Un equipo de prueba automático o equipo de prueba automatizado ( ATE , por sus siglas en inglés) es cualquier aparato que realiza pruebas en un dispositivo, conocido como dispositivo bajo prueba (DUT, por sus siglas en inglés), equipo bajo prueba (EUT, por sus siglas en inglés) o unidad bajo prueba (UUT, por sus siglas en inglés), utilizando la automatización para realizar mediciones rápidamente y evaluar los resultados de la prueba. Un ATE puede ser un simple multímetro digital controlado por computadora o un sistema complicado que contiene docenas de instrumentos de prueba complejos ( equipos de prueba electrónicos reales o simulados ) capaces de probar y diagnosticar automáticamente fallas en sofisticadas piezas electrónicas empaquetadas o en pruebas en obleas , incluidos sistemas en chips y circuitos integrados .
El ATE se utiliza ampliamente en la industria de fabricación de productos electrónicos para probar componentes y sistemas electrónicos después de su fabricación. El ATE también se utiliza para probar la aviónica y los módulos electrónicos de los automóviles. Se utiliza en aplicaciones militares como el radar y la comunicación inalámbrica.
Los sistemas ATE, que se denominan así por las pruebas de dispositivos semiconductores , pueden probar una amplia gama de dispositivos y sistemas electrónicos, desde componentes simples ( resistencias , condensadores e inductores ) hasta circuitos integrados (CI), placas de circuito impreso (PCB) y sistemas electrónicos complejos y completamente ensamblados. Para este propósito, se utilizan tarjetas de prueba . Los sistemas ATE están diseñados para reducir la cantidad de tiempo de prueba necesario para verificar que un dispositivo en particular funciona o para encontrar rápidamente sus fallas antes de que la pieza tenga la oportunidad de usarse en un producto de consumo final. Para reducir los costos de fabricación y mejorar el rendimiento, los dispositivos semiconductores deben probarse después de su fabricación para evitar que los dispositivos defectuosos terminen en manos del consumidor.
La arquitectura de semiconductores ATE consta de un controlador maestro (normalmente una computadora ) que sincroniza uno o más instrumentos de fuente y captura (enumerados a continuación). Históricamente, los sistemas ATE utilizaban controladores o relés diseñados a medida. El dispositivo bajo prueba (DUT) está conectado físicamente al ATE mediante otra máquina robótica llamada manipulador o sonda y a través de un adaptador de prueba de interfaz (ITA) personalizado o "dispositivo" que adapta los recursos del ATE al DUT.
El PC industrial es un ordenador de sobremesa normal empaquetado en un bastidor de 19 pulgadas con suficientes ranuras PCI/PCIe para alojar las tarjetas de estimulación/detección de señales. Este asume el papel de controlador en el ATE. El desarrollo de aplicaciones de prueba y el almacenamiento de resultados se gestionan en este PC. La mayoría de los ATE de semiconductores modernos incluyen varios instrumentos controlados por ordenador para generar o medir una amplia gama de parámetros. Los instrumentos pueden incluir fuentes de alimentación de dispositivos (DPS), [1] [2] unidades de medición paramétrica (PMU), generadores de formas de onda arbitrarias (AWG), digitalizadores, E/S digitales y suministros de servicios públicos. Los instrumentos realizan diferentes mediciones en el DUT y están sincronizados para generar y medir formas de onda en los momentos adecuados. Según el requisito del tiempo de respuesta, también se consideran sistemas en tiempo real para la estimulación y la captura de señales.
La interconexión de masa es una interfaz de conexión entre los instrumentos de prueba (PXI, VXI, LXI, GPIB, SCXI y PCI) y los dispositivos o unidades bajo prueba (D/UUT). Esta sección actúa como un punto nodal para las señales que entran y salen entre ATE y D/UUT.
Por ejemplo, para medir el voltaje de un dispositivo semiconductor en particular, los instrumentos de procesamiento de señales digitales (DSP) en el ATE miden el voltaje directamente y envían los resultados a una computadora para el procesamiento de señales, donde se calcula el valor deseado. Este ejemplo muestra que los instrumentos convencionales, como un amperímetro , pueden no usarse en muchos ATE debido al número limitado de mediciones que el instrumento podría hacer y el tiempo que llevaría usarlos para hacer la medición. Una ventaja clave de usar DSP para medir los parámetros es el tiempo. Si tenemos que calcular el voltaje pico de una señal eléctrica y otros parámetros de la señal, entonces tenemos que emplear un instrumento detector de picos, así como otros instrumentos para probar los otros parámetros. Sin embargo, si se utilizan instrumentos basados en DSP, entonces se toma una muestra de la señal y los otros parámetros se pueden calcular a partir de la medición única.
