CN114113967B - 一种源测量单元测试***及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种源测量单元测试***及测试方法，包括控制单元，所述控制单元将测试向量经DAC转化为模拟信号后发送至V‑I控制单元，所述DAC和V‑I控制单元间设有模拟开关，用于切换电压模式和电流模式，所述V‑I控制单元根据测试向量选择并设置电压源或电流源模块输出，经功耗检测与调整模块施加给待测器件；待测量的电压/电流信号通过功率放大器和稳压/稳流模块后，发送至V‑I控制单元，并通过ADC反馈至所述控制单元，形成闭环控制；所述功耗检测与调整模块对功率放大器输出级功耗进行检测，根据检测结果在反馈回路中对输出级功耗进行调整。相比现有技术，本发明具有低功耗、配置灵活、宽测试范围等优点。

Description

一种源测量单元测试***及测试方法

技术领域

本发明涉及一种半导体测试***及方法，尤其涉及一种源测量单元测试***及测试方法。

背景技术

近年来，随着国内半导体技术的快速发展，源测量单元(SMU)作为半导体器件测试设备的核心构件，受到了越来越多企业的追捧。源测量单元是测量各种器件I-V特性的重要仪器，可同时实现可编程的恒压源和恒流源、电子负载、数字万用表的功能。它既可以作为恒压源输出正负两种方向的电压，也可以作为恒流源输出正负两种方向的电流。正是因为这种特性，当SMU输出负向功率的时候，可以作为负载去吸收电源输出的正向功率，同时SMU还具有电压与电流监测的功能。由于SMU的功能多样性以及良好的性能，使得它在半导体测试、电子产品生产测试等领域得到广泛应用。

传统的源测量单元测试***的两个电路单元是相互独立的，通过继电器来切换测试设备的电压源和电流源功能，这种结构存在一个问题就是继电器的存在会消耗一部分功率，造成源测量单元的输出功率未能完全加载到待测器件DUT上，同时由于继电器存在一定的开关内阻，电流的通过也会产生一定的热量，而半导体器件的I-V特性通常会受到温度，造成测试结果的不准确。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种源测量单元测试***及测试方法，能够在灵活选择配置电压源和电流源的条件下降低测试***输出级功耗，并提高了SMU测试***的稳定性以及SMU的电压电流输出能力。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种源测量单元测试***，包括用于控制整个***测试流程的控制单元，所述控制单元将测试向量经数模转换器转化为模拟信号后发送至V-I控制单元，所述数模转换器和V-I控制单元间设有模拟开关，用于切换电压模式和电流模式，所述V-I控制单元根据测试向量选择并设置电压源或电流源模块输出，经功耗检测与调整模块施加给待测器件；待测量的电压/电流信号通过功率放大器和稳压/稳流模块后，发送至V-I控制单元，并通过模数转换器反馈至所述控制单元，形成闭环控制；所述功耗检测与调整模块对功率放大器输出级功耗进行检测，根据检测结果在反馈回路中对输出级功耗进行调整。所述测试***还包括上位机，所述上位机通过***总线向控制单元发送测试指令，并负责对测试数据分析并判断，显示测试结果。

其中，所述的根据检测结果在反馈回路中对输出级功耗进行调整，是将调整信号反馈至V-I控制单元重新进行电路参数配置，调整***供电电源的供电参数并输出，从而提高了源测量单元的输出能力。其中功耗检测是对功率放大器输出级功耗的检测。若检测的功耗较高，就作出功耗调整，调整方式为：将SMU的输出电压作为调整功耗的参考因素，当SMU的输出电压变化较大时，DC-DC的输出电压也会作相应的调整，从而调整电路的输出级功耗。

所述功耗检测与调整模块采用集成开关转换器。所述测试向量包括模式设置、驱动增益设置、箝位设置、比较器电平设置和电流输出量程选择。所述控制单元采用STM32F103VET6，所述数模转换器和V-I控制单元部分采用AD5522型号的测试芯片实现其功能。

