模擬開關皮安級漏電流測試方法的研究與實現(xiàn)

王 威，王 婷，李明遠

（北京微電子技術研究所，北京 100076）

0 引 言

模擬開關一般是由金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管構(gòu)成的傳輸門，在電路中起到對某個支路信號進行連通或斷開的作用[1]。導通漏電流和關斷漏電流是模擬開關器件的關鍵電性能參數(shù)，其測試精度要求已達到皮安級。目前，行業(yè)內(nèi)應用較為廣泛的模擬集成電路測試機有美國Teradyne 的ETS364B、國產(chǎn)華峰測控的STS8205 等，這些測試機的電流測試精度最高為1 nA，僅依靠測試機無法實現(xiàn)電流的皮安級測量[2-5]。

通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）總線的優(yōu)勢在于組建自動測試系統(tǒng)方便易行、性價比高、傳輸速率高，同時易于實現(xiàn)多儀器間的同步傳輸?shù)萚6]。為了滿足模擬開關的大批量、高精度測試需求，本文設計了基于ETS364B 模擬測試系統(tǒng)和高精度數(shù)字萬用表協(xié)同測試的測試平臺，基于GPIB 通信協(xié)議可以實現(xiàn)測試機與高精度數(shù)字萬用表的數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)漏電流的高精度測量。

1 漏電流測試指標及測試原理

待測模擬開關的漏電流測試指標與測試條件如表1 所示。

表1 測試指標與測試條件

漏電流的測試原理如下：（1）關斷漏電流在開關關斷狀態(tài)下時，輸入端加4.5 V、對應的輸出端加1 V 或輸入端加1 V、對應的輸出端加4.5 V；（2）導通漏電流在開關導通狀態(tài)下時，輸入端加4.5 V、對應的輸出端加1 V 或輸入端加1 V、對應的輸出端加4.5 V。

2 量產(chǎn)測試平臺的硬件實現(xiàn)

硬件測試平臺組成如圖1 所示，其中測試接口板和測試插座根據(jù)被測電路的封裝形式和測試需求進行定制。硬件連接時需要注意GPIB 總線的傳輸距離最遠不得超過20 m，且相鄰的測試儀器之間最好不要超過2 m。系統(tǒng)中每個測試儀器的GPIB 主地址都是0 ～31 的數(shù)，且不能重復[7]。

圖1 高精度測試系統(tǒng)硬件平臺

為了實現(xiàn)皮安級漏電流的測量，本文選擇安捷倫高精度數(shù)字萬用表3458A 作為電流測量儀表，以彌補ETS-364B 模擬測試系統(tǒng)電流測量單元精度不夠的短板。選用3458A 高精度數(shù)字萬用表“DC Current”模式下的“100 nA 量程”，該量程下的測試分辨率為1 pA，可以滿足測試需求。

在實際搭建的系統(tǒng)中，GPIB 接口卡插入PC 機底板中的一個PCI 槽，并通過GPIB 電纜接到數(shù)字萬用表。此外，應嚴格遵循GPIB通信的儀器間連接條件。測試時，ETS364B 與3458A 通過GPIB 通信協(xié)議進行通信，實現(xiàn)測試條件的配置、電流的測量以及測試結(jié)果的反饋。

3 量產(chǎn)測試平臺的軟件實現(xiàn)

3.1 待測器件與測試系統(tǒng)的資源配置

在開發(fā)3458A 高精度數(shù)字萬用表的應用層驅(qū)動程序前，需要對待測器件和ETS364B 測試系統(tǒng)之間的資源進行設置，保證漏電流測試時待測器件的信號管腳與測試機信號通道的有效連接，確保測試機能夠為被測管腳提供需求的電壓。

具體設置如下：（1）新建工程，創(chuàng)建待測器件的工程文件，創(chuàng)建完成后即可生成可視化控制流程模板和底層程序開發(fā)文件；（2）添加pin map，通過pin map 實現(xiàn)待測器件所有管腳與測試機臺的軟件連接配置；（3）添加漏電流測試項，添加完測試項后會生成相應的底層代碼.cpp 文件和Data sheet 文件。在Data sheet 文件中設置測試項的名稱、上下極限、測量單位等，并在底層代碼.cpp 文件中設置變量的定義、初始化、測試項執(zhí)行時施加的具體測試條件與量程，實現(xiàn)測試結(jié)果輸出等。

