集成電路中MOS管導(dǎo)通電阻測量方法

韓新峰，顧衛(wèi)民

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫 214035）

集成電路中MOS管導(dǎo)通電阻測量方法

韓新峰，顧衛(wèi)民

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫 214035）

MOS管是一種常見的半導(dǎo)體功率器件，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和進步，MOS管的各方面性能也得到大幅度的提高，被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、節(jié)能燈、電源轉(zhuǎn)換和電源控制等領(lǐng)域。在功率電路中，MOS作為一種多子功率開關(guān)器件，其導(dǎo)通電阻是至關(guān)重要的參數(shù)之一，會影響到應(yīng)用電路的穩(wěn)定性和功耗。因此在集成電路測試中對于MOS管導(dǎo)通電阻的精確測量顯得尤為重要。對于MOS管導(dǎo)通電阻的測量做了詳細(xì)分析，并介紹了兩種可以準(zhǔn)確測量MOS管導(dǎo)通電阻的方法。

MOS管；導(dǎo)通電阻；測試

1　引言

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，是一種常見的半導(dǎo)體功率器件[1]。由于其具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、溫度穩(wěn)定性好、沒有少子存儲效應(yīng)、具有負(fù)電流溫度系數(shù)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、汽車電子、不間斷電源、電力轉(zhuǎn)換電路、逆變器等各個領(lǐng)域[2]。在MOS管的應(yīng)用中其功耗大小是使用者考慮的一個重要因素，而其導(dǎo)通電阻的大小對其功耗有著至關(guān)重要的影響。所以，MOS管在作為功率器件的集成電路應(yīng)用中，導(dǎo)通電阻是其最為關(guān)鍵的參數(shù)之一。為保證MOS管在應(yīng)用電路中得到穩(wěn)定應(yīng)用，在其出廠時需要測試公司對其進行準(zhǔn)確的測量。

2　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，兩種組合起來就有4種類型，一般主要應(yīng)用的是增強型NMOS管和增強型PMOS管。和傳統(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[3]。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。

為了滿足各種不同需求的應(yīng)用，半導(dǎo)體廠家設(shè)計了多種規(guī)格的MOS管。有的具有幾伏到上千伏的漏源極擊穿電壓，有的具有幾瓦到幾百瓦的最大漏極耗散功率，有的具有幾毫歐到數(shù)百歐的導(dǎo)通電阻，設(shè)計工程師可以選擇合適的型號以滿足設(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)在毫歐量級（我們稱為低導(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。隨著MOS管集成在IC中的實現(xiàn)，對于集成MOS管導(dǎo)通電阻的精確測量越來越不容易。

3　灌電流測試導(dǎo)通電阻

有的成品測試公司對MOS管導(dǎo)通電阻的測量方法是對工作狀態(tài)下IC的Drain端（即MOS管封裝的漏極）灌入毫安級或者是一個安培級的電流來測試Drain端對地的電壓，用測得的電壓和電流相除得到其導(dǎo)通電阻。本文將以示例對該方法做詳細(xì)分析。

IC導(dǎo)通電阻測試規(guī)范見表1。

表1　IC導(dǎo)通電阻測試參數(shù)規(guī)范

測試程序流程如下：

//RDS_on

SET_VIS_P(CS,FVMI,1.2,V,10,MA);//CS腳施加1.5 V

SET_VIS_P(OVP,FVMI,0.5,V,10,MA);

SET_VI5A_P(DRAIN,FIMV,0,MA,10,V,0,0,0);

Delay(10);

SET_VIS_P(VCC,FVMI,15,V,100,MA);//VCC腳施加工作電壓

Delay(2);

SET_VI5A_P(DRAIN,FIMV,2,A,10,V,0,0,0); //Drain端施加2 A電流

Delay(20);

VIN5A_MEASURE_P(DRAIN,1);//測試Drain端電壓

V_RDS[0]=GET_DATA(0)/2;//計算RDS(on)

if(!SHOW_RESULT("Rdson",V_RDS,"ohm", 3.2,0,10))//結(jié)果顯示

return;

