從研發到生產——準確測試的解決之道（圖）

來源：上海雙旭電子有限公司 2009年05月05日 21:01

本文介紹了使用集成信號源的測試設備構建從研發到生產過程的測試方案，不僅降低成本，而且具有較高的精度、速度和靈活性

　　新產品從研發到生產都需要通過測試過程。如果研發與生產時所用的測試設備相同，那么測試工作就比較容易完成，但是這要求測試儀器在進行這兩個階段的測試工作時都具有較高的精度、速度和靈活性。

從研發到生產

　　盡管產品在研發和生產過程中的很多電氣測試程序都是相同的，但是它們通常具有不同的優先級。在研發階段，可以詳細地繪出I-V（電流-電壓）數據曲線，并仔細進行分析，而在生產階段，就需要快速地反復測量I-V值，并與若干個標準值進行對比，以判斷該產品是否合格或者該批器件是否可以裝箱。

　　需要搞清楚研發與生產兩個階段I-V測試數據之間的相互關系，以確保產品的各項指標滿足性能和可靠性要求。在生產階段重復使用研發時使用的測試儀器在理論上是可行的，但是如果在選擇設備時沒有考慮到這一點，那么這種方案可能就不現實了。

　　為了保證測試設備在研發和生產階段都能夠發揮良好的性能，必須考慮幾個因素，其中包括（待測試件）所需測試點的數量、靈敏度、復現性、可編程特性以及數據處理能力。

I-V數據采集

　　在研發與生產階段，通過內置直流源的測試儀的測試，可以利用I-V曲線來分析器件和材料的特性。其中可能還需要計算電阻和其他一些由I-V測量結果派生出的參數。例如，可以使用I-V數據分析異常情況、局部的zui大（或zui小）曲線斜率，或者進行可靠性分析。典型的一種應用就是測試半導體二極管的反偏漏流，進行正偏和反偏電壓掃描，測量電流，從而得到其I-V曲線。

　　過去，這些測試工作常常由專門的波形記錄儀來完成（波形記錄儀的本質是一種示波器，其內置的直流源能夠為DUT提供電壓或電流）。現在，很多波形記錄儀都已經被淘汰，還有一些可以買到，價格在15 000～30 000美元之間，甚至更貴。大部分波形記錄儀都無法兼容現代計算機的通信總線，因此必須進行手工操作，甚至只能將數據導出到軟盤上。

圖1 1-V數據圖，用于繪制晶體管曲線簇的數據是很多研發與生產過程中的主要測量目標

　　另外一種辦法就是組合使用各種儀器與PC相連，例如電壓/電流源、DMM（數字萬用表）或者皮可安培計。但是這種辦法需要費很大的精力去調試各個儀器、正確連接信號和觸發電纜以及解決時序問題。

　　使用集成信號源的測試設備可以降低設備成本，更方便地生成I-V曲線。這些高精度的儀器既可以用作帶寬掃描、脈沖發生和鉗位限制（compliance limit）等功能的電壓源或電流源，同時也能夠以很高的精度測量電流和電壓。

數據相關性問題

　　當某種新產品投入生產時，在研發階段進行的一些測量工作也會帶入生產階段，以確保產品滿足性能和可靠性要求。如果研發測試與生產測試之間缺乏協調一致，那么常常會導致嚴重的后果。缺乏相關性是由于多種原因導致的測量不確定性而造成的。一般而言，任何測量數據不確定性中的一半都是由測試儀器造成的。另外一半是由于外部測試環境、輔助硬件和測量技術造成的。如果測量數據來源于不同的測試儀器，那么其測量不確定性將會超過測試環境造成的不確定性。另外，生產環境可能不如研發環境那樣容易控制，從而給測試儀器的測量數據帶來更多的不確定性。

圖2 采用遙測（Remote Sense）終端的四線（Kelvin）連接方式減少了由于測試引線上的壓降而
引入的誤差。為了減少漏流誤差，可以SMU的電壓跟隨器；它在電路中形成了一個低阻搞點，
與受保護的高陰搞點具有幾乎相等的電位，保護檢測（Guard Sense）導線探測該點的電位。

