Brevet FR2820213A1 — publié le 20020802

Dispositif d'alimentation électrique pour une installation de tests de composants L'invention concerne le domaine des tests non destructifs de composants électroniques. Elle concerne plus particulièrement le domaine des installations pour tester de tels composants. Les performances des puces électroniques, notamment des microprocesseurs, augmentent en permanence. Actuellement, les intensités électriques que sont censés supporter ces composants dépassent des seuils sans cesse croissants, et pendant des durées de plus en plus longues. Pour effectuer correctement les tests sur de tels composants, on recherche des dispositifs d'alimentation électrique, notamment en courant, qui permettraient d'atteindre rapidement de telles intensités et pendant des durées suffisamment longues. La présente invention vient améliorer la situation. Elle propose à cet effet un dispositif d'alimentation électrique pour une installation de tests de composants électroniques. Le dispositif comprend une première et une seconde source d'alimentation, ainsi qu'un module de commande couplée des deux sources. Selon une caractéristique générale de l'invention, la première et la seconde source comprennent respectivement : - un module d'amplification haute fréquence capable de débiter une première intensité pendant un premier intervalle de temps, et - un module d'amplification basse fréquence capable de débiter une seconde intensité pendant un second intervalle de temps plus long que le premier intervalle ; le module de commande, pour atteindre rapidement et maintenir une intensité de l'ordre de ladite première intensité, activant d'abord la première source, puis la seconde source. Avantageusement, le module de commande comprend un organe de mesure apte à mesurer un paramètre électrique en sortie de la première source, pour activer la seconde source en fonction de la valeur dudit paramètre mesurée. Préférentiellement, le courant débité par la seconde source est destiné à remplacer le courant débité par la première source. En complément ou en variante, l'organe de commande est agencé pour activer les deux sources à la fois, au moins pendant une durée transitoire choisie, tout en maintenant une intensité de courant délivré sensiblement stable. Préférentiellement, la première source comprend un amplificateur linéaire haute fréquence et la seconde source comprend une alimentation à découpage ou PWM, de sorte que la première source présente un front de montée en courant d'alimentation plus raide que le front de montée en courant d'alimentation de la seconde source, permettant au dispositif selon l'inven- tion de délivrer environ 200 ampères en moins de 500 nanosecondes, de préférence 200 nanosecondes. Avantageusement, le dispositif comprend en outre une troisième source propre à délivrer un courant, préférentiellement de mesure, sensiblement plus faible que le courant que délivre la seconde source. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après et à l'examen des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente une installation de test de composants électroniques COMP ; - la figure 2 représente très schématiquement un dispositif d'alimentation électrique de cette installation ; - la figure 3 représente les variations temporelles des intensités des courants que délivrent respectivement les éléments du dispositif de la figure 2, ainsi que la variation temporelle de la tension appliquée aux composants à tester (DUT Voltage) ; - la figure 4 représente de façon plus détaillée le dispositif dans une forme de réalisation préférée de l'invention ; et - la figure 5 représente de façon détaillée les circuits prévus pour le dispositif dans cette forme de réalisation préférée. La description détaillée ci-après et les dessins annexés contiennent pour l'essentiel des éléments de caractère certain. Ils pourront non seulement servir à mieux comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. Dans ce qui suit, la présente invention est décrite dans le cadre d'une installation pour tester des composants. Cepen- dant, d'autres applications peuvent être envisagées, notamment des dispositifs d'alimentation pour tests d'endurance, contrôles d'entrées, appareillage de laboratoire, etc. Dans le domaine des tests, en production ou en caractérisation, notamment de composants CMOS mixtes (analogiques/ numériques) à très grande échelle d'intégration, et plus spécialement les composants fonctionnant avec des courants élevés tels que des