CN207851137U - 半导体微弱漏电流检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的半导体微弱漏电流检测仪，包括外壳、以及设置在外壳内的电源电路和多个并联的检测电路；所述电源电路与所述检测电路电连接；所述检测电路包括信号拾取电路、第一检测回路、第二检测回路、或非门电路和输出电路；所述信号拾取电路的输入端与被测元件连接，信号拾取电路的输出端接第一检测回路的输入端，第一检测回路的输出端接或非门电路的一输入端；信号拾取电路的输出端还接第二检测回路的输入端，第二检测回路的输出端接或非门电路的另一输入端；第一检测回路的输出端和第二检测回路的输出端分别与输出电路电连接，可以准确的测量nA级别、pA级别、fA级别的微弱电流，抗干扰能力强。

Description

半导体微弱漏电流检测仪

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，具体涉及半导体微弱漏电流检测仪。

背景技术

目前封装厂的微弱漏电流检测设备测试精度不够，精度只能达到uA级别，也有少数的大型封装厂能达到nA级别。但是，现在的半导体漏电流越做越小，比如ESD(即静电释放)器件只有几个nA，对于这种微弱的电流，目前大型封装厂的微弱漏电流检测设备依然存在两个问题：一是测试量精度不够,二是抗干扰能力差,易受到周边磁场的干扰,导致测试依然存在误测，漏测，测试不准确等问题。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的是提供半导体微弱漏电流检测仪，可以准确的测量nA级别、pA级别、fA级别的微弱电流，抗干扰能力强。

本实用新型提供了半导体微弱漏电流检测仪，包括外壳、以及设置在外壳内的电源电路和多个并联的检测电路；所述电源电路与所述检测电路电连接；

所述检测电路包括信号拾取电路、第一检测回路、第二检测回路、或非门电路和输出电路；所述信号拾取电路的输入端与被测元件连接，信号拾取电路的输出端接第一检测回路的输入端，第一检测回路的输出端接或非门电路的一输入端；信号拾取电路的输出端还接第二检测回路的输入端，第二检测回路的输出端接或非门电路的另一输入端；第一检测回路的输出端和第二检测回路的输出端分别与输出电路电连接。

进一步地，所述信号拾取电路包括运算放大器UA2；运算放大器UA2的正极输入端和负极输入端分别接被测元件，运算放大器UA2的输出端通过串联电阻R33输出形成所述信号拾取电路的输出端，信号拾取电路的输出端通过串联电阻R26接运算放大器UA2的负极输入端，电容C30与电阻R26并联。

进一步地，所述第一检测回路包括运算放大器UA1、比较器IC2A、比较器IC2B、比较器IC1B、三极管Q5和三极管Q6；

所述运算放大器UA1的输入端接所述信号拾取电路的输出端；所述运算放大器UA1的输出端接比较器IC2B的同向输入端，比较器IC2B的输出端接比较器IC2A的同向输入端，比较器IC2A的输出端接比较器IC2B的反向输入端，比较器IC2A的输出端还接其反向输入端；

IC2B的输出端接比较器IC1B的同向输入端，比较器IC1B的反向输入端通过分压电阻R13接高电平，还通过分压电阻R25接地，比较器IC1B的输出端接三极管Q5的基级，三极管Q5的集电极通过反接二极管D4接高电平，三极管Q5的发射级接地；

IC1B的输出端还接三极管Q6的基级，三极管Q6的发射级接三极管Q5的基级，三极管Q6的集电极接地，三极管Q6的基级作为第一检测回路的输出端。

进一步地，所述第二检测回路包括运算放大器UA3、比较器IC3A、比较器IC3B、比较器IC1D、三极管Q7和三极管Q8；

所述运算放大器UA3的输入端接所述信号拾取电路的输出端；所述运算放大器UA3的输出端接比较器IC3B的同向输入端，比较器IC3B的输出端接比较器IC3A的同向输入端，比较器IC3A的输出端接比较器IC3B的反向输入端，比较器IC3A的输出端还接其反向输入端；

