JP2023147461A - 測定回路及びこれを用いる測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流の測定精度が低い検査装置と組み合わせても小さいスペースで微小電流を精度良く測定でき、かつ検査装置により故障の検知及び電流補正値の取得が可能な測定回路の提供。【解決手段】検査装置１１０からの電圧信号と等しい電圧を測定端子１００ｄに出力するボルテージフォロワを形成するオペアンプ１０１と、オペアンプ１０１の出力端子－測定端子１００ｄ間の電流センシング抵抗１０２と、電流センシング抵抗１０２の両端に接続された入力端子により差電圧を増幅して検査装置１１０に出力する計装差動アンプ１０３と、ボルテージフォロワの帰還ループを形成するオペアンプ１０１の入力端子と電流センシング抵抗１０２との間に一端が接続され、他端が検査装置１１０により開放状態又は接地状態にされる動作確認端子１００ｃに接続されている動作確認抵抗１０４と、を有する測定回路１００である。【選択図】図１

Description

本発明は、測定回路及びこれを用いる測定システムに関する。

近年、ウェアラブル機器、モバイル機器などの電池駆動機器を長時間駆動させるために、これらの機器に搭載される電子部品の低消費電流化が進んでいる。

電子部品のうち半導体装置の電気的検査については、ｎＡオーダーの測定精度を要求されており、従来の半導体検査装置では電流の測定精度が不足する場合がある。
このため、微小電流を測定する方法や装置などについて様々な提案がされている。

たとえば、被測定体を電気的に接続しない状態でリーク電流値を測定し、被測定体を装着した状態で被測定体に流れる微小電流値を測定した後、微小電流値からリーク電流値を減算して真の測定電流値とする方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、一般的には、従来の半導体検査装置では、例えば１０ｎＡ以下の微小電流を測定することは難しい。従来の半導体検査装置に高精度の計測器を更に付加しようとすると、例えば、計測器を設置するスペースの確保が困難な場合や、半導体検査装置と計測器との複雑な通信制御のためにタクトタイムが増大する場合がある。

特開平１１－１６６９５０号公報

本発明の一つの側面では、電流の測定精度が低い検査装置と組み合わせても小さいスペースで微小電流を精度良く測定でき、かつ検査装置により故障の検知及び電流補正値の取得が可能な測定回路を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態における測定回路は、
検査装置に制御され、故障検知、補正値取得及び被測定装置の微小電流測定の処理が行われる付加的な測定回路であって、
前記微小電流測定の際に前記被測定装置に接続される測定端子に対し、前記検査装置から入力される電圧信号と等しい電圧を出力するボルテージフォロワを形成するオペアンプと、
前記オペアンプの出力端子と前記測定端子との間に接続されている電流センシング抵抗と、
前記電流センシング抵抗の両端に２つの入力端子がそれぞれ接続されており、前記電流センシング抵抗の両端に生じる差電圧を増幅して前記検査装置に出力する計装差動アンプと、
前記ボルテージフォロワの帰還ループを形成する前記オペアンプの入力端子と前記電流センシング抵抗との間に一端が接続され、他端が前記検査装置により開放状態又は接地状態にされる動作確認端子に接続されている動作確認抵抗と、
を有し、
前記検査装置により前記電圧信号及び前記動作確認端子の状態が変化することで前記処理が行われる。

本発明の一つの側面によれば、電流の測定精度が低い検査装置と組み合わせても小さいスペースで微小電流を精度良く測定でき、かつ検査装置により故障の検知及び電流補正値の取得が可能な測定回路を提供することを目的とする。

