Speichervalidierung und Fehlerbehebung bei F-RAM mit NI PXI und modularen Messgeräten

Chris Wray, Ramtron International

"Mit PXI konnten wir Tests für die Reparatur und Charakterisierung fehlerhafter Speicherchips schneller entwickeln als mit unseren früheren automatisierten Laborprüfsystemen."

- Chris Wray, Ramtron International

Die Aufgabe:

Erstellung eines flexiblen, kosteneffizienten Speicherprüfsystems für F-RAM (Ferroelectric RAM) als Alternative zu bestehenden automatisierten Prüfsystemen zur funktionalen Verifizierung neuer Produkte und schnellen Diagnose fehlerhafter Speichereinheiten, die von Kunden zurückgeschickt werden

Die Lösung:

Entwicklung eines PXI-basierten Prüfsystems mit modularen Messgeräten und NI LabVIEW, welches eine Schnittstelle zu F-RAM-Speicherchips besitzt, um verschiedene Mixed-Signal-Tests zur Validierung der Leistung und Isolierung von digitalen Bitfehlern durchzuführen

Autor(en):

Chris Wray - Ramtron International
Kurt Schwartz - Ramtron International
Bill Kraus - Ramtron International

 

Je nach Anforderung werden in modernen Elektronikgeräten unterschiedliche Speichertypen eingesetzt. Gemeinsam ist allen Speicherlieferanten, dass sie dem zunehmenden wirtschaftlichen Druck ausgesetzt sind, die Prüfkosten zu senken und zugleich hohe Erträge zu erwirtschaften, um sicherzustellen, dass Kunden hochwertige Teile für ihre Designs erhalten.

 

Ramtron International Corporation ist der führende Anbieter nichtflüchtiger ferroelektrischer Halbleiter, darunter serielle und parallele F-RAM-Geräte sowie Prozessorzubehör, welches zahlreiche, häufig benötigte diskrete Analog- und Mixed-Signal-Funktionen für prozessorbasierte Systeme integriert.

 

Wir entwickelten ein kostengünstiges Speicherprüfsystem mit handelsüblichen Bauteilen und der PXI-Plattform, um unsere Funktionen für die Fehlersuche an schadhaften Teilen zu erweitern und so die Hauptursache für den Ausfall schneller festzustellen. Wir entwickelten ein Prüfsystem, um fehlerhafte Speicherchips zu untersuchen, die von unseren Kunden zurückgeschickt wurden. Das System wird auch zur ersten Siliziumvalidierung eingesetzt, damit die Verifizierung der Funktionalität neuer Speicherdesigns unterstützt wird. Mit modularen Messgeräten von NI und LabVIEW erstellten wir ein flexibleres Prüfsystem, das sich leichter programmieren lässt als unser bisheriges automatisiertes Prüfsystem.

 

Überblick über F-RAM und andere gängige Speichergeräte

Halbleiterspeicher können aktuell in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: flüchtiger und nichtflüchtiger Speicher. Flüchtiger Speicher ist eine Art leistungsstarker Speicher mit hoher Datendichte, der seinen Wert behält, wenn er mit Energie versorgt wird, gespeicherte jedoch Werte verliert, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Nichtflüchtiger Speicher hat gewöhnlich eine geringere Datendichte, bietet aber den Vorteil, gesicherte Speicherwerte zu behalten, wenn der Strom unterbrochen wird oder ausfällt.

 

Je nach Anwendung gibt es unterschiedliche Speicherarchitekturen, die heutzutage aktiv verwendet werden. Zwei der gängigsten Typen flüchtigen Speichers – SRAM (Static Random Access Memory) und DRAM (Dynamic Random Access Memory) – werden derzeit als Hauptspeicher in vielen PCs verwendet. ROM (Read-Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) und Flash-Speicher sind nichtflüchtige Speicher auf Basis von Technologien, die es gestatten, dass diese Speicher viele Male gelöscht und neu programmiert werden können. Sie schreiben eventuell langsamer und benötigen höhere Spannungen als flüchtiger Speicher. Zudem kann es sein, dass sich EEPROM-basierte Technologien abnutzen (in weniger als 100.000-Zyklen), was ein Risiko für ständig beanspruchte Industrieanwendungen darstellt.

