浅谈Kelvin四线测试技术以及在ATE测试中的应用

测试测量技术与设备　电子工业董用设备　浅谈Ｋｅｌｖｉ　ｎ四线测试技术以及　在ＡＴＥ测试中的应用　蔺俊贤，徐冬梅　（天水华天电子集团股份有限公司，甘肃天水７４１０００）　摘　要：介绍了开尔文（Ｋｅｌｖｉｎ）四线连接方式的原理及Ｋｅｌｖｉｎ连接在ＡＴＥ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｔｅｓｔ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，自动测试设备）测试中的应用，通过列举ＳＴＳ８２００测试系统应用Ｋｅｌｖｉｎ四线连接方式　的例子。说明Ｋｅｌｖｉｎ连接方式在ＡＴＥ测试系统中的重要性。　关键词：开尔文（Ｋｅｌｖｉｎ）；自动测试设备（ＡＴＥ）；测试应用　中图分类号：ＴＮ４０７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—４５０７（２０１７）０３－００２２—０４　Ｂｒｉｅｆｌｙ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ　Ｋｅｌｖｉｎ　Ｆｏｕｒ－Ｗｉｒｅ　Ｔｅｓｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｉｎ　ＡＴＥ　Ｔｅｓｔ　ＬＩＮ　Ｊｕｎｘｉａｎ，ＸＵ　Ｄｏｎｇｍｅｉ　（Ｔｉａｎｓｈｕｉ　Ｈｕａｔｉａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｓｈｕｉ　７４１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　Ｋｅｌｖｉｎ　ｆｏｕｒ—ｗｉｒｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ｋｅｌｖｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＡＴＥ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｔｅｓｔ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）ｔｅｓｔ，ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｋｅｌｖｉｎ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｉｎ　ＡＴＥ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｎｕｍｅｒａｔｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｔｈａｔ　ＳＴＳ８２００　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　Ｋｅｌｖｉｎ　ｆｏｕｒ—ｗｉｒｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｋｅｌｖｉｎ；Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ｔｅｓｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｔｅｓｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　在半导体ＡＴＥ测试中，由于输出点到负载之　间会有继电器、接插件、电缆、机械手（Ｈａｎｄｌｅｒ）等　多个环节，这些环节都会表现出一定的电阻（包括　确的测量方式，开尔文测试连接方法（因为是开尔　文发明的，所以就命名为开尔文连接）。　接触电阻）；如图１，ＡＴＥ系统测试连接图。这些电　阻在较大的电流下会产生附加的电压降，在采用　１　ＡＴＥ系统简介　半导体产品封装后，还需要ＦＴ（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｓｔ，功能测试）测试，主要的目的是将合格的芯片　两线测试的情况下会影响负载两端电压的驱动和　测量精度。