KR20100021584A

KR20100021584A - 고속 회복 전류 복귀를 갖는 용량성 측정

Info

Publication number: KR20100021584A
Application number: KR1020097025451A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 더블유 뉴튼; 케네쓰 브이 알몬트
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US7940058B2; US20080290879A1; WO2008147694A1; JP2010528288A; CN101680921B; CN101680921A; TW200914843A

Abstract

용량성 소자의 누설 전류를 측정하기 위한 장치 및 방법. 검사되는 소자의 단자에 접지된 스위치는 상기 소자가 원하는 검사 전압으로 충전되는 동안 폐쇄된다. 상기 충전이 완료될 때, 상기 스위치는 개방되고, 이에 따라 다이오드 단자는 입력 증폭기의 가상 접지와 동일한 전위에 있다. 상기 소자의 누설 전류의 정확 및 고속 측정이 이루어질 수 있다.

Description

고속 회복 전류 복귀를 갖는 용량성 측정{CAPACITIVE MEASUREMENTS WITH FAST RECOVERY CURRENT RETURN}

본 발명은 일반적으로 용량성 소자에 대한 검사에 관한 것이다.

캐패시터와 같은 용량성 소자를 검사하기 위한 공지된 장치 및 방법에서, 상기 용량성 소자는 원하는 전압으로 먼저 충전된다. 이후에, 누설 전류가 측정된다. 상기 누설 전류에 대한 범위외(out-of-range) 값은 상기 용량성 소자가 결함이 있다는 것을 나타낼 수 있다.

본 발명의 실시예들은 용량성 소자의 검사 속도를 상승시키는 방법을 제공하며, 이는 특히 자동화된 대량 생산 프로세스에 적합하다. 특히, 본 발명은 상기 소자가 전체 충전에 도달한 후에 즉시 향상된 정확도를 갖는 검사를 허용하는 방법 및 장치의 실시예들을 제공한다.

본원에 기재된 용량성 소자를 검사하기 위한 하나의 장치는 용량성 소자의 제 1 단자에 결합되어 원하는 검사 전압에 도달하도록 상기 용량성 소자에 전류를 공급하는 전류원을 포함한다. 계량기는 상기 용량성 소자의 제 2 단자에 결합되고, 상기 용량성 소자를 가로지르는 누설 전류를 측정한다. 이 장치는 상기 용량성 소자의 제 2 단자와 접지 사이에 결합된 스위치, 및 상기 스위치에 대한 제어 장치에 의해 향상된다. 상기 제어 장치는 상기 전류원이 용량성 소자에 전류를 공급하는 동안 상기 스위치를 폐쇄한 채로 유지하도록 동작가능하고, 상기 용량성 소자가 상기 제 1 단자에서 상기 원하는 검사 전압에 도달한 이후, 및 상기 계량기에 의한 누설 전류의 측정 전에, 상기 스위치를 개방하도록 동작가능하다.

용량성 소자를 검사하기 위해 본원에 기재된 하나의 방법은 상기 용량성 소자의 제 1 단자에 결합된 전류원, 및 상기 용량성 소자의 제 2 단자에 결합된 계량기를 사용한다. 상기 방법은 상기 용량성 소자의 제 2 단자와 접지 사이에 결합된 스위치가 폐쇄된 동안, 상기 전류원으로부터의 전류를 사용하여 원하는 검사 전압으로 상기 용량성 소자의 제 1 단자를 충전하는 단계, 상기 용량성 소자의 제 1 단자가 상기 원하는 검사 전압에 도달할 때 상기 스위치를 개방하는 단계, 및 상기 스위치를 개방한 이후에 상기 계량기를 사용하여 상기 용량성 소자의 누설 전류를 측정하는 단계를 포함한다.

상기 실시예들 및 다른 실시예들의 향상된 특징들이 이하 더 상세히 기재된다.

본원의 설명은 첨부된 도면을 참조하여 이루어지며, 유사한 도면 부호는 여러 관점에서의 유사한 부분을 가리키며,

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 회복 전류 복귀 회로의 개략도이다.

도 2는 도 1에 따른 회로의 동작 동안 피검사 장치의 도 1의 GND 심볼을 기준으로 측정된 단자 전압의 시간에 따른 도면이다.

도 3은 종래의 검사 동안 피검사 장치의 도 1의 GND 심볼을 기준으로 측정된 단자 전압의 시간에 따른 도면이다.

