一種芯片電容高精度批量測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

劉書(shū)萌，馮國(guó)兵，王 龍，陳俊凱

(中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所 北京 102209)

0 引言

在芯片工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，需對(duì)芯片內(nèi)部電容進(jìn)行測(cè)量實(shí)現(xiàn)芯片合格性篩選，因此研發(fā)大批量、高精度、高可靠性電容測(cè)量設(shè)備對(duì)芯片生產(chǎn)工業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)該實(shí)際工業(yè)需求，本文給出了一種詳細(xì)的芯片電容測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)方案，方案中給出了設(shè)備工作原理、設(shè)備硬件總體設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)等，為芯片電容測(cè)量方案提供重要的工業(yè)參考價(jià)值。

目前電容檢測(cè)方法主要有：芯片檢測(cè)；使用分立元件搭建的電容橋、脈沖頻率測(cè)量；使用通用的電容檢測(cè)芯片；新型的MEMS檢測(cè)器件等[1]。綜合成本及設(shè)計(jì)精度等因素，本方案采用德國(guó)ACAM公司的PCAP01電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)對(duì)電容測(cè)量電路的精心設(shè)計(jì)，使得測(cè)試等級(jí)可達(dá)到fF級(jí)[2]，測(cè)量的容值范圍從幾fF到幾百nF范圍內(nèi)可以任意配置，可以滿(mǎn)足多型號(hào)芯片工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)的需求。

1 設(shè)備工作原理

為了滿(mǎn)足芯片電容批量自動(dòng)化檢測(cè)需求，整個(gè)設(shè)備采用經(jīng)典“磁帶式”釋放與回收機(jī)械結(jié)構(gòu)。芯片卷帶通過(guò)約1 m長(zhǎng)傳送帶平鋪展開(kāi)，每檢測(cè)一個(gè)芯片，需給傳送帶正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、脈沖數(shù)、停止四個(gè)參數(shù)。電容測(cè)量探針通過(guò)針氣缸壓接芯片待測(cè)管腳，針氣缸由專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器控制，氣缸上、下部各有一路位置傳感器進(jìn)行氣缸到位檢測(cè)，當(dāng)針氣缸收到“下壓”信號(hào)時(shí)，針氣缸探針飛速跳至底端，壓在芯片待測(cè)試管腳上，待下部傳感器檢測(cè)“下壓到位”信號(hào)，判定芯片到位，可進(jìn)行電容測(cè)量操作，并將測(cè)量結(jié)果按設(shè)定的傳輸協(xié)議通過(guò)RS422串口傳至上位機(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，提取測(cè)量值并作出合格判定，同時(shí)將測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)被測(cè)芯片作出標(biāo)記，然后給出針氣缸復(fù)位指令，針氣缸飛速上移回位，待上部傳感器檢測(cè)到“復(fù)位”信號(hào)后，傳送帶走一個(gè)芯片的間隔，芯片到達(dá)鉆氣缸下方，此時(shí)若被測(cè)芯片標(biāo)記為不合格，上位機(jī)發(fā)送指令控制下位機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆氣缸“剔除”不合格芯片；對(duì)合格芯片鉆氣缸則不做處理，至此一個(gè)完整的芯片測(cè)試過(guò)程結(jié)束，接下來(lái)重復(fù)以上過(guò)程，直至芯片卷帶測(cè)試完畢。芯片電容測(cè)量單元采用專(zhuān)用芯片PCAP01-AD，通過(guò)I2C總線與下位機(jī)(STM32F103ZET)通信。詳細(xì)工作原理框圖如圖1所示。

2 設(shè)備總體設(shè)計(jì)

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)主要由工作臺(tái)(傳送帶)、上位機(jī)、下位機(jī)、復(fù)位電路、電容測(cè)量模塊、按鍵、驅(qū)動(dòng)控制電路、針氣缸(裝測(cè)試探針)、鉆氣缸(打孔氣缸)、步進(jìn)電機(jī)、復(fù)位傳感器、針氣缸傳感器、蓋板傳感器、首尾檢測(cè)傳感器、鉆氣缸傳感器及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

(1)工作臺(tái)為約1 m長(zhǎng)的傳送帶，將待測(cè)試芯片卷帶在傳送帶上展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)測(cè)試。

(2)上位機(jī)用來(lái)運(yùn)行測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)管理、控制流程啟停、記錄和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、標(biāo)記不合格芯片并實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)信息等功能。

(3)下位機(jī)為STM32F103ZET單片機(jī)，搭載μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)多路傳感器信號(hào)采集及與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)傳輸，任務(wù)間通信采用消息郵箱。