microcontrôleurs ou des microprocesseurs, une installation de tests (figure 1) comprend généralement : - un ordinateur ou tout autre plate-forme de station de travail qui est le poste de travail PC permettant à un opérateur de préparer, au moyen d'un logiciel approprié (tel que le logiciel développé par la Demanderesse et commercialisé sous la marque ASAP), des séquences de tests qu'il entend effectuer sur les composants électroniques, par exemple en sortie d'une chaîne de fabrication, afin d'en vérifier le bon fonctionnement ; - une baie électronique BA, reliée à l'ordinateur par une unité centrale (non représentée) et capable de générer la séquence de tests préparée par l'opérateur et à comparer les réponses obtenues aux réponses prévues à l'avance dans le cadre d'un fonctionnement conforme des composants ; et - une tête de mesure T dans laquelle sont disposés les composants électroniques COMP à tester. Par ailleurs, la baie électronique BA comprend un sousensemble d'alimentation ALIM, constitué d'autant de circuits d'alimentation qu'il est nécessaire pour alimenter les composants sous test. Chaque circuit d'alimentation est destiné à fournir aux composants électroniques COMP un courant d'alimentation dans une gamme donnée sous une tension nominale de polarisation, + 3 volts par exemple. Plus précisément, les composants à tester ici sont alimentés en tension, mais il est plus avantageux de contrôler leur courant"d'alimentation". C'est pourquoi l'on décrit ci-après des"sources d'alimentation"en courant. Selon le type de composants à tester, il convient de prévoir des circuits d'alimentation électrique dans le bloc ALIM capables de débiter des courants électriques adéquats. Avec les développements technologiques récents de la micro- électronique, les composants tels que des microprocesseurs ou microcontrôleurs sont de plus en plus performants. En particulier, ils sont censés consommer des intensités électriques élevées (de l'ordre d'une centaine d'ampères), s'ajoutant, le cas échéant, à un courant établi (qui peut être lui aussi égal à une centaine d'ampères), et ce, par variations brusques. En effet, ces variations d'intensité sont rapides, typiquement de l'ordre de quelques nanosecondes. Les alimentations de la technique antérieure n'ont jamais eu à fournir des intensités aussi élevées en si peu de temps. Pour des microprocesseurs dont la fréquence de travail est maintenant dans la gamme des GHz, il faut prévoir des alimentations dans des installations de tests qui soient capables de délivrer de telles intensités en des temps aussi brefs. Plus précisément, la tension d'alimentation du composant à tester doit être contrôlée et correctement régulée pour que les tests soient efficaces, même si les variations d'intensité en courant sont rapides et importantes. Ce contrôle s'effectue avantageusement par le biais du contrôle de la tension mesurée directement aux bornes du composant. Dans les circuits de tests de la technique antérieure, on utilise généralement des amplificateurs linéaires, lesquels sont parfois de type haute fréquence (HFLA). Ces amplificateurs linéaires permettent de réguler la tension en fournissant un courant dans un intervalle de temps de l'ordre de la microseconde. Cependant, le rendement de ce type d'alimentation est relativement faible (environ 50 %). Par ailleurs, si les intensités de courant souhaitées sont trop importantes (quelques dizaines à une centaine d'ampères), de tels courants ne peuvent être débités que pendant des durées restreintes (pendant quelques dizaines de microsecondes seulement). D'autres sources d'alimentation connues fonctionnant davantage en basse fréquence, concernent particulièrement les alimentations à découpage (ou PWM, pour"PULSE WIDTH MODULATION"). Même si cette alimentation présente un meilleur rendement (environ 85 %), elle est bruitée, lente (10 à 50 kHz) et très difficile à réguler en basse tension. La solution préférée dans l'état de la technique récent consiste en l'utilisation d'alimentations HFLA, notamment pour sa rapidité de réaction. Cependant, pour tester des composants qui admettent des intensités élevées, il devrait être prévu un dispositif de refroidissement en conséquence, ce qui, en termes de performances, de miniaturisation et de coût, devient prohibitif. La Demanderesse s'est alors posé le problème de fournir un dispositif d'alimentation de puissance à courant élevé dont les performances permettent de maintenir une tension très stable appliquée aux composants à tester, dans des