IC3B的输出端接比较器IC1D的反向输入端，比较器IC1D的同向输入端通过分压电阻R35接高电平，还通过分压电阻R45接地，比较器IC1D的输出端接三极管Q7的基级，三极管Q7的集电极通过反接二极管D5接高电平，三极管Q7的发射级接地；

IC1D的输出端还接三极管Q8的基级，三极管Q8的发射级接三极管Q7的基级，三极管Q8的集电极接地，三极管Q8的基级作为第一检测回路的输出端。

进一步地，所述或非门电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、三极管Q3、三极管Q1、三极管Q2和三极管Q4；

所述第一检测回路的输出端通过正接二极管D2、串联电阻R4接三极管Q1的基级，所述第二检测回路的输出端通过正接二极管D3接三极管Q3的基级，二极管D2的阴极接二极管D3的阴极，三极管Q3的发射级接三极管Q1的基级，三极管Q1的发射级和三极管Q3的集电极接地，三极管Q1的集电极通过电阻R36接高电平，三极管Q1的集电极还分别接三极管Q2的基级、三极管Q4的基级和三极管Q4的发射级，三极管Q2的集电极通过反接二极管D1接高电平，三极管Q2的发射级和三极管Q4的集电极接地，三极管Q4的基级作为所述或非门的输出端。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的半导体微弱漏电流检测仪，可以准确的测量nA级别、pA级别、fA级别的微弱电流，抗干扰能力强，提高了芯片封装厂对ESD器件、TVS器件、二极管器件的出货良率，使得微弱漏电流器件检测准确，数据稳定，避免了不良品流入市场，避免了不良品流入客户。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例一中半导体微弱漏电流检测仪的模块框图。

图2为实施例一中电源电路的电路图。

图3为实施例二中信号拾取电路的电路图。

图4为实施例三中第一检测回路的电路图。

图5为实施例四中第二检测回路的电路图。

图6为实施例五中或非门电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例1：

参见图1，本实用新型提供了半导体微弱漏电流检测仪，包括外壳、以及设置在外壳内的电源电路和多个并联的检测电路；所述电源电路与所述检测电路电连接；

所述检测电路包括信号拾取电路、第一检测回路、第二检测回路、或非门电路和输出电路；所述信号拾取电路的输入端与被测元件连接，信号拾取电路的输出端接第一检测回路的输入端，第一检测回路的输出端接或非门电路的一输入端；信号拾取电路的输出端还接第二检测回路的输入端，第二检测回路的输出端接或非门电路的另一输入端；第一检测回路的输出端和第二检测回路的输出端分别与输出电路电连接。

具体地，图2为本申请提供的电源电路，电源电路给整个半导体微弱漏电流检测仪供电，为整个系统提供稳定的电压，其中+12V、-12V给第一检测回路和第二检测回路供电，+5V是给被测元件供电的，这路电压是可变调节的。当被测元件是+9V时，这个电压需同时改变为+9V，当被测元件是+12V时，这个电压需同时改变为+12V。

现有封装厂在对晶圆或半导体进行测试，是单个DIE(DIE，晶圆内的最小单位，芯片的裸片)测试，每次测试一个，由于设备测试电流的精度和设备的抗干扰能力差，出现误判误测漏测。而本申请提供的半导体微弱漏电流检测仪可以同时对多个DIE进行测试。一个检测电路检测一个DIE，需要测多少个DIE，就可以在外壳中加入多少个检测电路，非常方便。

该半导体微弱漏电流检测仪可以准确的测量nA级别，pA级别，fA级别的微弱电流，抗干扰能力强。可用于半导体(ESD、TVS、二极管)封装前的晶圆漏电流检测，可以将晶圆里面的不良品精确的挑选出来。也可以对封装好了的半导体进行漏电流检测。该检测仪不仅用于封装厂和晶圆厂使用，也可用于实验室，也可用于大型生产线检测产品反向漏电是否超标，例如：当ESD用在HDMI接口时，正常反向漏电流20nA，当异常品漏电流达到300nA。