連接測試項完成后，開展漏電流的測試項開發(fā)。在Data sheet 中 添 加+IS(OFF)、-IS(OFF)、+ID(ON)、-ID(ON)4個測試項及上下極限、測量單位，相應地在.cpp 文件中會自動生成4 個函數(shù)，按照測試條件在每個函數(shù)中添加對測試機的資源配置語句，完成測試電壓條件的設置。

3.2 開發(fā)方法及具體功能實現(xiàn)

3.2.1 VISA 函數(shù)庫與功能

VISA 函數(shù)庫的優(yōu)勢在于直接面向器件，與硬件接口總線類型無關。VISA 函數(shù)庫是獨立于硬件設備、接口、操作系統(tǒng)以及編程語言的輸入/輸出（Input/Output，I/O）函數(shù)庫，是現(xiàn)有I/O接口軟件的一個超集[8]。對于驅(qū)動程序、應用程序開發(fā)者而言，VISA 庫函數(shù)是一套可方便調(diào)用的函數(shù)，其中核心函數(shù)可控制各種類型器件，而不用考慮器件的接口類型，VISA 也包含部分特定接口函數(shù)[9]。根據(jù)GPIB 接口控制的傳輸特點，按照函數(shù)功能可以將VISA 函數(shù)庫分為5 大類，分別是資源管理類、基本輸入/輸出類、格式化輸入/輸出類、GPIB 接口功能類以及控制管理類。

3.2.2 應用層驅(qū)動程序開發(fā)

在編制3458A 高精度數(shù)字萬用表的應用層驅(qū)動程序前，必須先安裝安捷倫I/O 庫的驅(qū)動。本設計安裝的是Agilent_IO_Libraries_suite_14.2，軟件安裝完成后重新啟動個人計算機（Personal Computer，PC）端，打開驅(qū)動程序，對接口或GPIB 卡進行配置。對于Agilent 82350B PCI GPIB 接口，將“GPIB address”設置為30，將“SICL Interface ID”設置為hp82341。

GPIB 接口配置完成后，對3458A 數(shù)字萬用表進行初始化設置。點擊儀器前面板按鈕“Local/shift”和“Utility/Data Log”后，前面板會出現(xiàn)“Utility Menu”，然后按照REMOTE I/O →GPIB →ENABLE GPIB →GPIB ID 的步驟完成設置后按下電源開關，關斷電源后再接通，這樣設置才會生效。

設計驅(qū)動程序的工作流程如圖2 所示。

在.cpp 程序開始添加庫函數(shù)visa.h，這樣就可以調(diào)用VISA 函數(shù)庫進行驅(qū)動程序的開發(fā)。以參數(shù)+IS(OFF)為例，在.cpp 文件創(chuàng)建的4 個漏電流測試函數(shù)中，首先添加驅(qū)動程序用到的一些變量，相應代碼為

最后讀取電流值，將其作為工程下創(chuàng)建的Data sheet 中相應測試項的測試結(jié)果輸出。

4 測試結(jié)果

在常溫（25 ℃）條件下，利用基于ETS364B 和3458A 協(xié)同測試的高精度自動測試系統(tǒng)對待測模擬開關進行批量測試。測試電路共135 個，提取關斷漏電流和導通漏電流測試結(jié)果進行分析，如表4 所示。

表4 測試結(jié)果

漏電流與開關關斷或接通時的源極和漏極泄漏有關，泄漏越低，損耗越少[10]。從測試結(jié)果可以看出，漏電流的測試精度均為皮安級，實現(xiàn)了皮安級漏電流的測試。

5 結(jié) 論

通過搭建模擬器件主流測試系統(tǒng)ETS364B 和萬用表3458A 協(xié)同測試的高精度量產(chǎn)自動測試平臺，根據(jù)待測模擬開關關斷漏電流和導通漏電流的測試需求，基于VISA 函數(shù)庫和GPIB 通信協(xié)議對3458A 的需求量程進行選擇、對關斷或?qū)顟B(tài)下的電流進行測量和讀取，最終實現(xiàn)皮安級漏電流的測試。該高精度自動測試系統(tǒng)是對傳統(tǒng)模擬測試機資源的擴充，能夠滿足量產(chǎn)化的需求。