conditions de tests nécessitant des sauts de courant très importants. De plus, ce dispositif d'alimentation, incluant le système de connexion au composant à tester, doit, de préférence, comporter un nombre minimum de résistances et d'inductances, susceptibles de limiter les performances dynamiques du dispositif. Le dispositif d'alimentation est avantageusement disposé au plus près (en termes de distance) du composant à tester. Typiquement, il est recherché un dispositif d'alimentation capable de délivrer environ 200 ampères, pour une tension d'alimentation de 0,4 à 3 volts, avec une vitesse de réponse maximale dans la gamme des dizaines de nanosecondes. On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire un dispositif d'alimentation selon l'invention. Globalement, le dispositif comprend une première source de courant il, constituée d'un amplificateur linéaire à haute fréquence HFLA, ainsi qu'une seconde source de courant i2, basse fréquence BF. L'alimentation basse fréquence BF du dispositif comporte préférentiellement deux blocs PWM et LCM qui peuvent être sélectionnés l'un ou l'autre pour alimenter le composant COMP. La source PWM est capable de délivrer en quelques microsecondes des intensités relativement élevées. La source LCM comprend un amplificateur linéaire et délivre de faibles courants. Préférentiellement, ces faibles courants correspondent à des courants de mesures typiquement inférieures à 5 ampères qui permettent d'obtenir une grande précision du fait d'une gamme de faible étendue. En fonctionnement normal, une tension d'alimentation V est appliquée au bloc HFLA, lequel réagit rapidement en délivrant un courant il en quelques centaines de nanosecondes, typiquement de 200 nanosecondes. Un capteur Cl (figure 4) mesure le courant il que délivre le bloc HFLA. Ce capteur est relié à un module de commande COM (figure 4) en tension d'alimentation U du bloc BF. Typiquement, si la mesure de il indique qu'une alimentation supplémentaire en courant i2 est nécessaire, le bloc BF est actionné et délivre l'intensité i2 qui s'additionne dans un premier temps à l'intensité il, la somme de ces deux intensités alimentant alors le composant COMP à tester. Dans un second temps, le bloc BF alimente seul le composant à tester COMP, sans le courant il. En revanche, si la mesure de il indique que le pic d'intensité délivrée par le bloc HFLA a suffi pour l'alimentation du composant COMP, la seconde source (bloc BF) reste inhibée (U = 0 volt). Sur la figure 2 apparaît en outre un circuit accumulateur (ou capacité C), normalement alimenté et chargé par le dispositif d'alimentation formé des deux sources HFLA et BF. Lorsqu'une variation d'intensité de courant se produit au niveau du composant COMP, le circuit accumulateur se décharge et alimente ainsi le composant COMP en courant ic. Ainsi, le composant COMP peut être alimenté, à la fois, par la capacité C, par la première source HFLA et par la seconde source BF. Sur la figure 2, le circuit accumulateur est représenté schématiquement sous la forme d'une capacité C, mais l'on pourra se référer à la figure 5 pour trouver un exemple de réalisation détaillé de ce circuit C. Les composants actuels tels que les microprocesseurs, lors de leur fonctionnement, ont besoin de courants d'alimentation très élevés (de 100 à 200 ampères), mais aussi de courants d'alimentation faibles par exemple lorsqu'un microprocesseur d'un ordinateur doit fonctionner en mode dit"de veille". Dans ce cas, les courants d'alimentation sont voisins de 0,5 à 1 ampère. Tant que la demande en courant du composant de test n'excède pas une valeur seuil, par exemple de 5 ampères, le bloc LCM peut être sélectionné, à partir du commutateur SW (dans l'exemple représenté schématiquement sur la figure 2). En revanche, si la demande en courant excède cette valeur de 5 ampères, le bloc PWM est sélectionné à l'aide du commutateur SW. Dans une réalisation avantageuse, la commutation entre le bloc PWM et le bloc LCM est commandée à partir d'une mesure du courant il en sortie du bloc haute fréquence HFLA. Si la valeur de il mesurée est inférieure à 5 ampères, c'est le bloc LCM qui est activé et l'intensité i2 délivrée est dans une gamme qui correspond à cette valeur. En revanche, si la valeur mesurée de il est supérieure à 5 A, c'est le bloc PWM qui est activé pour fournir une intensité i2 supérieure à 5A. On se réfère maintenant à la figure 3 pour décrire les réactions respectives du bloc HFLA, du bloc PWM et de la capacité C du dispositif