運放失調(diào)電壓的激光修調(diào)測試

摘" 要： 目前高精度運算放大器的應用愈發(fā)普及，由于集成電路制造工藝的限制，運算放大器的輸入級晶體管和負載電阻無法做到完全匹配，因此需要通過修調(diào)方式提高運放輸入級的匹配度，以此減小失調(diào)電壓。文中介紹了運放失調(diào)電壓的定義和產(chǎn)生的原因，分析了失調(diào)電壓的測試方法，并對常用的失調(diào)電壓修調(diào)方法進行了介紹和對比，總結(jié)了激光修調(diào)的優(yōu)點。然后分析失調(diào)電壓激光修調(diào)的原理，同時基于激光修調(diào)常用的幾種切割方式，選擇帽型電阻雙線切割方式。為了達到更高的精度和良品率，提出了一種在線激光修調(diào)方法，最終通過測試數(shù)據(jù)對比分析，驗證了在線激光修調(diào)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 運算放大器； 失調(diào)電壓； 激光修調(diào)； 自動測試系統(tǒng)； 集成電路； 制造工藝

中圖分類號： TN247?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）06?0113?05

Laser trimming testing of operational amplifier offset voltage

LI Can， CHENG Fayong， GUO Xiaoyu， WANG Jianchao， HAN Xianhu

（The 58th Research Institute， CETC， Wuxi 214035， China）

Abstract： The application of high?precision operational amplifiers is becoming popular increasingly. Due to the limitations of integrated circuit manufacturing technology， the input transistor and load resistance of operational amplifiers cannot be matched completely. Therefore， it is necessary to improve the matching degree of the input stage of the operational amplifier by means of trimming methods to reduce the offset voltage. The definition and the causes of operational amplifier offset voltage are introduced， and the testing methods for offset voltage are analyzed. The commonly used offset voltage trimming methods are introduced and compared， and the advantages of laser trimming are summarized. The principle of laser trimming of offset voltage is analyzed， and based on several commonly used cutting methods for laser trimming， the hat?type resistor dual wire cutting method is selected. In order to realize higher accuracy and yield， a method for online laser trimming was proposed. The superiority of online laser trimming was verified by means of comparative analysis of testing data.

Keywords： operational amplifier; offset voltage; laser trimming; automatic test system; integrated circuit; manufacturing process

0" 引" 言

近年來，集成電路正向著低功耗、高集成和高精度方向發(fā)展[1]。運算放大器作為電子系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元之一，其性能通常會影響電子產(chǎn)品的整體性能[2]。在一些精密測量領(lǐng)域，運放的失調(diào)電壓決定著探測器對微弱信號采集或處理的精度[3]。

一個理想的運算放大器的輸入端都接地或0 V時，其靜態(tài)輸出電壓[4]應為0。但是由于集成電路制造工藝限制，運算放大器的差分輸入級的晶體管和負載電阻很難做到完全對稱，輸入失調(diào)電壓便由此產(chǎn)生[5]。通過修調(diào)輸入級電阻可以改變輸入級的不對稱程度，從而降低輸入失調(diào)電壓，這就是運放輸入失調(diào)電壓的修調(diào)技術(shù)[6]。目前有三種常用的修調(diào)方式：激光修調(diào)、熔絲電修調(diào)和齊納管修調(diào)[7]。

本文介紹了失調(diào)電壓產(chǎn)生的原因，分析了運算放大器的測試方法，對不同的修調(diào)方式進行了對比；分別利用激光修調(diào)和齊納管修調(diào)對運算放大器的失調(diào)電壓進行修調(diào)測試，并對比了兩種方式的修調(diào)效果，實現(xiàn)了高精度運放失調(diào)電壓的測試。