図１は、本実施形態における測定回路及び測定システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態における測定回路及び測定システムの機能構成を示すブロック図である。 図３は、本実施形態における微小電流測定に関する一連の処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、本実施形態において測定回路の故障を検出する処理の流れを示すフローチャートである。 図５は、本実施形態において電流の補正値を取得する処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、本実施形態において微小電流を測定する処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための一形態について詳細に説明する。
なお、図面においては、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１は、本実施形態における測定回路及び測定システムのハードウェア構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態における測定システム１０は、ｎＡオーダーの電流値の測定が難しい市販の半導体検査装置１１０に測定回路１００を付加してｎＡオーダーの電流値を測定できるようにしたシステムである。この測定システム１０は、半導体検査装置１１０から測定回路１００に入力される信号及び電圧に基づき、測定回路１００に接続された半導体装置のＤＵＴ（Device Under Test：被測定装置）の微小な電流の測定のみならず、測定回路１００の故障検知及び電流の補正値の取得を行うことができる。

測定回路１００は、半導体検査装置１１０に制御され、故障検知、補正値取得及び被測定装置の微小電流測定の処理が行われる付加的な回路である。
この測定回路１００は、オペアンプ１０１と、電流センシング抵抗１０２と、計装差動アンプ１０３と、動作確認抵抗１０４と、端子制御装置１０５とを備えている。また、測定回路１００は、入力端子１００ａと、出力端子１００ｂと、動作確認端子１００ｃと、測定端子１００ｄと、端子制御端子１００ｅとを外部端子として備えている。

オペアンプ１０１は、微小電流測定の際にＤＵＴに接続される測定端子１００ｄに対し、半導体検査装置１１０から入力端子１００ａに入力される電圧信号と等しい電圧を出力するボルテージフォロワを形成する

電流センシング抵抗１０２は、測定端子１００ｄからＤＵＴに流れる電流を検出して電圧に変換するために、オペアンプ１０１の出力端子と測定端子１００ｄとの間に接続されている。

計装差動アンプ１０３は、電流センシング抵抗１０２の両端に入力端子がそれぞれ接続されており、電流センシング抵抗１０２の両端に生じる差電圧を増幅して出力端子１００ｂに電圧信号として出力する。

動作確認抵抗１０４は、ボルテージフォロワの帰還ループを形成するオペアンプ１０１の入力端子と電流センシング抵抗１０２との間に一端が接続され、他端が半導体検査装置１１０により開放状態又は接地状態に制御される動作確認端子１００ｃに接続されている。

端子制御装置１０５は、半導体検査装置１１０から入力された端子制御信号に基づき、動作確認端子１００ｃを開放状態又は接地状態に制御する。

このように、測定回路１００は、半導体検査装置１１０から入力された電圧信号の電圧をボルテージフォロワによりＤＵＴに出力し、ＤＵＴに流れた電流を電流センシング抵抗１０２で電圧変換し、計装差動アンプ１０３で増幅して半導体検査装置１１０に出力する。

半導体検査装置１１０は、ＳＭＵ（Source Measure Unit）１１１と、通信インターフェイス１１２と、記憶装置１１３とを備えている。

ＳＭＵ１１１は、記憶装置１１３に記憶されている各種プログラムにより、測定回路１００に電圧信号を入出力してＤＵＴの微小電流を測定できるほか、測定回路１００の故障を検出でき、かつ補正値を取得することができる。
このＳＭＵ１１１は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）１１１ａと、電圧電流発生装置１１１ｂと、測定装置１１１ｃとを備えている。

ＭＣＵ（Micro Controller Unit）１１１ａは、電圧電流発生装置１１１ｂ及び測定装置１１１ｃのほか測定回路１００を制御するための演算制御装置である。
電圧電流発生装置１１１ｂは、電流源、電圧源などで形成されている。
測定装置１１１ｃは、デジタルマルチメータなどで形成されている。

通信インターフェイス１１２は、測定回路１００の動作確認端子１００ｃを開放状態又は接地状態に制御する端子制御信号をＳＭＵ１１１から入力され、入力された端子制御信号を端子制御装置１０５に出力する。

記憶装置１１３は、例えば、プログラム、データなどを記憶するＨＤＤ（Hard Disk Drive)である。

図２は、本実施形態における測定回路及び測定システムの機能構成を示すブロック図である。
図２に示すように、測定回路１００の機能としては、回路部１０６と、端子制御部１０７とを有する。