d'alimentation, à une demande d'alimentation en tension V. En quelques centaines de nanosecondes, le courant il que délivre le bloc haute fréquence HFLA passe de 0 à plus de 100 ampères (en 200 nanosecondes dans l'exemple représenté). Le courant il que débite le bloc HFLA chute en quelques microsecondes et le bloc PWM, pendant ce temps, débite l'intensité i2. On remarque sur la figure 3 que le front de montée en intensité du courant i2 est beaucoup moins raide que la montée du courant il. De plus, la capacité C se décharge et délivre le courant ic. En se référant à la figure 3 (graphique intitulé"Power Supply current"), la somme des trois courants il, i2 et ic correspond au courant demandé par le composant COMP. Ce courant demandé (représenté par le graphique de la figure 3 intitulé"Dut Current step") présente une variation d'intensité d'environ 100 ampères en quelques centaines de nanosecondes, par rapport à un courant établi qui peut être égal à 100 ampères. La tension effectivement appliquée et mesurée sur le composant à tester se stabilise en quelques microsecondes (variation représentée sur le graphique intitulé"Dut Voltage"de la figure 3). Le contrôle des courants il, i2 que débitent les sources de courant permet ainsi de maintenir une tension aux bornes du composant COMP dont la stabilité respecte les conditions requises. Les quelques pseudo-oscillations après le pic de tension sont principalement dus aux inductances et capacités parasites du circuit. On se réfère maintenant à la figure 4 pour décrire de façon plus détaillée un mode de réalisation préféré du dispositif d'alimentation selon l'invention. La régulation de tension d'alimentation en boucle s'effectue en détectant la tension sur le composant à tester et en la comparant avec la tension d'alimentation programmée qui est souhaitée. Le résultat de cette comparaison Verr est appliqué au bloc HFLA. Ce bloc comprend un amplificateur linéaire large bande, avec une structure de type dit"PUSH/PULL"qui permet une réponse très rapide. C'est en fonction du signal d'erreur Verr en tension que l'amplificateur linéaire HFLA est commandé. Le courant de sortie du bloc HFLA est mesuré par le capteur Cl puis appliqué préférentiellement à un amplificateur passe-bas pour être comparé à une valeur 0 ampère de référence. Le résultat de cette comparaison est envoyé au module PWM, lequel fournit le courant i2 en remplacement du courant il. Préférentiellement, le bloc PWM comprend un convertisseur MPBS (pour"multi-phase buck switcher") qui est régulé en mode dit "courant moyen". En se référant à la figure 5, le bloc MPBS est régulé en utilisant deux boucles : - l'une, régulée en courant, est basée sur la détection d'un courant moyen de sortie ; - l'autre boucle consiste à mesurer le courant de sortie du bloc HFLA et contrôle ainsi le courant de sortie du bloc PWM en commandant, le cas échéant, l'annulation du courant en sortie du bloc HFLA. Le bloc PWM délivre le courant moyen correspondant i2, à la place du bloc HFLA qui a délivré le courant il. Ainsi, après quelques centaines de nanosecondes d'activation du bloc HFLA, le bloc PWM prend le pas sur le bloc haute fréquence HFLA. De manière à obtenir une réponse très rapide en courant, lorsque l'alimentation du composant COMP doit fournir une variation brusque, une mesure du courant à proximité du composant à tester est utilisée. Dans une réalisation préférée, cette mesure est effectuée par le bloc HFLCC de la figure 5, ce bloc permettant un contrôle en boucle du courant de charge. En parallèle avec le bloc PWM, le bloc LCM comprend un amplificateur linéaire agencé pour délivrer un courant jusqu'à 5 ampères. Cet amplificateur LCM permet d'effectuer des mesures de faible courant dans une réponse large bande et peut ainsi être utilisé en tant que générateur de faible courant pour effectuer des tests permettant de vérifier la continuité de la connectique jusqu'au composant à tester. En se référant à la figure 5, le bloc LCM délivre un courant dont la valeur en intensité peut être saturée à 5 ampères. Un détecteur d'hystérésis HYS est connecté, d'une part, au bloc LCM et, d'autre part, au bloc de commande du bloc PWM. Ainsi, si la valeur en intensité du courant que délivre le bloc LCM est supérieure à 5 ampères, le bloc PWM est activé. En revanche, si cette valeur en intensité est inférieure à 5 ampères (et donc non saturée), le bloc PWM est inhibé. L'homme du métier trouvera dans la figure 5 d'autres détails de réalisation technique du dispositif dans le mode décrit ci- avant. Ainsi, la régulation en tension, par la commande du courant délivré, s'effectue préférentiellement comme suit. L'amplificateur linéaire haute fréquence délivre un courant d'alimentation pendant quelques dizaines de microsecondes puis ce courant chute. Ensuite, l'amplificateur PWM permet de délivrer un même courant moyen d'alimentation du composant à tester, en utilisant, le cas échéant, un courant de décharge de la capacité C connectée au composant COMP et qui se décharge. Un second amplificateur linéaire capable de délivrer une intensité maximale par exemple de 5 ampères est utilisé pour la mesure des faibles courants. