CN110662974A - 信号分配装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于将应力信号分配到多个被测器件（DUT）的信号分配装置。分配装置包括接收要分配的应力电压信号的单个输入；将应力电压信号分配到多个DUT的多个输出；以及多个集成电流限制器和开关电路。每个集成电流限制器和开关电路通过多个输出中的一个输出将多个DUT中的DUT连接到单个输入，并且包括至少一个组合的开关和电流限制元件。

Description

信号分配装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月3日提交的共同未决（co-pending）美国临时申请No.62/500，659的优先权，所述申请通过引用以其整体出于所有目的特此并入。

技术领域

本发明一般地涉及电测量装备，并且，特别地涉及用于将应力信号分配到多个被测器件（DUT）的信号分配装置。

背景技术

半导体可靠性测试通常需要向多个器件施加公共电压应力信号以聚集关于故障时间的信息。为了提供节省成本（cost effective）和空间高效的解决方案，半导体可靠性测试装备供应商通常将其系统配置为具有单个电压源（例如，可编程电源），其连接到多个DUT以提供公共应力信号。图1图示了典型的电压应力系统100的简化框图。在最基本的形式中，如图1中所示，多个DUT 102全部直接连接到单个电压源104并且被并行地加应力。然而，当DUT 102故障时，该配置是有问题的，因为没有办法将其从单个电压源104断开并且电流将继续流过故障的DUT 102，这可能未能达到非常低的电阻并且可能传导过多的电流，所述过多的电流给单个电压源104加负载和/或使故障的DUT 102过热。

在图2中示出了对以上配置的改进，其中修改的电压应力系统200包括在单个电压源104与多个DUT 102之间串联的开关202。这允许在由系统检测到该故障时（例如，通过使用与故障的DUT一列式连接的电表）来移除故障的DUT 102，使得故障的DUT 102不继续使单个电源过载并且不会过热。然而，这种改进仍然是有问题的，因为在检测到故障与对到故障的DUT的应力信号的切断之间的时间可能足够长以致干扰尚未发生故障的其它DUT。此外，由于当DUT故障时的电流中的增加，故障事件可能导致单个电压源104输出中的干扰，并且这可能触发其它DUT中的早期故障。

为了避免上述问题，进一步修改的电压应力系统300在图3中被示出并且包括如图3中所示的在电压源104、开关202和DUT 102的信号路径中的电流限制器302。该电流限制器防止故障的DUT 102使电压源104过载达到在DUT故障、其检测和其从应力信号的后续移除之间的时间段。电流限制器302可以仅是固定值电阻器，或者是使用有源器件来呈现非线性阻抗的较复杂的电路，其是以具体电流电平被激活（限制）。

以上所呈现的配置的类型在Bessho等人的题为“SWITCHING APPARATUS WITHCURRENT LIMITING CIRCUIT”的美国专利No.5，880，540中被描述。然而，这种配置出于多种原因仍然是有问题的。首先，开关和电流限制器电路的附加向解决方案增加了显著的大小和成本要求。另外，由于跨一列式电流限制器的电压降，处于DUT的电压通常是未知的，并且最后，使用开关102由应力信号来移除DUT可能由于到故障DUT的电流的突然移除而导致瞬态信号（或“假信号”）被呈现到剩余的DUT。

发明内容

根据实施例，公开了一种用于将应力信号分配到多个被测器件（DUT）的信号分配装置。分配装置包括单个输入，其接收要被分配的应力电压信号；多个输出，其将应力电压信号分配到多个DUT；以及多个集成电流限制器和开关电路。每个集成电流限制器和开关电路将多个DUT中的DUT通过多个输出中的一个连接到单个输入，并且包括至少一个组合的开关和电流限制元件。

根据另一实施例，公开了一种用于将应力电压信号分配到多个被测器件（DUT）的方法。要被分配的应力电压信号在单个输入处被接收，并且通过多个输出被分配到多个DUT。通过多个输出中的输出、并且通过多个集成电流限制器和开关电路中的集成电流限制器和开关电路将多个DUT中的DUT连接到单个输入，每个集成电流限制器和开关电路包括至少一个组合的开关和电流限制元件。

