PSAIC PPTS探针测试系统配置解决方案

概述：

1. 半导体分立器件是组成集成电路的基础，包含大量的双端口或三端口器件，如：二极管，晶体管，场效应管等，直流I-V测试则是表征微电子器件、 工艺及材料特性的基石，通常使用I-V特性分析，或I-V曲线来决定器件的基本参数。

2. 微电子器件种类繁多，引脚数量和待测参数各不相同，除此以外，新材料和新器件对测试设备提出了更高的要求，要求测试设备具备更高的低电流测试能力，且能够支持各种功率范围的器件。

3. 分立器件I-V特性测试的主要目的是通过实验，帮助工程师提取半导体器件的基本I-V特性参数，并在整个工艺流程结束后评估器件的优劣。

4. 随着器件几何尺寸的减小，半导体器件特性测试对测试系统的要求越来越高。通常这些器件的接触电极尺寸只有微米量级，这些对低噪声源表， 探针台和显微镜性能都提出了更高的要求。

5. 普西工业开发的半导体分立器件I-V特性测试方案，以美国吉时利公司开发的高精度源测量单元（SMU）为核心测试设备，配备使用简便灵活， 功能丰富的PSAIC PPTS测试软件及精准稳定的探针台，为客户提供了可靠易用的解决方案，极大的提高了用户的工作效率。

测试材料：

• 二极管特性的测量与分析

• 双极型晶体管BJT特性的测量与分析

• MOSFET场效应晶体管特性的测量与分析

• MOS 器件的参数提取

一、半导体分立器件IV特性测试方案

系统结构：

系统主要由一台或两台源精密源测量单元（SMU）、夹具或探针台、上位机软件构成。以三端口MOSFET器件为例，共需要以下设备：

• 两台吉时利 2450 精密源测量单元

• 四根三同轴电缆

• 夹具或带有三同轴接口的探针台

• 三同轴T型头

上位机软件与源测量单元（SMU）的连接方式如下图所示：

（可以使用LAN/USB/GPIB中的任何一个接口进行连接）

下图是2450背面板连线及系统结构示意图及4寸探针台图示：

二、物联网低功耗性测试方案

概述：

1. 随着物联网设备的普及，万物互联必将成为未来的发展方向，诸如NB-IoT，LoRa，BLE等低功耗物联网解决方案会越来越多的应用在产品设计上，而低功耗的测试方案将会越来越多的被应用在研发设计及生产测试上。

2. 在物联网设备的研发和设计测试阶段，除了对设备无线通信性能的要求外，物联网设备的电池续航时间也成为决定产品优劣的重要指标。从芯片制造商，到产品的研发人员，整个行业都在花费更多精力，优化产品的耗电特性，以谋求物联网设备更好的使用体验。

3. 低功耗是物联网设备固有的特性，也是物联网设备研究中的关键问题，对低功耗设备直流功耗的测量和评估是物联网研究的重点。通过对物联网设备的进行直流功耗分析，可以了解该设备各个组成部分在不同工作状态下的功耗特性，为下一步优化物联网设备功耗提供数据基础。

方案特点：

PSAIC PPTS-9低功耗测试方案测量电流精度高，是目前市面上不多且性价比最高的高精度待机电流测试方案，可以分析终端设备的电流输出曲线，为工程师提供了一个更深入了解系统硬件构架，软件构架对待机电流影响的工具，通过这套方案，可以帮助工程师降低自己的产品功耗，最终达到提高待机时间的目的。

PSAIC PPTS-9软件配合使用吉时利公司的高精度七位半万用表 DMM7510以及高精度电源2280S-32-6，可以为物联网设备供电的同时，高速、高精度采集电流波形，帮助使用者进行长时间的功耗记录和分析。

