安捷伦高频阻抗测试仪表E4982A测控技术应用
2018-06-25邓长开唐明津胡义平
邓长开，唐明津，胡义平
（英飞凌半导体（无锡）有限公司，江苏无锡 214028）
1 引言
半导体芯片在测试过程中，很多型号的芯片需要进行高频（大多是 100 MHz、330 MHz及 470 MHz）阻抗测试，以测试高频下半导体芯片的阻抗值。目前半导体车间高频阻抗测试平台多为多年前国外设计开发，其基于Windows 2000/NT系统与安捷伦早期的阻抗测试仪表集成设计而成，此类安捷伦早期的阻抗测试仪表已停产多年，同时Windows 2000/NT平台落后，无法适应企业未来的生产信息化的要求，所以对此进行升级更新成为企业持续可靠生产的需求。本文主要讲述如何根据安捷伦最新型的阻抗仪表E4982A、吉时利2410数字电源表、Windows 7系统与VB搭建高频阻抗测试与控制平台，以实现高频阻抗测试平台的升级换代与国产化。
2 阻抗测试仪表及偏置电源表介绍
本文介绍的测控平台仪表为安捷伦（Agilent）高频阻抗测试仪表E4982A与吉时利（Keithley）2410数字电源表。E4982ALCR阻抗测试仪表用来测量半导体无源芯片的阻抗，测试频率1 MHz～3 GHz，可测量140 mΩ～4.8 kΩ范围的阻抗，基本精度±0.8%，具有现代化的用户界面与接口，测量变异小，可重复性好，拥有出色的测量速度、精度、阻抗范围等性能[1]。Keithley 2410提供精密电压和电流源/负载，可同时提供10 fA～10 A的脉冲电流和/或100 nV～200 V的电压、1000 W脉冲和100 W直流总功率的源和测量[2]。
3 高频阻抗原理与测试方法
高频阻抗测试广泛用于无源半导体芯片测量中，利用高频阻抗测试可以对无源半导体芯片和工艺进行特征分析。阻抗是用来表征电子电路、元件和用于制造元件的材料的重要参数。阻抗（Z）通常被定义为一个设备或电路在给定频率下为交流电提供的总阻碍，它被表示为复数，单位是欧姆（Ω），在矢量平面上用图形表示。阻抗矢量由实部（电阻R）和虚部（电抗X）组成，如图1所示。阻抗可以用直角坐标形式R+JX或在极坐标形式为幅值和相角表示：|Z|∠θ。R、X、|Z|和θ在某些情况下，利用阻抗的倒数在数学上是权宜之计。在这种情况下，1/Z=1/（R+JX）=Y=G+JB，其中Y代表导纳（单位S），G和B代表电导、电纳。阻抗是一种常用的参数，特别适用于表示电阻和电抗的串联，因为它可以简单地表示为一个和（R和X）。对于并联，最好使用导纳，如图2[3]所示。
图2 电阻和电抗的串并联
阻抗测试方法有多种，由于篇幅限制文中介绍2种常用的测试方法。
3.1 I-V测量方法
I-V测量方法如图3所示，未知的阻抗（ZX）可以从测得的电压和电流值计算。电流通过精确测量的低值电阻器（R）上的电压测量来计算。
图3 I-V测量方法
3.2 RF I-V测量方法
RF I-V测量方法和I-V测量方法基于相同的原理，它被配置以不同的方式利用阻抗匹配测量电路（50Ω）和精密同轴测试端口，运行在更高的频率，有两种类型的电压表和电流表的安排适用于低阻抗和高阻抗测量。阻抗测试从测量电压和电流值开始，如图4所示。
图4 RF I-V测量方法
4 高频阻抗测试平台及VB编程
高频阻抗测控平台硬件构成有一台支持GPIB通信的工控机、Agilent E4982A高频阻抗仪表、Keithley 2410数字电压电源表、GPIB数据通信线，连接原理图见图5。
图5 硬件连接原理
测试仪表校准、手动操作仪表进行开路、短路、负载50 Ω标准件校准步骤等具体操作见厂家提供的操作手册，本文不予赘述。VB编程需引用GPIB通信协议，本测试平台软件使用的是GPIB通信VISA 488。所有数据指令都通过VISA发送到仪表的GPIB端口，从而实现仪表控制。
测试夹具阻抗补偿主要进行开路和短路补偿，开/短补偿是为了消除测试夹具残差和电气长度测试端口扩展引起的误差。源代码如下：
Dim ioMgr As VisaComLib.ResourceManager
Dim age4982x As VisaComLib.FormattedIO488
'定义GPIB通信端
Set ioMgr=New VisaComLib.ResourceManager
Set age4982x=New VisaComLib.FormattedIO488
'打开GPIB端口
Set age4982x.io=ioMgr.Open("GPIB0::17::INSTR")
'设超时时间此值必须大于测试时间
age4982x.io.Timeout=30000
intmsg=MsgBox("Please empty the test fixture,click OK toperformOPEN compensation.",vbOKCancel,"OPEN Compensation")
If intmsg=vbOK Then
age4982x.WriteString"*CLS"
age4982x.WriteString"*OPC?"
age4982x.WriteString":CORR2:COLL STAN1"
‘开路补偿指令
age4982x.WriteString":CORR2:COLL:SAVE"
intmsg=MsgBox("Insert short unit to test fixture,click OK to performSHORT compensation.",vbOKCancel,"SHORT Compensation")
If intmsg=vbOK Then
age4982x.WriteString"*CLS"
age4982x.WriteString"*OPC?"