1" 運放的失調(diào)電壓測試

1.1" 失調(diào)電壓的定義

當一個理想運放的輸入端都接地時，其輸出電壓應為0，但在實際運放中，由于輸入級內(nèi)部做不到真正意義上的絕對對稱，因此需要在輸入腳之間增加適當?shù)难a償電壓，使得輸出電壓UO=0，其補償電壓就是失調(diào)電壓UOS。運放失調(diào)電壓模型如圖1所示，在集成電路測試領(lǐng)域中，一般將失調(diào)電壓理解為：運放接成跟隨器且正端接地，此時的輸出電壓即為UOS。

1.2" 失調(diào)電壓的產(chǎn)生

運算放大器輸入的失調(diào)電壓主要由輸入級的制造工藝和集成電路的封裝技術(shù)產(chǎn)生。

如圖2所示，理想運放的輸入級電路有2個對稱的負載電阻（R1、R2）和2個對稱的三極管（VT1、VT2），其中輸入級對稱三極管的匹配度一般是和晶圓面積的平方根成正比，比如要把匹配度提高到原來的n倍，晶圓面積就要增大到原來的n2倍。然而增大晶圓面積不僅會增加電路的制造成本，并且匹配度達到一定程度后，單純地增加晶圓面積對減小輸入失調(diào)電壓的作用微乎其微。

運放的封裝類型按照封裝材料可分為塑封和陶封，塑封類型一般有MSOP、SOIC、LFCSP等。除了一些少數(shù)運放外，通常情況下塑封的不同封裝類型對失調(diào)電壓影響不大，但是陶封和塑封由于封裝材料的不同，失調(diào)電壓會有一定區(qū)別。

在運放的測試階段，可以通過修調(diào)輸入級內(nèi)部的負載電阻對失調(diào)電壓進行調(diào)整。

1.3 失調(diào)電壓的測試

在使用自動測試系統(tǒng)（ATE）測試運放時，一般有2種測試方法，一種是設(shè)計標準測試外圍電路進行測試，另一種是利用ATE的專有運放測試資源如運放包進行測試[8]。

典型的運放失調(diào)電壓測試電路圖如圖3所示，其中繼電器接地或者連接指定電壓UREF，供電電源的紋波和噪聲要盡量低，測試時要盡可能遠離發(fā)熱源。

根據(jù)輔助運放的輸出電壓ULO即可計算出失調(diào)電壓，公式如下：

輸入電阻RI和反饋電阻RF的精度決定了失調(diào)電壓的測試進度，需滿足以下要求：

式中：IIO為被測器件的輸入失調(diào)電流；UOPP為輔助運放的輸出峰?峰電壓。

針對不同的運放電路，傳統(tǒng)的失調(diào)電壓測試方法需要單獨設(shè)計對應的外圍電路，硬件設(shè)計成本較高，且該方法較難滿足高精度失調(diào)電壓的測試要求。

因此，目前很多ATE制造廠家會將運放測試資源集成到測試機內(nèi)部，例如浙江宏邦電子公司制造的數(shù)?；旌蠝y試機內(nèi)部集成了運放測量模塊DOAL，DOAL提供了2個獨立的環(huán)路來實現(xiàn)運放的測試功能，可支持4路運放并行測試，具有7個可選的精度為1%的負載電阻及可編譯的Pole/Zero補償，使用SERVO伺服回路使得在測量輸入的時候被測運放的輸出達到需要的設(shè)定值。在使用DOAL模塊測試運放時，測試硬件只需要將被測運放的管腳接入對應的DOAL測量模塊的通道，利用Multi Site Library命令集的DOAL測量函數(shù)實現(xiàn)具體參數(shù)的測試。

2" 失調(diào)電壓的激光修調(diào)

2.1" 失調(diào)電壓的常用修調(diào)方法對比

由于國內(nèi)集成電路制造工藝的限制，國產(chǎn)運放輸入級的匹配度相較于國外有一定差距，因此在運放的晶圓測試（Chip Probing）階段對輸入級負載電阻進行修調(diào)，以達到降低失調(diào)電壓的目的。根據(jù)修調(diào)原理的不同，主要有以下3種修調(diào)方式。

