CN102323561A - 一种半导体器件测试系统脉冲大电流幅度校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体器件测试系统脉冲大电流幅度校准装置，其组成部分包括：NIPXI-1042主控机箱，NI PXI-4071高速数据采集单元、TDS320数字示波器、半导体器件测试系统专用测试适配器。通过相关设备的设置，并对采集回来的脉冲信号数据进行处理，求取平均值作为校准结果。目前能够解决通信领域内半导体器件测试系统脉冲大电流源幅度的校准。
Description
所属技术领域
本发明介绍了一种半导体器件测试系统脉冲大电流校准方法，特别是提供了一种半导体器件测试系统脉冲大电流源幅度校准装置，能够解决通信领域内半导体器件测试系统脉冲大电流源幅度的校准。
背景技术
半导体器件测试系统是用于测试半导体器件参数的设备。测试过程中，半导体器件的附加温升导致测试数据漂移和不稳定，因此在美军标、国军标、国标等标准中规定了“脉冲测试”法。美军标MIL-STD-750E半导体器件试验方法4.3.2.1、国军标GJB 128A-1997半导体分立器件试验方法3.3.2.1中，脉冲测试规定了脉冲宽度优先选取300μs。随着功率半导体器件的发展，为了适应不同的测试需要，在新修订的美军标及国军标等标准中，将脉冲测试的施加时间进行了延长，将脉冲宽度为300μs的瞬时单次脉冲电流扩展为脉冲宽度在250μs～10ms内可调，但300μs脉冲测试条件仍然在半导体器件参数测试时被广泛采用。
由于半导体器件测试系统广泛采用“脉冲测试法”，即脉冲大电流信号为单次脉冲信号，脉冲宽度在250μs～10ms内可调，由于其技术指标比较高，一般为约为1.0％～1.5％。目前存在的测量方法都具有一定的局限性：1)普通的电流探头和数字示波器由于采样速率和测量精度的限制，难以实现对此类脉冲信号参数进行准确测试，无法满足校准需要。2)采用外接精密微小电阻通过测量电阻上的脉冲电压幅度间接的通过计算得到脉冲电流幅度，是保证实现较高测量准确度的方法之一。由于被测脉冲电流信号的上升时间最快为几个微秒，最窄脉冲宽度为250μs～300μs之间，因此使用此种方法，存在两方面技术难点：1)普通数字电压表的采样速率最高为1kS/s，即使达到100kS/s采样速率的数字电压表也仅适用于测量周期性信号；2)普通的分流器由于其中存在一定的电抗成分，分流器的时间常数会对测试产生一定的影响。这些都是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种半导体器件测试系统脉冲大电流源幅度校准装置，可以有效校准脉冲大电流源的幅度参数，实现其参数的质量保障。
本发明包括NI PXI-1042主控机箱，NI PXI-4071高速数据采集单元、TDS 320数字示波器、半导体器件测试系统专用测试适配器；所述的NI PXI-4071高速数据采集单元与NIPXI-1042主控机箱通过专用的PXI接口相连接，NI PXI-4071高速数据采集单元与半导体器件测试系统专用测试适配器通过低感值测试电缆相连接，半导体器件测试系统专用测试适配器与半导体器件测试系统脉冲大电流源输出端通过专用的镀金连接端子相连接，半导体器件测试系统专用测试适配器与TDS 320数字示波器通过数字示波器探头相连接。
本发明中，NI PXI-1042主控机箱主要实现NI PXI-4071的使用环境，集成控制功能；TDS320数字示波器主要实现采集波形的实时显示功能，用于观察波形是否发生畸变；半导体器件测试系统专用测试适配器主要实现脉冲大电流信号的转换，将脉冲大电流信号转变为可 被测量的脉冲电压信号。
本发明所述装置与脉冲大电流源同步运行，而且专用测试适配器中精密四线电阻的电流两端直接与脉冲电流源的输出端相连接，避免了由于连线所带来的电感分量和接触电阻；经过大量试验和数据积累，在每个测试适配器中只连接了一个电阻，避免了由于使用转换开关而带来的校准结果上的变化；适配器壳体采用铝材料，内部测试线采用绝缘性能好、耐高温的单股线，能承受脉冲大电流而不致发热，避免了对测量结果的影响。适配器的示波器插头和数字电压表插头是为方便测试而特别设计的，减小了连接不当引入的附加传输误差。上述最大程度上保证了测量精度。
图1是半导体器件测试系统脉冲大电流源幅度校准装置的校准连接示意图，其中，半导体器件测试系统专用测试适配器(四个)内置精密无感电阻，其结构示意图见图2所示，其主要技术指标：阻值为10Ω、1Ω、0.1Ω、0.01Ω，功率5W～60W，阻值准确度±0.2％，无感，温度系数小于40ppm，其连接线使用镀银线，尽量降低连接过程中产生的电抗成分。实现精密无感电阻取样的方法的首要条件是电阻元件的阻抗要保持常数，即要求满足R＞＞Lω，满足这样的条件的方法是选择电阻率大的材料作电阻元件，另外如果ω较高，由于趋肤效应的结果，也能改变元件的电阻值。所以可使用薄的电阻材料箔来做电阻元件，使趋肤深度大于或相当于电阻材料的厚度，这样电流在电阻材料中的流动可以看作是均匀的。另外线绕电阻或刻槽电阻的电感都较大，而采用通过调整电阻的几何形状如折叠形式，或双向并绕等形式可降低其自身的电感值。