age4982x.WriteString":CORR2:COLL STAN2"
‘短路补偿指令
age4982x.WriteString":CORR2:COLL:SAVE"
MsgBox"###Done###",vbOKOnly,"E4982A"
End If
Exit Sub
End If
半导体高频阻抗测试需要提供测试偏置条件，有些型号的芯片需要加载指定电压下测试，有些需要加载指定电流下测试。Keithley 2410提供阻抗测试时的偏置电压和电流，控制Keithley2410偏置电压的源代码如下：
‘命令Keithley2410输出指定电压，用来提供阻抗测试偏置电压
Public Sub SetV_DC(Cur As String,V As String)
Dim ioMgr As VisaComLib.ResourceManager
Dim K2410 As VisaComLib.FormattedIO488
Set ioMgr=New VisaComLib.ResourceManager
Set K2410=New VisaComLib.FormattedIO488
’Keithley2410 GPIB端口号设为16
Set K2410.io=ioMgr.Open("GPIB0::16::INSTR")
K2410.io.Timeout=30000
K2410.WriteString":SOUR:CLE:AUTO OFF"
K2410.WriteString":SOUR:VOLT:MODE FIX"
K2410.WriteString":SOUR:FUNC VOLT"
K2410.WriteString":SENS:FUNC'CURR'"
’设定钳位电流
K2410.WriteString":SENS:CURR:PROT"&Cur
K2410.WriteString":SOUR:FUNC VOLT"
K2410.WriteString":SOUR:VOLT:RANG:AUTOON"
’设定输出电压
K2410.WriteString":SOUR:VOLT"&V
End Sub
偏置电流的源代码如下：
‘命令Keithley2410输出指定电流，用来提供阻抗测试偏置电流
Public Sub SetI_DC(V As String,Cur As String)
Dim ioMgr As VisaComLib.ResourceManager
Dim K2410 As VisaComLib.FormattedIO488
Set ioMgr=New VisaComLib.ResourceManager
Set K2410=New VisaComLib.FormattedIO488
’Keithley2410 GPIB端口号设为16
Set K2410.io=ioMgr.Open("GPIB0::16::INSTR")
K2410.io.Timeout=30000
K2410.WriteString":SENS:FUNC'VOLT'"
’设定钳位电压
K2410.WriteString":SENS:VOLT:PROT"&V
K2410.WriteString":SOUR:CLE:AUTO OFF"
K2410.WriteString":SOUR:CURR:MODE FIX"
K2410.WriteString":SOUR:FUNC CURR"
K2410.WriteString":SOUR:CURR:RANG:AUTO ON"
’设定输出电流
K2410.WriteString":SOUR:CURR"&Cur
End Sub
基于上述内容，高频阻抗测试平台软件每次测试芯片时先根据芯片测试要求控制Keithley 2410输出所需设定的偏置条件，再触发E4982A进行测试读值，然后根据芯片型号的测试值规定的范围进行判断即完成一次测试，测试完整源代码如下，软件测试取值显示如图6所示。
Private Function MeasureV()as String
Dim ioMgr As VisaComLib.ResourceManager
Dim age4982xAs VisaComLib.FormattedIO488
Dim K2410As VisaComLib.FormattedIO488
Set ioMgr=New VisaComLib.ResourceManager
Set K2410=New VisaComLib.FormattedIO488
Set K2410.io=ioMgr.Open("GPIB0::16::INSTR")
K2410.io.Timeout=30000
Set age4982x=New VisaComLib.FormattedIO488
Set age4982x.io=ioMgr.Open("GPIB0::17::INSTR")
age4982x.io.Timeout=30000
‘根据测试要求设定偏置电压或电流
If BiasType="Current"Then
SetI_DC Current,V
Else
SetV_DC V,Current
End If
‘设完偏置条件后触发E4982A测试并读取值
age4982x.WriteString":TRIG"
Do
age4982x.WriteString":STAT:OPER:COND?"
CondReg=age4982x.ReadNumber
BitWaitingForTrigger=CondReg And 32
Loop While BitWaitingForTrigger=0
age4982x.WriteString":DATA:FDAT3?"
‘读取的测试值
readv=age4982x.ReadString
MeasureV=readv
End Sub
图6 软件测试取值
以100 MHz、偏置电流1.5 mA的标准阻抗芯片器件测试为例，新的阻抗测试平台与标准值几乎无差别，如图7所示。
图7 偏置电流1.5 mA的标准阻抗芯片10次测试结果
5 结论
此新型高频阻抗测试平台经过标准阻抗件和大量的测试验证以及相关仪表测试专家的审核，不仅覆盖原有的功能，同时从测控平台设计开发过程中掌握了阻抗测试测控领域相关的核心技术，实现了国产化，速度快、精度高，可用于科研院所的设计开发验证、半导体厂家批量生产测试、质量部门产品检查认证等领域，也为未来新的全自动生产设备设计和模块化组装打下了基础。
[1]Keysight.E4982A射频LCR表使用手册[EB/OL].2015-07-30.http://www.keysight.com.
[2]Tektronic.Model 2410 Source Meter Service Manual[EB/OL].2015-09-15.http://www.tek.com.cn
[3]陶峰.射频阻抗测量夹具建模技术的研究及应用[J].电子器件，2007，30(3)：1075-1078.
