Ein Sinn für Pulse

Todd Stocker, Keithley Instruments, Cleveland (USA)

In den letzten Jahren wurden eine Reihe neuer Testverfahren für diese Herausforderungen entwickelt. Eines dieser Verfahren ist der Pulstest. Derartige Pulstester lassen sich vielfältig einsetzen. Zum Beispiel für den Test fortschrittlicher Halbleiter- und HF-Bauteile für schnelle serielle Kommunikationsverbindungen.

Beim Pulstest wird ein einzelner Puls in das Testobjekt eingespeist. Dieser Puls wird für den Test unterschiedlicher Dinge genutzt, wie beispielsweise für einen Pulsantworttest eines Bauteils zur Bestimmung der Übertragungsfunktion, wodurch sich das zu prüfende Material charakterisieren lässt.

Puls- oder Pattern-Generatoren werden in unterschiedlichsten Anwendungen sowohl im Labor, als auch in der Fertigung eingesetzt. Die Charakterisierung von Bauteilen erfolgt in der Forschung oftmals mit einem Puls, einer Pulsserie oder bestimmten Datenmustern mit einer vorgegebenen Pulsrate. Derartige Puls- oder Pattern-Generatoren werden oft in Testsystemen eingesetzt, die darüber hinaus auch SMUs, Digitalmultimeter, Voltmeter, Schaltlösungen und Oszilloskope beinhalten.

Die Nachfrage nach Pulsquellen hat im Laufe der Zeit stetig zugenommen. Die immer kleineren Bauteile, neuen Materialien und komplexeren Designs sind zunehmend empfindlicher, weisen eine höhere Leistungsdichte auf und zeigen neue Ausfallmechanismen, was enorme Auswirkungen auf die Bauteillebensdauer hat. Dies ist teilweise auch auf die heute erforderliche höhere Arbeitsgeschwindigkeit der elektronischen Schaltungen zurückzuführen. Wegen der hohen Arbeitsgeschwindigkeiten sind Testlösungen notwendig, die Takt- und Datensignale mit der aktuellen Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung simulieren können.

Auch die analogen Komponenten in diesen Schaltungen zeigen bei höheren Geschwindigkeiten ein anderes Verhalten, so dass sie nicht mehr mit traditionellen DC-Methoden bei DC charakterisiert werden können. Durch die Erzeugung von äußerst kleinen Pulsen mit nur wenigen Nanosekunden lassen sich die Probleme der DC-Testverfahren vermeiden. Somit sind gepulste Testsignale erforderlich, um diese Komponenten zu charakterisieren.

Ebenso werden auf Grund der immer kleineren Komponenten die Puls-Testverfahren zunehmend wichtiger. Kleinere DUTs sind anfälliger für eine Eigenerwärmung, welche die Bauteile zerstören oder schädigen können. Auch kann das Testobjekt eine andere Antwort auf die Testsignale zurücksenden und damit nicht so reagieren wie es der Anwender eigentlich erwartet. Besonders bei Nanoelektronik erfolgt heute die Charakterisierung normalerweise mittels eines Pulstests.

Fortschrittliche IC-Technologien enthalten neue Materialien und Ausfallmechanismen, für die traditionelle DC-Testverfahren nicht leistungsfähig genug sind. Die Grenzen der DC-Methoden werden bei der Messung des Charge-Trapping-Verhaltens der Gate-Dielektrikas von Halbleiterbauteilen erreicht. Ein Problem sind dabei die relativ langen Messzeiten dieser DC-Verfahren.

Bei der Bauteilentwicklung zeigen Strukturen wie Ein-Elektronen-Transistoren (SETs), Sensoren und andere experimentelle Bauteile oft einzigartige Eigenschaften. Die Charakterisierung dieser Eigenschaften, ohne dass diese Strukturen geschädigt werden, erfordert Systeme mit einer genauen Stimulussteuerung, um eine Eigenerwärmung dieser Bauteile zu verhindern.

Mittels Spannungsimpulse lassen sich viel schmalere Pulsbreiten erzielen, als mit Stromimpulsen, somit werden diese oft n Experimenten wie der thermischen Ableitung genutzt, in der das interessierende Zeitfenster nur wenige hundert Nanosekunden groß ist.

Um die an das Bauteil übertragene Energiemenge genau steuern zu können, sind eine hohe Amplitudengenauigkeit sowie programmierbare Anstiegs- und Abfallzeiten notwendig.

Drei Punkte bei der Auswahl eines Puls/Pattern-Generators sind besonders wichtig: die Flexibilität, die Signalqualität und eine einfache Nutzung.

Ein guter Pulsgenerator muss eine hohe Flexibilität bieten. Nur so lassen sich alle entscheidenden Signalparameter wie Amplitude, Offset, Anstiegs- und Abfallzeiten, Pulsbreite und Tastverhältnis des Ausgangssignals einstellen. Abhängigkeiten bei diesen Parametern können die Flexibilität des Instruments einschränken. Wenn ein Parameter geändert wird, dürfen sich die anderen Parameter nicht ändern. Wird zum Beispiel die Anstiegszeit des Pulses eingestellt, dann darf sich die Pulsamplitude nicht verändern. Nur wenn sich die entscheidenden Signalparameter umfassend steuern lassen, ist das Instrument flexibel in unterschiedlichsten Anwendungen nutzbar.

Der zweite wichtige Aspekt ist die Signalqualität. Durch ein zu hohes Überschwingen oder eine hohe Dachschräge des Pulses kann das Instrument für bestimmte Anwendungen ungeeignet sein. Diese unerwünschten Effekte können durch den Testaufbau und die Verkabelung der jeweiligen Anwendung zudem verschlechtert werden. Diese Herausforderungen lassen sich durch die Auswahl eines Instruments, das diese Effekte minimiert, vermeiden. Instrumente, die äußerst kurze Pulse generieren können, in der Größenordnung von wenigen Nanosekunden, und eine straffe Kontrolle der entscheidenden Signalparameter erlauben, sind besonders für den Test empfindlicher Bauteile geeignet. Neben der Signalqualität sollten auch die Spezifikationen des Geräts betrachtet werden. So werden Parameter wie die Anstiegs- oder Abfallzeit von manchen Herstellern von 10 % bis 90 %, von anderen dagegen von 20 % bis 80 % spezifiziert. Bei 20 % bis 80 % weist ein langsamerer Puls eine schnellere Anstiegszeit auf. Die Signalqualität ist bei einer lockereren Spezifikation damit entsprechend geringer.

Eine einfache Verwendung ist ein weiterer wichtiger Faktor, der allerdings oftmals übersehen wird. Zum Beispiel ist ein Gerät durch eine intuitive Touchscreen-Bedienerschnittstelle sowohl für erfahrene HF-Testingenieure als auch für ungeübte Anwender einfach einsetzbar.

Beim Test von Halbleiter- und Nanotechnologie-Bauteilen, sowie von sehr schnellen Komponenten liegen meist sehr strenge Budget- und Time-to-Market-Einschränkungen vor. Allerdings dürfen diese keine Kompromisse hinsichtlich der Messqualität, des Platzbedarfs oder der einfachen Verwendung erfordern. Die Entwickler benötigen vielmehr Testinstrumente, wie Pulsgeneratoren, die ihre Anforderungen sowohl für die heutigen als auch die künftigen Testaufgaben erfüllen.

EPP 454