本文介紹了使用集成信號(hào)源的測(cè)試設(shè)備構(gòu)建從研發(fā)到生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)試方案，不僅降低成本，而且具有較高的精度、速度和靈活性
新產(chǎn)品從研發(fā)到生產(chǎn)都需要通過(guò)測(cè)試過(guò)程。如果研發(fā)與生產(chǎn)時(shí)所用的測(cè)試設(shè)備相同，那么測(cè)試工作就比較容易完成，但是這要求測(cè)試儀器在進(jìn)行這兩個(gè)階段的測(cè)試工作時(shí)都具有較高的精度、速度和靈活性。
從研發(fā)到生產(chǎn)
盡管產(chǎn)品在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的很多電氣測(cè)試程序都是相同的，但是它們通常具有不同的優(yōu)先級(jí)。在研發(fā)階段，可以詳細(xì)地繪出I-V（電流-電壓）數(shù)據(jù)曲線，并仔細(xì)進(jìn)行分析，而在生產(chǎn)階段，就需要快速地反復(fù)測(cè)量I-V值，并與若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，以判斷該產(chǎn)品是否合格或者該批器件是否可以裝箱。
需要搞清楚研發(fā)與生產(chǎn)兩個(gè)階段I-V測(cè)試數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，以確保產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)滿足性能和可靠性要求。在生產(chǎn)階段重復(fù)使用研發(fā)時(shí)使用的測(cè)試儀器在理論上是可行的，但是如果在選擇設(shè)備時(shí)沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)，那么這種方案可能就不現(xiàn)實(shí)了。
為了保證測(cè)試設(shè)備在研發(fā)和生產(chǎn)階段都能夠發(fā)揮良好的性能，必須考慮幾個(gè)因素，其中包括（待測(cè)試件）所需測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量、靈敏度、復(fù)現(xiàn)性、可編程特性以及數(shù)據(jù)處理能力。
I-V數(shù)據(jù)采集
在研發(fā)與生產(chǎn)階段，通過(guò)內(nèi)置直流源的測(cè)試儀的測(cè)試，可以利用I-V曲線來(lái)分析器件和材料的特性。其中可能還需要計(jì)算電阻和其他一些由I-V測(cè)量結(jié)果派生出的參數(shù)。例如，可以使用I-V數(shù)據(jù)分析異常情況、局部的zui大（或zui小）曲線斜率，或者進(jìn)行可靠性分析。典型的一種應(yīng)用就是測(cè)試半導(dǎo)體二極管的反偏漏流，進(jìn)行正偏和反偏電壓掃描，測(cè)量電流，從而得到其I-V曲線。
過(guò)去，這些測(cè)試工作常常由專(zhuān)門(mén)的波形記錄儀來(lái)完成（波形記錄儀的本質(zhì)是一種示波器，其內(nèi)置的直流源能夠?yàn)镈UT提供電壓或電流）?，F(xiàn)在，很多波形記錄儀都已經(jīng)被淘汰，還有一些可以買(mǎi)到，價(jià)格在15 000～30 000美元之間，甚至更貴。大部分波形記錄儀都無(wú)法兼容現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的通信總線，因此必須進(jìn)行手工操作，甚至只能將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到軟盤(pán)上。
圖1 1-V數(shù)據(jù)圖，用于繪制晶體管曲線簇的數(shù)據(jù)是很多研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程中的主要測(cè)量目標(biāo)
另外一種辦法就是組合使用各種儀器與PC相連，例如電壓/電流源、DMM（數(shù)字萬(wàn)用表）或者皮可安培計(jì)。但是這種辦法需要費(fèi)很大的精力去調(diào)試各個(gè)儀器、正確連接信號(hào)和觸發(fā)電纜以及解決時(shí)序問(wèn)題。
