半導體測試板自動裝卸車的開發與應用

文/周凱旋

在通常情況下，半導體存儲芯片在封裝前要做一系列老化測試，需要將芯片裝入測試板，再將測試板裝入老化測試爐中進行高低溫老化測試。以往該生產工藝完全由人工完成，即工人將一整車測試板推行至測試爐，將一車32片、每片5公斤的測試板一片一片插入測試爐軌道；測試完成后再由人工一片一片從爐子內取出，裝回推車，整個過程要搬料、彎腰來回重復64次，勞動強度大，極易損傷腰背、手臂，因此操作工人流動性大，生產成本高，同時單片搬運容易引發芯片污染、受損等問題。

現代社會對半導體芯片的需求越來越旺盛，由此帶來更高效率和良率的生產工藝自動化升級要求，原有的生產工藝很難再滿足實際的生產工況要求，需要引入測試板自動裝卸、轉運設備對其做自動化改造升級。

一、半導體芯片的封裝測試工藝

半導體生產流程如下：由晶圓制造、晶圓測試、芯片封裝和封裝后測試組成。半導體封裝測試是指將通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。 封裝過程為：來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后，被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應的基板（引線框架）架的小島上，再利用超細的金屬（金、錫、銅、鋁）導線或者導電性樹脂將晶片的接合焊盤（Bond Pad）連接到基板的相應引腳（Lead），并構成所要求的電路；然后再對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護，塑封之后，還要進行一系列操作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋和成型（Trim&Form）、電鍍（Plating）以及打印等工藝。封裝完成后進行成品測試，通常經過入檢（Incoming）、測試（Test）和包裝（Packing）等工序，最后入庫出貨。典型的封裝工藝流程為：劃片、裝片、鍵合、塑封、 去飛邊、電鍍、打印、切筋和成型、外觀檢查、成品測試、包裝出貨。

在半導體測試過程中，分選機將幾千個同一型號的芯片裝入一片測試板，而將32片測試板裝一車轉運進入一個測試烤爐，因而測試板的裝卸搬運是一道基礎工序，但因傳統工藝流程中該工序的自動化程度不足，使其運行效率較低，越來越無法適應當前高效、無人化、自動化的半導體芯片生產要求，因此半導體測試板裝卸搬運也成為整個生產工藝流程升級的重點關注對象。

圖1 應用場景

二、應用場景與需求分析

自動轉運裝卸車需要替代人力推車，其裝載量為32片測試板，總重量160～192kg，物料在裝卸、轉運過程中不與人接觸，裝入物料和卸除物料均由動力機構完成，裝載轉運的兩頭對接的設備是中轉站和測試爐，通過自動對接機構與中轉站和測試爐對接掛靠，并且能識別不同的設備（同種設備也有不同的高度差異），對接后各機構根據預先設定的參數自動調節與中轉站或測試爐的料軌對齊，由推拉料機構完成32片測試板在三種設備之間的裝卸轉移。由于車重加物料總重將近400kg，需要增加電動驅動輪，由人員操作行駛。

1.車體結構

要求車體重量低，強度高，結構緊湊，尺寸與現有推車相仿，耐沖撞。按此要求采用鋁型材和鋁合金材質設計車體框架結構。因需對接擁有32層物料的測試爐，所有裝卸車設置32層托料結構。

2.動力機構

裝卸自動化要求能將32層測試板整體裝入和卸除，考慮到測試板的扁平結構，抓料機構采用有32片料爪的推拉機構，每一片料爪鉤掛一片測試板，裝載時拉入托料軌道，卸除時推出托料軌道。測試并計算推拉摩擦系數為0.5，總推力為80～96kg，推拉驅動機構采用傳動力大且定位準確的齒輪齒條傳動機構。因要與測試爐和中轉站對接，即不同設備托料軌道的對接，故裝卸車托料軌道須具有升降功能，采用大傳動比、大載荷、能自鎖的梯形絲桿傳動。裝卸車由動力電池供電，需設計電源管理系統。