본원에 기재된 용량성 측정을 위한 장치 및 방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된다. 종래의 검사의 출력과의 비교는 도 3을 참조하여 설명된다.

도 1은 전류원(20)에 결합된 전압원(10)을 도시한다. 전류원(20)은 용량성 DUT(device under test; 피검사 장치; 30)에 결합된다. DUT(30)는 다이오드 클램프(diode clamp; 40)에 결합되고, DUT(30)의 누설 전류를 측정하기 위해 계량기(50)의 입력에 결합된다.

전압원(10)은 DUT(30)에 대해 0 볼트와 원하는 검사 전압 사이의 값으로 설정된다. 예를 들면, 검사 전압은 2 볼트와 1000 볼트 사이에서 변경할 수 있다. 100 μF 캐패시터에 대해 하나의 적절한 검사 전압은 5 볼트이다. 전류원(20)은 전압원(10)을 사용하여 프로그램된 전류를 출력하도록 설계된다. 온/오프(on/off) 제어부(22)는 전류원(20)으로부터의 프로그램된 전류를 사용하여 DUT(30)를 충전한다. 특히, Vcap-hi로 명칭된 DUT(30)의 단자에서 전류원(20)의 출력은 전류원(20)의 프로그램된 전류이고, 상기 프로그램된 전류는 온/오프 제어부(22)가 온(on)일 때 공급된다. 예를 들면, 원하는 전압이 5 볼트인 경우, DUT(30)를 충전하는 전류(즉, 프로그램된 전류)는 5 mA일 수 있다.

전압원(10) 및 전류원(20)은 개별적으로 프로그램가능한 구성요소일 수 있다. 전압원(10)은 전류원(20)에 프로그램된 전압을 공급하고, 전류원(20)은 DUT(30)를 선형적으로 충전하는 조정된 출력 전압을 DUT(30)에 공급한다.

전류원(20)은 전압원(10)의 입력 특성 및 원하는 출력이 주어진다면 전류원(20)에 대한 다양한 회로 설계가 당업자들의 지식 내에서 가능하기 때문에 기능적으로 도시된다. 다른 예시로서, 전압원(10)은 DUT(30)에 대해 0 볼트와 원하는 검사 전압 사이에서 변경하도록 설계된 가변 전압원일 수 있다. 이후에 전류원(20)은 전압원의 변경에 응답하여 조정된 전류 출력을 공급할 수 있다. 예를 들면, 전류원(20)은 전압원(10)으로부터 원하는 검사 전압에 비례하는 전류 출력을 공급할 수 있다. 전류원(20)에 대해 분리되지 않은 온/오프 제어부(22)가 통합될 수 있다.

계량기(50)는 도 1에서 계량기의 전단(front end) 증폭기 전자 장치의 단순화한 모델로서 도시된다. 계량기(50)는 DUT(30)의 누설 전류를 측정하고, Agilent사의 4349B 고저항 계량기와 같은 상업적으로 이용가능한 측정 계량기일 수 있다. 전단 증폭기 전자 장치는 비반전 입력에 결합되는 접지된 저항(54) 및 반전 입력에 결합된 입력 임피던스(56)를 포함하는 것에 의해, 전류 대 전압 변환기로서 배치되는 입력 증폭기(52)를 포함한다. 용량성 피드백 경로(58)는 Vout에서의 출력으로부터 입력 증폭기(52)의 반전 입력으로 제공된다.

다이오드 클램프(40)는 제 1 다이오드(42)의 애노드 및 제 2 다이오드(44)의 캐소드가 접지되고, 제 1 다이오드(42)의 캐소드 및 제 2 다이오드(44)의 애노드가 입력 증폭기(52)의 가상 접지(60)에 전기적으로 결합되도록 병렬로 배치된 2개의 다이오드(42, 44)를 갖는다. DUT(30)는 또한 Vcap-hi로 명칭된 DUT(30) 단자에 반대되는 Vcap-low로 명칭된 단자에서 가상 접지(60)에 결합된다. 클램프 다이오드(42, 44)는 DUT(30)의 충전 전류에 대한 전류 복귀 경로를 제공한다. 게다가, 만일 DUT(30)가 전류원(20)의 전압을 클램핑(clamping)하여 회로를 단락시킨다면, 클램프 다이오드(42, 44)는 계량기(50)에 대한 입력 보호를 제공한다.