实施例二：

实施例二在实施例一的基础上，提供了一种信号拾取电路的电路结构。

参见图3，所述信号拾取电路包括运算放大器UA2；运算放大器UA2的正极输入端和负极输入端分别接被测元件，运算放大器UA2的输出端通过串联电阻R33输出形成所述信号拾取电路的输出端，信号拾取电路的输出端通过串联电阻R26接运算放大器UA2的负极输入端，电容C30与电阻R26并联。

具体地，信号拾取电路用于侦测流过被测元件的微弱漏电流，为了避免外界的干扰，此处采用了多层屏蔽线，屏蔽线为双芯结构，屏蔽层在外。双芯结构中，一根接+5V，另一根接虚地。

信号拾取电路采用了跨阻运算放大器的设计，运算放大器UA2采用高精度、低噪声、低偏置电流、低偏置电压的集成运算放大器，将流过被测件的电流转化成电压，即I/V转换。当被测元件(被测晶圆)漏电流在nA级别时，运算放大器UA2选用型号OP07。当被测晶圆漏电流在pA级别时，fA级别时，运算放大器UA2选用型号ADA4530-1、AD549L、AD549K或LMP7721。例如图3中diode是被测元件，可以是ESD器件、TVS器件或二极管。例如：假如被测元件为安森美的ESD5581，ESD5581的最大反向漏电流为0.1uA，也就是100nA，运算放大器UA2采用OP07即可准确测得这个100nA。

实施例三：

实施例三在其他实施例的基础上，提供了一种第一检测回路的电路结构。

参见图4，所述第一检测回路包括运算放大器UA1、比较器IC2A、比较器IC2B、比较器IC1B、三极管Q5和三极管Q6；

所述运算放大器UA1的输入端接所述信号拾取电路的输出端；所述运算放大器UA1的输出端接比较器IC2B的同向输入端，比较器IC2B的输出端接比较器IC2A的同向输入端，比较器IC2A的输出端接比较器IC2B的反向输入端，比较器IC2A的输出端还接其反向输入端；

IC2B的输出端接比较器IC1B的同向输入端，比较器IC1B的反向输入端通过分压电阻R13接高电平，还通过分压电阻R25接地，比较器IC1B的输出端接三极管Q5的基级，三极管Q5的集电极通过反接二极管D4接高电平，三极管Q5的发射级接地；

IC1B的输出端还接三极管Q6的基级，三极管Q6的发射级接三极管Q5的基级，三极管Q6的集电极接地，三极管Q6的基级作为第一检测回路的输出端。

具体地，运算放大器UA1采用了高精度、低噪声、超低偏置电流的运放，根据被测电流的大小选择不同的运放。运算放大器UA1主要负责处理被测电流是否超标，同时将电流转换成电压，即I/V转换电路。作为进一步优化方案，可在运算放大器UA1后面加入ADC(模数/转换器)和显示屏。

比较器IC2A和比较器IC2B构成了电压快速跟随器，快速反应被测端的信号再传递到后级。电压快速跟随器输入阻抗高，而输出阻抗低，抗干扰能力强，带载能力强，前后级实现很好的匹配。

R13和R25构成分压电路，建立一个基准电压。IC1B是电压比较器，其中，基准电压接在比较器的反相输入端，同相输入端来自电压跟随器，基准电压与电压跟随器相比较，当同相端电压高于基准端时，7脚电压高于6脚，1脚输出高电平，Q5导通，D4红色指示灯点。高电平是(4.7K*12V)/(4.7K+5.1K)-0.7V≈5V，其中0.7V是三极管VBE的压降。低电平接近0V。高低电平HL送到封装厂测试主机，5V和0V的高低电平，主机可以很好的判断电流是否超标。主机不需要去检测微弱电流，只需要认高低电平，无干扰，数据准确。