回路部１０６は、オペアンプ１０１と、電流センシング抵抗１０２と、計装差動アンプ１０３と、動作確認抵抗１０４とにより実現される。

端子制御部１０７は、端子制御装置１０５により実現される。この端子制御部１０７は、故障検知プログラムＰ１では動作確認端子１００ｃを接地状態（０Ｖの電位）にし、補正値取得プログラムＰ２及び微小電流測定プログラムＰ３では動作確認端子１００ｃを開放状態にする。

半導体検査装置１１０の機能としては、計測部１１４と、通信部１１５と、記憶部１１６とを有する。

計測部１１４は、ＳＭＵ１１１により実現され、制御部１１４ａと、電圧電流発生部１１４ｂと、測定部１１４ｃとを備えている。

制御部１１４ａは、ＭＣＵ１１１ａにより実現され、測定システム１０全体を制御する。この制御部１１４ａは、記憶部１１６に記憶されている各種プログラムにより、測定回路１００に電圧信号を入出力してＤＵＴの微小電流を測定できるほか、測定回路１００の故障を検出でき、かつ補正値を取得することができる。
これらの制御部１１４ａの動作については、図３～図６で示す各種プログラムの処理の説明で後述する。

電圧電流発生部１１４ｂは、電圧電流発生装置１１１ｂにより実現される。この電圧電流発生部１１４ｂは、制御部１１４ａの指示により、動作確認端子１００ｃの電位を変化させたり、入力端子１００ａに所定電圧の電圧信号を入力したりすることができる。

測定部１１４ｃは、測定装置１１１ｃにより実現される。この測定部１１４ｃは、回路部１０６の出力端子１００ｂから出力された電圧信号から電流値を求める。

通信部１１５は、通信インターフェイス１１２により実現される。

記憶部１１６には、自動測定プログラムＰ０と、微小電流測定プログラムＰ３と、補正値取得プログラムＰ２と、故障検知プログラムＰ１とが記憶されている。

自動測定プログラムＰ０では、制御部１１４ａにより故障検知プログラムＰ１、補正値取得プログラムＰ２、微小電流測定プログラムＰ３の順に処理がなされ、複数のＤＵＴの電流を順次測定して各ＤＵＴについて良品か否かを判定する処理がなされる。

故障検知プログラムＰ１では、制御部１１４ａにより測定回路１００の故障を検知する処理がなされる。
具体的には、故障検知プログラムＰ１が実行されると、制御部１１４ａは、動作確認端子１００ｃを０Ｖの電位にすると、入力端子１００ａに電圧信号を入力して電流センシング抵抗１０２に電流を流す。測定回路１００は、電流センシング抵抗１０２の両端に発生した差電圧を、ゲインＧに設定した計装差動アンプ１０３が増幅した電圧信号を測定部１１４ｃに出力する。制御部１１４ａは、測定部１１４ｃに指示し、測定回路１００からの電圧信号を測定させ、抵抗値が既知である電流センシング抵抗１０２に流れた電流を算出し、意図した電流と一致するか否か判定することにより、測定回路１００の故障を検知する。

補正値取得プログラムＰ２では、制御部１１４ａにより補正値を取得する処理がなされる。
具体的には、補正値取得プログラムＰ２が実行されると、制御部１１４ａは、端子制御部１０７に端子制御信号を入力して動作確認端子１００ｃを開放状態にし、入力端子１００ａに電圧信号を入力して測定端子１００ｄに所定の電圧を発生させ、電流センシング抵抗１０２にリーク電流を流す。測定回路１００は、電流センシング抵抗１０２の両端に発生した差電圧を、ゲインＧに設定した計装差動アンプ１０３が増幅した電圧信号を測定部１１４ｃに出力する。制御部１１４ａは、測定部１１４ｃに指示し、測定回路１００からの電圧信号を測定させ、抵抗値が既知である電流センシング抵抗１０２に流れたリーク電流を算出し、算出したリーク電流を補正値として取得する。

