi • poziom napięcia w węźle B jest niższy niż normalny stan Hi z powodu konieczności „przezwyciężenia” stanu Lo na wyjściu U1 • zmiana stanu w węźle A na Lo powoduje łatwiejsze wymuszanie w węźle B stanu Hi, gwałtownie zmniejsza się wartość prądu backdriving i powstaje szpilka napięcia w B • szpilka napięcia może uszkodzić U1 oraz U2

19. Konwencjonalne systemy testowania ICTNiekontrolowane i zbyt duże wartości prądu backdriving •mogą uszkodzić połączenia struktury z wyprowadzeniami •mogą uszkodzić diody zabezpieczające ESD (Imax=100 mA)

20. Konwencjonalne systemy testowania ICTZbyt mała szybkość podawania wektorów testowych • dłuższy czas testowania wydłuża narażenie spowodowane prądem backdriving • zwiększa możliwość wystąpienia szpilek napięcia, spowodowanych zmianą stanów logicznych na pakiecie • zmniejsza wydajność testowania

21. Co trzeba zrobić żeby poprawić dokładność bezpieczeństwo testowania ICT układów niskonapięciowych? Hardware • zwiększenie dokładności driverów, szczególnie w warunkach backdriving • zwiększenie dokładności komparatorów • sterowanie wartością prądu backdriving i jego kontrola • niezależne programowanie poziomów logicznych dla poszczególnych pinów • zwiększenie szybkości testowania Software • generacja testów z automatyczną izolacją układów • eliminacja backdriving tam gdzie to możliwe • zabezpieczenie wyjść przed zmianą stanu w trakcie wymuszenia backdriving • zapewnienie takiej sekwencji wyizolowywania układów, która zapobiegła by powstawaniu szpilek napięcia

22. Przykłady testerów pakietów cyfrowychTester pakietów wyposażonych w mikroprocesor8 lub 16 bitowy FLUKE 9000 • działanie na zasadzie emulacji mikroprocesora i przejęcia kontroli nad pakietem przez tester • sondy emulacyjne do wielu typów mikroprocesorów 8 i 16 bitowych • dostęp do przestrzeni adresowej mikroprocesora i możliwość zapisu i odczytu informacji z dowolnego adresu pamięci lub urządzenia we/wy • standardowe procedury testowe: BUS, ROM, RAM, I/O • pojedyncza sonda – analiza sygnatur, zliczanie impulsów • wielowejściowa sonda: START, STOP, ENABLE, CLCK • 9010A do pracy autonomicznej, możliwe pisanie własnych programów testowania na zewnętrznym komputerze PC i przesłanie przez RS 232 do testera • 9020A do pracy w systemie - wykonuje programy napisane na zewnętrznym komputerze, sterowanie poprzez RS 232 lub GPIB

23. Fluke 9000

24. Sonda emulacyjna

25. Wielowejściowa sonda Fluke 9000

26. Tester pakietów wyposażonych w mikroprocesory 16 lub 32 bitoweFLUKE 9100FT

27. Tester pakietów wyposażonych w mikroprocesory 16 lub 32 bitoweFLUKE 9100FT • emulacja mikroprocesora, pamięci ROM • sondy emulacyjne do wielu typów mikroprocesorów 16 i 32 bitowych • sonda emulacyjna pamięci b. elastyczna, może być rekonfigurowalna, słowo 8, 16, 32 bity • standardowe procedury testowe: BUS, ROM, RAM, I/O • trzy poziomy szukania błędów: – praca bezpośrednia – wspomagane przez użytkownika wyszukiwanie błędów – wspomagane wyszukiwanie błędów • wyszukiwanie błędów przy pomocy modułów I/O • pojedyncza sonda

28. Tester pakietów analogowo cyfrowych SPEA 500 ADP • pakiety cyfrowe, analogowe, analogowo-cyfrowe, elementy mocy • dwustronna głowica ostrzowa, 1024 kanały (128x8) • dynamiczne testy układów TTL, CMOS, ECL, • 700 pomiarów/s • możliwość rozwierania sieci metodą wymuszania „1” i „0” • drivery VMOS, wydajność 1A • pamięć – danych – kierunku – maski – polaryzacji • strobowane komparatory