本发明还提出应用于上述源测量单元测试***的半导体器件测试方法，包括以下步骤：

步骤1：设定测试向量，通过上位机发送指令至控制单元，由控制单元通过串行接口对测试芯片AD5522发送测试向量，配置其基本功能，所述测试芯片AD5522选择电压驱动测量模式；选择电压驱动测量模式下待测器件两端的驱动电压计算公式为：

VOUT＝4.5×VREF×(DAC_CODE/2¹⁶)-(3.5×VREF

×OFFSET_DAC_CODE/2¹⁶)+DUTGND

式中，VOUT是驱动放大器DAC的电压，VREF是基准电压，DAC_CODE是加载到DAC X2寄存器的码值，OFFSET_DAC_CODE是加载到偏置DAC的码值，DUTGND是被测器件接地电压值。

步骤2：对AD5522引脚输出端MEASOUT的电压进行放大处理，使得SMU的输出范围达到输出电压宽量程要求，同时在内部检测量程无法满足测试要求时，利用外部量程扩展电阻，采用多个检流电阻实现多个电流范围的检流组合，并配合电路开关对多个量程进行切换，实现SMU的宽范围、多量程的电流输出；

步骤3：功耗检测与调整模块对AD5522内部功率放大器和外部功率放大器的输出级功耗进行追踪检测。

步骤4：对待测器件进行测试，待经检流电阻的电流稳定后，将测量结果反馈至电流信号反馈环路，经稳流模块后送入AD5522，同时将数据送入ADC进行采样；

步骤5：将不同量程的测量输出结果接入多路复用器，并将多路复用器的单个输出信号送入ADC完成数据采样，同时将数据返回至AD5522作为环路控制以及电流箝位输入；

步骤6：将采样后的电流数据结果返回至上位机，分析得出判断结果。

有益效果：相比现有技术，本发明设计了具有低功耗、配置灵活、宽测试范围等优点的源测量单元测试***。现有测试***中由于电路中的寄生电容参数的影响，导致反馈回路中的输出信号存在振荡，从而影响了***的稳定性，延长了***的动态响应时间，进一步导致了功率放大器输出级功耗的不稳定状态，同时也影响了SMU的输出功率范围。本发明结合闭环反馈以及输出级功耗检测与调整技术，使得***的输出级功耗始终保持在较低的要求，并在***的闭环反馈路接入了稳压模块以及稳流模块，提高了SMU测试***的稳定性以及SMU的电压电流输出能力，具有极大的应用价值。

附图说明

图1是本发明所述的源测量单元测试***的拓扑结构图；

图2是AD5522内部电路结构图；

图3是本发明所述的源测量单元测试***的***框图；

图4是本发明所述的源测量单元测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的源测量单元测试***，电路拓扑结构图如图1所示，主要包括以下几个部分：

上位机，为了方便测试人员控制测试启停、设置测试参数以及对测试数据进行分析展示，测试***还包括上位机，由上位机通过***总线向***控制单元发送测试指令，控制模块根据测试要求向数模转换器DAC进行串行数据传输实现其具体输出；并负责对测试数据分析并判断，最终显示测试结果。

控制单元，负责控制整个***的测试流程，接收来自上位机的测试参数设定指令，同时需要对DAC发送测试向量，并在ADC采样阶段读取测试数据。

数模转换器DAC，将控制单元发送的数字信号转化为所需要的模拟电压信号和电流信号。DAC部分的低电流模拟开关用于切换施加电压模式和电流模式，切换信号送入V-I控制单元。模拟开关只是负责信号输入链路的选择功能，其本身并不通过流经DUT的功率电流或者功率电压，因此不需要考虑开关的损耗和由此产生的发热问题。