• 体积小，配置简单，性价比高

• 测量精度高，抗干扰能力强，电流测量精度最高可达 100pA，分辨率 1pA

• 采样率高，可以实现动态电流的实时采集，最高速度可以达到100,000点每秒

• 简单易操作，图形化显示测试结果，支持原始测试数据的导入、导出长时间记录测量数据

• 可通过软件分析关注时间段的电流曲线，优化硬件和软件设计，降低产品功耗

软件测试功能：

对设计研发人员而言，便捷快速的获取所需要的测试数据非常重要，采用电脑软件进行仪表控制，把阅读复杂产品说明书和操作手册的时间节省出来，对提高工作效率非常有利。

长时间数据测量（Data Logging）功能对物联网功耗分析非常重要，可以满足长时间电流监控的需求，可以以高采样率连续记录产品消耗的电流数据，记录时长取决于电脑硬盘容量，可以以小时或天为单位，连续不断的保存电流数据，并保存成 CSV文件，供给后续数据分析使用。

同时软件中还需要提供标志（Marker）功能，可以测量不同标志之间的电量值，电流最大、最小、平均值等统计信息。

另外软件还可以以CCDF形式，显示电流在一段时间内的分布特性，方便用户根据CCDF图形判断在软硬件变更后的耗电特性改善情况。

用户可以将多组测试结果用不同颜色曲线在同一图形上显示出来，更靠右上方的曲线表示耗电性能更差（大电流所占的时间比更大），更靠左下方的曲线表示耗电性能更好（小电流所占的时间比更大）。

蓝牙手表的开机电流曲线和电流脉冲放大波形

功耗分析软件提供的CCDF功能，用于比对功耗优化前后的效果

系统结构：

系统主要由吉时利电源（2280S-32-6），吉时利七位半万用表 DMM7510，和上位机软件 PSAIC PPTS-9组成。

模式一( 高性能)：吉时利2280S高精度电源为DUT提供电源，DMM7510 作为高精度电流表测量，此时的供电性能和电流测量性能最高。

模式二（ 经济型）： 吉时利2280S高精度电源为DUT 设备提供电同时回读电流数据，此方案价格最低，电流测量精度为10uA。

模式三 ( 高性价比)： 吉时利DMM7510作为万用表直流测量DUT设备， 此时需要DUT 设备自带电源。

测试系统硬件组成

系统指标：

• 电流最高精度：100pA (DMM7510) 或 10uA (2280S-32-6)

• 电流采样率：1MSa/s (DMM7510) 或 1000Sa/S (2280S-32-6)

• 输出功率范围：32V，6A，192W (2280S-32-6)

• 通信接口：LAN/USB/GPIB

系统配置：

• 数字万用表：DMM7510

• 高精度电源：2280S-32-6

• 上位机软件：PSAIC PPTS-9

三、四探针法测量材料电阻率测试方案

概述：

1. 电阻率是决定半导体材料电学特性的重要参数，为了表征工艺质量以及材料的掺杂情况，需要测试材料的电阻率。

2. 四探针技术要求使用四根等间距的探针接触到材料表面，在外边两根探针之间输出电流。

3. 同时，测试中间两根探针的电压差，最后电阻率通过样品的几何参数，电流和电压值计算得到。

4. 普西工业开发的四探针法测量半导体电阻率测试方案，使用美国吉时利公司开发的高精度源表（SMU），输出电流范围从皮安级到安培级可控，测量电压分辨率高达微伏级，支持四线开尔文模式，因此适用于四探针测试，可以简化测试连接。通过电流换向测量，可以消除热电势造成的误差，得到更准确的测试结果。

方案特点：

上位机软件 PSAIC PPTS测试方法清晰明确，内置电阻率计算公式，符合GB/T 1551 国标硅单晶电阻率测试标准，测试结束后直接从电脑端读取计算结果，方便后续数据的处理分析。

提供正向/反向电流换向测试，可以通过电流换向消除热电势误差影响，提高测量精度值

四探针头采用碳化钨材质，间距1mm，探针位置精确稳定，采用悬臂式结构，探针具有压力行程，针对不同材料的待测件，提供多种不同间距，不同针尖直径的针头选项；

探针台具备粗/细两级高度调整，细微调整时，高度分辨率高达2微米及更高，精密控制探针头与被测物之间的距离，防止针头对被测物的损害载物盘表面采用绝缘特氟龙图层，降低漏电流造成的测试误差。

软件测试功能：

输出电流并测试电压，电阻，电阻率，电导率，薄层电阻等，记录数据，并根据测试结果绘制曲线。

软件在 Windows 7/8/10 平台下使用，测试方法符合GBT 1551/1552等国家测试标准，提供多种修正参数帮助提高电阻率测试精度，配合吉时利 2450/2460/2461高精度源表使用，确保测试精度和一致性。

