低導通電阻MOSFET測試中的自動校驗技術

顧漢玉，廖遠光

（華潤賽美科微電子（深圳）有限公司，廣東 深圳 518116）

MOSFET （Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）是金屬-氧化層-半導體場效晶體管的簡稱，中文簡稱MOS管，是一種典型的半導體功率器件。隨著半導體技術的不斷進步，MOS管性能提升明顯，應用日益廣泛。電源控制和電源轉換是MOS管大量使用的一個重要領域，在這類應用中，MOS管通常作為開關使用，導通電阻是最為關鍵的參數之一，直接影響到應用電路的穩定性。因此，導通電阻的準確測量成為MOS測試的重點。

1 低導通電阻MOS管簡介

MOS管按照柵極的功能可分為增強型和耗盡型，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，一般主要應用的為增強型的NMOS管和增強型的PMOS管。與傳統的晶體管相比，MOS管具有開關速度快、輸入阻抗高、安全工作區大、熱穩定性好等優點[1]。MOS管的主要參數有：

V（BR）DS：漏源極擊穿電壓；

RDS（on）：MOS導通時漏源之間的電阻；

RDS（on）＠ID：漏極工作電流為 ID時的漏源極導通電阻；

ID：最大漏極工作電流；

PD：最大漏極耗散功率。

半導體廠家設計了多種規格的MOS管滿足各種不同的應用需求。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，導通電阻從幾毫歐到數百歐，設計工程師可以選擇合適的型號滿足設計要求。

隨著半導體工藝技術的不斷發展，MOS管的性能不斷提升，擊穿電壓越來越高，導通電阻越來越小，很多產品的導通電阻已經在毫歐的量級（稱為低導通電阻MOS管），這對于產品應用非常有利，可以降低MOS管的功耗，實現更大的工作電流，也提高了電路的轉換效率。

2 MOS管測試

在MOS管生產制造過程中，測試是保證其質量及剔除不良品的重要環節。測試通常由自動測試設備ATE（Automatic Test Equipment）、機械手（HANDLER）、 負 載 板（LOADBOARD，也叫 DUT板）等構成的系統來完成。典型MOS管測試系統結構如圖1所示。

圖1 典型MOS管測試系統

ATE是由測試儀和計算機組合而成的測試系統，擁有各種參數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。負載板是把測試儀資源信號轉換為被測IC所需信號的電路模塊。機械手作用是：通過機械裝置，依次逐個將需要測試的IC連接到測試回路中，并根據測試機測試的結果（PASS/FAIL），將被測IC放到相應的料管中，從而實現良品與不良品的篩選。

測試是由HANDLER觸發測試儀ATE根據計算機程序控制的電流電壓信號通過負載板加到被測IC，再根據測試儀采集回的數據進行判斷并返回測試結果給HANDLER進行篩選的過程。

對于較小電阻的測量（如參數 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，兩者嚴格分開，各自構成獨立回路；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，所以電壓表可以準確測出Rt兩端的電壓值，從而準確測量出Rt的阻值。測試結果和r無關，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）。

圖2 開爾文測試法

3 傳統低導通電阻MOS管測試中的問題

傳統的MOS管測試通常是根據MOS管的參數測試項目，編寫測試儀的加壓加流、測壓測流及相應繼電器控制等測試控制程序，根據預定好的參數測試流程項目對每一項進行測試，遇到某一項的測量數值超過規范的范圍時則認為是失效（FAIL）并被分到FAIL的BIN分，全部測量項目測量值都在對應參數測試項目的指標范圍內時則認為是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。

表1 原測試項目方案

圖3 原測試項目方案測試流程

圖4 原測試等效圖

以上測試方案在測試儀精度良好的情況下，測試的準確性是可以滿足要求的，但由于MOS管的導通電阻的測試要求很高，對設備的精度要求相當苛刻。即使設備通過了標準校準盒校準，實際用標準樣品（GOLDEN SAMPLE）對比測試，仍會出現不符合要求的情況；這主要是因為標準校準盒對毫歐級的校準精度不高，同時由于各種原因（包括設備老化、外圍環境變化等因素）導致測量精度變差。應對此問題一般的做法是用標準樣管對測試系統進行定期校準，如果出現數據不在規范內的情況，需要對測試儀的硬件進行調整，直至滿足要求。這種做法不僅效率低下，同時無法避免設備在校準周期內發生精度超標的情況，存在質量隱患。

4 改進后的測試方案

針對MOS管原測試方案當中的缺陷，本方案在原MOS管測試項目的基礎上增加對測試儀自身測量精度的校驗項，在負載板上增加標準精密電阻，在MOS管測試前先用標準電阻對測試儀進行精度校驗，通過后再對MOS管測試項目進行測試。改進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。

表2 改進后的測試項目方案

圖6所示，改進后的方案先用Rm對測試儀測試單元進行校驗，實時性地對測試儀進行監控，有效地避免了因測試儀精度漂移導致MOS管量產中不良品混進良品中的威脅，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管的測試品質實現了效率的提高。

在低導通電阻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，本方案通過在負載板上增加標準電阻，在MOS管測試前先對測試儀的測量精度進行自動校驗，實際生產證明，本方案有效避免了潛伏性的威脅，提高了MOS管測試的品質。

圖5 改進后的測試項目方案測試流程

圖6 改進后的測試等效圖

[1]陸坤.電子設計技術[M].成都：電子科技大學出版社，1997.

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[4]朱正涌.半導體集成電路[M].北京：北京大學出版社，2001.

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[7]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.