低导通电阻MOSFET测试中的自动校验技术

2013-02-21顾汉玉廖远光

网络安全与数据管理 2013年5期

顾汉玉，廖远光

（华润赛美科微电子（深圳）有限公司，广东深圳 518116）

MOSFET （Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）是金属-氧化层-半导体场效晶体管的简称，中文简称MOS管，是一种典型的半导体功率器件。随着半导体技术的不断进步，MOS管性能提升明显，应用日益广泛。电源控制和电源转换是MOS管大量使用的一个重要领域，在这类应用中，MOS管通常作为开关使用，导通电阻是最为关键的参数之一，直接影响到应用电路的稳定性。因此，导通电阻的准确测量成为MOS测试的重点。

1 低导通电阻MOS管简介

MOS管按照栅极的功能可分为增强型和耗尽型，按照沟道的材料类型可分为P沟道或N沟道，两种组合起来共四种类型，一般主要应用的为增强型的NMOS管和增强型的PMOS管。与传统的晶体管相比，MOS管具有开关速度快、输入阻抗高、安全工作区大、热稳定性好等优点[1]。MOS管的主要参数有：

V（BR）DS：漏源极击穿电压；

RDS（on）：MOS导通时漏源之间的电阻；

RDS（on）＠ID：漏极工作电流为 ID时的漏源极导通电阻；

ID：最大漏极工作电流；

PD：最大漏极耗散功率。

半导体厂家设计了多种规格的MOS管满足各种不同的应用需求。漏源极击穿电压的范围从几伏到上千伏，最大漏极耗散功率从几瓦到几百瓦，导通电阻从几毫欧到数百欧，设计工程师可以选择合适的型号满足设计要求。

随着半导体工艺技术的不断发展，MOS管的性能不断提升，击穿电压越来越高，导通电阻越来越小，很多产品的导通电阻已经在毫欧的量级（称为低导通电阻MOS管），这对于产品应用非常有利，可以降低MOS管的功耗，实现更大的工作电流，也提高了电路的转换效率。

2 MOS管测试

在MOS管生产制造过程中，测试是保证其质量及剔除不良品的重要环节。测试通常由自动测试设备ATE（Automatic Test Equipment）、机械手（HANDLER）、负载板（LOADBOARD，也叫 DUT板）等构成的系统来完成。典型MOS管测试系统结构如图1所示。

图1 典型MOS管测试系统

ATE是由测试仪和计算机组合而成的测试系统，拥有各种参数测试必须的各种资源，包括精密测量单元PMU （Precision Measurement Unit）、器件供电单元 DPS（Device Power Supplies）、高速存储器（Pattern Memory）、向量生成器、继电器控制矩阵等。负载板是把测试仪资源信号转换为被测IC所需信号的电路模块。机械手作用是：通过机械装置，依次逐个将需要测试的IC连接到测试回路中，并根据测试机测试的结果（PASS/FAIL），将被测IC放到相应的料管中，从而实现良品与不良品的筛选。

测试是由HANDLER触发测试仪ATE根据计算机程序控制的电流电压信号通过负载板加到被测IC，再根据测试仪采集回的数据进行判断并返回测试结果给HANDLER进行筛选的过程。

对于较小电阻的测量（如参数 Rds（on）），采用的是开尔文测试（或称四线测试法），如图2所示。开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线F和一条检测线S，两者严格分开，各自构成独立回路；同时要求S线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S的电流极小，近似为零。图2中r表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路的电流为零，在 r3、r4上的压降也为零，而激励电流i在r1、r2上的压降不影响i在被测电阻上的压降，所以电压表可以准确测出Rt两端的电压值，从而准确测量出Rt的阻值。测试结果和r无关，有效地减小了测量误差。按照作用和电位的高低，这四条线分别被称为高电位施加线（HF）、低电位施加线（LF）、高电位检测线（HS）和低电位检测线（LS）。

图2 开尔文测试法

3 传统低导通电阻MOS管测试中的问题

传统的MOS管测试通常是根据MOS管的参数测试项目，编写测试仪的加压加流、测压测流及相应继电器控制等测试控制程序，根据预定好的参数测试流程项目对每一项进行测试，遇到某一项的测量数值超过规范的范围时则认为是失效（FAIL）并被分到FAIL的BIN分，全部测量项目测量值都在对应参数测试项目的指标范围内时则认为是PASS并分PASS的BIN分。例如NMOS管8205的原测试项目方案如下表1所示（CONT为机械手与MOS管管脚的接触性测试），测试流程如图3所示，测试等效图如图4所示。

表1 原测试项目方案

图3 原测试项目方案测试流程

图4 原测试等效图

以上测试方案在测试仪精度良好的情况下，测试的准确性是可以满足要求的，但由于MOS管的导通电阻的测试要求很高，对设备的精度要求相当苛刻。即使设备通过了标准校准盒校准，实际用标准样品（GOLDEN SAMPLE）对比测试，仍会出现不符合要求的情况；这主要是因为标准校准盒对毫欧级的校准精度不高，同时由于各种原因（包括设备老化、外围环境变化等因素）导致测量精度变差。应对此问题一般的做法是用标准样管对测试系统进行定期校准，如果出现数据不在规范内的情况，需要对测试仪的硬件进行调整，直至满足要求。这种做法不仅效率低下，同时无法避免设备在校准周期内发生精度超标的情况，存在质量隐患。

4 改进后的测试方案

针对MOS管原测试方案当中的缺陷，本方案在原MOS管测试项目的基础上增加对测试仪自身测量精度的校验项，在负载板上增加标准精密电阻，在MOS管测试前先用标准电阻对测试仪进行精度校验，通过后再对MOS管测试项目进行测试。改进后的测试项目方案如表2所示，测试流程如图5所示，测试等效图如图6所示。

表2 改进后的测试项目方案

图6所示，改进后的方案先用Rm对测试仪测试单元进行校验，实时性地对测试仪进行监控，有效地避免了因测试仪精度漂移导致MOS管量产中不良品混进良品中的威胁，校验时间占总测试时间几乎可忽略（原测试时间 160.2 ms，校验项时间为 700 μs，校验项约占测试总时间的0.5%），通过保证MOS管的测试品质实现了效率的提高。

在低导通电阻MOS管测试中，针对原测试方案测试仪本身存在测量精度漂移的缺陷，本方案通过在负载板上增加标准电阻，在MOS管测试前先对测试仪的测量精度进行自动校验，实际生产证明，本方案有效避免了潜伏性的威胁，提高了MOS管测试的品质。