附图说明

图1图示了用于将应力信号共享到多个DUT的信号分配装置。

图2图示了用于将应力信号共享到多个DUT的信号分配装置，所述多个DUT具有将到每个DUT的共享应力信号单独切断的能力。

图3图示了用于将应力信号分配到多个DUT的信号分配装置，所述多个DUT具有将到每个DUT的共享应力信号单独切断并单独限制到每个DUT的电流的能力。

图4图示了用于将应力信号分配到具有组合在集成电流限制器和开关电路中的开关和电流限制能力的多个DUT的信号分配装置。

图5是将DUT连接到电压应力源的单独的集成电流限制器和开关电路的简化示意图。

图6图示了用于向多个DUT分配应力信号的信号分配装置，所述多个DUT具有在无需跨集成电流限制器和影响测量的开关的电压降的情况下测量DUT电压的能力。

图7是向多个DUT提供共享应力信号的方法的流程图。

具体实施方式

本发明一般涉及电测量装备。本文中的实施例描述了用于将在单个输入处接收的应力信号通过多个输出分配到多个被测器件的信号分配电路。

图4是图示了包括实施例的改进的电压应力可靠性系统400的简化框图，在所述实施例中将每个DUT 102连接到单个电压源104的每个电流限制器和开关402被集成到组合的电路中，在下文中被称为集成电流限制器和开关电路，从而共享元件以提供电流限制和开关功能性。该配置提供了优于现有技术的多个优点。例如，该配置可以通过使用用于多个功能的部件（例如，需要较小的印刷电路板）来节省系统中的显著物理空间。常见的方法将是使用晶体管（或多个晶体管）来提供电流限制和开关功能性二者。关于该电路的更多细节在以下部分中被描述。

此配置的另一优点是通过使用用于多个功能的部件而提供的成本节省。提供开关和电流限制器作为分离的电路将典型地需要两倍之多的部件，因此这种配置可以显著地降低成本。最后，在下面的段落中进一步解释的各种实施例中，该配置可以提供其它优点，诸如瞬态信号的抑制。

图5是图示了电压应力可靠性系统500的一部分的简化电路图，其示出了上面介绍的集成电流限制器和开关电路402的实施例。在该图中，一对晶体管502提供电流限制和开关功能性。在图5中所示的实施例中，一对晶体管502是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）晶体管，但是其它实施例可以包括其它类型的晶体管，包括但不限于双极结型晶体管（BJT）或结型场效应晶体管（JFET）。一对晶体管502以关于提供双向电流限制和开关的方式相连接，并且在一些实施例中，如果仅电流流动的一个方向（即，单向电流限制和开关）是必要的，则该电路被简化为仅包括一个晶体管。

一对晶体管502结合使用偏置电路来提供电流限制和开关功能性。在所示的实施例中，光伏隔离器（PVI）506向晶体管502提供偏置电压以将它们开关到接通或断路状态。典型地，参考的接地电平（例如，1.8V、3.3V或5V逻辑电平）控制信号512将连接到PVI 506的输入，并且控制信号512的激活将导致在PVI输出上生成隔离电压。隔离电压是必要的，因为被开关的电压应力信号和/或被限制的电流可以是高电压信号（例如，从-1000V到+1000V），并且不能通过低电平逻辑信号被直接控制。

PVI 506的输出连接到一对晶体管502，使得当PVI 506通过控制信号512被启用时，晶体管502将传导电流（接通）通过其受控通道（例如，MOSFET的漏极-源极），并且当PVI506通过控制信号被禁用时将不传导显著的电流（切断）。此外，PVI输出在其禁用状态下提供低阻抗，其耗散原本可能以其它方式被捕捉在MOSFET晶体管的栅极-源极端子上并使其处于未限定状态的任何电荷。以这种方式，与PVI 506组合的晶体管502提供所需的开关功能性。

图5中示出的实施例的电流限制功能性由该对晶体管502提供，该对晶体管502还结合串联电流限制电阻器504提供开关功能性，所述串联电流限制电阻器504连接在该对晶体管502的偏置端子（在示出的实施例中，栅极和源极端子）之间。电流限制功能性在该对晶体管502被接通的情况下工作（在晶体管被切断的情况下，没有电流流动，因此限制是不适用的），并且使用跨串联电流限制电阻器504产生的电压来抵消PVI 506的偏置。每个晶体管具有阈值电压，高于该阈值电压则晶体管传导显著的电流，并且低于该阈值电压晶体管不传导显著的电流。实际上，这不是一分立电平，低于该分立电平则电流完全停止流动，但是与晶体管的指数电流/电压特性组合的电阻器的线性电流/电压特性导致了在其中每个晶体管传导显著的电流（没有电流限制）的小范围，并且然后转变到实际上没有附加的电流流动（电流限制）。因此，通过在集成电流限制器和开关电路中包括串联电流限制电阻器504，电流限制功能性可以由也提供开关功能性的相同晶体管来提供。