校准装置中数据采集单元NI PXI-4071的采样率为50kS/s，即每20μs采到一个数据点，针对脉冲宽度为250μs～10ms的脉冲信号，可以采到12～500个数据点。采用的精密四线电阻为无感电阻，但并非绝对的无感，电阻中微小的电感量和分布电容会对脉冲电流在电阻上产生的脉冲电压波形的上升时间有一定的影响。由于以上原因，需要对电压幅值未达到稳定前的数据和脉冲结束前的变化较大的数据进行了剔除。本发明中，对采集到的数据进行筛选，取波形较稳定的中间1/3部分进行脉冲幅值计算并进行多次平均，来保证幅值测量的准确度。如被校脉冲电流源的脉冲宽度为250μs～10ms，在测试300μs脉宽的脉宽时，PXI-4071的最高采样率为50kS/s，采样点数为15个，因此有效点数为5个，在测试10ms脉宽的脉冲时，高速数据采集单元采样率为50kS/s，采集到的点数为500个点，因此取到的有用点数为166。
本发明的优点在于：可以准确的测量半导体器件测试系统脉冲大电流幅度，测量原理简单，测试步骤简捷，测量不确定度较低，可靠性高，为通信领域内半导体器件测试系统脉冲大电流幅度的校准提供了依据。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的校准连接示意图，其中，高速数据采集单元的“1”和“2”分别为电压采集的“+”和“-”端子；专用测试适配器的“3”和“4”分别为脉冲电压信号输出的“+” 和“-”端子，“5”和“6”分别为脉冲电流信号输入的“+”和“-”端子，“7”为示波器信号测试端子；“8”和“9”分别为半导体器件测试系统内部脉冲大电流源的“+”和“-”输出端子；“10”为TDS 320数字示波器的任一输入通道。
图2是本发明中专用测试适配器的内部结构示意图，其中，“1”和“2”分别为电压采集的“+”和“-”端；“3”和“4”分别为电流输入端子的“+”和“-”端，“5”为示波器信号测试端。
具体实施方式
在图1中，将NI PXI-4071高速数据采集单元置于NI PXI-1042主控机箱空槽内，主控同NI PXI-4071通过专用接口连接，将半导体器件测试系统脉冲大电流源的“8”和“9”分别与专用测试适配器的“5”和“6”连接，将专用测试适配器的“3”和“4”分别与NI PXI-4071高速数据采集单元的“1”和“2”连接，将专用测试适配器的“7”与TDS 320数字示波器的任一通道“10”连接。
进行如下相关设置：1)将NI PXI-4071高速数据采集单元进行以下设置：数字化仪方式，采样率：“50kS/s”，电压量程：根据所测量的脉冲电压信号值设置为合适的量程，输入阻抗：10MΩ，带宽：300kHz，ADC Calibration：“OFF”，Auto Zero：“OFF”工作模式：软件触发模式；将TDS320数字示波器进行如下设置：单次触发模式，触发电平：约待测信号电平的1/3，垂直：约为待测信号电平的1/4，水平：约为待测波形的1/4。2)设置半导体器件测试系统脉冲大电流源输出待测幅度值，脉冲宽度设置为300μs。
触发脉冲大电流源输出，观察TDS320面板波形，看是否为标准的单次脉冲电压波形，如果不是，重新出发脉冲大电流源；读取NI PXI-4071高速数据采集单元采集到的数据，设采集到的数据为n个，则取中间约n/3部分，求取平均值作为校准结果。
Claims (1)
1.一种应用半导体器件测试系统脉冲大电流幅度校准装置进行校准的方法，其特征在于：所述半导体器件测试系统脉冲大电流幅度校准装置包括：主控机箱，高速数据采集单元、数字示波器、半导体器件测试系统专用测试适配器，其中高速数据采集单元具有电压采集的“+”和“-”端子，半导体器件测试系统专用测试适配器具有脉冲电压信号输出的“+”和“-”端子以及脉冲电流信号输入的“+”和“-”端子，数字示波器具有信号测试端子，半导体器件测试系统内部的脉冲大电流源具有“+”和“-”输出端子，高速数据采集单元位于主控机箱的空槽内，半导体器件测试系统专用测试适配器位于被测半导体器件测试系统测试端，半导体器件测试系统专用测试适配器的脉冲电压端子“+”端连接到高速数据采集单元的电压采集“+”端，半导体器件测试系统专用测试适配器脉冲电压端子“-”端连接到高速数据采集单元的电压采集“-”端，数字示波器的信号测试端子连接到专用测试适配器示波器测试端。
校准方法包括以下步骤：
1)设置高速数据采集单元，具体包括：将其设置为数字化仪方式，采样率设为50kS/s，电压量程设为根据所测量的脉冲电压信号值设置为合适的量程，输入阻抗设为10MΩ，带宽设为300kHz，关闭ADC校准，关闭自动归零功能，工作模式设置为软件触发模式；
2)设置数字示波器，具体包括：将数字示波器设置为单次触发模式，触发电平设置为待测信号电平的1/3，垂直设置为待测信号电平的1/4，水平设置为待测波形的1/4。
3)设置半导体器件测试系统脉冲大电流源输出待测幅度值，并将脉冲宽度设置为300μs；
4)触发脉冲大电流源输出；
5)判断数字示波器显示的波形是否为标准的单次脉冲电压波形，如果不是，重新触发脉冲大电流源，如果是则进行步骤6)；
6)读取高速数据采集单元采集到的数据；
7)处理采集到的数据以获得校准结果，处理过程具体包括，采集到的数据为n个，则提取采集到的数据中的第[n/3]个-第[2n/3]个数据，求取提取数据的平均值作为校准结果，其中n是正整数，[n/3]表示对n除以3的结果取整，[2n/3]表示对2倍的n除以3的结果取整。
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