Modernisierung Ihres Labors mit einer Validierungs-Framework-Architektur

Überblick

​Im Lebenszyklus von Halbleitern kommt der Post-Silizium-Validierung bei der pünktlichen Markteinführung eines hochwertigen Produkts entscheidende Bedeutung zu. Dieses Whitepaper ist das zweite einer Reihe aus zwei Teilen, die gemeinsam mit unserem Partner Soliton erstellt wurde, und behandelt die Bestandteile der Validierungs-Framework-Architektur, mit deren Hilfe Testkosten gesenkt und Markteinführungszeiten verkürzt werden können.

Inhalt

Elemente eines effizienten Validierungs-Frameworks

Im ersten Whitepaper dieser Reihe „Wie ein moderner Laboransatz die Post-Silizium-Validierung optimiert“ haben wir untersucht, wie das Testen des Funktionsumfangs von Geräten immer wichtiger wird, da integrierte Schaltungen (IC) immer komplexer werden und geringere Kosten und kürzere Markteinführungszeiten erfordern. IC-Hersteller müssen auf ein hochgradig automatisiertes und integriertes Validierungs-Framework umsteigen, um alle Validierungsaktivitäten zu steuern. Dadurch wird eine maximale Wiederverwendbarkeit durch schnellere Inbetriebnahme und effiziente Mess-/Testmethoden für eine schnellere Freigabe zur Produktion (RTMs) gewährleistet. Hier sprechen wir über die Menschen, Prozesse und Technologien, die Soliton und NI empfehlen, damit eine erfolgreiche Implementierung eines solchen Frameworks gelingt. Ein wichtiges Merkmal des Validierungs-Frameworks ist ein nahtloser Arbeitsablauf bei der Gerätevalidierung. Das Validierungsteam konzentriert sich auf die Entwicklung von Messungen, die für die Gerätevalidierung erforderlich sind, und sammelt Daten über verschiedene Bedingungen. Es ist wichtig, die Kernzeit, die dem Validierungsteam für die Entwicklung von Messungen während der Entwicklungsdauer zur Verfügung steht, effektiv zu nutzen. Die verschiedenen Komponenten des Frameworks sollten die Entwicklung von wiederverwendbarer Mess-IP erleichtern, die von mehreren Teams gemeinsam genutzt werden kann. Ein hocheffizientes Framework muss folgende Komponenten enthalten: 

Abbildung 1: Menschen, Prozesse und Technologien bilden zusammen ein umfassendes Validierungs-Framework

Menschen

  • Zusammenarbeit zwischen mehreren Disziplinen in der Entwicklung von Halbleitern während des Lebenszyklus (Entwurf, Verifizierung, Validierung und Test) bei Spezifikationenund Messmethoden
  • Zugriff auf Daten-Dashboards zur Verfolgung des Fortschritts bei der Gerätevalidierung   
  • Ein einfacher, integrierter Prozess mit Schulung und Support, um den neuen Validierungsingenieur schnell in die Lage zu versetzen, produktiv zu sein 

Prozess

  • Prüfstand-Setup und -Management (Installationsautomatisierung, Prüfstand-Replikation und Instrumentennutzung)   
  • Sowohl interaktive Fehlerbehebung (während der Entwurfserstellung) als auch automatisierte Datenerfassung für Validierungsingenieure   
  • Entwicklung von Mess-IP mit der Möglichkeit zur Wiederverwendung und Übertragung 

Technologie

  • Ein zentraler Data Lake zum Speichern von Messdaten und Korrelieren von Daten aus anderen vertikalen Ebenen   
  • Mehrere Optionen, die von der Benutzerpräferenz abhängen (Python, LabVIEW, .NET)   
  • Hardwareabstraktion zur Unterstützung verschiedener Gerätetypen und -modelle 

    Sehen wir uns das Validierungs-Framework genauer an.

    Abbildung 2: Eine eingehende Betrachtung der Elemente des effizienten Validierungs-Frameworks

Bereitstellungs- und Konfigurationsmanagement

Das Konfigurationsmanagement-Tool speichert alle Framework-Komponenten und wiederverwendbaren Modulpakete in einem zentralen Repository. Das Tool, welches das Repository auf der Serverseite verwaltet, verwaltet auch die Software- und Hardwaredetails, die in jeder Laborstation bereitgestellt werden. Durch eine solche Infrastruktur wird die Zeit für die Einrichtung eines Prüfstands und die Aktualisierung der Software erheblich reduziert.