從以上測試程序和規(guī)范可以看出該測試方法流程簡單易操作。按照該方法測試1000顆良品電路的導(dǎo)通電阻折線圖見圖1。

從圖1中可以看到按照灌電流方式測試的導(dǎo)通電阻較為分散，有部分良品電路測試值偏出了測試規(guī)范（測試值超出上限3.2 Ω），導(dǎo)致測試失敗，造成了良率的損失。對小電阻參數(shù)的測量，使用該方法測得的電阻是線阻和導(dǎo)通電阻以及金手指接觸電阻疊加的結(jié)果，這就導(dǎo)致測試值比實際值偏大。為解決該問題通常需要采用開爾文（Kelvin）連接測試的方式測試導(dǎo)通電阻。

圖1　灌電流方式下的RDS(on)測試值折線圖

4　開爾文（Kelvin）測試

4.1測試原理

Kelvin連接也叫四線制連接，是一種測量小電阻的方法。它能有效去除導(dǎo)線電阻等雜項對微小電阻的影響，使測試結(jié)果更精確。具體原理見圖2。圖中R是被測電阻，R1、R2、R3、R4代表導(dǎo)線、接觸等干擾電阻，I是電流激勵源，V是電壓測量源，HF、LF是激勵源的導(dǎo)線，HS、LS是電壓測量源的導(dǎo)線。首先，I激勵一個電流，然后V測量出R、R2、R3壓降之和。由于V作為測量源輸入電阻近似無窮大，所以HS、LS兩條導(dǎo)線無電流流過，R2、R3壓降為零，所以此時V測出來的電壓為R兩端電壓，根據(jù)歐姆定律可精確算出R的實際電阻[4]。

圖2　Kelvin連接方法測試小電阻原理圖

4.2開爾文連接方式的RDS(on)測試

在成品測試時對于開爾文的連接方法如圖3所示，將HF（或LF）、HS（或LS）獨立連接到兩片金手指上，這樣就能保證F線和S線一直獨立地連接到芯片引腳。

圖3　HF、HS、LF、LS 4根導(dǎo)線獨立連接到芯片引腳

按照開爾文方式測試相同的1000顆良品電路，其導(dǎo)通電阻折線圖如圖4所示。

圖4　開爾文方式下的RDS(on)測試值折線圖

通過圖1和圖4可以明顯看出采用開爾文的連接方式能夠更加準(zhǔn)確地測試出導(dǎo)通電阻的實際值，并且數(shù)據(jù)一致性高，消除了因接觸誤差導(dǎo)致的良率損失。

5　掃描低電平法測試導(dǎo)通電阻

有的測試公司受測試機臺測試源能力的限制，測試機并不能夠提供2 A的灌電流，因此不能以灌電流的方法測試導(dǎo)通電阻。對于該種情況可以采用測試MOS管導(dǎo)通時導(dǎo)通電阻壓降的方法來計算導(dǎo)通電阻。

圖5為使用掃描低電平的方式測試導(dǎo)通電阻的硬件線路圖，其中用到了比較器LM393和4個電阻作為外圍器件；LM393采用+15 V供電，輸出腳Out1與電源腳1 kΩ電阻相連，負(fù)端輸入IN1-接掃描電平，該電平采用測試機的源施加電壓；正輸入端IN1+連接到IC的Drain端并且通過一個100 Ω的電阻上拉到IC的Vdd腳。在MOS管導(dǎo)通時通過不斷抬高IN1-的輸入電壓VRDS(on)（以10 mV一個步距向上掃描）；同時監(jiān)控LM393的輸出波形，當(dāng)IN1-腳的輸入電壓與Drain端的低電平相等時，LM393的輸出端將沒有波形輸出，此時記錄VRDS(on)的值并停止掃描。掃描法測試程序流程如下：

