Validierung von F-RAM-Speicher und Fehlersuche mit PXI- und modularen Messgeräten von NI

Chris Wray, Ramtron International

„Mit PXI haben wir Tests zur Fehlersuche und Charakterisierung fehlerhafter Speicherchips mit größerer Flexibilität entwickelt als unsere bisherigen automatisierten Testgeräte im Labor.“

– Chris Wray, Ramtron International

Die Aufgabe:

Erstellen eines flexiblen, kostengünstigen ferroelektrischen RAM-Testsystems (F-RAM) als Alternative zu vorhandenen automatisierten Testsystemen (ATE) für die Funktionstests neuer Produkte und die schnelle Diagnose problematischer Speichereinheiten, die von Kunden zurückgegeben werden.

Die Lösung:

Entwickeln eines PXI-basierten Testsystems mit modularen Messgeräten und NI LabVIEW zur Anbindung an gepackte F-RAM-Speicherchips für eine Vielzahl von Mischsignal-Tests, um die Leistung zu validieren und digitale Bitfehler zu isolieren.

Autor(en):

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

 

Obwohl es heutzutage verschiedene Arten von Speicher gibt, stehen Speicherlieferanten je nach Anforderungen der Anwendung dem wachsenden wirtschaftlichen Druck gegenüber, die Testkosten zu senken und gleichzeitig hohe Erträge aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass Kunden hochwertige Bauelemente zur Verwendung in ihren Entwürfen erhalten.

 

Ramtron International Corporation ist ein führender Anbieter von nicht flüchtigen ferroelektrischen Halbleitern, einschließlich serieller und paralleler ferroelektrischer Arbeitsspeicher (F-RAM) und Prozessorbegleitgeräte, die eine Vielzahl von gängig benötigten diskreten analogen und Mischsignalfunktionen für prozessorbasierte Systeme integrieren.

 

Wir haben ein kostengünstiges Speichertestsystem mit handelsüblichen Komponenten und der PXI-Plattform entwickelt, um unsere Fehlersuchfähigkeiten für fehlerhafte Bauelemente zu erhöhen, um die Ursache für Fehler schneller zu ermitteln. Wir entwickelten ein Testsystem zur Fehlersuche in fehlerhaften Speicherchips, die von unseren Kunden zurückgegeben wurden, sowie für die „First Silicon“-Validierung, um die Funktionalität neuer Arbeitsspeicherdesigns zu überprüfen. Mit den modularen Messgeräten von NI und LabVIEW haben wir ein flexibleres Testsystem erstellt, das einfacher zu programmieren ist als unsere bisherigen automatisierten Testgeräte.

 

Überblick über F-RAM und andere gebräuchliche Arbeitsspeicher

Die heutigen Halbleiterspeicher lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: flüchtige und nicht flüchtige Speicher. Flüchtiger Speicher ist eine Art leistungsstarker Speicher mit hoher Dichte, der seinen Wert beibehält, solange Strom fließt, aber gespeicherte Werte verliert, wenn die Stromversorgung nicht mehr vorhanden ist.   Nicht flüchtiger Speicher hat in der Regel eine geringere Dichte, hat aber den zusätzlichen Vorteil, dass gespeicherte Speicherwerte beibehalten werden, wenn die Stromversorgung unterbrochen oder abgeschaltet wird.

 

Je nach Anwendung gibt es verschiedene Arten von Speicherarchitekturen, die auf dem heutigen Markt aktiv verwendet werden. Zwei der gängigsten Arten von flüchtigen Speicher – Static Random Access Memory (SRAM) und Dynamic Random Access Memory (DRAM) – werden heutzutage auf vielen PCs als Haupt-Arbeitsspeicher verwendet. Schreibgeschützte Speicher (ROM), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) und Flash-Speicher sind andere nicht flüchtige Speicher, die auf Technologien basieren, die mehrfach gelöscht und neu programmiert werden können, aber möglicherweise langsamer schreiben und höhere Spannungen erfordern als flüchtige Speicher. Darüber hinaus nutzen sich EEPROM-basierte Technologien letztendlich ab (in nur 100.000 Zyklen), was ein Risiko bei Industrieanwendungen darstellt, die auf hohe Haltbarkeit angewiesen sind.

