引言

受人工智能的快速發展和電氣化轉型的推動，半導體芯片市場的增長要求制造商在不犧牲測試精度的情況下，提高測試和驗證的吞吐量。

實現這一目標的一種方法是并行測試，即同時對多個器件進行測試。一旦測試流程被驗證，它就必須被復制以滿足生產需求。這引入了新的挑戰，包括通道間的時間同步以及擴展帶來的額外成本。

Tektronix MP5000系列模塊化精密測試系統旨在滿足并行測試需求。高密度1U主機MP5103可配置多達3個模塊化源表單元（SMUs）和/或電源單元（PSUs），實現最多6個獨立通道。MP5103支持Test Script Processor (TSP)，并可通過TSP-Link輕松擴展至最多32臺主機。本應用筆記重點介紹如何在標準半導體與光學表征測試中實現6通道并行同步。

新觸發模型，帶來新測試可能性

精確計時的并行測試的關鍵是觸發模型，它用于協調各儀器通道的操作。傳統儀器使用固定觸發模型，動作順序固定，握手控制能力有限。這些模型在需要多個通道時功能受限，編程困難。而沒有觸發模型或觸發模型過于靈活的儀器雖然易于編程，但通常無法在測試步驟之間提供精確計時，從而導致測試延遲或因不當的測試條件損壞器件。

MP5000系列結合了傳統性能與靈活性的優點，創造了新的TriggerFlow觸發模型。該觸發模型完全可定制，采用模塊化流程圖風格。用戶可以在觸發模型中以任意順序控制儀器的動作與設置。通過各種延時與通知模塊，可以在通道之間實現精確計時與握手，而無需復雜的外部觸發代碼。

圖1：TriggerFlow提供4種模塊類型，可在固定模型之外自定義測試流程

借助TriggerFlow觸發模型，只需幾個步驟即可從構思到執行：

計劃：確定所需的測試流程，包括儀器設置、掃描配置、所需通道數及計時要求。

擴展：為測試中的每個通道繪制流程圖。將步驟擴展為 MP5000 可用的觸發模型模塊。

構建：將流程圖中的模塊替換為代碼，以建立觸發模型。編程事件與延時，實現精確計時。

接下來的章節將通過示例演示如何在并行條件下同步通道，并構建TriggerFlow模型。

示例：雙通道MOSFET曲線族

對MOSFET的輸出特性進行表征至少需要2個SMU通道：

? 一個通道在柵極端子上施加階躍電壓偏置并進行測量；

? 另一個通道在漏極端子上執行電壓掃描并測量電流。

該測試序列如圖2所示。

? 藍色方塊表示測量點；

? 綠色虛線箭頭表示同步點

在測試過程中：

? 漏極通道通知柵極通道啟動；

? 當漏極開始掃描時，會發送測量開始與結束的通知，以協調掃描；

?在掃描結束時，漏極必須通知柵極進入下一個階躍。

傳統方式下，這必須通過嵌套for循環來編程，以在柵極的每個電壓階躍上重復漏極掃描。這種順序執行的方式導致測試時間更長。

MP5000使用單個MSMU60-2模塊的兩個通道簡化了此過程。其TriggerFlow模型如圖3所示，其中通道1連接柵極，通道2連接漏極。

當一個動作依賴另一個動作時（例如，漏極掃描需在柵極電壓切換后開始），就會使用notify-wait（通知-等待）模塊對。

? 當一個動作完成時，觸發模型執行一個notify模塊。

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

這樣可以保證：

? 一個觸發模型完成后，另一個觸發模型立即開始執行，無延遲；

? 各個模型繼續并行運行，直到遇到新的時間控制模塊。

當測試中需要重復操作或做出分支判斷時，則使用branch（分支）模塊。在MOSFET的案例中，branch模塊用于對生成掃描與采集測量的模塊進行循環，從而將這部分測試簡化為3個模塊。

此外，還可以使用額外的notify模塊來確保柵極測量與漏極測量同時進行。

圖2：MOSFET曲線族測試序列

圖3：MP5000在MOSFET漏極曲線族測試中的觸發模型

圖5顯示了該觸發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，時間上無顯著延遲。

圖5：MOSFET曲線族測試輸出，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

對發光器件（如 LED、激光器和 VCSEL）進行光-電流-電壓（LIV）特性表征時，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SMU通道對激光二極管進行正向電流掃描并測量電壓；

? 另一個通道測量獨立光電二極管檢測到的電流。

這些測試中的許多需要脈沖信號，以防止熱效應，因此光電二極管的測量必須在正確的時刻進行，即激光二極管開啟或穩定輸出時。

圖6：光電二極管與激光二極管對的LIV表征

此測試如圖6所示。

在TriggerFlow中，此測試被轉換為2個觸發模型：

? 一個用于源出并測量；

? 另一個僅用于測量。

再次使用notify-wait（通知-等待）模塊對來協調動作完成的時機，并通過branch（分支）模塊重復部分步驟以執行掃描。

此外，還包含一個常數延時（constant delay）模塊，用于在測量開始前提供額外的等待時間。

此測試的觸發模型如圖7所示。

圖7：用于LIV表征的MP5000觸發模型

當執行該測試時，圖8所示的結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量結果（下方）。同樣，這些波形是同步的，測量中沒有額外的間隙或延遲。

圖8：LIV觸發模型的輸出，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

同步并行測試可以包括所有通道或通道組，它們要么運行相同的測試，要么運行必須在相同時間啟動的不同測試，或者依賴某個通道的動作來驅動其他通道。

我們可以將前兩個示例與另外2個SMU通道上的簡單波形源出相結合，并在每個模型的開頭添加一個wait（等待）塊，從而使所有6個通道同時啟動。完整的并行測試如圖9所示。

圖9：6個觸發模型并行運行

第五個模型通過源出操作塊（source action blocks）改變輸出電平，并通過常數延時塊（delay constant block） 控制脈沖的時間，從而執行脈沖掃描。

第六個模型使用源出步驟（source action step）與常數延時塊生成正弦波。這兩個模型都在輸出開始時使用重疊測量塊（measure overlapped block）啟動測量。

這樣，SMU可以在后臺執行測量的同時繼續運行觸發模型中的其他模塊，本質上是利用高速數字化儀來捕獲輸出波形。

這兩個模型都沒有使用notify-wait（通知-等待）模塊對，因為它們獨立于其他通道運行，只在啟動點上同步。

在圖10中，示波器捕獲到的執行結果顯示：每個通道在相同時間啟動，并且并行執行。

圖10：在示波器上捕獲的6通道執行結果

在圖11中展示了通過Python開發的GUI儀表板繪制的SMU通道采集數據。這復制了器件數據表上通常會顯示的表征測試結果。用于執行此示例的代碼可在Tektronix Github獲取。

圖11：使用Python繪制的6個通道的測量數據

結論

該示例展示了在6個通道上并行運行，并執行4個彼此獨立、但各自需要不同操作和不同同步水平的任務。這種并行測試應用可以通過TSP-Link同步觸發模型，進一步擴展到更多主機。

MP5000模塊化精密測試系統通過采用可自定義、用戶友好的觸發模型，旨在實現高密度和高吞吐量測試。它提供了從驗證到生產，構建最適合的自動化測試系統所需的靈活性。