为提高测试的准确性，引入一种比较精　收稿日期：２０１７．０３．２９　电子工业苣用设苗　测试测量技术与设备　图ｌ　ＡＴＥ系统测试连接　与不合格的芯片区分开，保证产品的质量与可靠性。　＿线测试只有一个回路，所测得的阻值为ｒ，＋　ｒ：＋尺，即所测得的电阻值为引线电阻，接触和待　测线路阻值之和，故无法精确测定被测值。　２．２　Ｋｅｌｖｉｎ四线测试方法　ＡＴＥ是测试仪和计算机组合而成的测试系　统。是将各种检测仪器，如电源、逻辑波形发生器／　接收器、信号发生器、示波器等资源整合在一台系　统之内，并利用电脑程序来控制这些仪器，何时送　出激励信号以及何时检测ＤＵＴ（Ｄｅｖｉｃｅ　Ｕｎｄｅｒ　Ｋｅｌｖｉｎ四线连接方法如图３所示，对于每个　Ｔｅｓｔ，待测器件）的输出信号是否符合指标，并提　供有效的数据以便工程人员分析，由于是电脑程　序控制，我们可以将所有的测试项目依序排列，在　很短的时间内完成测试。　测试点都有一条激励线Ｆ和一条检测线Ｓ，二者　严格分开，各自构成独立回路；同时要求Ｓ线必须　接到一个极高输入阻抗的测试回路上，使流过检　测线Ｓ的电流极小，近似为０．　２开尔文测试原理　２．１普通二线式测试方法　Ｈ　Ｓ　通常的测试方法为普通二线测试，如图２所　示，二线测试是目前应用较为普遍的一种方案。　３四线Ｋｅｌｖｉｎ测试原理图　图３中的ｒ表示引线电阻和所有接触电阻之　和。由于流过测试回路的电流为０，在　上的压　降也为０，而激励电流，在ｒ。，ｒ　上的压降　影响，　在被测电阻上的压降，所以电压表可以准确测试　尺两端的电压值，从而准确测量尺的阻值。测试结　图２二线测量原理图　果和ｒ无关，有效地减小了测量误差。　测试测量技术与设备　电子工业专用设备　３开尔文测试在ＡＴＥ系统中的应用　３．１开尔文测试在ＡＴＥ系统中的应用　开尔文接法在ＡＴＥ系统中就是一个Ｆｏｒｃｅ线　和一个Ｓｅｎｓｅ线，Ｆｏｒｃｅ线提供电压，Ｓｅｎｓｅ线去校　正这个电压，因为Ｆｏｒｃｅ线本身有阻抗，所以提供　给芯片的实际电压和测试机上的电压有误差，比　如想给芯片一个５　Ｖ的电压，在测试机内部设置　５　Ｖ，而Ｆｏｒｃｅ线路中会损耗０．２　Ｖ，这样到达芯片　的实际电压就只有４．８　Ｖ，所以这时候测试机会接　出来另一根高阻抗线，接到ＤＵＴ（待测器件）管脚　上，用Ｓｅｎｓｅ线检测这个管脚的实际电压为４．８　ｖ，　这样测试机内部就会提高电压，直到Ｓｅｎｓｅ线感　应到ＤＵＴ管脚上的实际电压为５　Ｖ为止。具体应　用时将Ｓｅｎｓｅ线接到越靠近ＤＵＴ管脚越好。　在ＡＴＥ设计中，ＰＭＵ均采用开尔文设计，即　每个ＰＭＵ的高电位端（日），低电位端（　）都有　Ｆｏｒｃｅ线和Ｓｅｎｓｅ线，图４是ＡＴＥ开尔文测试电阻　的标准接法，通过这种方式，可以准确测量毫欧级　别甚至更小的电阻。　图４　ＡＴＥ买现开尔文测试　３．２　Ｋｅｌｖｉｎ测试在ＳＴＳ８２Ｏ０测试系统中的应用　ＳＴＳ８２００是北京华峰测控技术有限公司研制　的高性能模拟信号测试系统。　在ＳＴＳ８２００测试系统的Ｖ／Ｉ源中，通常都采　用四线开尔文测试的方法来扣除附加的电阻和压　降，进而保证负载两端电压的驱动和测量精度。　ＳＴＳ８２００测试系统的Ｖ／Ｉ源四线开尔文连接示意　图如图５。　Ｖ／Ｉ源的输出端分为ＦＯＲＣＥ和ＳＥＮＳＥ两种　线，ＦＯＲＣＥ线用于电流的输入和输出，只有　（总第２６４期）匝■豳咽　图５　ＳＴ￥８２００　Ｖ／Ｉ源四线开尔又连接示意图　ＦＯＲＣＥ线中会流过负载电流ＩＬ，ＳＥＮＳＥ线用于　电压的反馈和测量，ＳＥＮＳＥ线的输入端接有高阻　抗输入的缓冲器，因此ＳＥＮＳＥ线中不会有电流流　过，即便有附加电阻也不会产生附加电压降。　ＦＯＲＣＥ线中附加的电阻虽然会在大电流下产生　附加电压降，但由于ＳＥＮＳＥ线独立接到负载两　端，可以有效地扣除掉ＦＯＲＣＥ线中附加电阻和压　降的作用，从而保证负载两端电压的驱动和测量　精度。　３．３完整的四线开尔文测试　所谓完整的四线开尔文测试是指从ｖ／Ｉ源到　被测器件ＤＵＴ的引脚全线实现四线开尔文测试，　很多大电流参数测试不准确和不稳定通常是由于　没有全线实现完整的四线开尔文测试所致。　