每个晶体管由于制造差异而潜在地具有不同的阈值电压，并且因此对于给定的电流限制电阻器值具有不同的电流限制电平。在一些实施例中，如果可期望的是电流限制是容易调整的（例如，被设定成实际上与系统中的其它电流限制电路相同的电流限制电平），则可变电阻器用于电流限制电阻器504。在一些实施例中，可变电阻器是具有允许用户将电流限制器调谐到可期望电平的调整器的机械电位计。在其它实施例中，可变电阻器是允许通过数字接口向计算机、微控制器或具有编程能力的某一其它数字电路编程的数字电位计。在一些实施例中，编程可以是永久的（例如，在初始组装期间设定）、半永久的（例如，通过指定的过程在字段中可调整的）或临时的（例如，取决于测试要求，在编程数字电路上运行的软件可以动态地改变电流限制电平）。

图6是图示包括其中包括有每个DUT的电压测量的附加功能性的实施例的改进的电压应力可靠性系统600的简化框图。该电压测量功能性通过与每个集成电流限制和开关电路402、开关控制电路606和电压测量电路604串联连接的电压测量开关602的网络来实现。每个电压测量开关602被单独地开关，使得可以独立于其它DUT电压来测量每个DUT 102的电压。开关控制电路606执行启用或禁用每个电压测量开关602的功能，使得可以利用电压测量电路604测量每个DUT 102的电压。在一些实施例中，该开关功能性由集成复用器电路或仪器提供，并且在其它实施例中，其由被布置为允许多个输入连接到单个输出的单独开关（机械继电器、簧片继电器或固态继电器）的阵列组成。

电压测量电路604是测量电压并将其转换为数字表示的电路。在一些实施例中，然后通过通信总线将数字表示传输到主机计算机。通信总线典型地是标准接口（例如，以太网、USB、RS-422/485、RS-23、SPI和/或I2C）。在一些实施例中，电压测量电路是成品的仪器，诸如数字万用表（DMM），其中所有所需的电路集成到外壳中。在其它实施例中，电压测量电路是配置成提供必要电压测量功能性的分立部件的布置。例如，在一些实施例中，电压测量电路包括模数转换器（ADC）、自动测距电路和通信接口电路。

电压测量功能性的附加提供了测量电压的能力并且潜在地校正每个DUT 102处的电压误差。在理想情况下，集成电流限制和开关电路402在正常操作条件期间（即，在其中DUT尚未故障的测试的部分期间）将不具有电压降（或负担）。然而，在一些情况下，即使当尚未接合电流限制功能时，跨集成电流限制和开关电路402的电压降也可能是显著的。例如，如果DUT 102正在汲取1mA（故障之前的电流）并且集成电流限制和开关电路402的有效电阻是10欧姆，则10mV的负担电压将存在于跨集成电流限制和开关电路402两端。取决于应力电压条件，这可表示显著量的误差（例如，1%或更多）。因此，可期望的是能够通过使用如图6中所示的附加的电压测量开关电路来获知DUT电压。

在集成电流限制和开关电路402之后，DUT 102的电压测量可以用于多个目的。例如，可以使用DUT电压测量来补偿（或部分地补偿）跨集成电流限制和开关电路402的电压降。这可以通过在测试期间测量所有DUT电压并且将电压供应104设定为补偿跨集成电流限制和开关电路402的所有压降的平均值的电平来完成。例如，如果三个DUT在测试期间被连接并且它们具有来自电压供应的输出的9mV、10mV和11mV的单独电压误差（例如，由于跨集成电流限制和开关的电压降），则电压供应可以增加达10mV（电压误差的平均值）以补偿电压误差的大部分（即，在该示例中，电压误差将从11mV的最大值降低到1mV）。