공지된 검사 절차에 따라, 전류원(20)은 오프되고(온/오프 제어부(22)가 오프이거나, 또는 신호가 전압원(10)으로부터 수신되지 않는 경우), 전단(입력) 적분 증폭기(52)는 용량성 피드백 경로(58)와 병렬인 폐쇄된 스위치(62)로 인해 비활성이 된다. 전류원(20)은 이후에 최종 검사 전압으로 DUT(30)를 충전하도록 켜진다. DUT(30)가 최종 검사 전압으로 충전된 이후에, 누설 전류의 측정은 스위치(62)가 개방되는 계량기(50)를 사용하여 일어난다.

DUT(30)의 Vcap-hi 및 Vcap-low 단자 각각에서의 출력 전압은 공지된 검사 절차에 따라 도 3에 도시된다. 이러한 예시에서, 전압원(10)은 0 볼트에서 5 볼트로 변하고, 여기서 5 볼트는 전체 충전 전압이다. 상승 시간은 100 μs이고, 하강 시간은 100 μs이며, 0 초에서 상승 시간의 시작까지의 시간 지연은 1 ms이다. 이에 따라 펄스 폭은 75 ms이고, 100 ms의 주기를 갖는다. DUT(30)는 100 μF의 캐패시턴스 값을 갖는다.

검사 동안, 전압은 초기에 다이오드(44)의 V-I 특성에 기초한 전압으로 상승하고, 이는 적분 증폭기(52)의 가상 접지(60) 입력 이상이다. Vcap-hi에서의 전압은 Vcap-hi에서의 전압이 원하는 전압(여기서는 5 볼트)에 도달할 때까지 전류 원(20)으로부터 전류의 인가와 함께 선형적으로 상승한다. Vcap-low에서의 전압은 초기 상승 지점에서 유지되다가, 이후에 점차적으로 저전압 또는 0 볼트 근처로 떨어진다.

본 발명의 발명자는 대량의 상업적 검사 동작에서 이 방법의 사용으로 일어나는 문제점들을 확인했다. 먼저, DUT(30) 양단 전압은 충전 주기의 끝에서 원하는 충전 전압보다 일 단위의 다이오드 드롭(0.7 볼트)(또는 2개의 다이오드가 이용된다면 그 이상) 낮다. 도 3에 도시된 예시에서, 원하는 충전 전압은 5 볼트이다. 상기와 같은 낮은 검사 전압에서, 이러한 원하는 충전 전압과의 차이는 측정되는 누설 전류에서 큰 오류가 나타나게 한다.

물론, 도 3에 또한 도시된 바와 같이, 이후에 Vcap-low에서의 전압은 0 볼트로 지수적으로 감쇠한다. 그러나, 이러한 지수적인 감쇠 기간 동안 일어나는 누설 측정은 또한 Vcap-low에서 전압이 변하기 때문에 부정확하다.

하나의 해법은 Vcap-low에서의 전압이 지수적인 감쇠 기간의 끝에서 0 볼트에 도달할 때까지 기다리는 것이다. 이러한 해법은 작은 캐피시턴스 값을 갖는 응용에서 작동할 수 있다. 그러나 본 발명의 발명자들은 입력 임피던스(56)의 RC 시간 상수 및 DUT(30)의 캐패시턴스 값이 10 nF 이상으로 클 때, 감쇠 기간의 끝을 기다리는 동안 과도한 시간 지연이 일어날 수 있다는 것을 발견하였다.

즉, 계량기(50)와 같은 측정 장치는 통상 상대적으로 큰 입력 임피던스를 갖는다. 도 3에 도시된 그래프에서, 예를 들면 계량기(50)의 입력 임피던스(56)는 1 kΩ이다. Vcap-low에서 초기 전압의 1%(5 시간 상수) 미만으로 지수적으로 감쇠하 는 시간은 5τ, 또는 5×(DUT(30)의 캐패시턴스 값)×(입력 임피던스(56)의 저항 값)이다. 따라서 이러한 시간 상수는 DUT(30)의 캐패시턴스 값에 비례하여 증가하며, 이에 따라 큰 캐패시턴스 값은 누설 측정이 시작되기 전에 과도하게 긴 시간을 결과할 수 있다. 이에 따라, 만일 측정이 감쇠가 완료되기 전에 일어난다면 측정 부정확성이 발생한다. 감쇠가 완료될 때까지 기다리는 것은 측정 처리량에 부정적으로 영향을 주고, 이는 대량 응용에 적합하지 않다.

