集成电路中MOS管导通电阻测量方法

2016-12-06韩新峰顾卫民

电子与封装 2016年11期

关键词：折线图导通电阻

韩新峰，顾卫民

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

集成电路中MOS管导通电阻测量方法

韩新峰，顾卫民

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

MOS管是一种常见的半导体功率器件，随着半导体产业的不断发展和进步，MOS管的各方面性能也得到大幅度的提高，被广泛应用于开关电源、节能灯、电源转换和电源控制等领域。在功率电路中，MOS作为一种多子功率开关器件，其导通电阻是至关重要的参数之一，会影响到应用电路的稳定性和功耗。因此在集成电路测试中对于MOS管导通电阻的精确测量显得尤为重要。对于MOS管导通电阻的测量做了详细分析，并介绍了两种可以准确测量MOS管导通电阻的方法。

MOS管；导通电阻；测试

1　引言

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是金属-氧化层-半导体场效晶体管的简称，中文简称MOS管，是一种常见的半导体功率器件[1]。由于其具有开关速度快、驱动功率小、安全工作区宽、温度稳定性好、没有少子存储效应、具有负电流温度系数等优点，被广泛应用于开关电源、汽车电子、不间断电源、电力转换电路、逆变器等各个领域[2]。在MOS管的应用中其功耗大小是使用者考虑的一个重要因素，而其导通电阻的大小对其功耗有着至关重要的影响。所以，MOS管在作为功率器件的集成电路应用中，导通电阻是其最为关键的参数之一。为保证MOS管在应用电路中得到稳定应用，在其出厂时需要测试公司对其进行准确的测量。

2　MOS管简介

MOS管按照栅极的功能可分为增强型和耗尽型，按照沟道的材料类型可分为P沟道或N沟道，两种组合起来就有4种类型，一般主要应用的是增强型NMOS管和增强型PMOS管。和传统的晶体管相比，MOS管具有开关速度快、输入阻抗高、安全工作区大、热稳定性好等优点[3]。MOS管的主要参数有：

V(BR)DS：漏源极击穿电压；

RDS(on)：MOS导通时漏源之间的电阻；

RDS(on)@ID：漏极工作电流为ID时的漏源极导通电阻；

ID：最大漏极工作电流；

PD：最大漏极耗散功率。

为了满足各种不同需求的应用，半导体厂家设计了多种规格的MOS管。有的具有几伏到上千伏的漏源极击穿电压，有的具有几瓦到几百瓦的最大漏极耗散功率，有的具有几毫欧到数百欧的导通电阻，设计工程师可以选择合适的型号以满足设计要求。随着半导体工艺技术的不断发展，MOS管的性能不断提升，击穿电压越来越高，导通电阻越来越小，很多产品的导通电阻已经在毫欧量级（我们称为低导通电阻MOS管），这对于产品应用非常有利，可以降低MOS管的功耗，实现更大的工作电流，也提高了电路的转换效率。随着MOS管集成在IC中的实现，对于集成MOS管导通电阻的精确测量越来越不容易。

3　灌电流测试导通电阻

有的成品测试公司对MOS管导通电阻的测量方法是对工作状态下IC的Drain端（即MOS管封装的漏极）灌入毫安级或者是一个安培级的电流来测试Drain端对地的电压，用测得的电压和电流相除得到其导通电阻。本文将以示例对该方法做详细分析。

IC导通电阻测试规范见表1。

表1　IC导通电阻测试参数规范

测试程序流程如下：

//RDS_on

SET_VIS_P(CS,FVMI,1.2,V,10,MA);//CS脚施加1.5 V

SET_VIS_P(OVP,FVMI,0.5,V,10,MA);

SET_VI5A_P(DRAIN,FIMV,0,MA,10,V,0,0,0);

Delay(10);

SET_VIS_P(VCC,FVMI,15,V,100,MA);//VCC脚施加工作电压

Delay(2);

SET_VI5A_P(DRAIN,FIMV,2,A,10,V,0,0,0); //Drain端施加2 A电流

Delay(20);

VIN5A_MEASURE_P(DRAIN,1);//测试Drain端电压

V_RDS[0]=GET_DATA(0)/2;//计算RDS(on)

if(!SHOW_RESULT("Rdson",V_RDS,"ohm", 3.2,0,10))//结果显示

return;

从以上测试程序和规范可以看出该测试方法流程简单易操作。按照该方法测试1000颗良品电路的导通电阻折线图见图1。

从图1中可以看到按照灌电流方式测试的导通电阻较为分散，有部分良品电路测试值偏出了测试规范（测试值超出上限3.2 Ω），导致测试失败，造成了良率的损失。对小电阻参数的测量，使用该方法测得的电阻是线阻和导通电阻以及金手指接触电阻叠加的结果，这就导致测试值比实际值偏大。为解决该问题通常需要采用开尔文（Kelvin）连接测试的方式测试导通电阻。

图1　灌电流方式下的RDS(on)测试值折线图

4　开尔文（Kelvin）测试

4.1测试原理

Kelvin连接也叫四线制连接，是一种测量小电阻的方法。它能有效去除导线电阻等杂项对微小电阻的影响，使测试结果更精确。具体原理见图2。图中R是被测电阻，R1、R2、R3、R4代表导线、接触等干扰电阻，I是电流激励源，V是电压测量源，HF、LF是激励源的导线，HS、LS是电压测量源的导线。首先，I激励一个电流，然后V测量出R、R2、R3压降之和。由于V作为测量源输入电阻近似无穷大，所以HS、LS两条导线无电流流过，R2、R3压降为零，所以此时V测出来的电压为R两端电压，根据欧姆定律可精确算出R的实际电阻[4]。