(4)復(fù)位電路用來(lái)測(cè)量芯片內(nèi)部的復(fù)位信息是否正確。

(5)電容測(cè)量電路用來(lái)測(cè)量芯片管腳之間的電容值。

(6)按鍵用來(lái)手動(dòng)控制設(shè)備急停、電源開(kāi)關(guān)、電機(jī)復(fù)位等。

(7)驅(qū)動(dòng)控制電路用來(lái)完成氣缸、步進(jìn)電機(jī)的通信和控制功能。

(8)針氣缸用來(lái)氣動(dòng)接觸被測(cè)芯片，為芯片電容和復(fù)位測(cè)量提供前端探針觸點(diǎn)。

(9)鉆氣缸用來(lái)對(duì)復(fù)位信息或測(cè)量電容值不合格的芯片做打孔處理，剔除芯片。

(10)多種位置傳感器用來(lái)檢測(cè)氣缸、步進(jìn)電機(jī)、芯片卷帶等位置信息。各式傳感器與傳送帶步進(jìn)電機(jī)組成設(shè)備閉環(huán)控制系統(tǒng)，可保障設(shè)備正常有序地長(zhǎng)時(shí)間工作。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

3 設(shè)備關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：為滿(mǎn)足大批量的芯片檢測(cè)，設(shè)備采用經(jīng)典磁帶式結(jié)構(gòu)，即在傳送帶一端放置待檢測(cè)芯片卷帶，中間為水平傳送帶，另一端設(shè)計(jì)回收檢測(cè)完的芯片卷帶。傳送帶進(jìn)口與出口處分別設(shè)有位置傳感器，傳感器信號(hào)由下位機(jī)采集并處理。傳送帶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由混合式五相步進(jìn)電機(jī)控制，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而無(wú)位置誤差累積。步進(jìn)電機(jī)與首尾傳感器組成設(shè)備閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

通信可靠性設(shè)計(jì)：為保證通信傳輸?shù)目煽啃?，一方面，采用CRC校驗(yàn)的方式排除誤碼；另一方面，通過(guò)建立握手信號(hào)來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率，即上位機(jī)與下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)后，會(huì)將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行反向回傳校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)確無(wú)誤。

安全性設(shè)計(jì)：在控制柜面板上設(shè)置復(fù)位、急停開(kāi)關(guān)按鍵，當(dāng)有異常情況導(dǎo)致測(cè)試工作中斷需要重新上帶時(shí)，可通過(guò)復(fù)位按鍵操控步進(jìn)電機(jī)到達(dá)初始點(diǎn)位；當(dāng)發(fā)生突發(fā)意外情況時(shí)，可立即按下急停開(kāi)關(guān)使設(shè)備斷電，防止傷害或損失擴(kuò)大。

電容測(cè)量單元設(shè)計(jì)：電容測(cè)量的核心為PCAP01集成芯片，該芯片有著功耗低、測(cè)量區(qū)間大、速度快、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，是高精度寬范圍電容測(cè)量的首選。PCAP01芯片有20個(gè)配置寄存器與12個(gè)讀寄存器，芯片內(nèi)部自帶DSP處理器，可以將采集的電容值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM中；芯片PCAP01有四種工作模式，本方案中采用單一傳感器漂移模式[3]。電路原理圖如圖3所示。

圖3 電容測(cè)量單元原理圖

在芯片進(jìn)帶口處設(shè)計(jì)有檢測(cè)蓋板狀態(tài)傳感器，當(dāng)芯片卷帶放入傳送帶進(jìn)帶口處時(shí)，壓實(shí)蓋板，點(diǎn)擊操控界面的“開(kāi)始”按鈕，系統(tǒng)可進(jìn)入工作狀態(tài)，傳送帶在傳送過(guò)程中，壓實(shí)的蓋板可自動(dòng)理順芯片卷帶，提高測(cè)試穩(wěn)定性。

4 設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備上電后，點(diǎn)擊上位機(jī)操作界面中的“開(kāi)始”按鈕，設(shè)備執(zhí)行復(fù)位操作，包括步進(jìn)電機(jī)復(fù)位、串口開(kāi)啟、氣缸復(fù)位等；復(fù)位成功后，判斷蓋板是否蓋上，若未蓋

