半自動探針臺在集成電路自動測試的應(yīng)用

歸發(fā)弟

摘 要：集成電路測試是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分。在對集成電路進行在片測試時，需要對整個晶圓進行測試且只有半自動探針臺可以使用的場景下，可以通過探針臺提供的編程接口，以及安捷倫IO庫提供的編程范例進行軟件二次開發(fā)。文中以Cascade Summit 12000B-S半自動探針臺為例，設(shè)計一個由計算機、探針臺、單片機實驗箱、測試電路組成的簡易自動測試平臺。自動測試軟件在安捷倫IO庫提供的程序范例基礎(chǔ)上開發(fā)，編程語言為VB.NET。最后對某公司的RFID晶圓進行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)運行情況良好，測試效率高。

關(guān)鍵詞：集成電路;半自動探針臺;安捷倫;SCPI指令;集成電路產(chǎn)業(yè)鏈;RFID

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-02

0 引 言

隨著移動通信和消費類電子產(chǎn)品需求不斷增長，在國家政策對集成電路行業(yè)的重點扶持下，集成電路迎來發(fā)展的春天。

測試是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計階段的測試一般用于驗證設(shè)計的正確性或者設(shè)計方案的改良，測試方法可以是在片測試或者鍵合測試。如果集成電路已經(jīng)切片且數(shù)量較少，可以選擇在片測試或鍵合測試;如果尚未切片，芯片數(shù)量較多甚至是整個晶圓，只能選擇在片測試。在片測試離不開探針臺，探針臺可以通過探針直接把信號從集成電路的焊盤輸入/輸出。

探針臺分為手動、半自動和全自動三種。全自動探針臺可以自動裝片、自動對準，可以對測試數(shù)據(jù)進行打印，使用方便， 測試效率高，但價格昂貴。本文以Cascade Summit 12000B-S半自動探針臺（以下簡稱Cascade探針臺）為例，探討如何充分利用半自動探針臺提供的編程接口控制探針移動，測試整個晶圓上的所有集成電路。該系統(tǒng)經(jīng)過擴展后，可作為由多個測試儀器組成的自動測試平臺的一部分。Cascade探針臺支持8英寸晶圓，定位精度為0.1 μm，可以應(yīng)對大部分測試場合。

1 Cascade探針臺通信模型

探針臺通信模型如圖1所示。

Cascade探針臺提供4種操作方式：一種是安裝在探針臺專用計算機上的控制軟件Nucleus，另外三種是用戶編程接口。為了安全起見，探針臺專用計算機而不允許安裝其他無關(guān)軟件，因此自行設(shè)計的控制軟件只能安裝在其他計算機上，通過RS 232或者GPIB接口與探針臺專用計算機連接，并由探針臺專用計算機上的命令接口和驅(qū)動程序與探針臺連接。由于GPIB傳輸數(shù)據(jù)更快，功能更強，并可以跟多種儀器組成總線系統(tǒng)，構(gòu)成自動測試平臺，因此本文采用GPIB接口。

2 測試系統(tǒng)框圖

測試系統(tǒng)框圖如圖2所示。

探針臺和探針臺專用計算機是探針臺購置的整體配置，計算機通過USB-GPIB轉(zhuǎn)換卡和探針臺專用計算機連接。晶圓上的集成電路單元（DIE）的焊盤（PAD）通過探針和專用電纜連接到外部電源或測試設(shè)備。針對待測集成電路的功能設(shè)計一個專用測試電路。如果測試通過，則輸出一個TTL高電平，否則輸出低電平。計算機通過RS 232和單片機相連，控制單片機向測試電路發(fā)出測試指令，等待一段時間后，單片機如果收到高電平信號則判斷為測試通過，否則為測試失敗。測完一個集成電路單元（DIE）之后，自動測試軟件向探針臺發(fā)出一系列指令，控制探針臺移動到下一個DIE。

3 編程方法

Cascade探針臺支持3種指令：GPIB指令、Meta指令和SCPI指令。GPIB指令用于讀取、設(shè)置、清除GPIB狀態(tài)報告寄存器;Meta指令用于控制系統(tǒng)級功能，例如設(shè)置計算機是否顯示指令或者返回值;SCPI指令是控制指令的核心，用于控制探針臺的各種動作，例如打開或者關(guān)閉真空泵、接觸或者分離探針、控制探針臺移動等。

要通過GPIB控制Cascade探針臺，首先需要準備一根安捷倫USB-GPIB轉(zhuǎn)接線，安裝安捷倫IO庫（Agilent IOLibraries Suite 14.0）。安捷倫IO庫提供USB-GPIB轉(zhuǎn)接線的驅(qū)動程序以及VB.NET，C#，C++的編程范例，編程范例中有很多操作GPIB的函數(shù)，用戶可根據(jù)自己的編程喜好找到合適的工程范例，在此基礎(chǔ)上修改即可。本文以VB.NET作為編程語言。與GPIB操作有關(guān)的函數(shù)主要有：