29. Marconi MIDATA 540 • pakiety cyfrowe TTL, CMOS, ECL • podwójna głowica ostrzowa, 2048 kanałów (2048x1) • testy wewnątrzobwodowe i funkcjonalne • możliwość rozwierania sieci metodą wymuszania „1” i „0” • pamięć – danych – kierunku – maski – polaryzacji

30. Marconi MIDATA 540 Testowanie funkcjonalne Synchrospeed • 368 kanałów • testowanie przy normalnej częstotliwości pracy pakietu • synchronizacja generatora testera z pętlą PLL do częstotliwości testowanego urządzenia • dużą szybkość testowania zapewnia indywidualna pamięć dla każdego pinu umieszczona bezpośrednio obok drivera

31. Teradyne TestStation LH • przeznaczony do produkcji wielkoseryjnej • 256 - 4096 kanałów cyfrowych • możliwość wykonywania testów analogowych • konwencjonalne pakiety cyfrowe TTL, CMOS, ECL oraz wykonane w technologiach niskonapięciowych 3.3V, 1.2V, 0.8V • synchronizacja części cyfrowej i analogowej umożliwiająca pomiary układów mieszanych sygnałowo • elastyczna architektura umożliwiająca rozszerzanie systemu w zależności od potrzeb • podstawowa cena w minimalnej konfiguracji 140 000$

32. Dane techniczne • dla każdego kanału (pinu) niezależne programowanie: - poziomu niskiego i wysokiego drivera - poziomu niskiego i wysokiego komparatora - parametrów czasowych - czasu narastania • poziomy logiczne programowane w zakresie –2,5V ÷ +5,5 V, rozdzielczość 8 mV • dokładność poziomów logicznych 45 mV • specjalizowany cyfrowy kontroler umożliwiający emulacje złożonych sekwencji czasowych • technologie bezpiecznego testowania (Safe Test Protection Technologies) - niska impedancja driverów umożliwiająca testowanie układów niskonapięciowych z wykorzystaniem techniki backdriving - programowanie prądu 50 –600 mA i czasu wymuszenia w trybie backdriving 750 ns –23 ms - pomiary w czasie rzeczywistym prądu backdriving

33. Oprogramowanie system operacyjny Windows XP • programy do automatycznej generacji testów - D2B Alchemist do generacji testów na podstawie danych z systemów CAD - BasicSCAN do generacji testów układów ze ścieżką brzegową IEEE 1149.1 - MILDI program do wielopoziomowej izolacji układów cyfrowych (Multi-Level Digital Isolation) - program do programowania ISP (In System Programming) pamięci Flash i układów PLD w czasie testowania • oprogramowanie do debugingu programów testujących • oprogramowanie do monitorowania jakości produkcji i wykonywania raportów

34. Polar FT100 z ruchomą sondą

35. Polar FT100 • tester z ruchomą sondą (ang. Flying Probe) • • zasada pomiaru – pomiar impedancji węzła, bez zasilania układu • • szeroki zakres badanych pakietów analogowe, cyfrowe od DTL do GSM • • nie wykrywa błędów software’owych (źle zaprogramowany układ) • • 5 testów /s • • dokładność ustawienia sondy 0,4 mm • • możliwość testowania pakietów z elementami o wysokości do 10 cm • • informacja o pozycji pól kontaktowych z CAD lub przy pomocy kamery

36. Polar FT100

37. Polar PFL 780 • pomiar impedancji węzłów pakietów cyfrowych bez zasilania układu oraz testowanie funkcjonalne • 128 kanałów • dostęp do pakietu poprzez klipsy i sondę • możliwość wymuszania „1”, „0” w czterech węzłach

38. Bibliografia • Toczek Wojciech, Strategie testowania i diagnostyki analogowych  układów elektronicznych,  Politechnika Gdańska, 2009 • Bartosiński Bogdan, wykłady z przedmiotu Architektura Infosystemów Elektronicznych, Politechnika Gdańska • www.teradyne.com