1） 熔絲修調(diào)：根據(jù)材質(zhì)通常分為多晶硅熔絲和金屬熔絲，金屬熔絲使用較多，一般采用鋁條，如圖4a）所示，鋁條兩端連接到晶圓的PAD，探針會扎壓在PAD上，鋁條在未熔斷前為短路狀態(tài)，此時只有電阻R1處在電路中，ATE通過在探針上引接入大電流（一般100 mA，30 ms）來熔斷鋁條，可以將對應的R1、R2或R3電阻引入到電路中。熔絲修調(diào)的過程是一個負載電阻逐漸增大的過程，且熔絲熔斷后不可恢復。但在CP首測時會出現(xiàn)一些熔絲沒有熔斷的情況，需要通過復測來提高良品率，此時熔絲兩端需要增加進去測試PAD，從而增大芯片面積。

2） 齊納修調(diào)：與熔絲修調(diào)的電路結(jié)構(gòu)類似，只是將與負載電阻并聯(lián)的器件改為齊納二極管，如圖4b）所示，未被修調(diào)的齊納二極管處于斷路狀態(tài)，當施加反向擊穿電壓后，PN結(jié)永久損壞且不可恢復，此時二極管正負極短路，相應的并聯(lián)電阻R2、R3或R4會被剔除。齊納修調(diào)的過程是負載電阻逐漸減小的過程。齊納修調(diào)需要控制好脈沖電流的大小和通電時間，否則容易將二極管擊壞，導致修調(diào)失敗。

熔絲修調(diào)和齊納修調(diào)是傳統(tǒng)意義上的電修調(diào)，修調(diào)時失調(diào)電壓的變化量取決于并聯(lián)電阻的阻值大小，因此可理解為“有級修調(diào)”，較難實現(xiàn)高精度的失調(diào)電壓修調(diào)。

3） 激光修調(diào)：是純物理性質(zhì)的，利用激光調(diào)阻機產(chǎn)生的激光束來切割熔絲或者薄膜電阻，實現(xiàn)調(diào)整運放輸入級內(nèi)部負載電阻的目的[9]。激光可聚焦成微米級的光斑，能量和修調(diào)步進可通過計算機控制，與傳統(tǒng)的電修調(diào)相比，可實現(xiàn)宏觀意義上的“無級修調(diào)”[10]。

激光修調(diào)不需要物理接觸，可以大大減少電路內(nèi)部的PAD數(shù)量，從而減小芯片尺寸[11]。圖5所示為同一款電路的激光修調(diào)和電修調(diào)的內(nèi)部版圖，電修調(diào)工藝需要增加3個修調(diào)（triming）PAD，芯片尺寸比激光修調(diào)工藝的大很多。采用激光修調(diào)工藝可以在晶圓上獲得更多的芯片數(shù)量，降低單個芯片的成本，獲得更高的利潤回報。

2.2" 運放的激光修調(diào)原理

在對運放進行激光修調(diào)時，一般是用激光調(diào)阻機切割運放輸入級的負載電阻。為了獲得更高的修調(diào)精度，負載電阻一般采用Cr?Si薄膜電阻。Cr?Si薄膜電阻采用磁控濺射法制造，是一種金屬和介質(zhì)相互混合形成的不連續(xù)金屬膜，相較于擴散電阻和注入電阻，其具有寄生電容小、溫度系數(shù)低（低于3×10-5/℃）、阻值一致性高、穩(wěn)定性好（標準差低于1%）等優(yōu)點。

在運放的芯片制造階段，通常會將Cr?Si薄膜電阻制造在上層，方便激光調(diào)阻機對其進行切割，提高輸入級負載電阻的匹配度。Cr?Si薄膜電阻的激光修調(diào)是一種向上調(diào)整阻值的修調(diào)技術(shù)，通過切割Cr?Si薄膜電阻來微調(diào)電阻阻值，常用的切割形式有單線切割、雙線切割、L形切割和蛇形切割[12]，如圖6所示。單線切割的阻值會隨著切割長度的加長發(fā)生指數(shù)規(guī)律變化，精度很難控制[13]；雙線切割是做兩次切割，第一次為粗調(diào)，第二次為微調(diào)；L形切割是先從垂直于電流方向切割，到達拐點后再沿著平行于電流的方向切割；蛇形切割是從電阻兩邊交替切割，適用于需要較大范圍變化的修調(diào)，容易發(fā)生過修調(diào)，不適用于運放修調(diào)。