V-I控制单元，根据具体的参数以及功能要求，在该部分引入相关器件构成所需要的电路模块，例如箝位电路、保护电路、温度警报电路等。V-I控制单元根据具体的SMU参数要求(测试量程、测试精度以及箝位等)设置施加模式和反馈模式下的具体功能，随后接功率放大器驱动输出，并施加到待测器件上，由于检流电阻与被测器件是串联关系，因此当检流电阻两端的电压稳定后，整个回路的电流也稳定了，此时源测量模式即为电流源输出模式。

功率放大器，通过功率放大电路实现SMU的电压或电流驱动输出。将放大后的模拟信号通过反馈回路送入模数转换器ADC和V-I控制模块，形成闭环控制，提高了测试***的稳定性以及测试精度，经ADC采样的数据通过控制模块将数据返回至上位机进行分析。

功耗检测与调整，对功率放大器输出级功耗进行检测，实现对输出级功耗的动态追踪，同时在反馈回路中对输出级功耗进行调整，并将具体调整方案反馈至V-I Control模块，在该模块中进行电路参数配置，调整***供电电源的供电参数，从而提高了源测量单元的输出能力。功耗调整模块采用集成开关转换器LT8648S来实现，设置其为跟踪SMU输出模式，此时LT8648S的输出会时刻跟随SMU的输出，并在SMU输出的基础上减小一个净空电压的值(净空电压是指SMU电压输出的最大波动值)，使得功放输出级的功耗降低。

由于电路中寄生电容参数的影响，导致模拟反馈环路中容性负载的存在，并引起环路增益的相位裕度或幅度裕度的变化，从而影响反馈环路的稳定性造成输出源信号的震荡，信号从振荡到稳定的时间加长，测试***的稳定性因此受到影响。因此在功率放大器输出部分引入输出级功耗检测，在反馈回路中引入输出级功耗调整，对电路输出级功耗进行动态追踪，从而一定程度上减小了输出级的功耗，使得SMU的输入输出能力达到了供电电源能够提供的最大值。

检流电阻，反馈模式下的分路选择，配置源测量单元的输出模式为电流源输出模式，完成对待测器件DUT的电流测试。

稳压模块/稳流模块，对反馈回路中的输出电压以及输出电流进行稳压和稳流，实现了在电路信号发生波动时，源测量单元的输出电压或电流仍基本保持不变，减小了***的动态响应时间，提升了测试***的效率。

由于电路的输出级功耗始终处在一个不稳定的状态，从而影响了SMU的输出功率范围，因此在反馈部分设置了稳压以及稳流模块，以提高***稳定性以及测试效率。

模数转换器ADC，将模拟信号转换为数字信号，将采样后的结果返回至***控制单元MCU，由上位机比对DUT手册参数后给出判断结果。

本实施例中测试部分的主芯片选择ADI公司的AD5522作为源测量单元测试***的主芯片，在实现SMU施加电压/测量电流(Force Voltage/Measure Current)的模式下完成测试。

AD5522是ADI公司推出的业界首款四通道参数测量单元。每个通道内部提供22个16位数模转换器(DAC)用于驱动电压输入、箝位输入和比较器输入，提供5个可编程的电流驱动和测量，范围为±5μA至±64mA。其中4个量程是由内部检测电阻提供，另外一个大电流±80mA量程由外置电阻提供。超过±64mA的电流量程还需要一个外部缓冲器来实现。PMU功能通过串口SPI或者LVDS来控制实现。SPI协议下支持50MHz串口时钟下载，LVDS接口协议支持100MHz的时钟传输。AD5522的每个通道都包含五个专用DAC电平，分别用于驱动放大器、箝位高电平、箝位低电平、比较器高电平和比较器低电平。通过串行接口SPI或LVDS来控制AD5522内部寄存器设置DAC的输出，驱动放大器DAC用于设置施加电压或施加电流的值，箝位DAC用于保护DUT。在施加电压模式下，对电流进行箝位。反之，在施加电流模式下，对电压进行箝位。如果DUT上的电压或电流超过设定电平，则箝位会开始工作来设置驱动放大器。如果在更改为不同的工作模式或将器件编程到不同的电流范围时发生瞬态电压或电流尖峰，则箝位也可以保护DUT，图2为AD5522内部电路结构图。