圖4 系統(tǒng)執(zhí)行算法設(shè)計(jì)流程圖

上則彈出提示信息，待蓋板蓋上后步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始傳動(dòng)，當(dāng)芯片到達(dá)針氣缸所在位置時(shí)，首部傳感器將以中斷形式告知下位機(jī)(STM32F103)，下位機(jī)控制針氣缸下降，使測(cè)試探針與芯片待測(cè)管腳氣壓接觸，進(jìn)行芯片內(nèi)部復(fù)位測(cè)量；若復(fù)位信息正確，則進(jìn)行電容測(cè)量，若電容測(cè)量也正確，則在操作界面實(shí)時(shí)顯示芯片合格信息，針氣缸飛速上升回位，然后執(zhí)行針氣缸的循環(huán)測(cè)量操作；若復(fù)位信息或電容測(cè)量不正確，則在操作界面實(shí)時(shí)顯示芯片不合格信息，控制針氣缸上升，電機(jī)步進(jìn)，并進(jìn)行步進(jìn)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為i，當(dāng)不合格芯片傳送到鉆氣缸所在位置時(shí)(該位置對(duì)應(yīng)的i=k，k為針氣缸到鉆氣缸的步進(jìn)間隔數(shù))，鉆氣缸下降，執(zhí)行打孔操作，完成打孔后鉆氣缸升起，電機(jī)步進(jìn)，當(dāng)芯片卷帶測(cè)量完畢時(shí)，尾部傳感器檢測(cè)到芯片檢測(cè)完畢并告知下位機(jī)，設(shè)備停止。

如果測(cè)試過(guò)程中未及時(shí)給出成功的反饋信息(如氣缸上升或下降操作)，則系統(tǒng)將在5 s定時(shí)器超時(shí)中斷給出當(dāng)前操作的實(shí)時(shí)報(bào)警信息，確保設(shè)備運(yùn)行可靠。程序設(shè)計(jì)算法流程圖如圖4所示。

4.1 上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)在上位機(jī)，采用Visual Studio2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下的Windows窗體應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆绞?，采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server。軟件主要功能有：測(cè)試狀態(tài)設(shè)定、電容測(cè)量范圍參數(shù)設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示等。

4.2 下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用STM32F103作為主控制器，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keilu4+MDK，程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。主要功能有：?jiǎn)纹瑱C(jī)和測(cè)量芯片CPAP01初始化、讀取測(cè)量值、與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令傳輸、異常處理等。芯片PCAP01初始化需要下位機(jī)進(jìn)行握手通信測(cè)試并向其內(nèi)部SRAM下載固件，此固件由廠商提供，最后按照設(shè)計(jì)要求配置相應(yīng)寄存器，STM32單片機(jī)與芯片PCAP01初始化后，此時(shí)可以發(fā)送測(cè)量命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)[4]。程序執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 下位機(jī)程序執(zhí)行流程圖

異常處理機(jī)制：在控制程序中建立定時(shí)器子線程，進(jìn)行氣缸位置傳感器的到位判定，如氣缸動(dòng)作延時(shí)，讀取的位置傳感器信息與控制操作不符，則再次發(fā)送控制指令，直到定時(shí)器超時(shí)觸發(fā)報(bào)警，同時(shí)在界面顯示故障提示信息。程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 異常確認(rèn)與響應(yīng)處理機(jī)制流程圖

5 設(shè)備運(yùn)行分析

芯片卷帶初次放置傳送帶時(shí)，需要人工干預(yù)放置到指定位置，待設(shè)備運(yùn)行后，無(wú)需人員看守，設(shè)備可以準(zhǔn)確無(wú)誤地將芯片傳送到針氣缸與鉆氣缸位置，進(jìn)行芯片電容測(cè)量與剔除；芯片卷帶測(cè)試結(jié)束時(shí)，尾部傳感器可以準(zhǔn)確檢測(cè)到結(jié)束狀態(tài)，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

上位機(jī)測(cè)試記錄完整，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)準(zhǔn)確，通信可靠無(wú)異常。設(shè)備實(shí)現(xiàn)了芯片卷帶長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且批量、自動(dòng)化、安全、可靠測(cè)試。設(shè)備運(yùn)行部分芯片測(cè)試記錄表如表1所示。

表1 部分芯片測(cè)試記錄表 (pf)

6 結(jié)論

綜上所述，該方案實(shí)現(xiàn)了電容的高精度、高效率批量測(cè)試，上位機(jī)界面設(shè)計(jì)友好，設(shè)備自動(dòng)化程度高，下位機(jī)實(shí)時(shí)響應(yīng)快，設(shè)備運(yùn)行安全，模塊之間通信可靠，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電磁工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。該方案對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中研發(fā)芯片電容自動(dòng)化批量檢測(cè)設(shè)備具有一定參考價(jià)值。

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