系统结构：

系统主要由吉时利源表（SMU）、四探针台和上位机软件组成，四探针可以通过前面板香蕉头或后面板排线接口连接到源表上。

系统指标：

• 电阻率测试范围：0.001 ohm*cm ~ 1Mohm*cm

• 探针头压力合力：S型悬臂式弹簧，合力 6~10 N

• 绝缘电阻：500V下 > 1Gohm

• 系统误差：< 1%

• 探针头间距：1mm, 1.27mm, 1.59mm...其它可选，使用红宝石套轴，探针游移率 < 0.2%

• 通信接口：LAN/USB/GPIB

系统配置：

• 四探针测试探针台

• 四探针针头（间距1mm, 1.27mm, 1.59mm其它可选）

• 普西工业四探针测试软件样品硅片

软件及系统结构

四、半导体器件的 C-V 特性测试方案

概述：

1. 交流C-V测试可以揭示材料的氧化层厚度，晶圆工艺的界面陷阱密度，掺杂浓度，掺杂分布以及载流子寿命等，通常使用交流C-V测试方式来评估新工艺，材料，器件以及电路的质量和可靠性等。交流C-V测试要求测试设备满足宽频率范围的需求，同时连线简单，系统易于搭建，并具备系统补偿功能，以补偿系统寄生电容引入的误差。

2. 进行C-V测量时，通常在电容两端施加直流偏压，同时利用一个交流信号进行测量。一般这类测量中使用的交流信号频率在10KHz到10MHz之间，所加载的直流偏压用作直流电压扫描，扫描过程中测试待测器件的交流电压和电流，从而计算出不同电压下的电容值。

3. 普西工业开发的C-V特性测试方案，提供高达30MHz的C-V测试频率，在C-V测试方案中，同时集成了美国吉时利公司源测量单元（SMU）和普西工业针对C-V测试设计的专用精密LCR表和阻抗分析仪（详见网站相关产品信息），既可以在低频范围内完成功率器件的准静态CV测试，也可以进行高达30MHz的高频CV测试。

半导体材料 CV 测试原理

使用外置偏压盒测试MOSFET分立器件

方案特点：

配置简单，连接方便，可以在短时间内快速搭建测试环境测试和计算过程由软件自动执行，能够显示和保存数据曲线，节省了大量测试时间可以一次测试最多四组不同频率下的 C-V 特性曲线，方便比对不同频率下的测试结果，支持的频率范围从 0.1Hz ~ 30MHz，提供外置偏压盒，最高支持200V外置偏压，支持分立器件和晶圆的在片测试，可以连接外部探针台。

软件功能：

• 仪表的自动搜索和连接，支持 RS-232/GPIB/USB/LAN等常见连接方式

• 支持LCR 表的校准功能，提供开路/短路校准和引线补偿功能，提升测试精度

• 多种测试功能，包括 C-V，C-F，C-T 等

• 测试数据的图形化显示和数据结果的保存

使用CV测试软件在三组不同频率上对MOSFET器件进行测试

系统结构：

• 系统主要由源测量单元、LCR表、探针台和上位机软件组成。

•  LCR表通常支持的测量频率范围在10MHz以内。

• 源测量单元负责提供可调直流电压偏置。

CV 测试系统组成和连接方式

系统配置：

•  PSIAIC LCR表或阻抗分析仪

• 吉时利源表 2450/2460/2461

• 外置偏压盒夹具

• 普西工业上位机软件

五、锂离子电池特性测试方案

概述：

1. 随着智能可穿戴设备、物联网产业的兴起，以及新能源技术的普及，作为储能单元的电池越来越受到人们的重视，可重复充电的电池已经成为生活中不可缺少的基本需求。为了增加电池容量，提升电池 寿命，科学家和工程师进行了多种尝试，为电池性能提升进行着不懈的努力。

2. 虽然材料科学一路发展，但锂离子电池性能的提升仍无法与芯片能力相媲美，电池的能量密度提升相 对缓慢。为了验证不同材料电池在性能上的细微变化，电池研发和测试机构需要有更精密的测试手段，对其进行准确严格的评估。而对电池使用者来说，如何快速准确的评估不同厂家电池的性能，也是非常重要的测试需求。