Q5和Q6构成三极管开关电路：当比较器IC1B输出高电平时，Q5三极管导通，D4发光二极管点亮，提醒电流超标。具体超标的电流值可由比较器IC1B反相端的基准电压决定。作为进一步优化，基准可由DAC(数/模转换器)配合MCU自动调节。Q6的作用是当Q5截止时，迅速泄放掉基区电荷，可以使Q5工作在高速的(5V/0V)高低电平切换状态，而不出现高低电平拖尾不稳定的现象。

本实施例中信号灯是D4发光二极管，提醒电流超标。作为进一步优化，可将D4发光二极管改为显示屏，更美观。

实施例四：

实施例四在其他实施例的基础上，提供了一种第二检测回路的电路结构。

参见图5，所述第二检测回路包括运算放大器UA3、比较器IC3A、比较器IC3B、比较器IC1D、三极管Q7和三极管Q8；

所述运算放大器UA3的输入端接所述信号拾取电路的输出端；所述运算放大器UA3的输出端接比较器IC3B的同向输入端，比较器IC3B的输出端接比较器IC3A的同向输入端，比较器IC3A的输出端接比较器IC3B的反向输入端，比较器IC3A的输出端还接其反向输入端；

IC3B的输出端接比较器IC1D的反向输入端，比较器IC1D的同向输入端通过分压电阻R35接高电平，还通过分压电阻R45接地，比较器IC1D的输出端接三极管Q7的基级，三极管Q7的集电极通过反接二极管D5接高电平，三极管Q7的发射级接地；

IC1D的输出端还接三极管Q8的基级，三极管Q8的发射级接三极管Q7的基级，三极管Q8的集电极接地，三极管Q8的基级作为第一检测回路的输出端。

具体地，由于晶圆上有存在空白片，就是有的地方没有DIE(芯片的裸片，没有封装前的)，这时也需要检测出来，也就是接触不良或空白片检测。假设电路被测漏电流范围是5-230nA，其他范围值可以改变R13、R25、R35、R45、UA2规格调整。因为UA1的放大倍数是100KΩ/(1KΩ+9KΩ)＝10倍，UA3的放大倍数是2.7MΩ/(1KΩ+9KΩ)＝270000倍。当检测电流小于5nA，判断空白片，UA1不能放大到推动Q5导通，只有UA3有这个放大能力推动Q7导通。

运算放大器UA3采用了高精度、低噪声、超低偏置电流的运放，根据被测电流的大小选择不同的运放。运算放大器UA3主要判断被测件是否接触良好，判断是不是空片的DIE(裸片晶圆)，同时将电流转换成电压，即I/V转换电路。第二检测回路的电压放大倍数比第一检测回路的电压放大倍数更高。作为进一步优化方案，可在运算放大器UA3后面加入ADC(模数/转换器)和显示屏。

比较器IC3A和比较器IC3B组成电压快速跟随，快速反应被测端的信号再传递到后级。电压快速跟随器输入阻抗高，而输出阻抗低，抗干扰能力强，带载能力强，前后级实现很好的匹配。

IC1D是电压比较器，基准电压接在比较器的同相输入端，反相输入端来自电压跟随器，基准电压与电压跟随器相比较，当反相端电压高于基准端时，输出低电平。高电平是【(4.7K*12V)/(4.7K+5.1K)】-0.7V≈5V，其中0.7V是三极管VBE的压降。低电平接近0V。高低电平HL送到封装厂测试主机，5V和0V的高低电平，主机可以很好的判断被测件是否接触良好，可以判断被测件是不是空白片(空的DIE)。主机不需要去检测微弱电流，只需要认高低电平，无干扰，数据准确。