도 1은 또한 다이오드 클램프(40) 양단의 스위치(70)의 부가를 도시한다. 즉, 스위치(70)는 증폭기(52)에 대한 가상 접지(60) 입력과 접지 사이에 결합되고, 이에 따라 다이오드 클램프(40)의 다이오드들(42, 44)과 병렬로 있다. 전술된 방법의 수정에 따라, DUT(30)가 전류원(20)에 의해 충전되고 있는 동안 스위치(70)는 폐쇄 위치에 있다. 이후에, 스위치(70)는 계량기(50)가 DUT(30)의 누설 전류를 측정하도록 명령되기 직전에 개방된다.

본 발명의 장치 및 방법에 따른 DUT(30)의 Vcap-hi 및 Vcap-low 단자들 각각에서의 출력 전압은 도 2에 도시된다. 도 3의 비교예와 마찬가지로, 전압원(10)은 0 볼트에서 내지 5 볼트로 변하고, 여기서 5 볼트는 전체 충전 전압이다. 상승 시간은 100 μs이고, 하강 시간은 100 μs이며, 시간 0초에서 상승 시작 시간까지의 시간 지연은 1 ms이다. 이에 따라, 펄스 폭은 75 ms이며, 100 ms의 주기를 갖는다. DUT(30)는 100 μF의 캐패시턴스 값을 갖는다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, DUT(30)의 다이오드 단자(즉, Vcap-low로 명칭된 단자)는 인접하여 입력 증폭기(52)의 가상 접지(60)와 같이 동일한 전위에 있다. 이는 충전 이후에 즉각적인 측정을 사전에 배제한 계량기의 입력 임피던스(56)로 인한 지수적인 감쇠 시간을 제거한다. 이러한 예에서, 도 3에 도시된 것과 같은 50 ms보다 큰 지연 대신에, DUT(30)의 누설 전류의 측정은 도 2에 도시된 것과 같이 약 12 ms로 더 일찍 일어날 수 있다. 이는 현저한 향상을 나타낸다.

스위치(70)는 동기화되어 동작되고, 이에 따라 타이밍은 전압원(10) 및 전류원(20)의 동작, 및 스위치(62)를 통한 계량기(50)의 동작과 동기된다. 동기된 스위치(70)는 예를 들면 낮은 온 저항(on-resistance)이 있는 릴레이(relay)와 같은 고체 스위치일 수 있다. 대안적으로, 기계적 릴레이가 사용될 수 있다. 그러나 대량 응용에서, 스위치들의 수는 시간 당 500000 만큼 높을 수 있다. 기계적 릴레이의 진행 중 유지에 대한 필요는 상기 릴레이가 고체 스위치보다 덜 선호되게 만든다.

스위치(70)는 프로그램가능 프로세서, DSP(digital signal processor), 타이머 등과 같은 제어 장치(80)에 의해 동작된다. 예를 들면, 스위치(70)는 프로그램가능 제어기에 의해 제어되는 고체 릴레이일 수 있다. 이 제어기는 일반적으로 CPU(central processing unit), 데이터를 수신하는 입력 및 출력 포트(I/O), RAM(random access memory), KAM(keep alive memory), 공통 데이터 버스, 및 실행가능 프로그램들에 대한 전자적 저장 매체로서 ROM(read only memory)를 포함하는 마이크로컴퓨터로 이루어진다. 스위치(70)의 동작은 이 예시에서 제어기의 실행가능 프로그램과 같은 소프트웨어에서 구현된다. 특정 실시예에서, 제어 장치(80)는 또한 전압원(10) 및 스위치(62)를 동작할 수 있다. 대안적으로, 개별 제어 장치들은 제어 장치들 또는 또 다른 장치 중 하나를 사용하는 조정으로 전압원(10), 스위 치(62), 및 스위치(70) 각각을 동작할 수 있다.

제조 환경에서 용량성 소자의 누설 전류 측정은 정확성 및 속도 모두를 요구한다. 본 발명의 회로는 용량성 소자 DUT(30)의 다이오드 단자 연결이 캐패시터가 충전된 전압에 이르는 대로 입력 증폭기의 입력 가상 접지에 있도록 허용한다. 누설 검사는 충전 주기가 완료되지 않은 후에 곧 시작할 수 있다.