使用集成信號(hào)源的測(cè)試設(shè)備可以降低設(shè)備成本，更方便地生成I-V曲線。這些高精度的儀器既可以用作帶寬掃描、脈沖發(fā)生和鉗位限制（compliance limit）等功能的電壓源或電流源，同時(shí)也能夠以很高的精度測(cè)量電流和電壓。
數(shù)據(jù)相關(guān)性問(wèn)題
當(dāng)某種新產(chǎn)品投入生產(chǎn)時(shí)，在研發(fā)階段進(jìn)行的一些測(cè)量工作也會(huì)帶入生產(chǎn)階段，以確保產(chǎn)品滿足性能和可靠性要求。如果研發(fā)測(cè)試與生產(chǎn)測(cè)試之間缺乏協(xié)調(diào)一致，那么常常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。缺乏相關(guān)性是由于多種原因?qū)е碌臏y(cè)量不確定性而造成的。一般而言，任何測(cè)量數(shù)據(jù)不確定性中的一半都是由測(cè)試儀器造成的。另外一半是由于外部測(cè)試環(huán)境、輔助硬件和測(cè)量技術(shù)造成的。如果測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的測(cè)試儀器，那么其測(cè)量不確定性將會(huì)超過(guò)測(cè)試環(huán)境造成的不確定性。另外，生產(chǎn)環(huán)境可能不如研發(fā)環(huán)境那樣容易控制，從而給測(cè)試儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)帶來(lái)更多的不確定性。
圖2 采用遙測(cè)（Remote Sense）終端的四線（Kelvin）連接方式減少了由于測(cè)試引線上的壓降而
引入的誤差。為了減少漏流誤差，可以SMU的電壓跟隨器；它在電路中形成了一個(gè)低阻搞點(diǎn)，
與受保護(hù)的高陰搞點(diǎn)具有幾乎相等的電位，保護(hù)檢測(cè)（Guard Sense）導(dǎo)線探測(cè)該點(diǎn)的電位。
因此，當(dāng)從研發(fā)階段進(jìn)入生產(chǎn)階段時(shí)，測(cè)試工程師必須考慮測(cè)量過(guò)程中不確定性（或者變化）因素引入的途徑。此外，他們?cè)谶@兩個(gè)階段還要考慮下列問(wèn)題：
* 精度是否重要？這個(gè)問(wèn)題可能更容易在實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)初期階段出現(xiàn)。
* 測(cè)量一定要是可重現(xiàn)的嗎？也就是說(shuō)，不論值如何，對(duì)于某個(gè)量的任意次測(cè)量都始終得到同樣的結(jié)果。這個(gè)問(wèn)題常常出現(xiàn)在生產(chǎn)階段。
* 測(cè)量需要花多長(zhǎng)時(shí)間？一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量速度和精度之間存在一個(gè)折中。在生產(chǎn)階段測(cè)量速度往往非常重要。
不同測(cè)量技術(shù)、不同測(cè)試重點(diǎn)下得到的數(shù)據(jù)可能具有不同的精度和弱相關(guān)性（精度是一個(gè)定性的說(shuō)法。對(duì)于一組I-V測(cè)量數(shù)據(jù)而言，精度是指各個(gè)波形匹配的程度。失配程度決定了各組測(cè)量數(shù)據(jù)之間的不確定水平）。
不同的測(cè)試場(chǎng)合使用相同的測(cè)試儀器，然后找出誤差來(lái)源并將其減至zui小，可以提高測(cè)試精度。限制分辨率的主要因素取決于測(cè)量電路中的總噪聲。某些噪聲來(lái)自于DUT，某些來(lái)自于互連線，還有一些來(lái)自于測(cè)量?jī)x器。
內(nèi)置信號(hào)源的測(cè)量?jī)x器特點(diǎn)
SMU（source-measurement unit，源測(cè)量單元）具有可編程的特性，其中包含了由微處理器控制的雙極性電壓和電流源，某些SMU還提供了高達(dá)1kW幅度的脈沖模式。這類(lèi)SMU能夠提供系列的電壓源，并測(cè)量相應(yīng)的電流，將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中直到I-V掃描結(jié)束。然后，可以將數(shù)據(jù)下載到PC中進(jìn)行處理。