在源测量单元测试***中，可通过串行接口设置AD5522的工作模式为FVMI(ForceVoltage Measure Current)模式。在电压驱动模式下，电压驱动直接映射到DUT，将DUT两端的电压稳定在FIN(驱动放大器输入电压值)，并将RSENSE两端的电压经测量电压放大器(MEASURE VOLTAGE AMPLIFIER)送入MEASOUT端，再通过模数转换器ADC采样测出MEASOUT的值。

电压驱动可通过公式(1)来计算：

VOUT＝4.5×VREF×(DAC_CODE/2¹⁶)-(3.5×VREF×OFFSET_DAC_CODE/2¹⁶)+DUTGND (1)

式中，VOUT是驱动放大器DAC的电压，VREF是基准电压，DAC_CODE是加载到DAC X2寄存器的码值，OFFSET_DAC_CODE是加载到偏置DAC的码值。上电是，加载到偏置DAC的默认码值为0XA492，在设置基准电压为5V时，其范围为±11.25V。AD5522内部主要包含三个寄存器：***控制寄存器、PMU寄存器和DAC寄存器，其中DAC X2寄存器和DAC偏置寄存器均属于DAC寄存器的范畴。

源测量单元测试***的基本测试流程如图3所示，本发明在测试通道与AD5522以及模数转换器ADC之间构成闭环反馈的基础上，同时在***供电电源部分设置AD5522内部功率放大器的输出级功耗追踪检测，并将该检测结果反馈到AD5522内部，对功率放大器输出级功耗进行调整，使得源测量单元的输出能力达到供电电源所能提供的最大值。并在测试通道的电压输出反馈回路中添加稳压模块，在电流输出反馈回路中添加稳流模块。稳压和稳流的目的是为了解决SMU电路***中存在的输出信号振荡导致的测试***的稳定性以及测试结果的准确性问题。

***的测试流程图如图4所示，具体的测试步骤如下：

步骤1：

首先根据需要设定的测试向量以及相关参数编写程序，由上位机发送指令至控制单元MCU，由MCU通过串行接口对测试芯片AD5522发送测试向量，配置其基本功能，包括基本工作模式设置、驱动增益设置、箝位设置、比较器电平设置和电流输出量程选择等，在保证测试电路稳定工作的前提下，实现AD5522特定量程下的施加电压测量电流(FVMI)的功能。

步骤2：

在步骤1的基础上，确定了AD5522此时的工作模式，随后对AD5522引脚输出端MEASOUT的电压进行放大处理，使得SMU的输出范围达到输出电压宽量程要求。同时在内部检测量程无法满足测试要求时，利用外部量程扩展电阻，可采用多个检流电阻实现多个电流范围的检流组合，并配合电路开关对多个量程进行切换，实现SMU的宽范围、多量程的电流输出。

步骤3：

在步骤2的基础上，对AD5522内部功率放大器和外部功率放大器的输出级功耗进行追踪检测，具体方法为在AD5522的数字供电DVCC部分，采用DC-DC转换器作为AD5522的供电输入调节单元，根据检测到的输出级功耗对DC-DC转换器的供电输出功率实时变化。DC-DC转换器是降压模块，负责功耗调整。对输出级功耗的检测也可以理解为对SMU的输出进行追踪，也就是说DC-DC转换器的输出功率始终随着SMU的输出变化，实现了在SMU输出功率确定的情况下，将输出级的功耗降到最低，从而在有限的散热条件下提供了满功率输出的可能。

步骤4：

在步骤3的基础上，对待测器件DUT进行测试，待经检流电阻的电流稳定后，将测量结果反馈至电流信号反馈部分，经稳流模块后送入AD5522(可用于设置AD5522的电流箝位参数)，同时将数据送入ADC进行采样。