微小電流測定プログラムＰ３では、制御部１１４ａによりＤＵＴの微小電流を測定する処理がなされる。
具体的には、微小電流測定プログラムＰ３が実行されると、制御部１１４ａは、測定端子１００ｄをＤＵＴに接続させ、入力端子１００ａに電圧信号を入力して測定端子１００ｄに所定の電圧を発生させ、電流センシング抵抗１０２に電流を流す。測定回路１００は、電流センシング抵抗１０２の両端に発生した差電圧を、ゲインＧに設定した計装差動アンプ１０３が増幅した電圧信号を測定部１１４ｃに出力する。制御部１１４ａは、測定部１１４ｃに指示し、測定回路１００からの電圧信号を測定させ、抵抗値が既知である電流センシング抵抗１０２に流れた電流を算出し、算出した電流をＤＵＴの電流値として取得する。制御部１１４ａは、取得したＤＵＴの電流値を補正値取得プログラムＰ２で取得した補正値で補正して「補正された電流値」を求める。

ここで、測定システム１０が行う微小電流測定に関する一連の処理について、図３に示すフローチャートに沿って図１及び図２を参照しながら説明する。

まず、制御部１１４ａは、ユーザの指示により、自動測定プログラムＰ０を記憶部１１６から読み出す。すると、図３に示すように、制御部１１４ａは、故障検知プログラムＰ１により測定回路１００が正常に動作しているかを確認し（ステップＳ０１）、補正値取得プログラムＰ２により電流の補正値を取得する（ステップＳ０２）。
なお、ステップＳ０１及びステップＳ０２の詳しい処理については後述する。

制御部１１４ａは、微小電流測定プログラムＰ３によりＤＵＴの電流値を測定するとともに、ステップＳ０２で取得した補正値を用いて電流値を補正する（ステップＳ０３）。
なお、ステップＳ０３の詳しい処理については後述する。

制御部１１４ａは、「補正された電流値」がテスト規格内か否かを判定し（ステップＳ０４）、補正された電流値がテスト規格内であると判定するとそのＤＵＴを良品と判定し（ステップＳ０５）、補正された電流値がテスト規格内でないと判定するとそのＤＵＴを不良と判定する（ステップＳ０６）。

制御部１１４ａは、次のＤＵＴが存在するか否かを判定し（ステップＳ０７）、次のＤＵＴが存在すると判定すると処理をステップＳ０３に戻し、次のＤＵＴが存在しないと判定すると処理を終了させる。

このように、制御部１１４ａは、故障検知プログラムＰ１、補正値取得プログラムＰ２及び微小電流測定プログラムＰ３を用いる自動測定プログラムＰ０を記憶部１２３から読み出して実行することにより、微小電流測定に関する一連の処理を行う。

次に、図３のステップＳ０１における故障検知プログラムＰ１の動作について、図４に示すフローチャートに沿って図１及び図２を参照しながら説明する。

まず、制御部１１４ａは、電圧電流発生部１１４ｂに指示し、動作確認端子１００ｃを０Ｖの電位にすると（ステップＳ１１）、入力端子１００ａに電圧Ｖｍｉの電圧信号を入力して電流Ｉｍを発生させる（ステップＳ１２）。
なお、記憶部１１６には、動作確認抵抗１０４の抵抗値がＲであることがあらかじめ記憶されており、次式、電流Ｉｍ＝電圧Ｖｍｉ／抵抗値Ｒ、により電圧Ｖｍｉを決定する。

電流センシング抵抗１０２には、ステップＳ１２で発生させた動作確認抵抗１０４に流れる電流と同じ電流Ｉｍが流れ（ステップＳ１３）、電流センシング抵抗１０２の両端に発生した差電圧を、ゲインＧに設定した計装差動アンプ１０３が増幅して出力端子１００ｂから電圧Ｖｍｏの電圧信号を出力する。制御部１１４ａは、測定部１１４ｃに指示し、電圧Ｖｍｏを測定させる（ステップＳ１４）。

