利用RSS公差分析法來優化測試硬件設計

趙春華

摘要：在半導體芯片測試中，測試巢和測試插座是兩個關鍵部件。設計出具有良好測試效果的測試巢和插座是非常重要的。如何實現這一目標是每個測試硬件設計師都非常關心的問題。本文主要介紹了什么是RSS公差分析方法，RSS公差分析法的計算步驟，以及如何利用公差分析法對測試硬件進行優化設計。最后以17x17BGA 封裝為例，優化測試巢和插座的關鍵尺寸公差，展示優化前后接觸良率的結果對比。

關鍵詞：測試巢測試插座公差分析半導體封裝

一、測試巢和插座在半導體測試中的重要性

在半導體芯片測試中，測試巢和插座是兩個關鍵部件，用于連接測試電路板和待測芯片。每種芯片的封裝都對應至少一款測試巢和插座，目前生產常見的芯片封裝有3000多種，對應的測試巢/插座數不勝數. 隨著半導體封裝工藝的持續改進，測試巢和插座的設計也需要不斷更新迭代。而且不同的測試機對測試巢和插座的要求不同，所以隨著測試機的更新換代，測試巢和插座設計理念也推陳出新，越來越復雜。

嚴謹可靠的測試巢和插座設計不僅可以保證生產維持較高的測試良品率，而且還能減少停機檢修時間，從而提高生產效率。這兩個部件雖然很小，但是一旦有問題，影響的卻是整個公司效益，小則延誤產品出貨周期，帶來負面客戶體驗，大則影響公司產品的市場占有率。所以在產品量產之前研制出嚴謹可靠的測試巢和插座至關重要。

二、簡介RSS公差分析法

如何保證測試巢/插座具有良好的測試效果？不僅需要機械加工廠具備較高的加工精度，還需要設計者根據芯片封裝尺寸設定合理的幾何尺寸和公差。太嚴的尺寸公差會提高測試巢和插座的加工成本，太寬松的尺寸公差會降低測試良品率。本文所探討的就是利用RSS公差分析法來分析測試硬件的裝配關系，從而制定出合理的測試巢/插座的幾何尺寸和公差。

RSS（Root Sum Squares）是一種統計方法，將裝配中所涉及到的所有因素的公差都計算在內，進行平方根運算，計算結果就是RSS值，即有效接觸軌跡的半徑。根據RSS結果，為設計測試巢/插座提供合理的幾何尺寸參數。RSS的最初目的就是計算出最壞情況下的接觸位置。

三、運用RSS公差分析法的步驟

第一步：創建被測器件的封裝模型和測試巢

依據實物測量的數值和封裝工藝使用的模具設計圖來創建被測器件的封裝模型。本文主要探討非管腳封裝類型，例如BGA/QFN/LGA 等。關鍵尺寸是：外形長寬尺寸，總厚度，有效定位厚度，焊盤或焊錫球大小和間距。

第二步：選取所有影響接觸性能的配合因素

通常影響測試接觸性能的配合要素有：

1.測試插座探針孔與探針的配合公差– H（最大探針孔直徑– 最小探針直徑）

2.測試插座探針孔的位置公差– P

3.測試插座各零件之間定位銷的位置公差– D

4.測試插座與測試板定位銷的配合公差 - G

5.測試插座與測試巢之間的配合公差– A

6.測試板與測試系統之間定位銷的配合公差–T

7.測試板探針接觸焊盤尺寸公差- S

第三步：計算被測器件在測試巢中最大的偏移量（SH）

SH=

X方向偏移= 測試巢定位芯片處的最大尺寸 - 被測器件X方向最小尺寸

Y方向偏移= 測試巢定位芯片處的最大尺寸 - 被測器件Y方向最小尺寸

第四步：計算RSS的數值

RSS的計算公式如下：

RSS =

RSS計算出的是測試探針接觸被測芯片焊盤時所有可能的軌跡范圍。它是一個圓圈的半徑值。

第五步：根據RSS計算結果，檢查測試巢/插座設計是否合理

很顯然，軌跡的直徑一定要小于被測芯片的焊錫球直徑或焊盤最小寬度。用RSS乘以2 跟焊錫球、焊盤直徑的比率進行判斷。Ratio= RSS*2 / Terminal。比率Ratio越小，接觸性能越好，但是加工精度提高，成本會提高。

為了方便使用RSS公差分析法，可以用excel 做一個模板，根據上述的理論編輯好公式算法，以后每當設計完成，使用這個模板，填入項目的參數，即可很快的計算出RSS 比率，選出最優的設計尺寸和公差。從而極大地節約工程師設計時間。

四、以17x17BGA封裝為例進行RSS公差分析

17x17BGA 有很多種不同的焊錫球封裝，有289個球的，404個球的，256個球的，和208球的。它們的外形尺寸公差范圍較大，焊錫球的直徑和公差也不同。下面是每種封裝實際尺寸范圍：

404BGA17x17_5343 外形尺寸：16.89mm ～16.98mm 焊錫球直徑：0.35mm ～ 0.45mm

400BGA17x17_5284外形尺寸：16.96mm ～17.01mm 焊錫球直徑：0.4mm ～0.5mm

256BGA17x17_5246 外形尺寸：16.87mm ～16.96mm 焊錫球直徑：0.4mm ～ 0.6mm

208BGA17x17_5253外形尺寸：16.92mm ～17.03mm 焊錫球直徑：0.5mm ～ 0.7mm

289BGA17x17_5235 外形尺寸：16.89mm ～17.00mm 焊錫球直徑：0.5mm ～ 0.7mm

假設測試插槽的定位尺寸設計為17.08+0.03mm。根據上述RSS計算方法可以得出：

404BGA17x17_5343 的封裝，RSS比率為99%～125%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）用于生產將會有接觸不良的問題，測試插槽設計需要優化。

400BGA17x17_5284的封裝，RSS比率為74%～99%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不存在接觸不良的風險。

256BGA17x17_5246的封裝，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不能100%接觸良好。當焊錫球直徑大于0.45mm時，RSS比率低于99%，沒有接觸不良的風險。當焊錫球直徑小于0.45mm時，RSS比率為102%～112%，存在接觸不良的風險，測試插槽設計需要優化。

208BGA17x17_5253的封裝，RSS比率為61%～85%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不存在接觸不良的風險。

289BGA17x17_5235 的封裝，RSS比率為62%～89%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不存在接觸不良的風險。

針對接觸不好的封裝芯片，5343 和5246，優化測試插槽尺寸為17+0.03mm，再次帶入RSS運算模板。根據表格計算結果可知，測試插槽尺寸為17+0.03mm 時，5246接觸不良的問題，可以被徹底改善。經過實際生產驗證，使用改善后的測試插槽，良品率提高了約5個百分點。但是5343的封裝，當封裝焊錫球直徑小于0.4mm時，仍然會有接觸不良的風險，這種情況需要跟封裝工藝工程師溝通，可以加大封裝的外形尺寸，或者擴大封裝焊錫球的接觸面積。

綜上所述，RSS公差分析法是一種簡單有效的方法，在半導體測試硬件設計中為工程師極大的節約設計時間，同時保證測試硬件設計合理，提高首次成功的概率。

（作者單位：恩智浦半導體中國有限公司）