No todos los dispositivos se prueban por igual. Las pruebas implican costos, por lo que los componentes de bajo costo rara vez se prueban por completo, mientras que los componentes médicos o de alto costo (donde la confiabilidad es importante) se prueban con frecuencia.
Sin embargo, puede ser necesario o no probar el dispositivo para todos los parámetros, dependiendo de la funcionalidad del dispositivo y del usuario final. Por ejemplo, si el dispositivo se aplica en productos médicos o de salvamento, se deben probar muchos de sus parámetros y se deben garantizar algunos de ellos. Pero decidir qué parámetros se deben probar es una decisión compleja basada en el costo y el rendimiento. Si el dispositivo es un dispositivo digital complejo, con miles de puertas, entonces se debe calcular la cobertura de fallas de prueba. Aquí también, la decisión es compleja y se basa en la economía de la prueba, en la frecuencia, la cantidad y el tipo de E/S en el dispositivo y en la aplicación de uso final...
El ATE se puede utilizar en piezas empaquetadas (el típico chip IC) o directamente en la oblea de silicio . Las piezas empaquetadas utilizan un manipulador para colocar el dispositivo en una placa de interfaz personalizada, mientras que las obleas de silicio se prueban directamente con sondas de alta precisión. Los sistemas ATE interactúan con el manipulador o el probador para probar el DUT.
Los sistemas ATE suelen interactuar con una herramienta de colocación automatizada, denominada "controlador", que coloca físicamente el dispositivo bajo prueba (DUT) en un adaptador de prueba de interfaz (ITA) para que el equipo pueda medirlo. También puede haber un adaptador de prueba de interfaz (ITA), un dispositivo que simplemente realiza conexiones electrónicas entre el ATE y el dispositivo bajo prueba (también llamado unidad bajo prueba o UUT), pero también puede contener un circuito adicional para adaptar las señales entre el ATE y el DUT y tiene instalaciones físicas para montar el DUT. Finalmente, se utiliza un zócalo para hacer de puente entre el ITA y el DUT. Un zócalo debe sobrevivir a las rigurosas demandas de una planta de producción, por lo que generalmente se reemplaza con frecuencia.
Diagrama de interfaz eléctrica simple: ATE → ITA → DUT (paquete) ← Manipulador
Los ATE basados en obleas generalmente utilizan un dispositivo llamado sonda que se mueve a lo largo de una oblea de silicio para probar el dispositivo.
Diagrama de interfaz eléctrica simple: ATE → Prober → Wafer (DUT)
Una forma de mejorar el tiempo de prueba es probar varios dispositivos a la vez. Los sistemas ATE ahora pueden admitir varios "sitios" donde los recursos ATE se comparten entre ellos. Algunos recursos se pueden usar en paralelo, otros se deben serializar en cada DUT.
El equipo ATE utiliza lenguajes informáticos modernos (como C , C++ , Java , VEE , Python , LabVIEW o Smalltalk ) con instrucciones adicionales para controlar el equipo ATE a través de interfaces de programación de aplicaciones (API) estándar y propietarias. También existen algunos lenguajes informáticos dedicados, como el Lenguaje de prueba abreviado para todos los sistemas (ATLAS). El equipo de prueba automático también se puede automatizar utilizando un motor de ejecución de pruebas como TestStand de NI . [3]
A veces se utiliza la generación automática de patrones de prueba para ayudar a diseñar la serie de pruebas.
Muchas plataformas ATE utilizadas en la industria de semiconductores generan datos utilizando el formato de datos de prueba estándar (STDF)
El diagnóstico automático de equipos de prueba es la parte de una prueba ATE que determina los componentes defectuosos. Las pruebas ATE realizan dos funciones básicas. La primera es comprobar si el dispositivo bajo prueba funciona correctamente o no. La segunda es diagnosticar la razón cuando el dispositivo bajo prueba no funciona correctamente. La parte de diagnóstico puede ser la parte más difícil y costosa de la prueba. Es típico que ATE reduzca una falla a un grupo de componentes ambiguos. Un método para ayudar a reducir estos grupos de ambigüedad es la adición de pruebas de análisis de firma analógica al sistema ATE. Los diagnósticos a menudo se ven facilitados por el uso de pruebas de sonda volante .
La incorporación de un sistema de conmutación de alta velocidad a la configuración de un sistema de prueba permite realizar pruebas más rápidas y rentables de varios dispositivos, y está diseñada para reducir tanto los errores como los costos de las pruebas. El diseño de la configuración de conmutación de un sistema de prueba requiere comprender las señales que se conmutarán y las pruebas que se realizarán, así como los factores de forma del hardware de conmutación disponibles.