對于高精度失調(diào)電壓的修調(diào)，通常會將Cr?Si薄膜電阻設(shè)計成帽型（如圖7所示），采用雙線切割形式，切割方向平行于電流方向，可實現(xiàn)高精度電阻調(diào)節(jié)。

2.3" 失調(diào)電壓的在線激光修調(diào)

激光修調(diào)分為離線修調(diào)和在線修調(diào)兩種，離線修調(diào)是根據(jù)小批量摸底結(jié)果，預先設(shè)置好激光束能量和切割長度，對每顆晶圓管芯進行相同程度的修調(diào)。離線修調(diào)效率較高，但是由于制造工藝的局限，修調(diào)相同阻值后失調(diào)電壓差異較大，因此良品率較低。

在線修調(diào)是一種邊修調(diào)邊測試的修調(diào)方式，本文實現(xiàn)的在線修調(diào)方式如圖8所示。ATE測試機需要與激光調(diào)阻機通過GPIB、USB或TCP/IP等方式建立通信連接，先在激光調(diào)阻機對晶圓進行摸底，建立切割單元；然后根據(jù)修調(diào)方案在ATE測試機上進行編程；最后運行編譯好的測試程序，進行在線修調(diào)。

在線修調(diào)時，ATE會對失調(diào)電壓進行預先測試，根據(jù)測試值判斷具體執(zhí)行哪些切割單元，切割完成后再進行測試，循環(huán)往復，直至達到預設(shè)失調(diào)電壓值。在線修調(diào)雖然測試時間會比離線修調(diào)長，但是良品率會大幅度提高，且修調(diào)結(jié)果（失調(diào)電壓）也有很大改善。

本文以國產(chǎn)運算放大器OPXX芯片為修調(diào)對象，失調(diào)電壓UOS的修調(diào)目標值為-20～20 μV，運放修調(diào)電阻如圖9所示。當UOSgt;20 μV時，切割電阻R1；當UOSlt;-20 μV時，切割電阻R2。R1和R2均為帽型電阻，采用雙線切割法進行修調(diào)，ATE測試修調(diào)程序簡易流程如圖10所示。

3" 測試結(jié)果與分析

分別采用齊納修調(diào)和激光修調(diào)的方法測試國產(chǎn)運算放大器OPXX芯片，齊納修調(diào)采用在線修調(diào)方式測試5片晶圓，激光修調(diào)采用在線和離線兩種方式分別測試5片晶圓，測試良品率如表1所示，在線激光修調(diào)良品率明顯優(yōu)于其他兩種方式。

采用在線激光修調(diào)的失調(diào)電壓的初始測試值和最終修調(diào)后的測試值如圖11所示，在修調(diào)前測試的失調(diào)電壓值分布在100～400 μV，通過激光修調(diào)，可以最終將失調(diào)電壓修調(diào)至-5～5 μV。

4" 結(jié)" 語

本文介紹了運放失調(diào)電壓的測試方法，分析了幾種常用的失調(diào)電壓修調(diào)方法，總結(jié)了激光修調(diào)具有修調(diào)精度高、良品率高等優(yōu)點?；诩す庑拚{(diào)的原理，提出了一種在線激光修調(diào)方法，通過對齊納修調(diào)、離線激光修調(diào)和在線激光修調(diào)的測試結(jié)果進行對比分析，說明了失調(diào)電壓在線激光修調(diào)的優(yōu)越性。

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作者簡介：李" 燦（1994—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為集成電路測試。

收稿日期：2024?04?22" " " " " "修回日期：2024?05?28