应对日益严格的设计裕量要求的

应对日益严格的设计裕量要求的测试技术

作者：

• Duane Lowenstein - 是德科技解决方案研究员
• Matthew Woerner - 是德科技高级计量学家

摘要

我们每个人面临的首要问题几乎与程序、技术或功能无关，而是要满足对更严格设计裕量日益增长的需求。这不仅将设计人员及其仿真工具推到了悬崖边上，还使得测试和测试策略始终落后于不断增长的测量需求。这样带来的结果是良率降低，虚假不合格情况增加，从生产到仓库支持出现的问题越来越多。为实现准确和可重复的测量，必然需要开发更优异的测试策略、测试流程和测试技术，而这也将迅速成为未来技术的限制因素。做不到这一点的话，质量、测试和支持的成本将失去控制。最重要的是，设计裕量越来越严格将是大势所趋，为顺应这一趋势，现在开发测试方法正当其时。

本文将针对裕量叠加、它在整个项目/产品生命周期中产生的连锁反应及其对成本、进度和范围的影响等基本问题展开讨论。本文会考虑在发展与运营之间建立更密切关系的需求，以最大限度地缩小理论与现实之间的距离，并确保在制造过程中实现期望的成功。我们不仅会从产品角度来讨论测量不确定度，还会从测试设计、测试实施和测试运行角度进行探讨。我们将概要性地介绍测试系统校准方

法，以便您了解仪器以及被测器件（DUT）与测试系统之间互连的限制。我们还会概要性地介绍从测试设计、测试系统设计、测试数据分析和测试支持等方面改善测试策略的方法。

引言

在过去 35 年中，电子制造业与其他行业一样，无时无刻不在发生着变化。在描述制造目标时，我们经常用到更小、更快、更便宜、灵活、可重复、可预测等字眼。虽然我们的目标从未改变，但在实现目标的过程中遇到的障碍却是各种各样的。通过提高元器件品质、改善过程控制、实施更好的 DFx（面向制造的设计、面向质量的设计、面向测试的设计、面向装配的设计等），我们已经克服了许多障碍。但是现在，我们遇到了最大的障碍：裕量叠加。

尽管裕量叠加一直存在，但直到最近它才真正成为影响设计的重要因素。更好的电子设计和仿真工具的出现使得工程师能够突破性能的局限。与此同时，消费者不仅希望这些电子产品具备更好的性能，还要更小巧、更轻便、更节能、更可靠，并且价格相比上一代产品也要显著降低。设计理论与制造和验证这些产品的实际能力之间存在差距，而且还在不断扩大。

众所周知，测试是连接理论与实际的桥梁。事实上，测试是我们唯一可以收集数据的手段，根据这些数据，我们不仅可以判断差距的大小，还可以预测差距并将其缩短到最小。从图 1 中我们可以看到，测试对设计与制造之间的信息交流发挥了何种不可或缺的作用。测试所起的作用并不新奇。真正的变化是认识到我们必须改变测试内容、测试方式和测试位置，才能获得准确、可重复的重要数据，让设计理论更接近实际制造能力。但是，这不一直都是测试的任务吗，为什么裕量叠加会成为问题呢？

揭示裕量叠加问题，最简单的方法是以俄罗斯套娃为例。套娃是一组色彩艳丽的木制娃娃，它们一个比一个小，小娃娃可以放到大娃娃里面。我们常常可以看到多达 10 到12 个娃娃一组的套娃，每个娃娃的大小不一。那么，套娃与裕量叠加有什么关系？套娃中的每个娃娃都有轮廓复杂的形状，而且每个娃娃的形状都一样，但尺寸要比它套入的大娃娃正好小那么一点点。如果在制作娃娃的时候容差太小，那么娃娃要么没法一个套一个，要么就很难分开，用力过大会破坏掉木头上的彩绘装饰。另一方面，如果容差太大的话，它们一个个套起来很容易，可是在移动娃娃时，由于间隙过大，它们会互相摩擦，同样会破坏彩绘装饰。图 2 显示了当前与俄罗斯套娃相似的电子产品制造过程。我们举这个例子是帮助您理解从芯片到元器件，再到微电路、电路板、子组件和最终产品不断叠加的容差。如果容差太小，会出现产品不合格的情况；而如果容差太大的话，则可能达不到客户所需的技术指标。

裕量的连锁反应

如果裕量叠加是我们要扫除的下一个大障碍，它会给整个项目/产品生命周期带来什么样的连锁反应？会给成本、进度和范围造成怎样的影响？第一个也是最直接的影响是成本。成本的主要驱动因素是质量1，特别是测量不确定度的影响。所有测量都存在一定的不确定度。那么问题就变成了不确定度是多大？您是否可以对它进行计算？它是否固定不变？不确定度如何体现？

在进行测量时，我们可能得到四种结果。第一种结果是，部件是良品，测试合格，这是最好的结果。第二种结果是，部件是不良品，测试不合格。这虽然不是最好的结果，但它准确告诉我们发生了什么，我们可以根据这个结果改进工艺。第三种结果是，部件是良品但测试不合格，有时称为虚假不合格。在这种情况下，测量不确定度会人为地增加维修成本和报废数量，从而不必要地增加成本。最后也是最差的一种结果是，部件是不良品但测试合格，有时称为遗漏的不合格。这种结果有时会归类为未发现问题。这里的成本表现为更高的客户退货率和更高的保修成本，这会有损供应商的声誉。图 3 显示了这四种场景以及它们的表现方式。

后两种测试结果中的任何一种对于企业来说都意味着高昂的成本，但通过在设计流程的早期了解裕量情况，我们可以尽量控制它们带来的成本。在当今的大多数情况下，它们不仅使得利润率下降，还影响到了产品上市时间指标/目标。测量的复杂程度以及测量背后的技术不断发展。一个测试工作站的设计、建造、编程和验证往往可能需要长达一年的时间。如果这项工作与实际的产品/程序设计同时进行，那么可能不会成为问题。但实际情况是，测试设计最早也只能从产品的“模拟板试验”开始，这已经是设计阶段中间的环节。最终，测试成为推出新产品的瓶颈。

究其根本原因，客户需要产品更快速、更小巧、更轻便、更节能、功能更多、噪声更低等等。随着新型计算机的计算能力变得越来越强大，在仿真工具中进行设计的能力也日益增强。当然，我们也可以采用理论上可能的产品，以可重复、可预测的方式大量生产。这非常像建筑师与建筑工人之间的紧张关系。建筑师的任务是设计出有创意的结构，令我们叹为观止，并且似乎可以突破我们对物理学的理解。而建筑工人需要找到合适的材料，用其建设结构安全、合理的建筑。

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