En la actualidad, se utilizan de forma habitual varias plataformas de instrumentación electrónica modular para configurar sistemas automatizados de medición y prueba electrónicos. Estos sistemas se emplean ampliamente para la inspección de entrada, el control de calidad y las pruebas de producción de dispositivos y subconjuntos electrónicos. Las interfaces de comunicación estándar de la industria vinculan las fuentes de señal con los instrumentos de medición en sistemas " apilados en bastidor " o basados en chasis/computadora central, a menudo bajo el control de una aplicación de software personalizada que se ejecuta en una PC externa.
El bus de interfaz de propósito general ( GPIB ) es una interfaz paralela estándar IEEE-488 (un estándar creado por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos ) que se utiliza para conectar sensores e instrumentos programables a una computadora. GPIB es una interfaz de comunicaciones paralelas digitales de 8 bits capaz de lograr transferencias de datos de más de 8 MB/s. Permite conectar en cadena hasta 14 instrumentos a un controlador de sistema mediante un conector de 24 pines. Es una de las interfaces de E/S más comunes presentes en los instrumentos y está diseñada específicamente para aplicaciones de control de instrumentos. Las especificaciones IEEE-488 estandarizaron este bus y definieron sus especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales, al mismo tiempo que definieron sus reglas básicas de comunicación de software. GPIB funciona mejor para aplicaciones en entornos industriales que requieren una conexión resistente para el control de instrumentos.
El estándar GPIB original fue desarrollado a fines de la década de 1960 por Hewlett-Packard para conectar y controlar los instrumentos programables que fabricaba la compañía. La introducción de controladores digitales y equipos de prueba programables creó la necesidad de una interfaz estándar de alta velocidad para la comunicación entre instrumentos y controladores de varios proveedores. En 1975, el IEEE publicó el estándar ANSI/IEEE 488-1975, Interfaz digital estándar IEEE para instrumentación programable, que contenía las especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales de un sistema de interfaz. Este estándar fue revisado posteriormente en 1978 (IEEE-488.1) y 1990 (IEEE-488.2). La especificación IEEE 488.2 incluye los comandos estándar para instrumentación programable (SCPI), que definen comandos específicos que cada clase de instrumento debe obedecer. SCPI garantiza la compatibilidad y la capacidad de configuración entre estos instrumentos.
El bus IEEE-488 ha sido popular durante mucho tiempo porque es fácil de usar y aprovecha una gran selección de instrumentos y estímulos programables. Sin embargo, los sistemas grandes tienen las siguientes limitaciones:
El estándar LXI define los protocolos de comunicación para sistemas de instrumentación y adquisición de datos que utilizan Ethernet. Estos sistemas se basan en instrumentos pequeños y modulares que utilizan una red LAN (Ethernet) de bajo costo y de estándar abierto. Los instrumentos compatibles con LXI ofrecen las ventajas de tamaño e integración de los instrumentos modulares sin las limitaciones de costo y formato de las arquitecturas de jaula de tarjetas. Mediante el uso de comunicaciones Ethernet, el estándar LXI permite un empaquetado flexible, E/S de alta velocidad y un uso estandarizado de la conectividad LAN en una amplia gama de aplicaciones comerciales, industriales, aeroespaciales y militares. Todos los instrumentos compatibles con LXI incluyen un controlador de instrumento virtual intercambiable (IVI) para simplificar la comunicación con instrumentos que no son compatibles con LXI, de modo que los dispositivos compatibles con LXI puedan comunicarse con dispositivos que no son compatibles con LXI (es decir, instrumentos que emplean GPIB, VXI, PXI, etc.). Esto simplifica la construcción y el funcionamiento de configuraciones híbridas de instrumentos.
Los instrumentos LXI a veces emplean scripts mediante procesadores de scripts de prueba integrados para configurar aplicaciones de prueba y medición. Los instrumentos basados en scripts proporcionan flexibilidad arquitectónica, mejor rendimiento y menor costo para muchas aplicaciones. Los scripts mejoran los beneficios de los instrumentos LXI, y LXI ofrece características que habilitan y mejoran los scripts. Aunque los estándares LXI actuales para instrumentación no requieren que los instrumentos sean programables o implementen scripts, varias características en la especificación LXI anticipan instrumentos programables y brindan una funcionalidad útil que mejora las capacidades de scripts en instrumentos compatibles con LXI. [5]
La arquitectura de bus VXI es una plataforma estándar abierta para pruebas automatizadas basada en el VMEbus . Introducida en 1987, VXI utiliza todos los formatos Eurocard y añade líneas de activación, un bus local y otras funciones adecuadas para aplicaciones de medición. Los sistemas VXI se basan en un mainframe o chasis con hasta 13 ranuras en las que se pueden instalar varios módulos de instrumentos VXI. [6] El chasis también proporciona todos los requisitos de suministro de energía y refrigeración para el chasis y los instrumentos que contiene. Los módulos de bus VXI suelen tener una altura de 6U .
