摘 要： 導(dǎo)通電阻的準(zhǔn)確測量是低導(dǎo)通電阻MOSFET測試中的一個難點。介紹了一種用于低導(dǎo)通電阻MOSFET測試過程中自動校驗測試系統(tǒng)的方法。通過在DUT板上增加高精度低阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻測試回路的方法，在正式測試前對測試系統(tǒng)進(jìn)行自動校驗，校驗合格后繼續(xù)對MOS管進(jìn)行測試，否則將停止測試；避免了由于自動測試設(shè)備（ATE）、DUT板、金手指等測試單元的精度漂移、器件老化等因素導(dǎo)致測試不準(zhǔn)確的情況，保證了產(chǎn)品的測試精度，對提升測試的品質(zhì)具有重要意義。
關(guān)鍵詞： MOS管；導(dǎo)通電阻；自動測試設(shè)備；待測器件
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管的簡稱，中文簡稱MOS管，是一種典型的半導(dǎo)體功率器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，MOS管性能提升明顯，應(yīng)用日益廣泛。電源控制和電源轉(zhuǎn)換是MOS管大量使用的一個重要領(lǐng)域，在這類應(yīng)用中，MOS管通常作為開關(guān)使用，導(dǎo)通電阻是最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，直接影響到應(yīng)用電路的穩(wěn)定性。因此，導(dǎo)通電阻的準(zhǔn)確測量成為MOS測試的重點。
1 低導(dǎo)通電阻MOS管簡介
MOS管按照柵極的功能可分為增強(qiáng)型和耗盡型，按照溝道的材料類型可分為P溝道或N溝道，兩種組合起來共四種類型，一般主要應(yīng)用的為增強(qiáng)型的NMOS管和增強(qiáng)型的PMOS管。與傳統(tǒng)的晶體管相比，MOS管具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、安全工作區(qū)大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1]。MOS管的主要參數(shù)有：
V（BR）DS：漏源極擊穿電壓；
RDS（on）：MOS導(dǎo)通時漏源之間的電阻；
RDS（on）＠ID：漏極工作電流為ID時的漏源極導(dǎo)通電阻；
ID：最大漏極工作電流；
PD：最大漏極耗散功率。
半導(dǎo)體廠家設(shè)計了多種規(guī)格的MOS管滿足各種不同的應(yīng)用需求。漏源極擊穿電壓的范圍從幾伏到上千伏， 最大漏極耗散功率從幾瓦到幾百瓦，導(dǎo)通電阻從幾毫歐到數(shù)百歐，設(shè)計工程師可以選擇合適的型號滿足設(shè)計要求。
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，MOS管的性能不斷提升，擊穿電壓越來越高，導(dǎo)通電阻越來越小，很多產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻已經(jīng)在毫歐的量級（稱為低導(dǎo)通電阻MOS管），這對于產(chǎn)品應(yīng)用非常有利，可以降低MOS管的功耗，實現(xiàn)更大的工作電流，也提高了電路的轉(zhuǎn)換效率。
2 MOS管測試
在MOS管生產(chǎn)制造過程中，測試是保證其質(zhì)量及剔除不良品的重要環(huán)節(jié)。測試通常由自動測試設(shè)備ATE（Automatic Test Equipment）、機(jī)械手（HANDLER）、負(fù)載板（LOADBOARD，也叫DUT板）等構(gòu)成的系統(tǒng)來完成。典型MOS管測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
ATE是由測試儀和計算機(jī)組合而成的測試系統(tǒng)，擁有各種參數(shù)測試必須的各種資源，包括精密測量單元PMU（Precision Measurement Unit）、器件供電單元DPS（Device Power Supplies）、高速存儲器（Pattern Memory）、向量生成器、繼電器控制矩陣等。負(fù)載板是把測試儀資源信號轉(zhuǎn)換為被測IC所需信號的電路模塊。機(jī)械手作用是：通過機(jī)械裝置，依次逐個將需要測試的IC連接到測試回路中，并根據(jù)測試機(jī)測試的結(jié)果（PASS/FAIL），將被測IC放到相應(yīng)的料管中，從而實現(xiàn)良品與不良品的篩選。
測試是由HANDLER觸發(fā)測試儀ATE根據(jù)計算機(jī)程序控制的電流電壓信號通過負(fù)載板加到被測IC，再根據(jù)測試儀采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并返回測試結(jié)果給HANDLER進(jìn)行篩選的過程。