選擇合適的SMU需要考慮以下幾點(diǎn)：測(cè)量靈敏度、精度/可重復(fù)性、速度、可編程硬件/固件特性、軟件/數(shù)據(jù)處理能力。
靈敏度、精度和重復(fù)性
SMU能夠同時(shí)提供并測(cè)量電壓和電流，范圍從μA量級(jí)或fA量級(jí)到1000V或10A。根據(jù)所選擇的信號(hào)源與量程，SMU的精度和可重現(xiàn)性大約在 0.025％～0.10％之間。如果由于高電流而在連接線上產(chǎn)生了較大的壓降，可以利用SMU的四線測(cè)量功能（在“Sense HI”和“Sense LO”之間測(cè)量或控制電壓）來(lái)提高精度。某些SMU的固有噪聲電平低達(dá)0.4fAp-p，它們的保護(hù)電路（如圖2所示）可以容忍電纜和夾具上的雜散漏流造成的測(cè)量誤差。當(dāng)DUT的反偏漏流必須小于某個(gè)預(yù)定閾值的時(shí)候，較高的靈敏度和精度對(duì)于生產(chǎn)測(cè)試是尤其重要的。對(duì)SMU進(jìn)行編程，使其鉗位限制低于可接受的漏電流值，就可以實(shí)現(xiàn)快速的“通過(guò)/禁止-通過(guò)”測(cè)試。
速度/吞吐率
生產(chǎn)上選擇SMU應(yīng)該具備某些能夠加快測(cè)試速度的特性。這些特性包括：數(shù)字I/O接口可以使用戶將該設(shè)備直接連接到器件機(jī)械手上實(shí)現(xiàn)某些基本的控制功能。SMU和其他測(cè)試設(shè)備之間的硬連線觸發(fā)式鏈路能夠減少外部總線的流量。合適的觸發(fā)同步機(jī)制能夠確保從信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)到DUT響應(yīng)測(cè)量之間有足夠的建立時(shí)間，但是要保持這一時(shí)間為zui小值，以達(dá)到盡可能高的吞吐率。
可編程硬件/固件特性
很多SMU都具有程序存儲(chǔ)器（也稱(chēng)為源存儲(chǔ)表），能夠存儲(chǔ)整個(gè)測(cè)試序列以便用戶調(diào)用。這一特征減少了總線流量，因?yàn)镻C只需要發(fā)送一到兩條命令給SMU，啟動(dòng)某個(gè)測(cè)試序列即可。利用SMU的數(shù)據(jù)緩沖可使測(cè)量速度達(dá)到每秒2000次讀操作。實(shí)際的速度取決于信號(hào)合成周期，這也是可編程的，以減少測(cè)試環(huán)境造成的交流周期噪聲。例如，大小僅為0.01PLC（60Hz下，0.01PLC =16.7μs）的A/D合成周期可以提供約4位半的測(cè)量分辨率，可以在zui大測(cè)量速度下進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試。更長(zhǎng)的A/D合成周期可以得到zui大的測(cè)量分辨率，用于測(cè)量zui的設(shè)備指標(biāo)。
軟件/數(shù)據(jù)處理
SMU制造商提供的軟件能夠增加測(cè)試儀器的功能。例如，Keithley提供的LabTracer軟件（如圖1所示）能夠控制四個(gè)SMU進(jìn)行波形記錄。該工具包相比傳統(tǒng)的波形記錄儀具有多種優(yōu)勢(shì)：
* 靈活控制多個(gè)系列的SMU，表現(xiàn)多種設(shè)備的特性；* 每個(gè)波形記錄通道擁有各自獨(dú)立設(shè)定的測(cè)量參數(shù)；
* 該軟件支持多種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試任務(wù)，包括記錄晶體管的波形以及記錄四端器件的電氣特性；
* 集成了無(wú)軟盤(pán)的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)功能；數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出到電子表格中。
將多功能的SMU與PC控制器相連可以非常經(jīng)濟(jì)地完成多種測(cè)量任務(wù)，能夠以高度的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)的測(cè)量。