3.對接機構

測試爐不可改動，要實現裝卸車與爐子的對接，不能在爐子上加裝任何機構，只能在地面上安裝固定的掛靠機構，由裝卸車底部的對接機構自動對接掛靠，脫離時又能方便操作離開，對接要有信號感應，對接還應考慮地面不平、測試爐傾斜等不利因素，故此采用左右頂升機構，當地面不平或爐子傾斜時由頂升機構調節對齊。

4.自動對接

測試車間的爐子有上千臺，中轉站配置十幾臺，而裝卸車只需要幾十臺，每一臺爐子和中轉站的高度、傾斜角度、地面情況都不同，如何能保證少數的裝卸車準確對接多數測試爐及中轉站，將是項目成功的關鍵。設計考慮由裝卸車去識別每一臺測試爐和中轉站，并讀取對接參數，根據參數自動調節。

5.防靜電要求

芯片生產環境須嚴格避免和消除靜電，裝卸車車體和地面之間能導電，車輪、車體材料采用防靜電材質。

6.防護和防撞

車體須有外殼保護，避免身體任何部位進入車體被動力機構傷害，同時要留有觀察孔和窗，車輛行駛過程中應有預判和防碰撞機構。

三、半導體自動裝卸車設計

1.車體框架

半導體測試板自動裝卸車有框架結構、推拉料機構、托料軌道、升降機構、對接機構、頂升機構、電源模塊、行駛機構、防撞系統、控制系統和操作面板等模塊構成。車體框架為鋁合金及型材結構，一側安裝有操作面板，車體頂部安裝有掃碼槍，車體內部兩側安裝升降滑軌，左右兩套托料軌道機構安裝在滑軌上。托料軌道中間、車體內框架底部和頂部安裝推拉料軌道，在運行過程中，由推拉料機構完成測試板的裝卸，與托料軌道配合，確保測試板移動過程平穩順暢。對接機構、頂升機構、電源模塊安裝在推拉料機構下部、車體框架底部。

系統控制面板提供參數設置、生產數據、報警信息和操作按鈕，操作人員通過控制面板可調節各機構的運行參數，監控各傳感器、電機機構、電源系統、防撞系統的運行狀態，并通過自動或手動模式操作裝卸車進行生產運行。

2.系統組成

（1）托料軌道

托料軌道有左右兩套，安裝在車體內框左右滑軌上，分別由頂部的伺服電機和梯形絲桿傳動做升降運動，每套托料軌道有32根料軌，同一高度的左右兩根料軌托起一片測試板，可裝載32片測試板。通過左右升降機構的獨立運動，裝卸車料軌可調節左右偏差與中轉站或測試爐的料軌對齊，也可整體升降對齊。

（2）推拉料機構

推拉料機構豎直設置在左右料軌中間，沿著上下各一根齒條和兩根滑軌移動，由減速伺服電機和上下齒輪傳動。推拉料機構上設置有可掛住測試板邊沿的料爪，對應32個，料爪由減速電機和絲桿傳動在豎直方向升降。通過操作面板設定推拉料行程。

（3）對接機構

對接機構設置在底部，由掛鉤、傳感器、聯軸器、導向輪、彈簧、脫扣連桿等組成，當裝卸車與對接設備靠近時，由左右兩側的導向輪定位，掛鉤與設備連接掛靠；需要脫離時，用腳推動脫扣連桿即可脫離對接。

（4）自動調節系統

自動調節系統包括：掃碼槍、激光傳感器、光電傳感器、頂升機構，自動裝卸車最重要的是能夠識別不同的對接設備，以少數對接多數，且滿足料軌對接精度，減少對測試板的磨損。本系統的解決方案是，在車體頂部安裝掃碼槍，使用一臺標準的裝卸車與每臺測試爐和中轉站進行對接調試，獲得對接參數，如：料軌高度、左右偏差、料爪行程、推拉料機構行程、左右頂升行程等，加上對接設備的類型、編號，一同寫入二維碼，打印二維碼貼紙粘貼在測試爐或中轉站上，對接時掛鉤傳感器獲得信號觸發掃描槍掃描二維碼，各機構根據二維碼參數自動進行調節，調節完成后根據行程參數自動運行裝卸工作。