 

F-RAM (Ferroelectric Random Access Memory) ist ein maßgeblich durch Ramtron entwickelter nichtflüchtiger Speicher, der die Vorteile von RAM- und ROM-Speichern in einem einzigen Produkt vereint. Ein F-RAM-Speicher besteht aus einer dünnen ferroelektrischen Schicht aus Blei-Zirkonat-Titanat [Pb(Zr,Ti)O3], das gewöhnlich als PZT bezeichnet wird. Die Zr/Ti-Atome im PZT ändern die Polarität in einem elektrischen Feld und erzeugen dadurch einen binären Schalter. Im Gegensatz zu RAM-Geräten behält F-RAM seinen Datenspeicher, wenn der Strom ausgeschaltet oder unterbrochen wird. Dafür sorgt der PZT-Kristall, der die Polarität wahrt. Dadurch ist F-RAM eine einzigartige nichtflüchtige Speichertechnologie, die andere nichtflüchtige Speicher mit bemerkenswert schnellen Schreibvorgängen, hoher Haltbarkeit und äußerst sparsamem Stromverbrauch übertrifft.

 

Prüfanforderungen für die erste Validierung des Siliziums und Fehlerbehandlung von Speicherzellen

Wir produzieren verschiedene F-RAM-Speicherzellen mit unterschiedlichen Dichten und Betriebsspannungen. Es kann vorkommen, dass einige Chips Echtzeittakte oder für Prozessoren konzipierte Funktionen besitzen, die wir dann auch testen müssen. Jedes Prüfsystem muss in der Lage sein, Funktionstests von 3,3- und 5-V-Speicherchips zu bewältigen, um zu bestimmen, welche Speicherbits gut oder schlecht sind. Das System muss des Weiteren die bidirektionale digitale Kommunikation von gängigen parallelen und seriellen Schnittstellenprotokollen (wie SPI und I2C) unterstützen, so dass wir unterschiedliche Testmodi auf dem Chip einstellen können, um das Timing sehr fein einzustellen und den Spannungsabfall der Bezugslinie zwischen Null und eins anzupassen.

 

 

Speicherchips können zahlreiche verschiedene Pins besitzen. Das Gehäuse TSOP-II mit 44 Pins (Abbildung 1), das gewöhnlich in unseren parallelen F-RAM-Geräten mit höherer Dichte verwendet wird, hat zwei Strom- und zwei Erdungspins. Die Parameter werden mit allen Funktionen bei voller Geschwindigkeit getestet und die Digital-I/O überprüft. Wir testen Quellspannung (VDD) für die Anstiegsgeschwindigkeiten beim Ein- und beim Ausschalten, prüfen auf (aktiven) Standby-Strom während des Betriebs und überwachen die Leistungsaufnahme (Bandabstand), um zu kontrollieren, ob die VDD unter einen bestimmten Grenzwert fällt. Wir führen Leckstrommessungen an jedem Pin durch, die gewöhnlich im Nanoamperebereich liegen.

 

Prüfsystemhardware

Unser Prüfsystem muss unsere gesamten Prüfanforderungen erfüllen, aber dennoch die notwendige Flexibilität bieten, um an verschiedene Speicherbauformen angebunden werden zu können und spezielle Messungen zuzulassen, wenn fehlerhafte Teile untersucht werden. Wir nutzten PXI für die Entwicklung unseres Prüfsystems, da es bei einem kleinen Formfaktor modular aufgebaut ist. Außerdem verwendeten wir etliche weitere Messgeräte, darunter das Netzteil NI PXI-4110, zwei bidirektionale Digital-I/O-Module NI PXI-6551 (50 MHz), ein Digitalmultimeter (DMM) NI PXI-4071 mit 7 ½ Stellen und ein Matrix-Schaltmodul NI PXI-2532 mit 512 Koppelpunkten.   

 

Das Modul PXI-4110 liefert die Hauptstromquelle für den Speicherchip und funktioniert gut, da es drei Kanäle (zwei positive und einen negativen) besitzt. Mithilfe dieses Moduls führen wir Tests zur Spannungsversorgung durch. Dabei wird ein Kanal für das Starten unseres Geräts, ein weiterer für das Vorgeben positiver und ein dritter für das Vorgeben negativer Spannungen im Amperemeter-Modus eingesetzt. Mit dem Netzteil wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Quellspannung (VDD) von unter einer Millisekunde bis zu einer langsamen Geschwindigkeit von 10 Sekunden für unsere Einschalt- und Ausschalttests gesteuert.  Bei variierender Stromzufuhr messen wir die digitalen Bitfehler mithilfe des Digital-I/O-Moduls (DIO) PXI-6551.