본 발명의 원리에 따라, 캐패시터 누설 측정은 지수적 전압 감쇠를 기다리는 것 대신에 큰 값의 캐패시턴스에 대한 검사 시스템 처리량을 향상시키도록 충전 주기 이후에 즉시 일어날 수 있다. 또한, 누설 전류는 만일 측정 전의 시간이 부적절하다면 지수적 감쇠 및 누설의 조합의 측정 대신에 장치를 측정하는 것에 의해 정확하게 측정된다.

상기 언급된 실시예들은 본 발명의 용이한 이해를 허용하기 위해 기재된 것이며, 본 발명을 제한하지 않는다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항의 원리 및 범위 내에 포함되는 다양한 수정 및 등가적 배치를 포함하도록 의도되며, 상기 범위는 법에서 허용하는 대로 모든 수정 및 등가적 구조체를 포함하도록 광의적인 해석이 허용된다.

Claims

용량성 소자의 제 1 단자에 결합되어 원하는 검사 전압에 도달하도록 상기 용량성 소자에 전류를 공급하는 전류원, 및 상기 용량성 소자에 걸쳐 흐르는 누설 전류를 측정하는 상기 용량성 소자의 제 2 단자에 결합된 계량기를 포함하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치에 있어서,

상기 용량성 소자의 제 2 단자와 접지 사이에 결합된 스위치; 및

상기 스위치에 대한 제어 장치를 포함하되,

상기 제어 장치는,

상기 전류원이 상기 용량성 소자에 전류를 공급하는 동안에는 상기 스위치를 폐쇄시킨 상태로 유지하고,

상기 용량성 소자가 상기 제 1 단자에서 상기 원하는 검사 전압에 도달한 이후, 및 상기 계량기에 의한 누설 전류의 측정 전에, 상기 스위치를 개방하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

상기 제 2 단자와 접지 사이에 결합된 다이오드 클램프(diode clamp)를 더 포함하고,

상기 스위치는 상기 다이오드 클램프와 병렬로 있는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전류원에 상기 원하는 충전 전압을 공급하기 위해 상기 전류원에 결합된 전압원을 더 포함하고,

상기 전류원은 원하는 충전 전류에 기초하여 상기 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
제3항에 있어서,

상기 전류는 상기 원하는 충전 전압에 비례하는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 용량성 소자는 적어도 10 nF의 캐패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어 장치는 타이머, 디지털 신호 프로세서(digital signal processor; DSP), 및 프로그램가능 프로세서 중 하나인 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
제6항에 있어서,

상기 프로그램가능 프로세서는 마이크로제어기이고,

상기 마이크로제어기는,

상기 마이크로제어기로 하여금, 상기 전류원이 상기 용량성 소자에 전류를 공급하는 동안에는 상기 스위치를 폐쇄한 상태로 유지하고,

상기 용량성 소자가 상기 제 1 단자에서 상기 원하는 충전 전압에 도달한 이후, 및 상기 계량기에 의한 누설 전류의 측정 전에, 상기 스위치를 개방하도록 프로그램되어 저장된 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 장치.
용량성 소자의 제 1 단자에 결합된 전류원 및 상기 용량성 소자의 제 2 단자에 결합된 계량기를 사용하여 용량성 소자를 검사하기 위한 방법에 있어서,

A) 상기 용량성 소자의 제 2 단자와 접지 사이에 결합된 스위치가 폐쇄된 동안, 상기 전류원으로부터의 전류를 사용하여 원하는 검사 전압까지 상기 용량성 소자의 제 1 단자를 충전하는 단계;

B) 상기 용량성 소자의 제 1 단자가 상기 원하는 검사 전압에 도달할 때, 상기 스위치를 개방하는 단계; 및

C) 상기 스위치를 개방한 이후에, 상기 계량기를 사용하여 상기 용량성 소자의 누설 전류를 측정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 방법.
제8항에 있어서,

상기 용량성 소자의 누설 전류를 측정한 이후에, 상기 스위치를 폐쇄하는 단계; 및

상기 스위치를 폐쇄한 이후에, 제 2 용량성 소자에 대해 상기 A) 내지 C)를 반복하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

타이머, 디지탈 신호 프로세서(DSP), 및 프로그램가능 프로세서 중 하나를 포함하는 제어 장치를 사용하여 상기 B)를 수행하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 소자를 검사하기 위한 방법.