PXI es un bus periférico especializado para adquisición de datos y sistemas de control en tiempo real. Introducido en 1997, PXI utiliza los factores de forma CompactPCI 3U y 6U y agrega líneas de activación, un bus local y otras funciones adecuadas para aplicaciones de medición. Las especificaciones de hardware y software de PXI son desarrolladas y mantenidas por PXI Systems Alliance. [7] Más de 50 fabricantes en todo el mundo producen hardware PXI. [8]
USB conecta dispositivos periféricos, como teclados y ratones, a las PC. USB es un bus Plug and Play que puede manejar hasta 127 dispositivos en un puerto y tiene un rendimiento máximo teórico de 480 Mbit/s (USB de alta velocidad definido por la especificación USB 2.0). Debido a que los puertos USB son características estándar de las PC, son una evolución natural de la tecnología de puerto serie convencional. Sin embargo, no se usa ampliamente en la construcción de sistemas de prueba y medición industriales por varias razones; por ejemplo, los cables USB no son de grado industrial, son sensibles al ruido, pueden soltarse accidentalmente y la distancia máxima entre el controlador y el dispositivo es de 30 m. Al igual que RS-232 , USB es útil para aplicaciones en un entorno de laboratorio que no requieren una conexión de bus resistente.
RS-232 es una especificación para comunicación serial que es popular en instrumentos analíticos y científicos, así como para controlar periféricos como impresoras. A diferencia de GPIB, con la interfaz RS-232, es posible conectar y controlar solo un dispositivo a la vez. RS-232 también es una interfaz relativamente lenta con velocidades de datos típicas de menos de 20 KB/s. RS-232 es más adecuada para aplicaciones de laboratorio compatibles con una conexión más lenta y menos robusta. Funciona con una fuente de alimentación de ±24 voltios.
El escaneo de límites se puede implementar como un bus de interfaz a nivel de PCB o de sistema con el fin de controlar los pines de un CI y facilitar las pruebas de continuidad (interconexión) en un objetivo de prueba (UUT) y también las pruebas de clúster funcionales en dispositivos lógicos o grupos de dispositivos. También se puede utilizar como una interfaz de control para otros instrumentos que se pueden integrar en los propios CI (consulte IEEE 1687) o instrumentos que forman parte de un sistema de prueba controlable externo.
Una de las plataformas de sistemas de prueba desarrolladas más recientemente emplea instrumentación equipada con procesadores de scripts de prueba integrados combinados con un bus de alta velocidad. En este enfoque, un instrumento "maestro" ejecuta un script de prueba (un pequeño programa) que controla el funcionamiento de los diversos instrumentos "esclavos" en el sistema de prueba, al que está vinculado a través de un bus de comunicación entre unidades y sincronización de disparadores basado en LAN de alta velocidad. La creación de scripts consiste en escribir programas en un lenguaje de scripts para coordinar una secuencia de acciones.
Este enfoque está optimizado para transferencias de mensajes pequeños, características de las aplicaciones de prueba y medición. Con muy poca sobrecarga de red y una velocidad de datos de 100 Mbit/seg, es significativamente más rápido que GPIB y 100BaseT Ethernet en aplicaciones reales.
La ventaja de esta plataforma es que todos los instrumentos conectados se comportan como un sistema multicanal integrado de forma estrecha, de modo que los usuarios pueden escalar su sistema de prueba para que se ajuste a la cantidad de canales que necesiten de forma rentable. Un sistema configurado en este tipo de plataforma puede funcionar de forma independiente como una solución completa de medición y automatización, en la que la unidad maestra controla la obtención de datos, la medición, las decisiones de aprobación/rechazo, el control del flujo de la secuencia de prueba, la clasificación y el controlador o sonda de componentes. La compatibilidad con líneas de activación dedicadas significa que se pueden lograr operaciones sincrónicas entre varios instrumentos equipados con procesadores de secuencias de comandos de prueba integrados que están vinculados por este bus de alta velocidad sin necesidad de conexiones de activación adicionales. [9]