淺談Kelvin四線測試技術以及在ATE測試中的應用

藺俊賢，徐冬梅

(天水華天電子集團股份有限公司，甘肅 天水 741000)

淺談Kelvin四線測試技術以及在ATE測試中的應用

藺俊賢，徐冬梅

(天水華天電子集團股份有限公司，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，自動測試設備）測試中的應用，通過列舉STS8200測試系統應用Kelvin四線連接方式的例子，說明Kelvin連接方式在ATE測試系統中的重要性。

開爾文（Kelvin）；自動測試設備(ATE)；測試應用

在半導體ATE測試中，由于輸出點到負載之間會有繼電器、接插件、電纜、機械手（Handler）等多個環節，這些環節都會表現出一定的電阻（包括接觸電阻）；如圖1，ATE系統測試連接圖。這些電阻在較大的電流下會產生附加的電壓降，在采用兩線測試的情況下會影響負載兩端電壓的驅動和測量精度。為提高測試的準確性，引入一種比較精確的測量方式，開爾文測試連接方法（因為是開爾文發明的，所以就命名為開爾文連接）。

1 ATE系統簡介

半導體產品封裝后，還需要 FT（Functional Test，功能測試）測試，主要的目的是將合格的芯片與不合格的芯片區分開，保證產品的質量與可靠性。

圖1 ATE系統測試連接

ATE是測試儀和計算機組合而成的測試系統。是將各種檢測儀器，如電源、邏輯波形發生器/接收器、信號發生器、示波器等資源整合在一臺系統之內，并利用電腦程序來控制這些儀器，何時送出激勵信號以及何時檢測DUT（Device Under Test，待測器件）的輸出信號是否符合指標，并提供有效的數據以便工程人員分析，由于是電腦程序控制，我們可以將所有的測試項目依序排列，在很短的時間內完成測試。

2 開爾文測試原理

2.1 普通二線式測試方法

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

圖2 二線測量原理圖

二線測試只有一個回路，所測得的阻值為r1+ r2+R，即所測得的電阻值為引線電阻，接觸和待測線路阻值之和，故無法精確測定被測值。

2.2 Kelvin四線測試方法

Kelvin四線連接方法如圖3所示，對于每個測試點都有一條激勵線F和一條檢測線S，二者嚴格分開，各自構成獨立回路；同時要求S線必須接到一個極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線S的電流極小，近似為0.

圖3 四線Kelvin測試原理圖

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

3 開爾文測試在ATE系統中的應用

3.1 開爾文測試在ATE系統中的應用

開爾文接法在ATE系統中就是一個Force線和一個Sense線，Force線提供電壓，Sense線去校正這個電壓，因為Force線本身有阻抗，所以提供給芯片的實際電壓和測試機上的電壓有誤差，比如想給芯片一個5 V的電壓，在測試機內部設置5 V，而Force線路中會損耗0.2 V，這樣到達芯片的實際電壓就只有4.8 V，所以這時候測試機會接出來另一根高阻抗線，接到DUT（待測器件）管腳上，用Sense線檢測這個管腳的實際電壓為4.8 V，這樣測試機內部就會提高電壓，直到Sense線感應到DUT管腳上的實際電壓為5 V為止。具體應用時將Sense線接到越靠近DUT管腳越好。

在ATE設計中，PMU均采用開爾文設計，即每個PMU的高電位端（H），低電位端（L）都有Force線和Sense線，圖4是ATE開爾文測試電阻的標準接法，通過這種方式，可以準確測量毫歐級別甚至更小的電阻。

圖4 ATE實現開爾文測試

3.2 Kelvin測試在STS8200測試系統中的應用

STS8200是北京華峰測控技術有限公司研制的高性能模擬信號測試系統。

在STS8200測試系統的V/I源中，通常都采用四線開爾文測試的方法來扣除附加的電阻和壓降，進而保證負載兩端電壓的驅動和測量精度。STS8200測試系統的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，FORCE線用于電流的輸入和輸出，只有FORCE線中會流過負載電流IL，SENSE線用于電壓的反饋和測量，SENSE線的輸入端接有高阻抗輸入的緩沖器，因此SENSE線中不會有電流流過，即便有附加電阻也不會產生附加電壓降。FORCE線中附加的電阻雖然會在大電流下產生附加電壓降，但由于SENSE線獨立接到負載兩端，可以有效地扣除掉FORCE線中附加電阻和壓降的作用，從而保證負載兩端電壓的驅動和測量精度。

3.3 完整的四線開爾文測試

所謂完整的四線開爾文測試是指從V/I源到被測器件DUT的引腳全線實現四線開爾文測試，很多大電流參數測試不準確和不穩定通常是由于沒有全線實現完整的四線開爾文測試所致。

4 結束語

四線開爾文測試的原理并不復雜，但在實際應用中經常會因為忽略了一些細節而得不到理想的測試效果，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流過大電流的導線；例如有些Handler本身的觸點不是四線開爾文方式，用來測小電流器件不會有大的問題，但用來測試大電流的器件就無法扣除掉Handler與被測器件DUT之間的接觸電阻，這些細節考慮不周都會影響實際的測試效果。在實際制作DUT板的過程中經常會碰到器件周邊的外圍線路許多接地點不知道哪些應該接地線AGND哪些應該接DGS線，這都反映出對完整的四線開爾文測試尚缺乏深刻的理解。

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

[2] 潘曙娟，鐘杰基于.ATE的IC測試原理、方法及故障分析[J].半導體學報，2006，27(s1)：354-357.

[3] 北京華峰測控技術有限公司.STS8200應用文集[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，畢業于天水師范學院，工程師，現就職于天水華天電子集團股份有限公司，主要從事集成電路IC測試的程序開發、測試異常分析處理工作。

2017-03-29

徐冬梅(1966-)，女，遼寧北票人，天水華天電子集團國家認定企業技術中心主任，天水華天電子集團股份有限公司副總經理，正高級工程師，甘肅省科技專家庫專家，中國銀行業科技專家庫專家，長期從事電子材料與元器件、集成電路封裝測試、科技創新等方面的研究和管理工作。