Bereitstellung und Aktualisierung von Software

Sie können einen zentralen Server verwenden, um zentrale Framework-Komponenten wie wiederverwendbare Gerätekommunikation, wiederverwendbare Mess-IP und Gerätetreiber auf Stationen bereitzustellen – und Sie können dies vom Netzwerk aus erledigen. Wenn Sie Mess-IP verbessern oder Fehler in einem Treiber beheben, können Sie diesen mit einem einfachen Klick vom zentralen Repository auf alle Stationen aktualisieren. Sie können auch das Prüfstand-Setup automatisch replizieren, einschließlich gerätespezifischer Testkonfigurationen, wodurch der Aufwand vermieden wird, den gesamten Quellcode manuell zu kopieren und die Konfigurationen zu bearbeiten sowie eingeführte Fehler zu eliminieren.

Während Sie kundenspezifische Lösungen für das Stationskonfigurations-Management und die Softwarebereitstellung im eigenen Haus erstellen können, können handelsübliche Tools dazu beitragen, Ihren Entwicklungs- und Wartungsaufwand zu reduzieren. Das NI SystemLink™-Softwarekonfigurations-Modul bietet beispielsweise eine schlüsselfertige Lösung für die zentrale Verwaltung von Messsystemen, sodass Sie Patches und Codebasis-Updates aus dem Netzwerk aus der Ferne und effizient automatisieren können. Darüber hinaus verbessert das NI SystemLink Hardwareprodukte-Modul die Auslastung und Qualitätskonformität durch Protokollierung, Nachverfolgung, Steuerung und Berichterstellung von Testanlagen in Echtzeit – von der Beschaffung bis zur Entsorgung.

Interaktive Fehlersuche

​Sobald der erste Chip im Labor eingetroffen ist, setzt der Validierungsingenieur das Gerät auf und überprüft, ob alle grundlegenden Funktionen klappen. Schließlich kommen nicht nur der Validierungsingenieur, sondern auch Ingenieure aus verschiedenen Teams wie Entwurf, Verifikationssysteme und Anwendungen ins Labor, um mit dem Gerät zu arbeiten. Diese Ingenieure verfügen nicht über Software- oder Automatisierungskenntnisse, daher sollte das Framework über benutzerfreundliche Wake-up-, Fehlerbehebungs-Anwendungsfälle für den Auftraggeber und über Korrelationstools verfügen. Da Ingenieure mehr als 50 Prozent ihrer Zeit mit diesen Aktivitäten im Labor verbringen, ist es wichtig, dass das Labor über benutzerfreundliche und interaktive Tools für eine effiziente Fehlerbehebung verfügt.

Gerätesteuerung (Register Peek und Poke)

IC-Designs werden immer komplexer, und jeder IC verfügt über riesige Registerbanken zur Konfiguration und Steuerung verschiedener Funktionen. Prüflinge verfügen über digitale I/O zur Steuerung verschiedener Operationen.

Der Ingenieur entwickelt die Protokollkommunikations-APIs mit einem ausgewählten Controller oder Digital-Pattern-Generator über mehrere Wochen. Das Kommunikationsmodul sollte auch in der Lage sein, digitale Leitungen vom Gerät zu steuern, um Gerätemodi zu konfigurieren.

Das UI-basierte Dienstprogramm zur Halbleiterregisterkonfiguration hilft beim Aufbau der Gerätekommunikation mit einer einfachen Konfiguration für Protokolle wie I2C, SPI, SPMI, I3C usw. Das Tool hilft, das Geräteverhalten zu verstehen und die Messprozedur interaktiv zu überprüfen, bevor die Messung automatisiert wird.

Die anderen Funktionen sind nachfolgend aufgeführt.

  • Importieren der gesamten Register-Map (Register- und Feldebeneninformationen) des Geräts in die intuitive Benutzeroberfläche.
  • Gerätekommunikation mithilfe der Schreib-/Lese-Registeroperationen der GUI, Konfiguration der Geräteregister für die Fehlersuche in einem Anwendungsfall eines Auftraggebers oder in der grundlegenden Funktionsweise des Geräts.
  • Protokollieren der Lese-/Schreiboperationssequenzen als Makro zur späteren Verwendung in der Automatisierung. 
  • Speichern der Momentaufnahme der Registerzuordnung des Geräts für eine bestimmte Messung und späteres Abrufen der Konfiguration in der Automatisierung.