Q7和Q8构成了三极管开关电路：当比较器IC1D输出高电平时，Q7三极管导通，D5发光二极管点亮，提醒信号拾取端接触不良、接醒信号拾取端有空白片(空的DIE)。具体超标的电流值可由比较器2同相端的基准电压决定。此检测装置后续升级，基准可由DAC(数/模转换器)配合MCU自动调节。

Q8PNP的作用是当Q7截止时，迅速泄放掉基区电荷，可以使Q7工作在高速的(5V/0V)高低电平切换状态，而不出现高低电平拖尾不稳定的现象。

本实施例中信号灯是D5发光二极管，提醒信号拾取端接触不良、接醒信号拾取端有空白片(空的DIE)。作为进一步优化，D5发光二极管改为显示屏，更美观。

实施例五：

实施例五在其他实施例的基础上，提供了一种或非门电路的电路结构。

参见图6，所述或非门电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、三极管Q3、三极管Q1、三极管Q2和三极管Q4；

所述第一检测回路的输出端通过正接二极管D2、串联电阻R4接三极管Q1的基级，所述第二检测回路的输出端通过正接二极管D3接三极管Q3的基级，二极管D2的阴极接二极管D3的阴极，三极管Q3的发射级接三极管Q1的基级，三极管Q1的发射级和三极管Q3的集电极接地，三极管Q1的集电极通过电阻R36接高电平，三极管Q1的集电极还分别接三极管Q2的基级、三极管Q4的基级和三极管Q4的发射级，三极管Q2的集电极通过反接二极管D1接高电平，三极管Q2的发射级和三极管Q4的集电极接地，三极管Q4的基级作为所述或非门的输出端。

具体地，该电路为分立器件组成的或非门电路。逻辑关系：全0出1，有1出0(1高电平，0低电平)。良品是指漏电流在控制范围内，本例为5-230nA，当小于5nA或大于230nA时，IC1B、IC1D(LM339比较器)输出低电平，IC1B、IC1D的输出分别接到D2、D3的阳极，D2、D3阳极同时为低电平，Q3导通，Q1截止，Q1集电极输出高电平，驱动Q2导通，D1点亮。Q1集电极的高电平经过R9同时送到封装厂的测试主机。

G-HL连接封装厂测试主机，H/L表示高电平切换，封装厂的测试主机得到高电平时，就知道是良品。H/L这里设计的是5V/0V切换，封装厂测试主机得到的是一个干净的无干扰的高低电平，不存在误判误测漏测。

在本实施例中，Y_HL表黄色指示灯，点亮时表示接触不良或测到空白的DIE。R_HL表红色指示灯，点亮时表示漏电流超标。G_HL表绿色指示灯，点亮时表示良品。

要想实现提供可以准确的测量nA级别、pA级别、fA级别的微弱电流，抗干扰能力强的半导体微弱漏电流检测仪，存在以下难点：1、如何拾取信号，即使拾取到信号，测的数据结果与实际值差别太大了，测不准，误判。2、假如被测件是5V的ESD，不能一端5V，另一端接GND产生5V，这样是测不了的，很多人在这块上解不开迷底。3、测试过程中的干扰，影响了数据的准确，出现误判漏测。

而本申请的半导体微弱漏电流检测仪，采用多层屏蔽线拾取信号，屏蔽能抵抗外界干扰，拾取到的微弱电流送到跨阻运算放大器(采用低偏置电流的运算放大器)，跨阻运算放大器实现I/V转换，解决上述第一个难点。

本申请巧妙的利用了运放的虚地特性产生虚地，这样被测件的参考地不与其他的参考地相连。不工作时，各自的地不相通，当工作时，运放有虚地特性，利用这个虚地特性，解决上述第二个难点。

本申请还可以在电路板上设置金属屏蔽罩，抵抗外界各种干扰，使测量数据准确，解决上述第三个难点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种半导体微弱漏电流检测仪，其特征在于，包括外壳、以及设置在外壳内的电源电路和多个并联的检测电路；所述电源电路与所述检测电路电连接；

