藺俊賢，徐冬梅

(天水華天電子集團(tuán)股份有限公司，甘肅 天水 741000)

淺談Kelvin四線測(cè)試技術(shù)以及在ATE測(cè)試中的應(yīng)用

藺俊賢，徐冬梅

(天水華天電子集團(tuán)股份有限公司，甘肅 天水 741000)

介紹了開爾文 （Kelvin）四線連接方式的原理及Kelvin連接在ATE（Automated Test Equipment，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備）測(cè)試中的應(yīng)用，通過列舉STS8200測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用Kelvin四線連接方式的例子，說明Kelvin連接方式在ATE測(cè)試系統(tǒng)中的重要性。

開爾文（Kelvin）；自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)；測(cè)試應(yīng)用

在半導(dǎo)體ATE測(cè)試中，由于輸出點(diǎn)到負(fù)載之間會(huì)有繼電器、接插件、電纜、機(jī)械手（Handler）等多個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都會(huì)表現(xiàn)出一定的電阻（包括接觸電阻）；如圖1，ATE系統(tǒng)測(cè)試連接圖。這些電阻在較大的電流下會(huì)產(chǎn)生附加的電壓降，在采用兩線測(cè)試的情況下會(huì)影響負(fù)載兩端電壓的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量精度。為提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，引入一種比較精確的測(cè)量方式，開爾文測(cè)試連接方法（因?yàn)槭情_爾文發(fā)明的，所以就命名為開爾文連接）。

1 ATE系統(tǒng)簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝后，還需要 FT（Functional Test，功能測(cè)試）測(cè)試，主要的目的是將合格的芯片與不合格的芯片區(qū)分開，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

圖1 ATE系統(tǒng)測(cè)試連接

ATE是測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)組合而成的測(cè)試系統(tǒng)。是將各種檢測(cè)儀器，如電源、邏輯波形發(fā)生器/接收器、信號(hào)發(fā)生器、示波器等資源整合在一臺(tái)系統(tǒng)之內(nèi)，并利用電腦程序來控制這些儀器，何時(shí)送出激勵(lì)信號(hào)以及何時(shí)檢測(cè)DUT（Device Under Test，待測(cè)器件）的輸出信號(hào)是否符合指標(biāo)，并提供有效的數(shù)據(jù)以便工程人員分析，由于是電腦程序控制，我們可以將所有的測(cè)試項(xiàng)目依序排列，在很短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。

2 開爾文測(cè)試原理

2.1 普通二線式測(cè)試方法

通常的測(cè)試方法為普通二線測(cè)試，如圖2所示，二線測(cè)試是目前應(yīng)用較為普遍的一種方案。

圖2 二線測(cè)量原理圖

二線測(cè)試只有一個(gè)回路，所測(cè)得的阻值為r1+ r2+R，即所測(cè)得的電阻值為引線電阻，接觸和待測(cè)線路阻值之和，故無法精確測(cè)定被測(cè)值。

2.2 Kelvin四線測(cè)試方法

Kelvin四線連接方法如圖3所示，對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線F和一條檢測(cè)線S，二者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；同時(shí)要求S線必須接到一個(gè)極高輸入阻抗的測(cè)試回路上，使流過檢測(cè)線S的電流極小，近似為0.

圖3 四線Kelvin測(cè)試原理圖

圖3中的r表示引線電阻和所有接觸電阻之和。由于流過測(cè)試回路的電流為0，在r3，r4上的壓降也為0，而激勵(lì)電流I在r1，r2上的壓降不影響I在被測(cè)電阻上的壓降，所以電壓表可以準(zhǔn)確測(cè)試R兩端的電壓值，從而準(zhǔn)確測(cè)量R的阻值。測(cè)試結(jié)果和r無關(guān)，有效地減小了測(cè)量誤差。

3 開爾文測(cè)試在ATE系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 開爾文測(cè)試在ATE系統(tǒng)中的應(yīng)用

開爾文接法在ATE系統(tǒng)中就是一個(gè)Force線和一個(gè)Sense線，F(xiàn)orce線提供電壓，Sense線去校正這個(gè)電壓，因?yàn)镕orce線本身有阻抗，所以提供給芯片的實(shí)際電壓和測(cè)試機(jī)上的電壓有誤差，比如想給芯片一個(gè)5 V的電壓，在測(cè)試機(jī)內(nèi)部設(shè)置5 V，而Force線路中會(huì)損耗0.2 V，這樣到達(dá)芯片的實(shí)際電壓就只有4.8 V，所以這時(shí)候測(cè)試機(jī)會(huì)接出來另一根高阻抗線，接到DUT（待測(cè)器件）管腳上，用Sense線檢測(cè)這個(gè)管腳的實(shí)際電壓為4.8 V，這樣測(cè)試機(jī)內(nèi)部就會(huì)提高電壓，直到Sense線感應(yīng)到DUT管腳上的實(shí)際電壓為5 V為止。具體應(yīng)用時(shí)將Sense線接到越靠近DUT管腳越好。