Wenn Sie eine standardisierte Gerätesteuerung implementieren möchten, ziehen Sie eine schlüsselfertige Standardlösung wie das NI-Zusatzpaket zur Steuerung von Halbleitergeräten in Betracht, das intuitive interaktive Funktionen zur Gerätesteuerung bietet, die sich schnell auf eine automatisierte Validierung skalieren lassen.

Gerätesteuerungsfeld

Sie können Geräte auf dem Prüfstand über eine einfache Benutzeroberfläche steuern und nach Bedarf über die Plugin-Architektur neue Geräte-Bedienfelder hinzufügen. Das Standard-Framework bietet häufig verwendete Geräte wie Netzteile, SMUs und Oszilloskope, sodass Sie die Software nicht entwickeln müssen. Mit diesen Werkzeugen können Sie die Hardwarekarten und den Prüfling manuell einschalten und sowohl Hardware- als auch Prüflingsprobleme einer Fehlersuche unterziehen.

Gerätekonfiguration

Das Gerät kann während der Fehlersuche über diese interaktiven Benutzeroberflächen konfiguriert werden. Speichern Sie die Geräteeinstellungen als Konfiguration und laden Sie diese später während der Messautomatisierung in das Gerät.

Mit der Software NI InstrumentStudio™ erhalten Sie beispielsweise eine integrierte Gerätekonfigurationsumgebung, in der Sie schnelle, interaktive Messungen durchführen und Konfigurationsdaten exportieren können, was den Weg zur Automatisierung vereinfacht.

Zuordnen von Prüfling-Pins zu Instrumentenkanälen

In der Regel definieren Ingenieure die Testprozedurparameter aus der Perspektive des Prüflings. Die Pinverbindung des Prüflings mit der Validierungshardwarekarte ist in den Messcode eingebettet. Das Pin-Zuordnungs-Utility definiert die Zuordnung zwischen den Pins des Prüflings und der Validierungshardware-Leiterplatte. Das Pin-Zuordnungs-Utility erleichtert das Beibehalten der Zuordnungsinformationen außerhalb des Messcodes. Wenn sich die Messgeräte und der Prüfling ändern, ändert sich nur die Zuordnung – nicht aber der Programmcode. Die Pin-Zuordnung abstrahiert spezifische Geräte- und Prüflingsdetails aus der Kern-IP der Messung und fördert die Wiederverwendung von Mess-IP für verschiedene Produkte und Teams, ohne dass während der Wiederverwendung manuell bearbeitet werden muss.

Messmanagement und -automatisierung

Mess-IP/Bibliothek

Die Kernaufgabe eines Validierungsingenieurs ist die Entwicklung der für das Gerät erforderlichen Messungen. Bei der Entwicklung einer typischen Messung werden die Eingangsparameter oft im Messcode hardcodiert. Wenn ein anderer Ingenieur oder ein Team ein ähnliches Gerät validiert, müssen sie den Programmcode kopieren und den Messcode an das neue Gerät anpassen. Dies erfordert viele Codeänderungen und vollständige Code-Tests, was mit zusätzlichem Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand verbunden ist.

Idealerweise würde das Framework die Entwicklung der Mess-IP mit Eingabeparametern und Sweep-Parametern zur Wiederverwendung abstrahieren, sei es in einem anderen Gerät derselben Familie oder einem anderen Gerät mit derselben Silizium-IP. Dann können andere Ingenieure die wiederverwendbaren Mess-IPs in der Automatisierung verwenden, um mehrere Messungen auf demselben Gerät durchzuführen und unterschiedliche Testbedingungen wie die Temperatur und die Eingangsversorgung zu durchlaufen. Wiederverwendbare Mess-IP reduziert die Zeit für die Entwicklung/Fehlerbehebung von Messungen für ein ähnliches Gerät oder eine ähnliche Familie, spart Zeit und Kosten und beschleunigt die Markteinführung.

Sweep- und Schleifenbedingungen

Eine umfassende Gerätevalidierung erfordert Messungen unter vielen Bedingungen, um sicherzustellen, dass das Gerät innerhalb der Spezifikationen funktioniert. Daher sollte der Validierungsingenieur Messungen unter vielen Prozess-, Spannungs- und Temperaturbedingungen (PVT) durchführen, was ein flexibles, robustes Automatisierungsframework erfordert. Der Validierungsingenieur sollte in der Lage sein, die Sweep-Bedingungen im laufenden Betrieb zu konfigurieren, zu ändern und die Automatisierung effektiv ohne Änderung des Mess-IP-Codes durchzuführen. Innerhalb des Frameworks sollten Sie in der Lage sein, die Parameter zu konfigurieren, über welche die Messungen gewobbelt werden müssen:

  • Einfache Konfiguration des Wertebereichs für jeden Sweep-Parameter in einem verschachtelten Wobbeln
  • Schnelle Erzeugung von Sweep-Werten basierend auf einer Verteilung und Visualisierung der Bedingungen 
  • Automatisches Protokollieren der Sweep-Bedingungen zusammen mit den Messwerten

Wenn die Sweep-Parametervom Messmodul abstrahiert werden, können Sie wiederverwendbare Mess-IP entwickeln und die Zusammenarbeit zwischen Teams fördern.

