从研发到生产——准确测试的解决之道（图）

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从研发到生产——准确测试的解决之道（图）

来源：上海双旭电子有限公司 2009年05月05日 21:01

本文介绍了使用集成信号源的测试设备构建从研发到生产过程的测试方案，不仅降低成本，而且具有较高的精度、速度和灵活性

　　新产品从研发到生产都需要通过测试过程。如果研发与生产时所用的测试设备相同，那么测试工作就比较容易完成，但是这要求测试仪器在进行这两个阶段的测试工作时都具有较高的精度、速度和灵活性。

从研发到生产

　　尽管产品在研发和生产过程中的很多电气测试程序都是相同的，但是它们通常具有不同的优先级。在研发阶段，可以详细地绘出I-V（电流-电压）数据曲线，并仔细进行分析，而在生产阶段，就需要快速地反复测量I-V值，并与若干个标准值进行对比，以判断该产品是否合格或者该批器件是否可以装箱。

　　需要搞清楚研发与生产两个阶段I-V测试数据之间的相互关系，以确保产品的各项指标满足性能和可靠性要求。在生产阶段重复使用研发时使用的测试仪器在理论上是可行的，但是如果在选择设备时没有考虑到这一点，那么这种方案可能就不现实了。

　　为了保证测试设备在研发和生产阶段都能够发挥良好的性能，必须考虑几个因素，其中包括（待测试件）所需测试点的数量、灵敏度、复现性、可编程特性以及数据处理能力。

I-V数据采集

　　在研发与生产阶段，通过内置直流源的测试仪的测试，可以利用I-V曲线来分析器件和材料的特性。其中可能还需要计算电阻和其他一些由I-V测量结果派生出的参数。例如，可以使用I-V数据分析异常情况、局部的zui大（或zui小）曲线斜率，或者进行可靠性分析。典型的一种应用就是测试半导体二极管的反偏漏流，进行正偏和反偏电压扫描，测量电流，从而得到其I-V曲线。

　　过去，这些测试工作常常由专门的波形记录仪来完成（波形记录仪的本质是一种示波器，其内置的直流源能够为DUT提供电压或电流）。现在，很多波形记录仪都已经被淘汰，还有一些可以买到，价格在15 000～30 000美元之间，甚至更贵。大部分波形记录仪都无法兼容现代计算机的通信总线，因此必须进行手工操作，甚至只能将数据导出到软盘上。

图1 1-V数据图，用于绘制晶体管曲线簇的数据是很多研发与生产过程中的主要测量目标

　　另外一种办法就是组合使用各种仪器与PC相连，例如电压/电流源、DMM（数字万用表）或者皮可安培计。但是这种办法需要费很大的精力去调试各个仪器、正确连接信号和触发电缆以及解决时序问题。

　　使用集成信号源的测试设备可以降低设备成本，更方便地生成I-V曲线。这些高精度的仪器既可以用作带宽扫描、脉冲发生和钳位限制（compliance limit）等功能的电压源或电流源，同时也能够以很高的精度测量电流和电压。

数据相关性问题

　　当某种新产品投入生产时，在研发阶段进行的一些测量工作也会带入生产阶段，以确保产品满足性能和可靠性要求。如果研发测试与生产测试之间缺乏协调一致，那么常常会导致严重的后果。缺乏相关性是由于多种原因导致的测量不确定性而造成的。一般而言，任何测量数据不确定性中的一半都是由测试仪器造成的。另外一半是由于外部测试环境、辅助硬件和测量技术造成的。如果测量数据来源于不同的测试仪器，那么其测量不确定性将会超过测试环境造成的不确定性。另外，生产环境可能不如研发环境那样容易控制，从而给测试仪器的测量数据带来更多的不确定性。

图2 采用遥测（Remote Sense）终端的四线（Kelvin）连接方式减少了由于测试引线上的压降而
引入的误差。为了减少漏流误差，可以SMU的电压跟随器；它在电路中形成了一个低阻搞点，
与受保护的高阴搞点具有几乎相等的电位，保护检测（Guard Sense）导线探测该点的电位。