所述检测电路包括信号拾取电路、第一检测回路、第二检测回路、或非门电路和输出电路；所述信号拾取电路的输入端与被测元件连接，信号拾取电路的输出端接第一检测回路的输入端，第一检测回路的输出端接或非门电路的一输入端；信号拾取电路的输出端还接第二检测回路的输入端，第二检测回路的输出端接或非门电路的另一输入端；第一检测回路的输出端和第二检测回路的输出端分别与输出电路电连接。

2.根据权利要求1所述半导体微弱漏电流检测仪，其特征在于，

所述信号拾取电路包括运算放大器UA2；运算放大器UA2的正极输入端和负极输入端分别接被测元件，运算放大器UA2的输出端通过串联电阻R33输出形成所述信号拾取电路的输出端，信号拾取电路的输出端通过串联电阻R26接运算放大器UA2的负极输入端，电容C30与电阻R26并联。

3.根据权利要求1所述半导体微弱漏电流检测仪，其特征在于，

所述第一检测回路包括运算放大器UA1、比较器IC2A、比较器IC2B、比较器IC1B、三极管Q5和三极管Q6；

所述运算放大器UA1的输入端接所述信号拾取电路的输出端；所述运算放大器UA1的输出端接比较器IC2B的同向输入端，比较器IC2B的输出端接比较器IC2A的同向输入端，比较器IC2A的输出端接比较器IC2B的反向输入端，比较器IC2A的输出端还接其反向输入端；

IC2B的输出端接比较器IC1B的同向输入端，比较器IC1B的反向输入端通过分压电阻R13接高电平，还通过分压电阻R25接地，比较器IC1B的输出端接三极管Q5的基级，三极管Q5的集电极通过反接二极管D4接高电平，三极管Q5的发射级接地；

IC1B的输出端还接三极管Q6的基级，三极管Q6的发射级接三极管Q5的基级，三极管Q6的集电极接地，三极管Q6的基级作为第一检测回路的输出端。

4.根据权利要求1所述半导体微弱漏电流检测仪，其特征在于，

所述第二检测回路包括运算放大器UA3、比较器IC3A、比较器IC3B、比较器IC1D、三极管Q7和三极管Q8；

所述运算放大器UA3的输入端接所述信号拾取电路的输出端；所述运算放大器UA3的输出端接比较器IC3B的同向输入端，比较器IC3B的输出端接比较器IC3A的同向输入端，比较器IC3A的输出端接比较器IC3B的反向输入端，比较器IC3A的输出端还接其反向输入端；

IC3B的输出端接比较器IC1D的反向输入端，比较器IC1D的同向输入端通过分压电阻R35接高电平，还通过分压电阻R45接地，比较器IC1D的输出端接三极管Q7的基级，三极管Q7的集电极通过反接二极管D5接高电平，三极管Q7的发射级接地；

IC1D的输出端还接三极管Q8的基级，三极管Q8的发射级接三极管Q7的基级，三极管Q8的集电极接地，三极管Q8的基级作为第一检测回路的输出端。

5.根据权利要求1所述半导体微弱漏电流检测仪，其特征在于，

所述或非门电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、三极管Q3、三极管Q1、三极管Q2和三极管Q4；

所述第一检测回路的输出端通过正接二极管D2、串联电阻R4接三极管Q1的基级，所述第二检测回路的输出端通过正接二极管D3接三极管Q3的基级，二极管D2的阴极接二极管D3的阴极，三极管Q3的发射级接三极管Q1的基级，三极管Q1的发射级和三极管Q3的集电极接地，三极管Q1的集电极通过电阻R36接高电平，三极管Q1的集电极还分别接三极管Q2的基级、三极管Q4的基级和三极管Q4的发射级，三极管Q2的集电极通过反接二极管D1接高电平，三极管Q2的发射级和三极管Q4的集电极接地，三极管Q4的基级作为所述或非门的输出端。