安捷倫高頻阻抗測(cè)試儀表E4982A測(cè)控技術(shù)應(yīng)用

鄧長(zhǎng)開(kāi)，唐明津，胡義平

（英飛凌半導(dǎo)體（無(wú)錫）有限公司，江蘇無(wú)錫 214028）

1 引言

半導(dǎo)體芯片在測(cè)試過(guò)程中，很多型號(hào)的芯片需要進(jìn)行高頻（大多是 100 MHz、330 MHz及 470 MHz）阻抗測(cè)試，以測(cè)試高頻下半導(dǎo)體芯片的阻抗值。目前半導(dǎo)體車間高頻阻抗測(cè)試平臺(tái)多為多年前國(guó)外設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其基于Windows 2000/NT系統(tǒng)與安捷倫早期的阻抗測(cè)試儀表集成設(shè)計(jì)而成，此類安捷倫早期的阻抗測(cè)試儀表已停產(chǎn)多年，同時(shí)Windows 2000/NT平臺(tái)落后，無(wú)法適應(yīng)企業(yè)未來(lái)的生產(chǎn)信息化的要求，所以對(duì)此進(jìn)行升級(jí)更新成為企業(yè)持續(xù)可靠生產(chǎn)的需求。本文主要講述如何根據(jù)安捷倫最新型的阻抗儀表E4982A、吉時(shí)利2410數(shù)字電源表、Windows 7系統(tǒng)與VB搭建高頻阻抗測(cè)試與控制平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)高頻阻抗測(cè)試平臺(tái)的升級(jí)換代與國(guó)產(chǎn)化。

2 阻抗測(cè)試儀表及偏置電源表介紹

本文介紹的測(cè)控平臺(tái)儀表為安捷倫（Agilent）高頻阻抗測(cè)試儀表E4982A與吉時(shí)利（Keithley）2410數(shù)字電源表。E4982ALCR阻抗測(cè)試儀表用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體無(wú)源芯片的阻抗，測(cè)試頻率1 MHz～3 GHz，可測(cè)量140 mΩ～4.8 kΩ范圍的阻抗，基本精度±0.8%，具有現(xiàn)代化的用戶界面與接口，測(cè)量變異小，可重復(fù)性好，擁有出色的測(cè)量速度、精度、阻抗范圍等性能[1]。Keithley 2410提供精密電壓和電流源/負(fù)載，可同時(shí)提供10 fA～10 A的脈沖電流和/或100 nV～200 V的電壓、1000 W脈沖和100 W直流總功率的源和測(cè)量[2]。

3 高頻阻抗原理與測(cè)試方法

高頻阻抗測(cè)試廣泛用于無(wú)源半導(dǎo)體芯片測(cè)量中，利用高頻阻抗測(cè)試可以對(duì)無(wú)源半導(dǎo)體芯片和工藝進(jìn)行特征分析。阻抗是用來(lái)表征電子電路、元件和用于制造元件的材料的重要參數(shù)。阻抗（Z）通常被定義為一個(gè)設(shè)備或電路在給定頻率下為交流電提供的總阻礙，它被表示為復(fù)數(shù)，單位是歐姆（Ω），在矢量平面上用圖形表示。阻抗矢量由實(shí)部（電阻R）和虛部（電抗X）組成，如圖1所示。阻抗可以用直角坐標(biāo)形式R+JX或在極坐標(biāo)形式為幅值和相角表示：|Z|∠θ。R、X、|Z|和θ在某些情況下，利用阻抗的倒數(shù)在數(shù)學(xué)上是權(quán)宜之計(jì)。在這種情況下，1/Z=1/（R+JX）=Y=G+JB，其中Y代表導(dǎo)納（單位S），G和B代表電導(dǎo)、電納。阻抗是一種常用的參數(shù)，特別適用于表示電阻和電抗的串聯(lián)，因?yàn)樗梢院?jiǎn)單地表示為一個(gè)和（R和X）。對(duì)于并聯(lián)，最好使用導(dǎo)納，如圖2[3]所示。

圖2 電阻和電抗的串并聯(lián)

阻抗測(cè)試方法有多種，由于篇幅限制文中介紹2種常用的測(cè)試方法。

3.1 I-V測(cè)量方法

I-V測(cè)量方法如圖3所示，未知的阻抗（ZX）可以從測(cè)得的電壓和電流值計(jì)算。電流通過(guò)精確測(cè)量的低值電阻器（R）上的電壓測(cè)量來(lái)計(jì)算。

圖3 I-V測(cè)量方法

3.2 RF I-V測(cè)量方法

RF I-V測(cè)量方法和I-V測(cè)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測(cè)量電路（50Ω）和精密同軸測(cè)試端口，運(yùn)行在更高的頻率，有兩種類型的電壓表和電流表的安排適用于低阻抗和高阻抗測(cè)量。阻抗測(cè)試從測(cè)量電壓和電流值開(kāi)始，如圖4所示。

圖4 RF I-V測(cè)量方法

4 高頻阻抗測(cè)試平臺(tái)及VB編程

高頻阻抗測(cè)控平臺(tái)硬件構(gòu)成有一臺(tái)支持GPIB通信的工控機(jī)、Agilent E4982A高頻阻抗儀表、Keithley 2410數(shù)字電壓電源表、GPIB數(shù)據(jù)通信線，連接原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 硬件連接原理