　　因此，当从研发阶段进入生产阶段时，测试工程师必须考虑测量过程中不确定性（或者变化）因素引入的途径。此外，他们在这两个阶段还要考虑下列问题：

　　* 精度是否重要？这个问题可能更容易在实验室的研发初期阶段出现。

　　* 测量一定要是可重现的吗？也就是说，不论值如何，对于某个量的任意次测量都始终得到同样的结果。这个问题常常出现在生产阶段。

　　* 测量需要花多长时间？一般来说，测量速度和精度之间存在一个折中。在生产阶段测量速度往往非常重要。

　　不同测量技术、不同测试重点下得到的数据可能具有不同的精度和弱相关性（精度是一个定性的说法。对于一组I-V测量数据而言，精度是指各个波形匹配的程度。失配程度决定了各组测量数据之间的不确定水平）。
　　不同的测试场合使用相同的测试仪器，然后找出误差来源并将其减至zui小，可以提高测试精度。限制分辨率的主要因素取决于测量电路中的总噪声。某些噪声来自于DUT，某些来自于互连线，还有一些来自于测量仪器。

内置信号源的测量仪器特点

　　SMU（source-measurement unit，源测量单元）具有可编程的特性，其中包含了由微处理器控制的双极性电压和电流源，某些SMU还提供了高达1kW幅度的脉冲模式。这类SMU能够提供系列的电压源，并测量相应的电流，将测量数据存储到存储器中直到I-V扫描结束。然后，可以将数据下载到PC中进行处理。

　　选择合适的SMU需要考虑以下几点：测量灵敏度、精度/可重复性、速度、可编程硬件/固件特性、软件/数据处理能力。

灵敏度、精度和重复性

　　SMU能够同时提供并测量电压和电流，范围从μA量级或fA量级到1000V或10A。根据所选择的信号源与量程，SMU的精度和可重现性大约在 0.025％～0.10％之间。如果由于高电流而在连接线上产生了较大的压降，可以利用SMU的四线测量功能（在“Sense HI”和“Sense LO”之间测量或控制电压）来提高精度。某些SMU的固有噪声电平低达0.4fAp-p，它们的保护电路（如图2所示）可以容忍电缆和夹具上的杂散漏流造成的测量误差。当DUT的反偏漏流必须小于某个预定阈值的时候，较高的灵敏度和精度对于生产测试是尤其重要的。对SMU进行编程，使其钳位限制低于可接受的漏电流值，就可以实现快速的“通过/禁止-通过”测试。

速度/吞吐率

　　生产上选择SMU应该具备某些能够加快测试速度的特性。这些特性包括：数字I/O接口可以使用户将该设备直接连接到器件机械手上实现某些基本的控制功能。SMU和其他测试设备之间的硬连线触发式链路能够减少外部总线的流量。合适的触发同步机制能够确保从信号源产生信号到DUT响应测量之间有足够的建立时间，但是要保持这一时间为zui小值，以达到尽可能高的吞吐率。

可编程硬件/固件特性

　　很多SMU都具有程序存储器（也称为源存储表），能够存储整个测试序列以便用户调用。这一特征减少了总线流量，因为PC只需要发送一到两条命令给SMU，启动某个测试序列即可。利用SMU的数据缓冲可使测量速度达到每秒2000次读操作。实际的速度取决于信号合成周期，这也是可编程的，以减少测试环境造成的交流周期噪声。例如，大小仅为0.01PLC（60Hz下，0.01PLC =16.7μs）的A/D合成周期可以提供约4位半的测量分辨率，可以在zui大测量速度下进行生产测试。更长的A/D合成周期可以得到zui大的测量分辨率，用于测量zui的设备指标。

软件/数据处理

　　SMU制造商提供的软件能够增加测试仪器的功能。例如，Keithley提供的LabTracer软件（如图1所示）能够控制四个SMU进行波形记录。该工具包相比传统的波形记录仪具有多种优势：

　　* 灵活控制多个系列的SMU，表现多种设备的特性；* 每个波形记录通道拥有各自独立设定的测量参数；
　　* 该软件支持多种标准的测试任务，包括记录晶体管的波形以及记录四端器件的电气特性；
　　* 集成了无软盘的数据采集、分析和存储功能；数据可以直接导出到电子表格中。

将多功能的SMU与PC控制器相连可以非常经济地完成多种测量任务，能够以高度的相关性实现的测量。

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