制御部１１４ａは、次式、電流Ｉｓ＝（電圧Ｖｍｏ／ゲインＧ）／抵抗値Ｒ、により電流センシング抵抗１０２に流れた電流Ｉｓを算出し（ステップＳ１５）、電流Ｉｓが意図した電流Ｉｍと一致するか否か判定する（ステップＳ１６）。制御部１１４ａは、電流Ｉｓが電流Ｉｍと一致すると判定すると、測定回路１００は正常に電流を測定できると判定し（ステップＳ１７）、故障検知プログラムＰ１での処理を終了させる。また、制御部１１４ａは、電流Ｉｓが電流Ｉｍと一致しないと判定すると、測定回路１００は異常であると判定し（ステップＳ１８）、ユーザに警告して故障検知プログラムＰ１での処理を終了させる。
なお、電流Ｉｓが電流Ｉｍと一致するか否かの判定基準としては、適宜選択することができ、例えば、電流Ｉｓが所定の範囲内であれば一致すると判定するようにしてもよい。

このように、制御部１１４ａは、故障検知プログラムＰ１を実行することにより、測定回路１００が正常に電流を測定できることを確認する。

次に、図３のステップＳ０２における補正値取得プログラムＰ２の動作について、図５に示すフローチャートに沿って図１及び図２を参照しながら説明する。

まず、制御部１１４ａは、通信部１１５を介して端子制御部１０７に端子制御信号を入力し、動作確認端子１００ｃを開放状態にする（ステップＳ２１）。
なお、測定端子１００ｄにはＤＵＴが接続されていないため、測定端子１００ｄは開放状態である。

制御部１１４ａは、電圧電流発生部１１４ｂに指示し、入力端子１００ａに電圧Ｖｃｉの電圧信号を入力すると、ボルテージフォロワにより測定端子１００ｄに電圧Ｖｃｉを発生させる（ステップＳ２２）。すると、電流センシング抵抗１０２にはリーク電流Ｉｃが流れ（ステップＳ２３）、電流センシング抵抗１０２の両端に発生した差電圧を計装差動アンプ１０３が増幅して出力端子１００ｂから電圧Ｖｃｏの電圧信号を出力する。制御部１１４ａは、測定部１１４ｃに電圧Ｖｃｏを測定させる（ステップＳ２４）。

制御部１１４ａは、次式、リーク電流Ｉｃ＝（電圧Ｖｃｏ／ゲインＧ）／抵抗値Ｒ、により電流センシング抵抗１０２に流れたリーク電流Ｉｃを算出する（ステップＳ２５）。制御部１１４ａは、算出したリーク電流Ｉｃを補正値として取得し（ステップＳ２６）、記憶部１１６に記憶させて補正値取得プログラムＰ２での処理を終了させる。

このように、制御部１１４ａは、補正値取得プログラムＰ２を実行することにより、補正値を取得する。

次に、図３のステップＳ０３における微小電流測定プログラムＰ３の動作について、図６に示すフローチャートに沿って図１及び図２を参照しながら説明する。

まず、制御部１１４ａは、通信部１１５を介して端子制御部１０７に端子制御信号を入力し、動作確認端子１００ｃを開放状態にして、測定端子１００ｄをＤＵＴに接続させる（ステップＳ３１）。制御部１１４ａは、電圧電流発生部１１４ｂに指示し、入力端子１００ａに電圧Ｖｄｉの電圧信号を入力し、測定端子１００ｄに電圧Ｖｄｉが印加されている状態にする（ステップＳ３２）。すると、電流センシング抵抗１０２には、ステップＳ３２の状態で発生する電流Ｉｄが流れ（ステップＳ３３）、電流センシング抵抗１０２の両端に発生した差電圧を計装差動アンプ１０３が増幅して出力端子１００ｂから電圧Ｖｄｏの電圧信号を出力する。制御部１１４ａは、測定部１１４ｃに電圧Ｖｄｏを測定させる（ステップＳ３４）。

制御部１１４ａは、次式、電流Ｉｄ＝（電圧Ｖｄｏ／ゲインＧ）／抵抗値Ｒ、により電流センシング抵抗１０２に流れた電流Ｉｄを算出する（ステップＳ３５）。制御部１１４ａは、算出した電流Ｉｄを補正値（リーク電流）Ｉｃで補正して補正された電流値（Ｉｄ＋Ｉｃ）を求め（ステップＳ３６）、記憶部１１６に記憶させて微小電流測定プログラムＰ３での処理を終了させる。