电压测量功能性的另一用途是来检测DUT 102是否已经故障。典型地，在测试期间，DUT 102的电流将通过测量通过DUT的另一节点的电流或通过将电流测量电路（例如，电流表）与集成电流限制和开关电路402串联连接来周期性地测量。该电流测量数据用于评估DUT的状态。然而，在DUT 102上做出电流测量是复杂的过程，因为其典型地需要暂时插入与DUT串联的电流测量电路，并且必须注意不引入瞬态信号或以其它方式破坏施加到DUT的应力条件。附加地，电流测量通常需要开关多个电流范围以检测器件电流，这花费显著时间。如图6中所示的电压测量功能性的附加允许检测器件故障的快速且相对简单的方法，因为在某些测试器件故障中典型地伴随有与集成电流限制和开关电路402的电流限制功能性接合的电流的增加。使用电压测量功能性允许系统快速且彻底地扫描在测试期间连接的所有DUT 102，并检测是否有任何DUT 102已激活其相关联的电流限制电路。对于已经触发其相关联的电流限制电路的DUT，实验可以被配置成采取特定的动作（例如，从进一步的应力处移除DUT，执行故障的DUT的更深入的表征和/或停止实验）。

对于被检测为已经故障的DUT 102，通过电压或电流测量，集成电流限制器和开关电路402在从应力处移除器件期间提供附加的益处。如上所述并在图1、2和3中示出的典型并行测试系统将使用机械继电器或簧片继电器，所述机械继电器或簧片继电器用于被用来将DUT 102从电压供应断开的开关202。这些类型的继电器具有使得“热开关”不期望的限制。热开关是当电压存在（或将要存在）于跨被连接或断开的端子两端时用于继电器的激活或去激活的工业术语。

对于机械继电器或簧片继电器，出于两个原因，热开关对于半导体可靠性测试是有问题的。首先，热开关典型地将导致瞬态信号被施加到被连接的DUT，并且还有被连接到相同的电压供应的其它DUT。这是由于继电器的连接或断开的突然性（当继电器触点连接或断开时从短路到开路或开路到短路的转变几乎是瞬时的），以及由当从一个状态转变到另一个状态时继电器的触点多次连接和断开中的继电器“跳跃”的复合，并且这将延长并加剧引起的瞬态信号。瞬态信号对测试是有害的，因为它可能导致对被断开的DUT和/或被施加于尚未故障的其它DUT的附加损坏，从而可能触发它们的早期故障或导致改变它们的故障时间的损坏。

热开关有问题的另一个原因是对继电器本身的损坏。对于机械继电器和/或簧片继电器，由于当触点在转换状态时在物理上彼此于接近时发生的电弧放电，热开关可对触点造成损坏。这也由上述继电器跳跃所加剧，并且可能导致改变或较高的接触电阻、接触粘着，并且最终导致继电器的故障。典型地，继电器供应商将指定可能的开关循环的数量上的寿命，并且通常将通过例如对于热开关条件相对非热开关的两个数量级来对寿命减载运行。

出于以上原因，半导体可靠性测试器通常被设计成通过改变应力电压以消除跨要开关的继电器的电压（例如，将应力电压供应设定为0V以使得连接到接地的DUT跨其具有0V）来避免热开关继电器。然而，由于尚未故障的DUT的应力中断，在测试期间的应力电压移除是不期望的。在一些情况下，由于在重新施加应力电压期间类似恢复或损坏的效应，这些DUT将具有受应力移除所影响的其测试故障时间，这可能使实验的结果降级或无效。

由于开关元件的本质和偏置电路的布置，集成电流限制器和开关电路402克服了以上问题。首先，使用晶体管作为开关元件消除了由于电弧放电和/或跳跃而引起的任何问题，因为在晶体管中没有移动接触。第二，可以通过使用附加电路元件来使集成电流限制器和开关电路402中的开关的转变时间更长和受控。这允许系统关掉（或打开）集成电流限制器和开关电路402，在仍施加应力电压的同时断开（或连接）特定的DUT 102，而不将瞬态信号施加到特定的DUT或其它DUT。在一些实施例中，如图5中所示，通过连接在偏置电路中的电阻器508和电容器510（RC）网络来控制集成电流限制器和开关电路402中的开关的转变时间。通过调整RC网络中的电阻器508和/或电容器510的值，可以延长或缩短开关时间到用于防止瞬态信号被施加到（一个或多个）DUT的最佳长度。

在一些实施例中，转变时间通过到PVI的输入的控制信号而被控制，并且可以包括在转变期间在预定时间段上施加的连续变化的信号。例如，积分器电路的输出可以响应于控制信号向积分器电路的输入提供阶跃信号而向偏置PVI的输入提供连续变化的信号。在另一实施例中，在转变期间在预定时间段上施加电压的分立集合。例如，数模转换器（DAC）的输出可以被施加于偏置PVI的输入并且被斜坡化（ramp）以生成时间控制的斜坡信号，其导致取决于斜坡率的变化的开关时间。在一些实施例中，连接到PVI的输入的DAC的输出还可以用于结合串联电流限制电阻器504来控制集成电流限制和开关电路402的电流限制电平。

