Gerd Van den Branden is sectiemanager systeemontwikkeling bij On Semiconductor in Mechelen.

2 January 2016

Samen met National Instruments en diens partner Sisu Devices heeft de Mechelse vestiging van On Semiconductor een nieuwe testoplossing ontwikkeld voor zijn geavanceerde beeldsensoren. Het systeem, een combinatie van off-the-shelf componenten en modules op maat, overtreft alle commercieel beschikbare alternatieven, aldus Gerd Van den Branden van On Semi.

Bij On Semiconductor in Mechelen zijn we gespecialiseerd in high-end beeldsensoren voor een breed scala aan toepassingen, waaronder film, industrie, medisch en ruimtevaart. We ontwikkelen bijvoorbeeld cmos-beeldchips die hoge framesnelheden tot in het kilohertzgebied combineren met megapixelresolutie. Hun output bieden ze aan op een batterij nauwkeurige, high-speed parallelle en seriële digitale uitgangen.

Om te kunnen blijven voldoen aan de hoge kwaliteitsstandaarden, hadden we nood aan een high-end, schaalbare en voordelige mixed-signal automated test equipment-oplossing, ofwel een ate, waarmee we wafers kunnen sorteren en een eindtest kunnen uitvoeren op onze nieuwe generatie beeldchips. Het ate-systeem moest een zeer krachtig platform zijn dat de stimuli kan leveren voor de sensoren en tevens overweg kan met de extreem hoge datasnelheden, de statische en dynamische parametrische testfunctionaliteit en de gigantische beeldverwerkingskracht. Bovendien moet het kunnen meegroeien met de toekomstige producteisen.

De bestaande testers in de markt konden niet aan de gestelde eisen voldoen, althans niet zonder significante modificaties. Daarbij wilden we niet nog eens zelf een oplossing bedenken en ontwikkelen. Na een onderzoek op de test- en meetmarkt hebben we National Instruments gevraagd om te komen met een voorstel.

Flexibel platform

In de bestaande situatie gebruikten we een zeer specifieke set-up met meerdere in eigen beheer ontwikkelde fpga-kaarten om karaktiseringstests uit te voeren. De snelheid van de datastreaming liet echter te wensen over. En omdat we de beelden op de volledige framesnelheid vastleggen, hadden we te maken met aanzienlijke testtijden.

 advertorial 

The waves of Agile

Derk-Jan de Grood has created a rich source of knowledge for Agile coaches and leaders. With practical tips to create a learning organization that delivers quality solutions with business value. Order The waves of Agile here.

Het PXI Express-platform van NI leek een veelbelovende oplossing die een aantal van deze problemen zou kunnen ondervangen, maar het kende één groot nadeel: het kon de intensieve datadoorvoer die onze chips kunnen produceren niet aan. Anderzijds is het een open en modulair systeem, waardoor verschillende leveranciers aangepaste modules naar onze wens zouden kunnen ontwikkelen, bijvoorbeeld voor on-board processing.

We hebben toen besloten om NI’s architectuur voor PXI en PXI Express als basis te nemen en de benodigde extra bouwstenen op maat te laten maken.

On Semi Piston 02

Hiermee hebben we een hardwareplatform dat flexibel genoeg is om te kunnen groeien met veranderende wensen en eisen in toekomstige applicaties. Die flexibiliteit is voor ons heel belangrijk omdat we uiteenlopende tests moeten uitvoeren op steeds complexer wordende ic’s, terwijl we moeten blijven voldoen aan markteisen voor bijvoorbeeld kosten en time-to-market.

In de wandelgangen

Het toeval wilde dat ze bij NI op dat moment net bezig waren met de ontwikkeling van het Semiconductor Test System (STS). Ze hebben ons enkele ontwerpen voor de productietester getoond en inzage gegeven in de specifieke technische eisen. Hoewel niet ontwikkeld met onze applicatie in het achterhoofd bleek het STS T4-systeem al een heel eind in de goede richting te liggen. Om het helemaal naar onze wens te maken, bracht NI ons in contact met een van zijn partners, Sisu Devices.

Gedrieën hebben we vervolgens nauw samengewerkt aan een oplossing die off-the-shelf componenten combineert met maatwerk waar nodig. Hierbij hebben we meerdere door ons gespecificeerde aanpassingen geïmplementeerd in de STS T4-core om het systeem te optimaliseren voor het testen van onze beeldsensoren. Sisu heeft ons ondersteund in het mechanische ontwerp en de thermische huishouding. NI heeft ons onder meer geholpen bij het beantwoorden van onze vragen rond de ontwikkeling van custom PXI-modules en de systeemsynchronisatie.

Voorgaande tester Piston
Bandbreedte device under test 1,9 GB/s 51 GB/s
Bandbreedte beeldoverdracht 50 MB/s 4 GB/s
Aantal kanalen 192 680
Parallellisme 1 64

Het resultaat is een testoplossing die we in de wandelgangen wel de Pretty Image Sensor Tester van On Semiconductor noemen, kortweg Piston. Het systeem combineert NI’s PXI- en PXI Express-gebaseerde modulaire instrumentatie met een PXI Express-timingeenheid, een PXI Express-framegrabber en synchronisatiemodules die we bij On Semi hebben ontwikkeld. Het biedt onder meer een snelheid van 1,2 Gb/s op elk van de 680 i/o-pinnen van het device under test, configureerbare i/o-standaarden over een spanningsgebied van -2 tot 6,5 V, meerdere 24 bit analoge datakanalen, een gewaarborgd testtemperatuurbereik van -40 tot 125 graden Celsius en 100 procent correlatie ten opzichte van de karakteriseringsresultaten.

On Semi Piston 03
De Piston-tester in de cleanroom van On Semi met een aangesloten kalibratiekaart

Op alle fronten

De Piston staat nu al meer dan een jaar op de productievloer en de resultaten en ervaringen met het systeem zijn fantastisch. Niet alleen kunnen we ons volledige productportfolio testen zonder een enkel compromis, maar we zien ook een aanzienlijke reductie in testtijd. Daarbij hebben we de voordelen van de verbeterde prestaties met onze i/o-beeldoverdrachtsbandbreedte. Zie de tabel voor details.

In het jaar dat de Piston in gebruik is, heeft het systeem de initiële kosten aan hardware en ontwikkeling al terugverdiend. Het overtreft alle commercieel beschikbare alternatieven op alle fronten, in termen van kosten, bandbreedte, doorvoersnelheid en productieflexibiliteit. Op basis van deze ervaringen zijn wij ervan overtuigd dat we het succes kunnen waarborgen met de implementatie van toekomstige testers.

Edited by Nieke Roos