Testsequenzer

Der Testsequenzer ist das Herzstück der Automatisierung und Datenerfassung. Das Ziel des Validierungsingenieurs ist es, die für den Prüfling entwickelte Messung (aus der Mess-IP-Bibliothek) aneinanderzureihen und die Messungen unter PVT-Testbedingungen durchzuführen. Der Validierungsingenieur sollte dies ohne viel Softwareentwicklung schnell erledigen können. Der Testsequenzer des Frameworks ist ein einfach zu bedienendes Werkzeug mit einer geringen Trainingsbarriere. Verwenden Sie die Testsequenzumgebung für:

  • Sequenztests mit Drag-and-Drop-Aktionen und schneller Konfiguration der Eingabe 
  • Erstellung von Geräte- und Gerätekonfigurationen in der Fehlersuch-/interaktiven Umgebung. 
  • Konfigurieren und Speichern aller PVT-Bedingungen im integrierten Sweep-Bedingungsmanager.
  • Schnelles Ausführen von Tests und Zugriff auf Daten im Standard-.csv-Integrationsmodul. 
  • Beschleunigen der Datenerfassung über mehrere Prüflinge parallel mit Multi-Site-Tests. 
  • Anpassen der Entwicklung mit fortgeschrittenen Programmiersprachenfunktionen wie Schleifen und Anweisungen.

Mit der Test- und Messmanagementsoftware NI TestStand können Sie Messsequenzen in einer Standardlösung entwickeln, debuggen und bereitstellen; Multithread- Sequenzen entwickeln, beliebige Programmiersprachen unterstützen, Berichte erstellen, und Daten in einer Datenbank aufzeichnen. Branchenführende Validierungsunternehmen verschwenden keine wertvolle Zeit und keine Engineering-Ressourcen mit der Entwicklung und Wartung von Softwarelösungen, die keinen Mehrwert für ihre Produktdesigns schaffen. Stattdessen können Teams durch die Zusammenarbeit mit einem Software-Experten wie NI mehr Zeit für Mess-IP, die Analyse der Geräteleistung und für Feedback zu Entwürfen mit einem einsatzbereiten Testsequenzer aufwenden.

Hardware- und Messabstraktion

Validierungslabors verwenden oft unterschiedliche Messgerätemodelle an verschiedenen Standorten oder Prüfständen. In diesen Fällen kann der auf einem Prüfstand entwickelte Messcode nicht auf einer anderen Bench wiederverwendet werden. Jeder Prüfstand hat seinen eigenen Messcode. Daher sind Testmessungen fragmentiert und können nicht wiederverwendet werden. Eine Hardwareabstraktionsschicht (HAL) löst dieses Problem durch Abstraktion der Geräteinformationen aus dem Messcode.

So könnte beispielsweise für Prüfstand A zum Einschalten des Prüflings eine NI-SMU verwendet werden. Prüfstand B verwendet jedoch ein Benchtop-Netzteil. Ohne HAL benötigt jede Bank einen benutzerdefinierten Messcode, um den Prüfling einzuschalten, und die Einschaltsequenz ist nicht wiederverwendbar. Bei HAL ruft der Urheber der Messung jedoch nur die übergeordneten APIs der höchsten Ebene in ihrer Implementierung auf. Die Auswahl der Hardware erfolgt in einer interaktiven Konfiguration auf dem Bildschirm für die Geräte-Pin-Zuordnung.

Abbildung 3: Abstraktionsschichten der Testsequenz

Wiederverwenden von Mess-IP

Die Entwicklung von Messmodulen über HAL und digitale Kommunikation modularisiert die spezifische Abhängigkeit. Diese Abstraktionen fördern die modulare und wiederverwendbare IP-Entwicklung für Messungen und reduzieren den Entwicklungs- und Testaufwand.