測(cè)試儀表校準(zhǔn)、手動(dòng)操作儀表進(jìn)行開(kāi)路、短路、負(fù)載50 Ω標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)步驟等具體操作見(jiàn)廠家提供的操作手冊(cè)，本文不予贅述。VB編程需引用GPIB通信協(xié)議，本測(cè)試平臺(tái)軟件使用的是GPIB通信VISA 488。所有數(shù)據(jù)指令都通過(guò)VISA發(fā)送到儀表的GPIB端口，從而實(shí)現(xiàn)儀表控制。

測(cè)試夾具阻抗補(bǔ)償主要進(jìn)行開(kāi)路和短路補(bǔ)償，開(kāi)/短補(bǔ)償是為了消除測(cè)試夾具殘差和電氣長(zhǎng)度測(cè)試端口擴(kuò)展引起的誤差。源代碼如下：

Dim ioMgr As VisaComLib.ResourceManager

Dim age4982x As VisaComLib.FormattedIO488

'定義GPIB通信端

Set ioMgr=New VisaComLib.ResourceManager

Set age4982x=New VisaComLib.FormattedIO488

'打開(kāi)GPIB端口

Set age4982x.io=ioMgr.Open("GPIB0::17::INSTR")

'設(shè)超時(shí)時(shí)間此值必須大于測(cè)試時(shí)間

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"

‘開(kāi)路補(bǔ)償指令

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"

‘短路補(bǔ)償指令

age4982x.WriteString":CORR2:COLL:SAVE"

MsgBox"###Done###",vbOKOnly,"E4982A"

End If

Exit Sub

End If

半導(dǎo)體高頻阻抗測(cè)試需要提供測(cè)試偏置條件，有些型號(hào)的芯片需要加載指定電壓下測(cè)試，有些需要加載指定電流下測(cè)試。Keithley 2410提供阻抗測(cè)試時(shí)的偏置電壓和電流，控制Keithley2410偏置電壓的源代碼如下：

‘命令Keithley2410輸出指定電壓，用來(lái)提供阻抗測(cè)試偏置電壓

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端口號(hào)設(shè)為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'"

’設(shè)定鉗位電流

K2410.WriteString":SENS:CURR:PROT"&Cur

K2410.WriteString":SOUR:FUNC VOLT"

K2410.WriteString":SOUR:VOLT:RANG:AUTOON"

’設(shè)定輸出電壓

K2410.WriteString":SOUR:VOLT"&V

End Sub

偏置電流的源代碼如下：

‘命令Keithley2410輸出指定電流，用來(lái)提供阻抗測(cè)試偏置電流

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端口號(hào)設(shè)為16

Set K2410.io=ioMgr.Open("GPIB0::16::INSTR")

K2410.io.Timeout=30000

K2410.WriteString":SENS:FUNC'VOLT'"

’設(shè)定鉗位電壓

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"

’設(shè)定輸出電流

K2410.WriteString":SOUR:CURR"&Cur

End Sub

基于上述內(nèi)容，高頻阻抗測(cè)試平臺(tái)軟件每次測(cè)試芯片時(shí)先根據(jù)芯片測(cè)試要求控制Keithley 2410輸出所需設(shè)定的偏置條件，再觸發(fā)E4982A進(jìn)行測(cè)試讀值，然后根據(jù)芯片型號(hào)的測(cè)試值規(guī)定的范圍進(jìn)行判斷即完成一次測(cè)試，測(cè)試完整源代碼如下，軟件測(cè)試取值顯示如圖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

‘根據(jù)測(cè)試要求設(shè)定偏置電壓或電流

If BiasType="Current"Then

SetI_DC Current,V

Else

SetV_DC V,Current

End If

‘設(shè)完偏置條件后觸發(fā)E4982A測(cè)試并讀取值

age4982x.WriteString":TRIG"

Do

age4982x.WriteString":STAT:OPER:COND?"

CondReg=age4982x.ReadNumber

BitWaitingForTrigger=CondReg And 32

Loop While BitWaitingForTrigger=0

age4982x.WriteString":DATA:FDAT3?"

‘讀取的測(cè)試值

readv=age4982x.ReadString

MeasureV=readv

End Sub

圖6 軟件測(cè)試取值

以100 MHz、偏置電流1.5 mA的標(biāo)準(zhǔn)阻抗芯片器件測(cè)試為例，新的阻抗測(cè)試平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)值幾乎無(wú)差別，如圖7所示。

圖7 偏置電流1.5 mA的標(biāo)準(zhǔn)阻抗芯片10次測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

此新型高頻阻抗測(cè)試平臺(tái)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)阻抗件和大量的測(cè)試驗(yàn)證以及相關(guān)儀表測(cè)試專家的審核，不僅覆蓋原有的功能，同時(shí)從測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中掌握了阻抗測(cè)試測(cè)控領(lǐng)域相關(guān)的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，速度快、精度高，可用于科研院所的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證、半導(dǎo)體廠家批量生產(chǎn)測(cè)試、質(zhì)量部門(mén)產(chǎn)品檢查認(rèn)證等領(lǐng)域，也為未來(lái)新的全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)和模塊化組裝打下了基礎(chǔ)。

[1]Keysight.E4982A射頻LCR表使用手冊(cè)[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.射頻阻抗測(cè)量夾具建模技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].電子器件，2007，30(3)：1075-1078.