步骤5：

在步骤4的基础上，将不同量程的测量输出结果接入多路复用器，并将多路复用器的单个输出信号送入ADC完成数据采样，同时将数据返回至AD5522作为环路控制以及电流箝位输入。

步骤6：

在步骤5的基础上，将采样后的电流数据结果返回至上位机，并结合DUT手册进行比对，分析得出判断结果。

Claims (6)

1.一种应用于源测量单元测试***的半导体器件测试方法，所述源测量单元测试***包括用于控制整个***测试流程的控制单元，所述控制单元将测试向量经数模转换器转化为模拟信号后发送至V-I控制单元，所述数模转换器和V-I控制单元间设有模拟开关，用于切换电压模式和电流模式，所述V-I控制单元根据测试向量选择并设置电压源或电流源模块输出，经功耗检测与调整模块施加给待测器件；待测量的电压/电流信号通过功率放大器和稳压/稳流模块后，发送至V-I控制单元，并通过模数转换器反馈至所述控制单元，形成闭环控制；所述功耗检测与调整模块对功率放大器输出级功耗进行检测，根据检测结果在反馈回路中对输出级功耗进行调整；所述测试***还包括上位机，所述上位机通过***总线向控制单元发送测试指令，并负责对测试数据分析并判断，显示测试结果，所述数模转换器和V-I控制单元部分采用测试芯片AD5522实现其功能，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设定测试向量，通过上位机发送指令至控制单元，由控制单元通过串行接口对测试芯片AD5522发送测试向量，配置其基本功能，所述测试芯片AD5522选择电压驱动测量电流模式；

步骤2：对AD5522引脚输出端MEASOUT的电压进行放大处理，使得SMU的输出范围达到输出电压宽量程要求，同时在内部电流量程无法满足测试要求时，利用外部量程扩展电阻，采用多个检流电阻实现多个电流范围的检流组合，并配合电路开关对多个量程进行切换；

步骤3：功耗检测与调整模块对AD5522内部功率放大器和外部功率放大器的输出级功耗进行追踪检测；

步骤4：对待测器件进行测试，待经检流电阻的电流稳定后，将测量结果反馈至电流信号反馈环路，经稳流模块后送入AD5522，同时将数据送入ADC进行采样；

步骤5：将不同量程的测量输出结果接入多路复用器，并将多路复用器的单个输出信号送入ADC完成数据采样，同时将数据返回至AD5522作为环路控制以及电流箝位输入；

步骤6：将采样后的电流数据结果返回至上位机，分析得出判断结果。

2.根据权利要求1所述的半导体器件测试方法，其特征在于：所述测试芯片AD5522选择电压驱动测量模式，待测器件两端的驱动电压计算公式为：

VOUT＝4.5×VREF×(DAC_CODE/2¹⁶)-(3.5×VREF×OFFSET_DAC_CODE/2¹⁶)+DUTGND

式中，VOUT是驱动放大器DAC的电压，VREF是基准电压，DAC_CODE是加载到DAC X2寄存器的码值，OFFSET_DAC_CODE是加载到偏置DAC的码值，DUTGND是被测器件接地电压值。

3.根据权利要求1所述的半导体器件测试方法，其特征在于：所述的根据检测结果在反馈回路中对输出级功耗进行调整，是以SMU的实时输出电压为参考，降低***供电部分的输出级功耗，并将调整信号反馈至V-I控制单元重新进行电路参数配置，调整***供电电源的供电参数。

4.根据权利要求1所述的半导体器件测试方法，其特征在于：所述功耗检测与调整模块采用集成开关转换器。

5.根据权利要求1所述的半导体器件测试方法，其特征在于：所述测试向量包括模式设置、驱动增益设置、箝位设置、比较器电平设置和电流输出量程选择。

6.根据权利要求1所述的半导体器件测试方法，其特征在于：所述控制单元采用STM32F103VET6。