Datenverwaltung

​Normierter Datenlogger

Da Validierungstests über mehrere Stunden oder sogar Tage hinweglaufen, werden Sie Messdaten schnell erfassen und speichern wollen, um Datenverluste aufgrund unerwarteter System- oder Softwareprobleme zu vermeiden. Der standardisierte Datenlogger des Frameworks protokolliert nach jeder Schleife kontinuierlich Daten in einer lokalen *.csv-Datei, um Datenverluste zu vermeiden. Diese lokale Speicherung bedeutet, dass Sie die Daten sofort überprüfen können, was eine schnellere Fehlerbehandlung ermöglicht. 

Darüber hinaus enthält dieses Datenlogger-Modul die zum Zeitpunkt der Messung festgelegten Sweep-Bedingungen (PVT). Wenn der Manager oder Entwickler die Daten überprüft, sind alle zugehörigen Bedingungen zusammen mit den Messdaten verfügbar.

Abbildung 4: Kontinuierliches Aufzeichnen von Messwerten mit einem normierten Datenlogger

Zu den Vorteilen des normierten Datenloggers zählen: 

  • Gemeinsame Implementierung sowohl in interaktiven Bring-Up- als auch in Testautomatisierungs-Workflows   
  • Der Messentwickler konzentriert sich nur auf die Entwicklung des Kern-Mess-IP, während sich das Framework um die Protokollierung der Messdaten kümmert.   
  • Der Entwickler übergibt einfach die Messdaten aus dem Messmodul mithilfe der Datenprotokollierungs-APIs des Frameworks, und das Framework markiert alle Bedingungen automatisch zusammen mit den Messdaten.   
  • Sie können die Standarddaten in das gewünschte Analysewerkzeug laden, um sie zu überprüfen.   
  • Mit einer flexiblen Plugin-Architektur können Sie Speicherformate hinzufügen, ohne die Kernmessmodule zu beeinflussen. 

Zentralisierte Speicherung und Analyse

Eine der größten Herausforderungen bei der Datenanalyse sind Benennungskonventionen: Da Validierungsingenieure Protokollierungsfunktionen und Messcode mithilfe einer eigenen Auswahl an Namen entwickeln, erfordert jeder Name eine eindeutige Methode für die Datenprüfung und -analyse für jedes Gerät. Mit einem strukturierten und standardisierten Datenprotokollierungsformat können Sie Daten schnell visualisieren und die Fehlerbehandlung weniger zeitaufwändig machen.  

Das Datenprotokollierungs-Framework unterstützt durch Kommas getrennte Werte (CSV), Excel, TDM-Streaming und das Standard-Testdatenformat. Die CSV-Datenaufzeichnung kann im Hoch- oder Querformat erfolgen. 

  • Im Querformat stellt jede Spalte einen Parameter und jede Zeile einen Messwert dar.   
  • Im hohen Format werden alle Messungen in drei Spalten protokolliert: Testname, Parametername und Parameterwert. 

Ein standardisiertes Format mit Meta-Messdaten-Tags erhöht die Effizienz der Datenprotokollierung und hilft, sie zur Visualisierung schnell zu zeichnen. Es ist von entscheidender Bedeutung, während des gesamten Validierungslebenszyklus einfachen Zugriff auf die zentrale Speicherung von Validierungsdaten, Spezifikationsinformationen und Verifikationsdaten zu haben. Die zentrale Datenbank ist ein Schlüssel für die Entwicklung von Werkzeugen wie: 

  • Automatisierte Erstellung von Spec-Compliance-Reports (vergleicht gemessene Geräteparameter mit den Haupt-Entwurfsparametern)   
  • Datenkorrelation zum Vergleich der Entwurfsverifizierung mit Silizium-Validierungsdaten

Implementieren einer Validierungs-Framework-Architektur

Wenn Sie an der Evaluierung einer Validierungs-Framework-Architektur für Ihr Labor interessiert sind, bieten NI und Soliton die Erfahrung einer jahrzehntelangen Zusammenarbeit, um Halbleiterkunden dabei zu helfen, ihre Effizienz zu verbessern und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Mit über 100 LabVIEW- und TestStand-Ingenieuren und über 20 technischen Awards von NI bietet Soliton hochdifferenzierte technische Serviceleistungen zur Ergänzung von NI-Produkten und -Lösungen. Als NI Semiconductor Specialty Partner für Modern Lab, STS und SystemLink™-Software ist Soliton auf die Entwicklung spezieller Plattformlösungen für die Post-Silizium-Validierung spezialisiert, die durch leistungsstarke Werkzeuge und Standardisierung die technische Produktivität erheblich steigern können.