基于Castle型機(jī)械手的三溫量產(chǎn)測試平臺實現(xiàn)

戴強(qiáng)

摘要：本文首先闡述了雷達(dá)用射頻接收芯片對于三溫量產(chǎn)測試迫切需要，接著對三溫量產(chǎn)測試的實現(xiàn)平臺進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括自動測試系統(tǒng)和機(jī)械手。闡述了關(guān)鍵連接硬件測試板和配套件的設(shè)計和實現(xiàn)，自動測試系統(tǒng)的測試程序開發(fā)和機(jī)械手的軟件設(shè)置。引入多芯片的并行測試，優(yōu)化完善測試程序，有效的提高了測試效率，降低了測試成本，仍需克服帶來的相關(guān)影響，提高量產(chǎn)測試技術(shù)。

關(guān)鍵詞：自動測試系統(tǒng)；三溫量產(chǎn)；機(jī)械手；測試程序；多芯片并行測試

中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0110-02

隨著近些年來集成電路在雷達(dá)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用需求，雷達(dá)系統(tǒng)中核心的接收和發(fā)射單元逐漸被射頻接收和發(fā)射芯片代替，這就對芯片的量產(chǎn)篩選測試提出了要求，包括測試環(huán)境的能力、穩(wěn)定性和可靠性。芯片的三溫測試就是其中之一，考慮到將來芯片應(yīng)用場景，保證芯片在一個大的溫度范圍內(nèi)都要保證性能和穩(wěn)定性，必須對芯片進(jìn)行常溫、低溫和高溫條件下的測試。為了實現(xiàn)芯片量產(chǎn)化三溫測試，通過使用機(jī)械手與測試系統(tǒng)搭建量產(chǎn)測試平臺，是業(yè)內(nèi)的主流解決方案，提升量產(chǎn)效率，降低成本則是不斷探索追求的目標(biāo)[1]。

集成電路的量產(chǎn)測試技術(shù)隨著設(shè)計技術(shù)能力的不斷突破而提升，其要求就是高效率的完成對待測芯片的性能參數(shù)篩選，保證芯片在應(yīng)用中的可靠性。目前業(yè)內(nèi)通用類量產(chǎn)篩選平臺主要包括自動測試系統(tǒng)和機(jī)械手，利用GPIB實現(xiàn)軟硬件的協(xié)調(diào)控制。

1 自動測試系統(tǒng)介紹

自動測試系統(tǒng)（Auto Test Equipment，ATE），是一種通過高性能工作站控制的各類測試模塊的集合，工作站通過運行測試程序的指令來控制測試硬件。測試系統(tǒng)最根本的標(biāo)準(zhǔn)是高效且可靠地重復(fù)實現(xiàn)的測試結(jié)果，滿足速度、可靠性和穩(wěn)定性[2]。圖1-1是目前芯片量產(chǎn)測試較為成熟完善的測試系統(tǒng)，ADVANTEST V93000是數(shù)模混合和射頻信號測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于可擴(kuò)展、單一平臺構(gòu)建的超大規(guī)模模擬射頻集成電路自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠覆蓋各種射頻芯片的測試要求，為目前所有SoC RF芯片測試提供性能優(yōu)異的解決方案[3]。

2 機(jī)械手原理

機(jī)械手的主要功能就是對芯片的抓取分揀、摁壓測試和溫度控制，它將整批次的待測芯片分別傳送到測試區(qū)域，通過ATE完成測試后，根據(jù)測試結(jié)果反饋將芯片分類擺放，在這個過程中還可以實現(xiàn)對芯片的加溫和降溫。機(jī)械手的主要能力表現(xiàn)為傳輸速度、溫控精度和并行度三個方面。

圖1所示為Castle機(jī)械手，溫度控制范圍為-60℃至160℃，最大可支持X8并行測試。

3 量產(chǎn)測試環(huán)境搭建

根據(jù)雷達(dá)用射頻芯片的測試要求，我們基于Castle型機(jī)械手完成在V93000自動測試系統(tǒng)的量產(chǎn)測試環(huán)境搭建。機(jī)械手與測試系統(tǒng)的硬件連接則是通過測試接口硬件來完成，測試接口硬件主要包括測試板、測試配套件（kit）和測試座，以及機(jī)械手與測試系統(tǒng)相連接的相關(guān)硬件機(jī)構(gòu)等。他們相互配合分別在物理以及電性上起到連接機(jī)械手與測試系統(tǒng)的作用。

3.1 測試板

根據(jù)待測芯片參數(shù)測試要求，通過使用Cadence、PADS和Protel等工具設(shè)計實現(xiàn)測試板，保證各類測試信號在板級上的傳輸質(zhì)量，要進(jìn)行合理的布局布線、阻抗匹配仿真[4]和材質(zhì)選擇加工。測試板的設(shè)計完成不僅僅可以實現(xiàn)與ATE測試資源的連接，還是與機(jī)械手物理連接的橋梁。