 

Ferroelektrischer Arbeitsspeicher (F-RAM) ist eine Art nicht flüchtiger Speicher, der von Ramtron entwickelt wurde und der die besten RAM- und ROM-Speicher in einem einzigen Produkt vereint. Ein F-RAM-Speicher enthält eine dünne ferroelektrische Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat [Pb(Zr,Ti)O3], allgemein als PZT bezeichnet. Die Zr/Ti-Atome im PZT ändern die Polarität eines elektrischen Felds, wodurch ein binärer Schalter erzeugt wird. Im Gegensatz zu RAM-Geräten behält F-RAM seinen Datenspeicher, wenn die Stromversorgung abgeschaltet oder unterbrochen wird, da der PZT-Kristall die Polarität beibehält, was F-RAM zu einer einzigartigen nichtflüchtigen Speichertechnologie macht, die andere nichtflüchtige Speicher dank bemerkenswert schnellen Schreibvorgängen, hoher Lebensdauer und extrem geringem Stromverbrauch übertrifft.

 

Testanforderungen für die Validierung von „First Silicon“-Speicherchips und die Fehlersuche

Wir stellen eine Vielzahl von gepackten F-RAM-Speicherchips mit unterschiedlichen Dichten und Betriebsspannungen her. Manche Chips verfügen möglicherweise über Echtzeittakte oder Prozessor-Begleitfunktionen, die auch getestet werden müssen. Jedes Testsystem muss in der Lage sein, Funktionstests von 3,3- und 5-V-Speicherchips zu ermöglichen, um zu bestimmen, welche Speicherbits gut und schlecht sind. Das System muss außerdem die bidirektionale digitale Kommunikation gängiger paralleler und serieller Schnittstellenprotokolle (wie SPI und I2C) unterstützen, so dass wir verschiedene Testmodi auf dem Chip einstellen können, um das Timing anzupassen und den Spannungsabfall der Referenzleitung zwischen 0 und 1 anzupassen.

 

 

Speicherchips können eine Vielzahl verschiedener Pinpakete enthalten.  Das TSOP-II-44-Pin-Paket (Abbildung 1), das häufig in unseren parallelen F-RAM-Geräten mit höherer Dichte verwendet wird, verfügt über zwei Strom- und zwei Massepins. Parameter werden mit Funktionalität getestet, mit Geschwindigkeit auf allen Bits, während die Digital-I/O nachverfolgt wird. Wir testen die Quellenspannung (VDD) auf Einschalt- und Ausschaltrampenraten, prüfen den Standby-Strom (aktiv) während des Betriebs und überwachen die Leistung (Bandlücke), um zu prüfen, ob die VDD unter einen bestimmten Schwellenwert fällt. Wir führen Leckagetests an jedem Pin mit Messungen typischerweise im Nanoampere-Bereich durch.

 

Testsystem-Hardware

Wir brauchten unsere Testausrüstung, um unsere gesamten Testanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Flexibilität zu ermöglichen, die für die Schnittstelle mit verschiedenen Speicherpaketen erforderlich ist, und um spezielle Messungen beim Debuggen fehlerhafter Teile zu ermöglichen. Wir haben PXI verwendet, um unser Testequipment aufgrund seiner Modularität und seines geringen Footprints zu entwickeln. Wir haben mehrere weitere Messgeräte verwendet, darunter das Netzteil NI PXI-4110, zwei bidirektionale Digital-I/O-Module NI PXI-6551 mit 50 MHz, ein Digitalmultimeter (DMM) NI PXI-4071 mit 7,5 Stellen und ein Matrixschaltmodul NI PXI-2532 mit 512 Crosspoints.

 

Das Modul PXI-4110 stellt die Hauptstromquelle für den Speicherchip dar und funktioniert gut, da es drei Kanäle (zwei positive und einen negativen) hat. Mit diesem Modul führen wir eine Kurvenverfolgung der I/O durch, indem wir einen Kanal zum Einschalten unseres Geräts, einen zum Erzwingen positiver und den anderen zum Erzwingen negativer Spannungen im Amperemeter-Modus verwenden. Wir verwenden die Stromversorgung, um die VDD-Rampenrate von weniger als einer Millisekunde (im schnellen Testfall) auf bis zu 10 Sekunden für unsere Einschalt- und Ausschalttests zu steuern. Während wir die Versorgungsleistung variieren, messen wir die digitalen Bitfehler mithilfe des PXI-6551-Digital-I/O-Moduls (DIO) sowie Lesespannung und -strom mit dem DMM PXI-4071.

 

Das Digitalmodul PXI-6551 steuert das Funktionsverhalten des Chips und zwingt Adresspins zum Testen verschiedener Speicherorte. Das DIO-Modul ermöglicht programmierbare Spannungspegel in Schritten von 10 mV für VOH, VOL, VIH und VIL, sodass wir die Spezifikationen für den Ein- und Ausgangsspannungspegel für die Speicherchips variieren und charakterisieren können. Wir können unser Timing auch anpassen, um unterschiedliche Halte- und Lesezeiten in Bezug auf die fallende Flanke des „Chip Enable“ zu ermöglichen.