图7是将应力电压信号分配到多个DUT的方法700的流程图。在步骤702中，在单个输入处接收要分配的应力电压信号。在步骤704中，通过多个输出将应力电压信号分配到多个DUT。最后，在步骤706中，多个DUT中的DUT通过多个输出中的输出并且通过集成电流限制器和开关电路被连接到单个输入。

尽管已经详细描述了本发明的仅一些实施例，但是应当理解，基于本文中的公开，许多变化是可能的。虽然以特别组合在以上描述了特征和元件，但是每个特征或元件可以单独使用而没有其它特征和元件，或者以具有或不具有其它特征和元件的各种组合来使用。鉴于前述内容，显而易见的是，本实施例是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于本文中给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内修改。

Claims (16)

1.一种用于将应力电压信号施加到多个被测器件（DUT）的信号分配装置，所述分配装置包括：

单个输入，其接收要被分配的所述应力电压信号；多个输出，其将所述应力电压信号分配到所述多个DUT；以及

多个集成电流限制器和开关电路，每个集成电流限制器和开关电路将所述多个DUT中的DUT通过所述多个输出中的一个输出连接到所述单个输入，并且包括至少一个组合的开关和电流限制元件。

2.根据权利要求1所述的信号分配装置，其中所述至少一个组合的开关和电流限制元件是用于限制和开关往来于所述DUT的双极电流的一对晶体管。

3.根据权利要求2所述的信号分配装置，其进一步包括连接到所述一对晶体管的偏置电路，所述偏置电路包括用于将所述一对晶体管偏置到接通或断路状态的光伏隔离器。

4.根据权利要求3所述的信号分配装置，其进一步包括电阻器和电容器网络，所述电阻器和电容器网络连接到所述光伏隔离器的所述输出，以用于将受时间控制的偏置信号提供到所述一对晶体管。

5.根据权利要求3所述的信号分配装置，其中所述集成电流限制器和开关电路各自包括连接到所述一对晶体管的两个串联电阻器，以用于抵消所述一对晶体管的所述偏置并且限制流过所述一对晶体管的所述电流。

6.根据权利要求5所述的信号分配装置，其中所述两个串联电阻器是用于调整所述集成电流限制器和开关电路的所述电流限制电平的可调整电阻器。

7.根据权利要求6所述的信号分配装置，其中所述两个可调整电阻器是机械电位计。

8.根据权利要求6所述的信号分配装置，其中所述两个可调整电阻器是数字电位计。

9.根据权利要求1所述的信号分配装置，其中所述至少一个组合的开关和电流限制元件是用于限制和开关单向电流的单个晶体管。

10.根据权利要求1所述的信号分配装置，进一步包括用于测量每个DUT的所述电压的可选择电压测量电路，所述可选择电压测量电路包括：

多个电压测量开关，其各自连接到所述多个输出中的一个输出；

开关控制电路，其控制所述多个电压测量开关的所述开关；以及

电压测量电路，其连接到所述多个电压测量开关中的每个。

11.一种用于将应力电压信号分配到多个被测器件（DUT）的方法，所述方法包括：

在单个输入处接收要被分配的所述应力电压信号；通过多个输出将所述应力电压信号分配到所述多个DUT；以及

通过所述多个输出中的输出、并且通过多个集成电流限制器和开关电路中的集成电流限制器和开关电路将所述多个DUT中的DUT连接到所述单个输入，每个集成电流限制器和开关电路包括至少一个组合的开关和电流限制元件。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个组合的开关和电流限制元件是用于限制和开关往来于所述DUT的双极电流的一对晶体管。

13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括将偏置电路连接到所述一对晶体管，所述偏置电路包括用于将所述一对晶体管偏置到接通或断路状态的光伏隔离器。

14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括将电阻器和电容器网络连接到所述光伏隔离器的所述输出，以用于将受时间控制的偏置信号提供到所述一对晶体管。

15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括将两个串联电阻器连接到所述一对晶体管，以用于抵消所述一对晶体管的所述偏置以及限制流过所述一对晶体管的所述电流。

16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使用可选择的电压测量电路来测量每个DUT的所述电压，所述可选择的电压测量电路包括：

多个电压测量开关，其各自连接到所述多个输出中的一个输出；

开关控制电路，其控制所述多个电压测量开关的所述开关；以及

电压测量电路，其连接到所述多个电压测量开关中的每个。

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