對于較小電阻的測量（如參數(shù)Rds（on）），采用的是開爾文測試（或稱四線測試法），如圖2所示。開爾文連接有兩個要求：對于每個測試點都有一條激勵線F和一條檢測線S，兩者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨立回路；同時要求S線必須接到一個有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線S的電流極小，近似為零。圖2中r表示引線電阻和探針與測試點的接觸電阻之和。由于流過測試回路的電流為零，在r3、r4上的壓降也為零，而激勵電流i在r1、r2上的壓降不影響i在被測電阻上的壓降，所以電壓表可以準(zhǔn)確測出Rt兩端的電壓值，從而準(zhǔn)確測量出Rt的阻值。測試結(jié)果和r無關(guān)，有效地減小了測量誤差。按照作用和電位的高低，這四條線分別被稱為高電位施加線（HF）、低電位施加線（LF）、高電位檢測線（HS）和低電位檢測線（LS）。
3 傳統(tǒng)低導(dǎo)通電阻MOS管測試中的問題
傳統(tǒng)的MOS管測試通常是根據(jù)MOS管的參數(shù)測試項目，編寫測試儀的加壓加流、測壓測流及相應(yīng)繼電器控制等測試控制程序，根據(jù)預(yù)定好的參數(shù)測試流程項目對每一項進(jìn)行測試，遇到某一項的測量數(shù)值超過規(guī)范的范圍時則認(rèn)為是失效（FAIL）并被分到FAIL的BIN分，全部測量項目測量值都在對應(yīng)參數(shù)測試項目的指標(biāo)范圍內(nèi)時則認(rèn)為是PASS并分PASS的BIN分。例如NMOS管8205的原測試項目方案如下表1所示（CONT為機(jī)械手與MOS管管腳的接觸性測試），測試流程如圖3所示，測試等效圖如圖4所示。
以上測試方案在測試儀精度良好的情況下，測試的準(zhǔn)確性是可以滿足要求的，但由于MOS管的導(dǎo)通電阻的測試要求很高，對設(shè)備的精度要求相當(dāng)苛刻。即使設(shè)備通過了標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)盒校準(zhǔn)，實際用標(biāo)準(zhǔn)樣品（GOLDEN SAMPLE）對比測試，仍會出現(xiàn)不符合要求的情況；這主要是因為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)盒對毫歐級的校準(zhǔn)精度不高，同時由于各種原因（包括設(shè)備老化、外圍環(huán)境變化等因素）導(dǎo)致測量精度變差。應(yīng)對此問題一般的做法是用標(biāo)準(zhǔn)樣管對測試系統(tǒng)進(jìn)行定期校準(zhǔn)，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)不在規(guī)范內(nèi)的情況，需要對測試儀的硬件進(jìn)行調(diào)整，直至滿足要求。這種做法不僅效率低下，同時無法避免設(shè)備在校準(zhǔn)周期內(nèi)發(fā)生精度超標(biāo)的情況，存在質(zhì)量隱患。
4 改進(jìn)后的測試方案
針對MOS管原測試方案當(dāng)中的缺陷，本方案在原MOS管測試項目的基礎(chǔ)上增加對測試儀自身測量精度的校驗項，在負(fù)載板上增加標(biāo)準(zhǔn)精密電阻，在MOS管測試前先用標(biāo)準(zhǔn)電阻對測試儀進(jìn)行精度校驗，通過后再對MOS管測試項目進(jìn)行測試。改進(jìn)后的測試項目方案如表2所示，測試流程如圖5所示，測試等效圖如圖6所示。
圖6所示，改進(jìn)后的方案先用Rm對測試儀測試單元進(jìn)行校驗，實時性地對測試儀進(jìn)行監(jiān)控，有效地避免了因測試儀精度漂移導(dǎo)致MOS管量產(chǎn)中不良品混進(jìn)良品中的威脅，校驗時間占總測試時間幾乎可忽略（原測試時間160.2 ms，校驗項時間為700 μs，校驗項約占測試總時間的0.5%），通過保證MOS管的測試品質(zhì)實現(xiàn)了效率的提高。
在低導(dǎo)通電阻MOS管測試中，針對原測試方案測試儀本身存在測量精度漂移的缺陷，本方案通過在負(fù)載板上增加標(biāo)準(zhǔn)電阻，在MOS管測試前先對測試儀的測量精度進(jìn)行自動校驗，實際生產(chǎn)證明，本方案有效避免了潛伏性的威脅，提高了MOS管測試的品質(zhì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 陸坤.電子設(shè)計技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1997.
[2] 電子計量測試應(yīng)用手冊編委會.電子計量測試應(yīng)用手冊[Z].電子工業(yè)部電子計量測試研究中心站，1985.
[3] 王水平.MOSFET/IGBT驅(qū)動集成電路及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009.
[4] 朱正涌.半導(dǎo)體集成電路[M].北京：北京大學(xué)出版社，2001.
[5] NMOS管8205A數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.ic5.cn/p_CEG8205A_c90b.html.
[6] 趙英偉，龐克儉.Kelvin四線連接電阻測試技術(shù)及應(yīng)用[J].測試原理，2005（11）：3-4.
[7] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.