3. PSAIC PPTS-9-BAT电池综合性能测试方案使用吉时利源表进行电池性能测试，源表的优点在于精密的四项限输出能力，以及非常高的电压电流回读精度，相比传统方案使用电源、电子负载分别进行电池的充放电，另外还需要使用额外的电压电流表进行测试，源表只需要一台设备就可以完成电池所有的直流参数测量。配合普西工业所提供的交流内阻测试设备，可以一次性解决用户在电池测试中遇到的多种问题，包括高精度电池容量计算，充放电曲线的绘制，电池循环充特性和老化特性测试，电池交流内阻特性等等。简化电池测试流程，提高测试精度，降低测试成本。

方案特点：

锂离子电池的充放电测试和数据记录：

了解电池的充放电特性，记录充放电电流电压变化曲线是电池测试的基本要求。使用源表配合PSAIC PPTS-9-BAT软件可以大幅度降低电池充放电测试的系统复杂度，一台仪器就可以完成充放电操作，并高精度记录充放电过程中的电压和电流数据，同时用图形方式进行显示。

电池特性测试软件界面

高精度的电池容量测试：

由于电池技术的发展，每次技术革新带来的能量密度和容量的提升。电极，电解液添加剂和隔膜材料的优化都会带来电池性能的微小变化，这就需要测试手段能够高精度的表征电池容量的提升。

在传统测试中，很难对电池容量进行精确计算，因为需要对充电或放电过程进行积分操作，同时还需要对电流进行高精度的连续采集，计算过程相对复杂。2450 源表的电流测试精度最高可以达到50pA，在100mA 量程下的测量精度为6uA。SMU可以提供极高的电流测试精度，在Ah 和mAh 计算中，需要对充电、放电电流进行连续快速采集，并在时间轴进行积分求得电量。更高的直流精度和更快的采样速率可以提高电量计算的精准度。

泰克/ 吉时利源表还支持两线/ 四线供电功能，使用四线供电可以有效消除导线和连接夹具电阻，对电池充放电产生的影响。

不同电池库伦效率测测试结果，稳定度达万分之一

循环充放电功能和库伦效率计算：

由于电池的充、 放电时间较长，电池性能测试需要花费的时间通常在几个小时。如果要进行不同倍率的循环充放电测试，或者老化测试，则需要花费更长的时间，可能长达几天甚至几周时间。因此，自动化测试手段成为必要条件，通常需要将测试数据自动读入电脑中进行后续分析，避免重复的人工劳动。

近年来很多相关领域的科学家开始用库伦效率 (Coulounbic Efficiency) 预测电池寿命。其中， 库伦效率(CE) = 放电电量(Qdis) / 充电电量(Qch) X 100%。 在单次充放电过程中，充放电电量变化极小，为了达到精确的库伦效率的测量，需要将电压和电流的测试精度提高到0.01% 附近。吉时利源表超高的电压和电流测试精度，正好可以满足这一要求。

电池交流内阻测试功能：

由于电池自身带有电压，所以不能使用传统的欧姆定律测试电池内阻。行业内定义电池内阻一般采用交流测试方法，测试 电池在 1KHz 交流频率下的内阻阻值。由于内部化学材料的影响，电池在不同电量条件下的内阻阻值也不相同。

为了了解电池在充放电过程中的内阻变化，可以使用普西工业提供的LCR表进行电池交流内阻测试。电池与LCR 表的连接需要通过专用隔直夹具，以避免对LCR 表的损伤锂离子电池充电过程中电流、电压、电量和内阻的关系曲线为防止充放电电流流入LCR 表，在测试过程中，还需要使用特殊设计的隔直夹具，连接电池与LCR 表进行测试。

使用 LCR 表测试电池交流内组

系统配置：

•  2450/2460/2461 吉时利高精度源表

•  第三方软件/ 硬件：PSAIC PPTS-9- BAT 电池综合测试软件

•  PSAIC ECA200 高精度LCR表

•  PSAIC PCT8001 隔直测试夹具

•  PSAIC PCT8902 高频测试线