　　因此，當從研發階段進入生產階段時，測試工程師必須考慮測量過程中不確定性（或者變化）因素引入的途徑。此外，他們在這兩個階段還要考慮下列問題：

　　* 精度是否重要？這個問題可能更容易在實驗室的研發初期階段出現。

　　* 測量一定要是可重現的嗎？也就是說，不論值如何，對于某個量的任意次測量都始終得到同樣的結果。這個問題常常出現在生產階段。

　　* 測量需要花多長時間？一般來說，測量速度和精度之間存在一個折中。在生產階段測量速度往往非常重要。

　　不同測量技術、不同測試重點下得到的數據可能具有不同的精度和弱相關性（精度是一個定性的說法。對于一組I-V測量數據而言，精度是指各個波形匹配的程度。失配程度決定了各組測量數據之間的不確定水平）。
　　不同的測試場合使用相同的測試儀器，然后找出誤差來源并將其減至zui小，可以提高測試精度。限制分辨率的主要因素取決于測量電路中的總噪聲。某些噪聲來自于DUT，某些來自于互連線，還有一些來自于測量儀器。

內置信號源的測量儀器特點

　　SMU（source-measurement unit，源測量單元）具有可編程的特性，其中包含了由微處理器控制的雙極性電壓和電流源，某些SMU還提供了高達1kW幅度的脈沖模式。這類SMU能夠提供系列的電壓源，并測量相應的電流，將測量數據存儲到存儲器中直到I-V掃描結束。然后，可以將數據下載到PC中進行處理。

　　選擇合適的SMU需要考慮以下幾點：測量靈敏度、精度/可重復性、速度、可編程硬件/固件特性、軟件/數據處理能力。

靈敏度、精度和重復性

　　SMU能夠同時提供并測量電壓和電流，范圍從μA量級或fA量級到1000V或10A。根據所選擇的信號源與量程，SMU的精度和可重現性大約在 0.025％～0.10％之間。如果由于高電流而在連接線上產生了較大的壓降，可以利用SMU的四線測量功能（在“Sense HI”和“Sense LO”之間測量或控制電壓）來提高精度。某些SMU的固有噪聲電平低達0.4fAp-p，它們的保護電路（如圖2所示）可以容忍電纜和夾具上的雜散漏流造成的測量誤差。當DUT的反偏漏流必須小于某個預定閾值的時候，較高的靈敏度和精度對于生產測試是尤其重要的。對SMU進行編程，使其鉗位限制低于可接受的漏電流值，就可以實現快速的“通過/禁止-通過”測試。

速度/吞吐率

　　生產上選擇SMU應該具備某些能夠加快測試速度的特性。這些特性包括：數字I/O接口可以使用戶將該設備直接連接到器件機械手上實現某些基本的控制功能。SMU和其他測試設備之間的硬連線觸發式鏈路能夠減少外部總線的流量。合適的觸發同步機制能夠確保從信號源產生信號到DUT響應測量之間有足夠的建立時間，但是要保持這一時間為zui小值，以達到盡可能高的吞吐率。

可編程硬件/固件特性

　　很多SMU都具有程序存儲器（也稱為源存儲表），能夠存儲整個測試序列以便用戶調用。這一特征減少了總線流量，因為PC只需要發送一到兩條命令給SMU，啟動某個測試序列即可。利用SMU的數據緩沖可使測量速度達到每秒2000次讀操作。實際的速度取決于信號合成周期，這也是可編程的，以減少測試環境造成的交流周期噪聲。例如，大小僅為0.01PLC（60Hz下，0.01PLC =16.7μs）的A/D合成周期可以提供約4位半的測量分辨率，可以在zui大測量速度下進行生產測試。更長的A/D合成周期可以得到zui大的測量分辨率，用于測量zui的設備指標。

軟件/數據處理

　　SMU制造商提供的軟件能夠增加測試儀器的功能。例如，Keithley提供的LabTracer軟件（如圖1所示）能夠控制四個SMU進行波形記錄。該工具包相比傳統的波形記錄儀具有多種優勢：

　　* 靈活控制多個系列的SMU，表現多種設備的特性；* 每個波形記錄通道擁有各自獨立設定的測量參數；
　　* 該軟件支持多種標準的測試任務，包括記錄晶體管的波形以及記錄四端器件的電氣特性；
　　* 集成了無軟盤的數據采集、分析和存儲功能；數據可以直接導出到電子表格中。

將多功能的SMU與PC控制器相連可以非常經濟地完成多種測量任務，能夠以高度的相關性實現的測量。

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