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-avant. Elle s'étend à d'autres variantes. En particulier, la forme de réalisation de l'invention n'est pas limitée à la structure des circuits représentée sur les figures 4 et 5. Revendications 1. Dispositif d'alimentation électrique (ALIM) pour une installation de tests de composants électroniques (COMP), du type comprenant une première (HFLA) et une seconde (BF) source d'alimentation, ainsi qu'un module de commande couplée (COM) des deux sources, caractérisé en ce que la première et la seconde source comprennent respectivement : - une amplification haute fréquence (HFLA) capable de débiter une première intensité (il) pendant un premier intervalle de temps, - une amplification basse fréquence (PWM) capable de débiter une seconde intensité (i2) pendant un second intervalle de temps plus long que le premier intervalle, et en ce que le module de commande (COM), pour atteindre rapidement et maintenir une intensité de l'ordre de ladite première intensité, active d'abord la première source, puis la seconde source. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de commande comprend un organe de mesure (Cl) apte à mesurer un paramètre électrique (il) en sortie de la première source, et en ce que le module de commande est agencé pour activer la seconde source (BF) en fonction de la valeur dudit paramètre mesurée. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la seconde source (BF) comprend une entrée connectable à la sortie de la première source (HFLA). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première source comprend un amplificateur linéaire haute fréquence (HFLA). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde source (BF) comprend une alimentation à découpage (PWM). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second intervalle de temps chevauche sensiblement le premier intervalle de temps. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde sources sont reliées à un circuit accumulateur (C), destiné à être connecté à un composant à tester (COMP) et à alimenter ledit composant (C) pendant une partie au moins dudit premier intervalle de temps. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit accumulateur comprend au moins une capacité (C), et en ce que la première source (HFLA), activée, est agencée pour alimenter le circuit accumulateur (C). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de commande (COM) est agencé pour désactiver la première source (HFLA) sensiblement après l'activation de la seconde source (PWM). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module de commande est agencé : - pour activer la première source (HFLA) qui, dans un premier temps, recharge le circuit accumulateur (C) et délivre le courant au composant, et - pour activer la seconde source (PWM) et désactiver la première source (HFLA) sensiblement dans un second temps. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première source (HFLA) présente un front de montée en courant d'alimentation plus raide que le front de montée en courant d'alimentation de la seconde source (PWM). 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est apte à délivrer environ 200 ampères en moins de 500 nanosecondes, de préférence 200 nanosecondes. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième source (LCM) propre à délivrer un courant sensiblement plus faible que le courant que délivre la seconde source (PWM). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le courant que débite la troisième source (LCM) est un courant de mesure. 15. Dispositif selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de commutation (SW) entre ladite troisième source (LCM) et la seconde source (PWM), propre à activer sélectivement la seconde (PWM) ou la troisième (LCM) source en fonction du courant (il) que débite la première source (HFLA).