在ATE設(shè)計(jì)中，PMU均采用開爾文設(shè)計(jì)，即每個(gè)PMU的高電位端（H），低電位端（L）都有Force線和Sense線，圖4是ATE開爾文測(cè)試電阻的標(biāo)準(zhǔn)接法，通過這種方式，可以準(zhǔn)確測(cè)量毫歐級(jí)別甚至更小的電阻。

圖4 ATE實(shí)現(xiàn)開爾文測(cè)試

3.2 Kelvin測(cè)試在STS8200測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

STS8200是北京華峰測(cè)控技術(shù)有限公司研制的高性能模擬信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。

在STS8200測(cè)試系統(tǒng)的V/I源中，通常都采用四線開爾文測(cè)試的方法來扣除附加的電阻和壓降，進(jìn)而保證負(fù)載兩端電壓的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量精度。STS8200測(cè)試系統(tǒng)的V/I源四線開爾文連接示意圖如圖5。

圖5 STS8200 V/I源四線開爾文連接示意圖

V/I源的輸出端分為FORCE和SENSE兩種線，F(xiàn)ORCE線用于電流的輸入和輸出，只有FORCE線中會(huì)流過負(fù)載電流IL，SENSE線用于電壓的反饋和測(cè)量，SENSE線的輸入端接有高阻抗輸入的緩沖器，因此SENSE線中不會(huì)有電流流過，即便有附加電阻也不會(huì)產(chǎn)生附加電壓降。FORCE線中附加的電阻雖然會(huì)在大電流下產(chǎn)生附加電壓降，但由于SENSE線獨(dú)立接到負(fù)載兩端，可以有效地扣除掉FORCE線中附加電阻和壓降的作用，從而保證負(fù)載兩端電壓的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量精度。

3.3 完整的四線開爾文測(cè)試

所謂完整的四線開爾文測(cè)試是指從V/I源到被測(cè)器件DUT的引腳全線實(shí)現(xiàn)四線開爾文測(cè)試，很多大電流參數(shù)測(cè)試不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定通常是由于沒有全線實(shí)現(xiàn)完整的四線開爾文測(cè)試所致。

4 結(jié)束語

四線開爾文測(cè)試的原理并不復(fù)雜，但在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)因?yàn)楹雎粤艘恍┘?xì)節(jié)而得不到理想的測(cè)試效果，例如在DUT板上未將FORCE線和SENSE線分開而過早地短接在一起；例如DGS線的接入位置不合理，與器件的地線引腳間還有一小段會(huì)流過大電流的導(dǎo)線；例如有些Handler本身的觸點(diǎn)不是四線開爾文方式，用來測(cè)小電流器件不會(huì)有大的問題，但用來測(cè)試大電流的器件就無法扣除掉Handler與被測(cè)器件DUT之間的接觸電阻，這些細(xì)節(jié)考慮不周都會(huì)影響實(shí)際的測(cè)試效果。在實(shí)際制作DUT板的過程中經(jīng)常會(huì)碰到器件周邊的外圍線路許多接地點(diǎn)不知道哪些應(yīng)該接地線AGND哪些應(yīng)該接DGS線，這都反映出對(duì)完整的四線開爾文測(cè)試尚缺乏深刻的理解。

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

[2] 潘曙娟，鐘杰基于.ATE的IC測(cè)試原理、方法及故障分析[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27(s1)：354-357.

[3] 北京華峰測(cè)控技術(shù)有限公司.STS8200應(yīng)用文集[Z].

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)

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.

Kelvin；Automated test equipment；Test application

TN407

A

1004-4507(2017)03-0022-04

藺俊賢（1986-），男，漢族，甘肅隴南人，畢業(yè)于天水師范學(xué)院，工程師，現(xiàn)就職于天水華天電子集團(tuán)股份有限公司，主要從事集成電路IC測(cè)試的程序開發(fā)、測(cè)試異常分析處理工作。

2017-03-29

徐冬梅(1966-)，女，遼寧北票人，天水華天電子集團(tuán)國家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心主任，天水華天電子集團(tuán)股份有限公司副總經(jīng)理，正高級(jí)工程師，甘肅省科技專家?guī)鞂＜遥袊y行業(yè)科技專家?guī)鞂＜?，長期從事電子材料與元器件、集成電路封裝測(cè)試、科技創(chuàng)新等方面的研究和管理工作。