 

Das PXI-2532-Schaltmodul übernimmt die Signalführung zwischen dem Netzteil und dem DMM für parametrische Messungen an allen DIO-Pins auf dem komprimierten Speicherchip. Der Schalter ist zusammen mit dem DIO-Modul mit Kopplungsanschlüssen auf einer benutzerdefinierten Leiterplatte (PCB) verbunden (siehe Abbildung 2), die wir für die gepackten F-RAM-Chipsets während eines Tests erstellt haben.

 

Testsystem-Software

Eine der Herausforderungen, die wir mit unserem vorherigen Testsystem hatten, war, dass wir nur eine begrenzte Anzahl von Programmierern zur Hand hatten, die in der Lage waren, die ATE zu programmieren. Um sicherzustellen, dass dieses neue System für jeden im Labor einfach zu bedienen ist, haben wir eine Kombination aus NI-Software wie NI LabVIEW und LabVIEW SignalExpress mit dem NI Digital Waveform Editor verwendet, um die Tests zu entwerfen, die wir auf unseren Speicherchips durchführen.

 

Wir haben die Hauptanwendung und die Benutzeroberfläche in LabVIEW geschrieben und die Software verwendet, um den Großteil unserer Tests zu automatisieren, einschließlich der Kurvenverfolgung sowie der Messung und Darstellung des Überspannungsstroms. Wir haben das Digital-I/O-Modul so konfiguriert, dass es verschiedene Muster sendet, mit denen die Funktion des Speicherchips überprüft und Testmodi für die Zuverlässigkeitsabfrage aufgerufen werden. Die Flexibilität von LabVIEW war äußerst hilfreich und wird das Hinzufügen von Messungen in Zukunft nach Bedarf vereinfachen.

 

Die an den Speicherchip gesendeten digitalen Testvektoren wurden mit dem NI Digital Waveform Editor erstellt.  Der Editor ist ein grafisches Softwaretool zur Visualisierung digitaler Wellenformen und macht es Ihnen leicht, Begrenzungslinien zu ziehen und Wellenformen nach Bedarf für verschiedene Funktionstests zu manipulieren.  Wir verwenden den NI Digital Waveform Editor zusammen mit LabVIEW SignalExpress, um Schnelltests durchzuführen. Durch die Integration des NI Digital Waveform Editors in LabVIEW SignalExpress konnten wir Tests ohne Programmierung ausführen.

 

Wir haben auch zahlreiche andere Softwarewerkzeuge von National Instruments verwendet.  Mit NI Switch Executive kann die Schaltmatrix über eine grafische Schnittstelle konfiguriert werden und so mit der Schaltmatrix interagieren. Auf diese Weise können wir Schaltwege benennen und problemlos mit LabVIEW interagieren. Wir haben die Soft-Frontpanels auch für die Netzteile und das DMM verwendet, um schnelle einmalige Messungen bei der Fehlersuche bei Speicherchips durchzuführen.

 

Erfolgreiche Entwicklung einer modularen Testplattform mit PXI

PXI hat uns eine modulare Testplattform bereitgestellt, die alle unsere Testanforderungen erfüllt, um F-RAM-Speicherchips zu charakterisieren und zu debuggen. Unser PXI-System weist einen kleinen Footprint auf und ist leicht transportabel, sodass wir das Testsystem problemlos zwischen Laborstationen bewegen oder es zu Kunden zur Vor-Ort-Analyse mit dem System mitnehmen können. Mit PXI haben wir Tests zur Fehlersuche und Charakterisierung fehlerhafter Speicherchips mit größerer Flexibilität entwickelt als unsere bisherigen automatisierten Testgeräte im Labor, was es uns erlaubt, unseren Kunden zuverlässige Produkte zu einem erschwinglichen Preis zu bieten.

 

Informationen zum Autor:

Chris Wray
Ramtron International
Tel: +1 (719) 481-7182
chris.wray@ramtron.com

Abbildung 1: Ein komprimierter Speicherchip hat verschiedene Arten von Pins, z. B. Adress- und Datenleitungen, Steuerpins und Netzanschlüsse.
Abbildung 2: Wir haben eine Reihe benutzerdefinierter Leiterplatten erstellt, um unsere PXI-Messgeräte mit verschiedenen F-RAM-Arbeitsspeicherpaketen zu verbinden.