以上説明したように、本発明の一実施形態における測定回路は、検査装置に制御され、故障検知、補正値取得及び被測定装置の微小電流測定の処理が行われる付加的な測定回路である。この測定回路は、微小電流測定の際に被測定装置に接続される測定端子に対し、検査装置から入力される電圧信号と等しい電圧を出力するボルテージフォロワを形成するオペアンプと、オペアンプの出力端子と測定端子との間に接続されている電流センシング抵抗と、電流センシング抵抗の両端に２つの入力端子がそれぞれ接続されており、電流センシング抵抗の両端に生じる差電圧を増幅して検査装置に出力する計装差動アンプと、ボルテージフォロワの帰還ループを形成するオペアンプの入力端子と電流センシング抵抗との間に一端が接続され、他端が検査装置により開放状態又は接地状態にされる動作確認端子に接続されている動作確認抵抗と、を有する。
これにより、この測定回路は、検査装置により電圧信号及び動作確認端子の状態が変化することで処理が行われ、電流の測定精度が低い検査装置と組み合わせても小さいスペースで微小電流を精度良く測定でき、かつ検査装置により故障の検知及び電流補正値の取得が可能となる。

なお、本実施形態では、測定回路の端子制御部により動作確認端子を開放状態としたが、これに限ることなく、電圧電流発生部により動作確認端子との接続をハイインピーダンスにして動作確認端子を開放状態にしてもよい。

１０ 測定システム
１００ 測定回路
１００ａ 入力端子
１００ｂ 出力端子
１００ｃ 動作確認端子
１００ｄ 測定端子
１００ｅ 端子制御端子
１０１ オペアンプ
１０２ 電流センシング抵抗
１０３ 計装差動アンプ
１０４ 動作確認抵抗
１０５ 端子制御装置
１０６ 回路部
１０７ 端子制御部
１１０ 半導体検査装置（検査装置）
１１１ ＳＭＵ
１１２ 通信インターフェイス
１１３ 記憶装置
１１４ 計測部
１１４ａ 制御部
１１４ｂ 電圧電流発生部
１１４ｃ 測定部
１１５ 通信部
１１６ 記憶部

Claims (4)

1. 検査装置に制御され、故障検知、補正値取得及び被測定装置の微小電流測定の処理が行われる付加的な測定回路であって、
   前記微小電流測定の際に前記被測定装置に接続される測定端子に対し、前記検査装置から入力される電圧信号と等しい電圧を出力するボルテージフォロワを形成するオペアンプと、
   前記オペアンプの出力端子と前記測定端子との間に接続されている電流センシング抵抗と、
   前記電流センシング抵抗の両端に２つの入力端子がそれぞれ接続されており、前記電流センシング抵抗の両端に生じる差電圧を増幅して前記検査装置に出力する計装差動アンプと、
   前記ボルテージフォロワの帰還ループを形成する前記オペアンプの入力端子と前記電流センシング抵抗との間に一端が接続され、他端が前記検査装置により開放状態又は接地状態にされる動作確認端子に接続されている動作確認抵抗と、
   を有し、
   前記検査装置により前記電圧信号及び前記動作確認端子の状態が変化することで前記処理が行われることを特徴とする測定回路。
2. 前記故障検知の際に、前記検査装置により前記動作確認端子を接地状態にする端子制御装置を更に有する請求項１に記載の測定回路。
3. 前記補正値取得又は前記微小電流測定の際に、前記端子制御装置が前記検査装置により前記動作確認端子を開放状態にする請求項２に記載の測定回路。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の測定回路と、
   前記測定回路における前記動作確認端子を開放状態又は接地状態にし、前記測定回路に前記電圧信号を入力して、前記計装差動アンプからの出力を測定して前記処理を行う検査装置と、
   を有することを特徴とする測定システム。

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