浅谈Kelvin四线测试技术以及在ATE测试中的应用

蔺俊贤，徐冬梅

(天水华天电子集团股份有限公司，甘肃 天水 741000)

浅谈Kelvin四线测试技术以及在ATE测试中的应用

蔺俊贤，徐冬梅

(天水华天电子集团股份有限公司，甘肃 天水 741000)

介绍了开尔文 （Kelvin）四线连接方式的原理及Kelvin连接在ATE（Automated Test Equipment，自动测试设备）测试中的应用，通过列举STS8200测试系统应用Kelvin四线连接方式的例子，说明Kelvin连接方式在ATE测试系统中的重要性。

开尔文（Kelvin）；自动测试设备(ATE)；测试应用

在半导体ATE测试中，由于输出点到负载之间会有继电器、接插件、电缆、机械手（Handler）等多个环节，这些环节都会表现出一定的电阻（包括接触电阻）；如图1，ATE系统测试连接图。这些电阻在较大的电流下会产生附加的电压降，在采用两线测试的情况下会影响负载两端电压的驱动和测量精度。为提高测试的准确性，引入一种比较精确的测量方式，开尔文测试连接方法（因为是开尔文发明的，所以就命名为开尔文连接）。

1 ATE系统简介

半导体产品封装后，还需要 FT（Functional Test，功能测试）测试，主要的目的是将合格的芯片与不合格的芯片区分开，保证产品的质量与可靠性。

图1 ATE系统测试连接

ATE是测试仪和计算机组合而成的测试系统。是将各种检测仪器，如电源、逻辑波形发生器/接收器、信号发生器、示波器等资源整合在一台系统之内，并利用电脑程序来控制这些仪器，何时送出激励信号以及何时检测DUT（Device Under Test，待测器件）的输出信号是否符合指标，并提供有效的数据以便工程人员分析，由于是电脑程序控制，我们可以将所有的测试项目依序排列，在很短的时间内完成测试。

2 开尔文测试原理

2.1 普通二线式测试方法

通常的测试方法为普通二线测试，如图2所示，二线测试是目前应用较为普遍的一种方案。

图2 二线测量原理图

二线测试只有一个回路，所测得的阻值为r1+ r2+R，即所测得的电阻值为引线电阻，接触和待测线路阻值之和，故无法精确测定被测值。

2.2 Kelvin四线测试方法

Kelvin四线连接方法如图3所示，对于每个测试点都有一条激励线F和一条检测线S，二者严格分开，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0.

图3 四线Kelvin测试原理图

图3中的r表示引线电阻和所有接触电阻之和。由于流过测试回路的电流为0，在r3，r4上的压降也为0，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试R两端的电压值，从而准确测量R的阻值。测试结果和r无关，有效地减小了测量误差。

3 开尔文测试在ATE系统中的应用

3.1 开尔文测试在ATE系统中的应用

开尔文接法在ATE系统中就是一个Force线和一个Sense线，Force线提供电压，Sense线去校正这个电压，因为Force线本身有阻抗，所以提供给芯片的实际电压和测试机上的电压有误差，比如想给芯片一个5 V的电压，在测试机内部设置5 V，而Force线路中会损耗0.2 V，这样到达芯片的实际电压就只有4.8 V，所以这时候测试机会接出来另一根高阻抗线，接到DUT（待测器件）管脚上，用Sense线检测这个管脚的实际电压为4.8 V，这样测试机内部就会提高电压，直到Sense线感应到DUT管脚上的实际电压为5 V为止。具体应用时将Sense线接到越靠近DUT管脚越好。

在ATE设计中，PMU均采用开尔文设计，即每个PMU的高电位端（H），低电位端（L）都有Force线和Sense线，图4是ATE开尔文测试电阻的标准接法，通过这种方式，可以准确测量毫欧级别甚至更小的电阻。

图4 ATE实现开尔文测试

3.2 Kelvin测试在STS8200测试系统中的应用

STS8200是北京华峰测控技术有限公司研制的高性能模拟信号测试系统。

在STS8200测试系统的V/I源中，通常都采用四线开尔文测试的方法来扣除附加的电阻和压降，进而保证负载两端电压的驱动和测量精度。STS8200测试系统的V/I源四线开尔文连接示意图如图5。

图5 STS8200 V/I源四线开尔文连接示意图

V/I源的输出端分为FORCE和SENSE两种线，FORCE线用于电流的输入和输出，只有FORCE线中会流过负载电流IL，SENSE线用于电压的反馈和测量，SENSE线的输入端接有高阻抗输入的缓冲器，因此SENSE线中不会有电流流过，即便有附加电阻也不会产生附加电压降。FORCE线中附加的电阻虽然会在大电流下产生附加电压降，但由于SENSE线独立接到负载两端，可以有效地扣除掉FORCE线中附加电阻和压降的作用，从而保证负载两端电压的驱动和测量精度。

3.3 完整的四线开尔文测试

所谓完整的四线开尔文测试是指从V/I源到被测器件DUT的引脚全线实现四线开尔文测试，很多大电流参数测试不准确和不稳定通常是由于没有全线实现完整的四线开尔文测试所致。

4 结束语

四线开尔文测试的原理并不复杂，但在实际应用中经常会因为忽略了一些细节而得不到理想的测试效果，例如在DUT板上未将FORCE线和SENSE线分开而过早地短接在一起；例如DGS线的接入位置不合理，与器件的地线引脚间还有一小段会流过大电流的导线；例如有些Handler本身的触点不是四线开尔文方式，用来测小电流器件不会有大的问题，但用来测试大电流的器件就无法扣除掉Handler与被测器件DUT之间的接触电阻，这些细节考虑不周都会影响实际的测试效果。在实际制作DUT板的过程中经常会碰到器件周边的外围线路许多接地点不知道哪些应该接地线AGND哪些应该接DGS线，这都反映出对完整的四线开尔文测试尚缺乏深刻的理解。

[1] 顾汉玉，武乾文.一种精确测量MOSFET晶圆导通电阻的方法[J].电子与封装，2014，(9)：17-20.

[2] 潘曙娟，钟杰基于.ATE的IC测试原理、方法及故障分析[J].半导体学报，2006，27(s1)：354-357.

[3] 北京华峰测控技术有限公司.STS8200应用文集[Z].

Briefly Discussing Kelvin Four-Wire Test Technology and Application In ATE Test

LIN Junxian，XU Dongmei

(Tianshui Huatian Electronics Group Co.，Ltd，Tianshui 741000，China)

The paper mainly introduces Kelvin four-wire connection principle and Kelvin application that connected in the ATE（Automated Test Equipment）test，it shows the importance of Kelvin connection mode in ATE test system through enumerating example that STS8200 testing system used Kelvin four-wire connection mode.

Kelvin；Automated test equipment；Test application

TN407

A

1004-4507(2017)03-0022-04

蔺俊贤（1986-），男，汉族，甘肃陇南人，毕业于天水师范学院，工程师，现就职于天水华天电子集团股份有限公司，主要从事集成电路IC测试的程序开发、测试异常分析处理工作。

2017-03-29

徐冬梅(1966-)，女，辽宁北票人，天水华天电子集团国家认定企业技术中心主任，天水华天电子集团股份有限公司副总经理，正高级工程师，甘肃省科技专家库专家，中国银行业科技专家库专家，长期从事电子材料与元器件、集成电路封装测试、科技创新等方面的研究和管理工作。