图2　Kelvin连接方法测试小电阻原理图

4.2开尔文连接方式的RDS(on)测试

在成品测试时对于开尔文的连接方法如图3所示，将HF（或LF）、HS（或LS）独立连接到两片金手指上，这样就能保证F线和S线一直独立地连接到芯片引脚。

图3　HF、HS、LF、LS 4根导线独立连接到芯片引脚

按照开尔文方式测试相同的1000颗良品电路，其导通电阻折线图如图4所示。

图4　开尔文方式下的RDS(on)测试值折线图

通过图1和图4可以明显看出采用开尔文的连接方式能够更加准确地测试出导通电阻的实际值，并且数据一致性高，消除了因接触误差导致的良率损失。

5　扫描低电平法测试导通电阻

有的测试公司受测试机台测试源能力的限制，测试机并不能够提供2 A的灌电流，因此不能以灌电流的方法测试导通电阻。对于该种情况可以采用测试MOS管导通时导通电阻压降的方法来计算导通电阻。

图5为使用扫描低电平的方式测试导通电阻的硬件线路图，其中用到了比较器LM393和4个电阻作为外围器件；LM393采用+15 V供电，输出脚Out1与电源脚1 kΩ电阻相连，负端输入IN1-接扫描电平，该电平采用测试机的源施加电压；正输入端IN1+连接到IC的Drain端并且通过一个100 Ω的电阻上拉到IC的Vdd脚。在MOS管导通时通过不断抬高IN1-的输入电压VRDS(on)（以10 mV一个步距向上扫描）；同时监控LM393的输出波形，当IN1-脚的输入电压与Drain端的低电平相等时，LM393的输出端将没有波形输出，此时记录VRDS(on)的值并停止扫描。扫描法测试程序流程如下：

//Rdson

DVI_SetMode(VCC,FV,VRang_10V,IRang_100mA, 100.0,-100.0);//VCC

OVI_SetMode(CS,FV,10.0,10.0,10.0);

OVI_SetMode(VRdson,FV,10.0,10.0,10.0);

DelaymS(2);

DVI_SetOutVal(VCC,15.0);//VCC

OVI_SetOutVal(CS,1.5);//CS

DelaymS(10);

for(VRD=0.1;VRD＜2;VRD=VRD+0.01)

{

OVI_SetOutVal(VRdson,VRD);

DelaymS(0.5);

TMU_Measure(0);

if(pSite-＞RealData[SITE1]＞0.03&&pSite-＞RealData[SITE1]＜0.1)//判断

break；

}

Rdson=100*VRD/(15-VRD1);

扫描法测试等效分压图见图6。

图5　扫描法测试RDS(on)线路图

图6 扫描法测试RDS(on)等效分压图

图6为等效电路图，按照电阻分压的规律RDS(on)的计算公式为：

使用该方法可以不受测试源能力的限制，一般的测试机型都可以满足测试条件，测试方法简单。按照该方法测试相同的1000颗电路，其导通电阻的折线图见图7。

图7　电压扫描方式下的RDS(on)测试值折线图

从图7可以看出扫描法测试的导通电阻较为一致，测试值相比开尔文测试方法略微偏大，导致偏大的原因为扫描电压较实际的低电平电压高出一个步距导致，可按照准确的测试值做修正以保证准确度。

6　结论

灌电流的方式测试采样电阻需要测试机具有安培级以上的灌电流能力才能实现，利用该方法测试导通电阻时需要在硬件上作开尔文连接处理，从而消除接触电阻和线阻对测试准确度的影响；该方法简单方便，不需要多余的外围器件。

扫描法测试导通电阻的方法对测试机的能力要求不高，测试过程中不需要大电流，对导通电阻的测试对接触电阻并不敏感，准确度较高。但是该方法在编程上采用扫描的方式测试时间会较长，并且该方法需要借助比较器和电阻等外围器件，测试外围较为复杂。

综上所述，在测试导通电阻时各测试公司可以根据本公司主流测试机能力和对测试时间的侧重点选择合适的测试方法。

[1]顾汉玉，武乾文.一种精确测量MOSFET晶圆导通电阻的方法[J].电子与封装，2014,14（9）：17-20.

[2]白朝辉，王标.高压VDMOSFET导通电阻的优化设计[J].数字/模拟电路，2007.

[3]陆坤，等.电子设计技术[M].成都：电子科技大学出版社，1997.

[4]刁维虎，等.Kelvin连接方法在芯片Rdson测试中的应用[J].中国集成电路，2013，12.

Studies of MOS Turn-on Resistance Measurement Methods

HAN Xinfeng,GU Weimin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

MOS is a common power semiconductor devices and has witnessed drastic improvement along with the semiconductor industry and wide application in switching power supply,energy-saving lamps,power conversion and power control.MOS is used as a multi power switching devices in power circuit where conduction resistance is one of the key parameters.As conduction resistance affects the stability and power consumption of the circuit,its accurate measurement is of great importance.This paper makes a detailed analysis on the resistance of MOS pipe,and introduces several methods to measure the MOS tube conduction resistance.

MOS tube;conducting resistance;test