 

 

 

Das Digitalmodul PXI-6551 steuert das funktionale Verhalten des Chips und legt Spannungen an den Adresspin an. Das DIO-Modul ermöglicht programmierbare Spannungspegel in Schritten von 10 mV für VOH, VOL, VIH und VIL, so dass wir die Spezifikationen der Ein- und Ausgangsspannungspegel für die Speicherchips abtasten und charakterisieren können. Wir können außerdem das Timing anpassen, so dass unterschiedliche Halte- und Lesezeiten im Hinblick auf die fallende Flanke des Chip-Enable-Signals berücksichtigt werden können.

 

Der Schalter PXI-2532 wickelt das Signalrouting zwischen der Stromversorgung und dem DMM für parametrische Messungen an allen DIO-Pins auf dem Standardspeicherchip ab. Der Schalter und das DIO-Modul sind mit Steckern an eine speziell angefertigte Leiterplatte angeschlossen (siehe Abbildung 2), die wir als Gehäuse für die F-RAM-Standardchipsätze während eines Tests erstellten.

 

Prüfsystemsoftware

Eine Herausforderung bei unserem vorherigen Prüfsystem bestand darin, dass wir eine begrenzte Anzahl an fest angestellten Programmierern hatten, die dazu in der Lage waren, das automatisierte Prüfsystem zu programmieren. Um sicherzugehen, dass jeder im Labor dieses neue System leicht würde bedienen können, nutzten wir eine Kombination aus NI-Software, darunter NI LabVIEW und NI LabVIEW SignalExpress mit dem NI Digital Waveform Editor, um die Tests zu entwickeln, die wir auf unseren Speicherchips ausführen.

 

Wir schrieben die Hauptanwendung und die Benutzeroberfläche in LabVIEW und setzten diese Software auch dazu ein, um den Großteil unserer Tests zu automatisieren, einschließlich der Messungen und der Aufzeichnung der Strom-Spannungs-Kennlinie. Wir konfigurierten die Digital-I/O-Module, um verschiedene Muster zu versenden, die für die Verifizierung der Funktionalität des Speicherchips und für das Aufrufen von Prüfmodi zur Zuverlässigkeitsabfrage verwendet werden. Die Flexibilität von LabVIEW war dabei sehr hilfreich und wird den Prozess, Messungen je nach Bedarf später hinzufügen zu können, vereinfachen.

 

Die an den Speicherchip geschickten Digitalprüfvektoren wurden mithilfe des NI Digital Waveform Editor erstellt. Bei diesem Editor handelt es sich um ein grafisches Softwarewerkzeug, das zur Darstellung digitaler Kurven eingesetzt wird. Er sorgt dafür, dass der Anwender ganz einfach Kanten ziehen und Kurven ändern kann, wenn dies für unterschiedliche Funktionstests erforderlich ist. Wir setzten den NI Digital Waveform Editor zusammen mit LabVIEW SignalExpress ein, um Schnelltests durchzuführen. Die Integration zwischen dem NI Digital Waveform Editor und LabVIEW SignalExpress ermöglichte es uns, Tests ganz ohne Programmierung durchführen zu können.

 

Wir verwendeten auch etliche weitere Softwarewerkzeuge von National Instruments. So wird NI Switch Executive genutzt, um die Schaltmatrix mittels grafischer Schnittstelle zu konfigurieren und mit ihr zu kommunizieren, so dass wir Schaltrouten benennen und gut mit LabVIEW interagieren konnten. Zudem nutzten wir die Softfrontpanels für die Stromversorgung und das DMM, um zügige Einmalmessungen bei der Fehlerbehebung von Speicherchips durchzuführen.

 

Erfolgreiche Entwicklung einer modularen Prüfplattform mit PXI

PXI bot uns eine modulare Prüfplattform, die all unsere Anforderungen erfüllte, die sich bei Charakterisierung und Fehlerbehebung von F-RAM-Speicherchips ergaben. Unser PXI-System hat geringe Abmessungen und ist sehr gut für den Transport geeignet, so dass man das Prüfsystem leicht zwischen Laborstationen austauschen oder es mit auf Reisen nehmen kann, wenn Kunden zur Durchführung von Vor-Ort-Analysen besucht werden müssen. Mit PXI konnten wir Tests zur Reparatur und Charakterisierung schneller entwickeln als mit unseren früheren automatisierten Laborprüfsystemen.

 

Informationen zum Autor:

Chris Wray
Ramtron International
Tel: 719.481.7182
chris.wray@ramtron.com

Abb. 1: Ein Standardspeicherchip hat verschiedene Pins, darunter Adress- und Datenleitungen, Steuerpins und Stromleitungen.
Abb. 2: Wir erstellten eine Satz benutzerdefinierter Leiterplatten, um unsere PXI-Messgeräte an unterschiedliche F-RAM-Speicherpakete anschließen zu können.