打開GPIB：ioDmm.IO（） = mgr.Open（ioAddress）

關(guān)閉GPIB：ioDmm.IO.Close（）

發(fā)送數(shù)據(jù)：ioDmm.WriteString（CmdToSend.Text）

讀取數(shù)據(jù)：Str = ioDmm.ReadString

與自動測試有關(guān)的SCPI指令主要有（SCPI指令以冒號開頭，不可省略）：

接觸探針：：mov：down 2

分離探針：：mov：up 2

讀取當前坐標：：mov：prob：abs：die？

移動到某個坐標：：mov：prob：abs：dieXY

移動到下一個DIE：：move：probeplan：next：die

開始測試時，先用程序控制探針移動到最后一個DIE，讀取坐標并作記錄，再移動到第一個DIE，經(jīng)過接觸探針、測試、分離探針、移動到下一個DIE、讀取當前坐標、判斷是否結(jié)束，組成一個循環(huán)。如果當前坐標是最后一個DIE的坐標，則循環(huán)結(jié)束，測試完畢;否則繼續(xù)測試。

4 測試過程

Cascade探針臺作為一種比較復(fù)雜的精密儀器，測試前除了要做常規(guī)準備工作之外，還包括針對程序控制自動測試的步驟。自動測試的主要步驟如下：

（1）開機，打開Nucleus軟件，初始化Nucleus;

（2）裝載晶圓;

（3）校準晶圓、DIE尺寸計算;

（4）制作WaferMap并設(shè)置參考DIE;

（5）移動探針到參考DIE并設(shè)置接觸/分離高度;

（6）開啟自動測試軟件，設(shè)置GPIB端口地址，使得自動測試軟件的GPIB地址與Nucleus的GPIB地址相同。

其中制作WaferMap包括：設(shè)置晶圓尺寸、DIE尺寸和空隙、去掉晶圓邊沿不完整的DIE、選擇測試順序等步驟。如果不是整個晶圓的自動測試，則步驟（3）、步驟（5）可以省略。

5 測試結(jié)果

本自動測試系統(tǒng)為南寧某公司測試了RFID集成電路晶圓，使用的設(shè)備包括：Cascade探針臺、筆記本電腦、單片機實驗箱、RFID讀卡器。整片RFID晶圓共13 500個DIE，其中13 220個測試通過，良品率為97.9%，表明集成電路設(shè)計和試生產(chǎn)是成功的。測試過程中，各種儀器設(shè)備和自動測試軟件運行良好，探針無跑偏現(xiàn)象。測試共耗時4.5 h。Cascade Summit 12000B-S半自動探針臺和自動測試軟件界面如圖3、圖4所示。

6 結(jié) 語

Cascade半自動探針臺的操作軟件Nucleus對測試整個晶圓的集成電路單元無能為力。晶圓上的集成電路單元有數(shù)千甚至數(shù)萬個，直接用Nucleus手工測試幾乎是不可能完成的事情。這時可以利用探針臺提供的編程接口，以及安捷倫IO庫提供的程序范例，設(shè)計一個自動測試軟件，探針臺可以根據(jù)晶圓和集成電路單元的尺寸特點，自動遍歷測試晶圓上的所有集成電路單元，并記錄測試結(jié)果，大大了提高測試效率。

參考文獻

[1]沈云.射頻自動化測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化，2014（4）：149-150.

[2]陳玉華，劉鑫正，蔡成亮，等.射頻全自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2013，36（9）：9-13.

[3]朱晨，陳成新，李智.一種射頻識別自動測試系統(tǒng)的設(shè)計方案[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（11）：49-50.

[4]陳忠睿，肖何.基于探針測試臺的微波模塊自動測試系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2013，36（5）：101-104.

[5]賈超超.基于真空探針臺的紅外焦平面自動測試的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學，2016.

[6]鄭永豐，張貴恒，董陽，等.國產(chǎn)芯片自動測試系統(tǒng)射頻測試模塊設(shè)計[J].計算機測量與控制，2019，27（10）：41-44.

[7]王東橋.集成電路自動測試方法的探討與分析[J].電子世界，2017（9）：131.

[8]陳忠睿，肖何.基于探針測試臺的微波模塊自動測試系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2013，36（5）：101-104.

[9]羅楊.提高探針臺測試效率的方法研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43（1）：24-27.

[10]鄭婕. 基于ACS的探針臺驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2012.