４结束语　四线开尔文测试的原理并不复杂，但在实际　应用中经常会因为忽略了一些细节而得不到理想　的测试效果，例如在ＤＵＴ板上未将ＦＯＲＣＥ线和　ＳＥＮＳＥ线分开而过早地短接在一起；例如ＤＧＳ线　的接入位置不合理，与器件的地线引脚问还有一　小段会流过大电流的导线；例如有些Ｈａｎｄｌｅｒ本身　的触点不是四线开尔文方式，用来测小电流器件　不会有大的问题，但用来测试大电流的器件就无　法扣除掉Ｈａｎｄｌｅｒ与被测器件ＤＵＴ之间的接触电　阻，这些细节考虑不周都会影响实际的测试效果。　在实际制作ＤＵＴ板的过程中经常会碰到器件周　边的外围线路许多接地点不知道哪些应该接地线　－　电子工业董用设备　测试测量技术与设备　ＡＧＮＤ哪些应该接ＤＧＳ线，这都反映出对完整的　作者简介：　四线开尔文测试尚缺乏深刻的理解。　蔺俊贤（１９８６．），男，汉族，甘肃陇南人，毕业于天水　师范学院，工程师，现就职于天水华天电子集团股份有限　参考文献：　公司，主要从事集成电路ＩＣ测试的程序开发、测试异常分　析处理工作。　［１］　顾汉玉，武乾文．一种精确测量ＭＯＳＦＥＴ晶圆导通电　徐冬梅（１９６６一），女，辽宁北票人，天水华天电子集团国　阻的方法［Ｊ］．电子与封装，２０１４，（９）：１７—２０．　家认定企业技术中心主任，天水华天电子集团股份有限公　［２】　潘曙娟，钟杰基于．ＡＴＥ的ＩＣ测试原理、方法及故障　司副总经理，正高级工程师，甘肃省科技专家库专家，中国　分析［ＪＪ．半导体学报，２００６，２７（ｓ１）：３５４—３５７．　银行业科技专家库专家，长期从事电子材料与元器件、集成　［３】　北京华峰测控技术有限公司．ＳＴＳ８２００应用文集［ｚ】．　电路封装测试、科技创新等方面的研究和管理工作。　．址．址—・　—喜　—喜ｌ上　喜屯　（上接第５页）　圆凸点的回流质量能够满足客户的各项规格，新　免操作人员暴露于助焊剂环境，且使用无毒及不　工艺不会对晶圆上的电气功能造成损坏，且回流　可燃气体，因而可大大提高工艺操作的安全性；５１　炉运行安全可靠。　完全消除了有机挥发气体、危险废物残留以及　这一晶圆凸点回流焊的新工艺能够为用户带　ＣＯ　的排放，因此更加环保。　来以下益处：１）消除了由助焊剂引起的凸点孔洞　和晶圆污染，因而可提高回流质量；２）晶圆无需　参考文献：　回流后的清洗工序，且免除了因清理炉壁导致的　［１］　Ｃ．Ｃｈｒｉｓｔｉｎｅ　Ｄｏｎｇ、Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｅ．Ｐａｔｉｒｃｋ、Ｒｕｓｓｅｌｌ　Ａ　停机，从而可提高生产效率；３）节省了为清洗晶　Ｓｉｍｉｎｓｋｉ和Ｔｉｍ　Ｂａｏ．活化氢气氛下的无助焊剂焊接　圆而带来的设备成本、清洗液费用、人工费用及助　［Ｃ］．中国上海ＣＳＴＩＣ　２０１６会议记录，Ｍ１１０１０ａｒ．１５－１７，　焊剂本身的费用，从而降低了整体生产成本；４１避　２０１６，ＶＩＩＡ　１５２０．１５３５．　．址．址．址　Ｌ—　—Ｓ　（上接第２１页）　３结论　由于各个频率分量间隔较小，难以判断哪个频率　代表超声系统的固有频率，在±４　ｋＨｚ范围内难　通过比较安装劈刀前后以及不同安装高度　以实现准确的锁相。　下换能系统的谐振频率、相位、电压以及阻抗电　（３）当劈刀高度处于．０－３≤Ⅳ≤０．３范围内微调　学曲线：　时，换能系统机械共振频率和阻抗相对保持稳定，　（１）金丝键合机换能系统劈刀安装以后，换能　对换能系统的动力学特性和电学特性影响不大。　系统的谐振频率由１０３　ｋＨｚ下降到１０２．５０　ｋＨｚ，　下降了５００　Ｈｚ。换能系统的阻抗增加，机械品质　参考文献：　因数也相应减小。　［１］　武一民．引线键合系统设计理论与关键技术［Ｄ］．天　（２）劈刀高度安装不合适，换能系统谐振频率　津：天津大学，２００８．　附近极易产生“寄生”的小峰，劈刀与变幅杆之间　［２］　韩雷，王福亮，李军辉，隆志力．微电子封装超声键合　存在一定的动力学耦合，随着劈刀安装高度的增　机理与技术【Ｍ］．北京：科学出版社，２０１４．　大，主振频率附近的“寄生”峰增加，峰值减小，这　［３］　周铁英．超声键合换能器的研究一回顾与展望［Ｊ１．声　学技术，２００６，２５（３）：２５８．２６１．　说明换能系统那个初始响应包含多个频率分量，　【４］　程宝，韩雷．超声键合装置中劈刀稳态振动的实验建　其中较高的频率分量是锁相驱动建立前的特征，　模『Ｊ］．焊接学报，２００８，２９（２）：４０．４４．