3.2 測試配套件（kit）

測試配套件是各個型號機(jī)械手針對不同封裝類型芯片定制的承載配件，它包括機(jī)械吸頭和傳送船。由于配套件要實現(xiàn)對芯片的吸取、拾放和傳送，為了避免對芯片噪聲損傷，對其設(shè)計要求極其嚴(yán)格，吸頭的材質(zhì)，傳送船的船槽大小在三溫測試環(huán)境下影響明顯。因此我們對傳送船的船槽底部進(jìn)行“米”字形開槽，減少接觸芯片面積，可防止損傷管腳，還可以盡可能的避免低溫測試時結(jié)霜粘連芯片。

4 量產(chǎn)測試軟件實現(xiàn)

4.1 測試系統(tǒng)程序開發(fā)

基于V93000測試系統(tǒng)進(jìn)行測試程序開發(fā)，根據(jù)待測芯片的測試項目要求進(jìn)行編寫，完成各類電特性測試，并將測試結(jié)果通過GPIB/RS232實時反饋給機(jī)械手。測試程序中還需要對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔統(tǒng)計，提供給測試工程師和設(shè)計工程師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用于檢驗測試可靠性和提升量產(chǎn)良品率。V93000的測試程序是基于C++環(huán)境進(jìn)行開發(fā)的，測試程序的開發(fā)與調(diào)試是一個十分復(fù)雜和繁瑣的過程，不僅需要根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊要求，還要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境對測試條件進(jìn)行適當(dāng)科學(xué)的調(diào)整，使得在量產(chǎn)中能夠得到一個較高的良品率，這就需要測試工程師不斷實踐積累的經(jīng)驗進(jìn)行支撐。

在測試程序開發(fā)過程中可以通過Timing Diagram和Signal Analyzer對數(shù)字模擬信號時域頻域輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖所示，對ADC串行輸出數(shù)據(jù)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換所得的頻域信息，顯示結(jié)果與測試程序計算吻合，可驗證整個測試過程中對待測芯片的設(shè)置測試正常。

4.2 機(jī)械手軟件設(shè)置

機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)在高低溫條件下對待測芯片的篩選測試流程，芯片在進(jìn)出料分類區(qū)、溫度浸泡區(qū)、測壓區(qū)和溫度恢復(fù)區(qū)進(jìn)行流轉(zhuǎn)，如圖2所示。整個流程的控制則需要軟件對各個模塊進(jìn)行設(shè)置完成[5]。

機(jī)械手中的主要設(shè)置如下：

（1）料盤設(shè)置：首先設(shè)置料盤Tray的尺寸，需要四個關(guān)鍵參數(shù)的尺寸，分別是水平方向上兩個相鄰芯片之間的間距，水平方向上最外側(cè)芯片到Tray盤邊緣的距離，垂直方向上兩個相鄰芯片之間的間距，垂直方向上最外側(cè)芯片到Tray盤邊緣的距離。

（2）取放料坐標(biāo)設(shè)置：設(shè)置X、Y、Z三個方向上的坐標(biāo)設(shè)置，其中X、Y軸的坐標(biāo)主要是準(zhǔn)確定位芯片的位置，Z軸的坐標(biāo)主要是控制芯片壓在測試座內(nèi)的深度。

（3）三溫測試設(shè)置：設(shè)置高溫、低溫的溫度，設(shè)定測試溫度浸泡的時間、恢復(fù)溫度和恢復(fù)時間，在本項目中待測芯片高溫為120度，低溫為-40度，浸泡時間為30秒。

4.3 并行測試

節(jié)約芯片的測試成本、提高測試效率的重要手段就是進(jìn)行多芯片的并行測試，根據(jù)ATE測試資源和機(jī)械手的最大并行度，進(jìn)行多芯片的并行測試。

多芯片并行測試技術(shù)雖然可以顯著的降低測試成本，但也帶來相應(yīng)的不良影響，多芯片的測試板設(shè)計難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單芯片測試板，尤其是射頻信號在板級的相互串?dāng)_，使得各個測試位之間的相互影響會愈加明顯，比如各個測試位良品率的不一致問題，有電特性上的影響也有物理機(jī)械上的影響，這樣就經(jīng)常會遇到某個或某幾個測試位良品率偏低的情況。并行測試技術(shù)一直是我們不斷探尋完善的研究方向。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于Castle型機(jī)械手的芯片量產(chǎn)測試實現(xiàn)，對測試過程中所使用的測試系統(tǒng)、設(shè)備和其他硬件做了比較詳細(xì)的介紹，通過量產(chǎn)測試平臺的實現(xiàn)，提高了生產(chǎn)效率，降低了測試成本，使得提供用戶的芯片得到了有效保障。

參考文獻(xiàn)

[1]劉紅梅，陳文苑.中國集成電路產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展之路探析[J].當(dāng)代經(jīng)濟(jì)，2017，（4）：69-71.

[2]周萬成.半導(dǎo)體測試設(shè)備選型研究[M].蘇州：蘇州大學(xué)，2012：25-27.

[3]Verigy.Verigy V93000 SOC RF measurement suite user guide[M].The Federal Republic of Germany，2007，43-77.

[4]陳麗飛.射頻電路PCB的設(shè)計技巧[J].電子設(shè)計工程，2013，181-183.

[5]Delta Design， Castle Lx CE Handler Setup and Service Manual，2005.