//Rdson

DVI_SetMode(VCC,FV,VRang_10V,IRang_100mA, 100.0,-100.0);//VCC

OVI_SetMode(CS,FV,10.0,10.0,10.0);

OVI_SetMode(VRdson,FV,10.0,10.0,10.0);

DelaymS(2);

DVI_SetOutVal(VCC,15.0);//VCC

OVI_SetOutVal(CS,1.5);//CS

DelaymS(10);

for(VRD=0.1;VRD＜2;VRD=VRD+0.01)

{

OVI_SetOutVal(VRdson,VRD);

DelaymS(0.5);

TMU_Measure(0);

if(pSite-＞RealData[SITE1]＞0.03&&pSite-＞RealData[SITE1]＜0.1)//判斷

break；

}

Rdson=100*VRD/(15-VRD1);

掃描法測試等效分壓圖見圖6。

圖5　掃描法測試RDS(on)線路圖

圖6 掃描法測試RDS(on)等效分壓圖

圖6為等效電路圖，按照電阻分壓的規(guī)律RDS(on)的計算公式為：

使用該方法可以不受測試源能力的限制，一般的測試機型都可以滿足測試條件，測試方法簡單。按照該方法測試相同的1000顆電路，其導(dǎo)通電阻的折線圖見圖7。

圖7　電壓掃描方式下的RDS(on)測試值折線圖

從圖7可以看出掃描法測試的導(dǎo)通電阻較為一致，測試值相比開爾文測試方法略微偏大，導(dǎo)致偏大的原因為掃描電壓較實際的低電平電壓高出一個步距導(dǎo)致，可按照準(zhǔn)確的測試值做修正以保證準(zhǔn)確度。

6　結(jié)論

灌電流的方式測試采樣電阻需要測試機具有安培級以上的灌電流能力才能實現(xiàn)，利用該方法測試導(dǎo)通電阻時需要在硬件上作開爾文連接處理，從而消除接觸電阻和線阻對測試準(zhǔn)確度的影響；該方法簡單方便，不需要多余的外圍器件。

掃描法測試導(dǎo)通電阻的方法對測試機的能力要求不高，測試過程中不需要大電流，對導(dǎo)通電阻的測試對接觸電阻并不敏感，準(zhǔn)確度較高。但是該方法在編程上采用掃描的方式測試時間會較長，并且該方法需要借助比較器和電阻等外圍器件，測試外圍較為復(fù)雜。

綜上所述，在測試導(dǎo)通電阻時各測試公司可以根據(jù)本公司主流測試機能力和對測試時間的側(cè)重點選擇合適的測試方法。

[1]顧漢玉，武乾文.一種精確測量MOSFET晶圓導(dǎo)通電阻的方法[J].電子與封裝，2014,14（9）：17-20.

[2]白朝輝，王標(biāo).高壓VDMOSFET導(dǎo)通電阻的優(yōu)化設(shè)計[J].數(shù)字/模擬電路，2007.

[3]陸坤，等.電子設(shè)計技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1997.

[4]刁維虎，等.Kelvin連接方法在芯片Rdson測試中的應(yīng)用[J].中國集成電路，2013，12.

Studies of MOS Turn-on Resistance Measurement Methods

HAN Xinfeng,GU Weimin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

MOS is a common power semiconductor devices and has witnessed drastic improvement along with the semiconductor industry and wide application in switching power supply,energy-saving lamps,power conversion and power control.MOS is used as a multi power switching devices in power circuit where conduction resistance is one of the key parameters.As conduction resistance affects the stability and power consumption of the circuit,its accurate measurement is of great importance.This paper makes a detailed analysis on the resistance of MOS pipe,and introduces several methods to measure the MOS tube conduction resistance.

MOS tube;conducting resistance;test

TN307

A

1681-1070（2016）11-0010-04

2016-6-7

韓新峰（1987—），男，山東濰坊人，碩士研究生，畢業(yè)于南昌航空大學(xué)控制工程專業(yè)，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第58研究所從事集成電路測試研發(fā)工作。