（5）其他機構

除上述機構和系統，自動裝卸車還配備有充電電池及電源管理系統、超聲波雷達防撞系統、電動輪和操作把手、防掉料的自動擋料機構、防護外殼、行走聲光警示系統等。這些機構能從多方面保證安全、自動化、防呆，提高設備的可靠性和安全系數。

四、半導體測試板自動裝卸車的應用

圖2為半導體測試板自動裝卸車的結構組成，以及推拉料機構組成。各機構包括：框架、掃描槍、料軌、操作面板、行駛把手、推拉料機構、電控箱、電池、對接機構、頂升機構、電動輪等等。

圖2 半導體自動裝卸車結構

圖3為半導體測試板自動裝卸車的對接機構示意圖，實現方案是：在測試爐底部安裝對接塊，通過裝卸車底部的對接機構和導向輪與對接塊掛靠，實現機械對接；通過調試確定料軌的升降高度、頂升機構的升降高度、推拉機構的行程、推拉速度等參數，生產二維碼并打印成貼紙，粘貼在測試爐掃描位置；裝卸車與測試爐對接后觸發掃碼槍掃描二維碼，控制系統解碼得到各機構參數并自動調節，完成對接過程，如圖4所示。

圖3 對接機構示意圖

圖4 裝卸車與測試爐對接示意圖

根據測試生產工藝，自動裝卸車的運用有四種應用工況。

1.測試板從手推車通過中轉站向自動裝卸車中轉轉移

在設備投入生產前，設置自動裝卸車和中轉站的對接參數，寫入二維碼并調試好。手推車和裝卸車同時與中轉站對接，對接時裝卸車通過掃碼自動調節料軌對齊；運行時，中轉站的動力機構將測試板從手推車拉入中轉通道，機構避讓出通道，自動裝卸車的推拉料機構再將測試板從中轉通道拉出并拉入裝卸車，完成測試板中轉裝載；作業員操作裝卸車與中轉站脫離，使用行駛把手將裝卸車轉移到測試爐。

2.自動裝卸車將測試板推入測試爐

同樣的，在投產前設置自動裝卸車和測試爐的對接參數并寫入二維碼。操作裝卸車與測試爐對接，自動調節各機構使料軌對齊，推拉料機構推動測試板裝入測試爐，機構退回，裝卸車脫離測試爐。

3.自動裝卸車將測試板拉出測試爐

測試完成后，裝卸車空車與測試爐對接，自動調節料軌對齊，推拉料機構將測試板從測試爐拉出裝載，脫離測試爐。

4.測試板從裝卸車通過中轉站向手推車中轉轉移

裝卸車和手推車同時與中轉站對接，裝卸車將測試板推入中轉站料軌，機構退回，中轉站再將測試板推入手推車，兩車脫離中轉站，完成中轉。

自動裝卸車及配套的對接裝置、中轉站自2019年年初開始研發，經過產線運行測試，2020年升級到第四版，同年上半年導入小批量設備經過半年的試生產，各運行指標均滿足了生產要求，同時在競標中領先于美國同型號設備，效率和可靠性得到了客戶的認可，2021年上半年已全面導入某國際半導體芯片大廠在國內的兩個工廠，并開始在國外的兩個工廠進行適應性測試和試生產。

五、結論

測試板自動裝卸車根據應用場景需求開發解決方案，經過不斷迭代改進，成功應用在半導體存儲芯片生產工藝過程，其與裝卸中轉站的應用解決了封裝測試環節中最大的人力消耗問題，有效降低產線工人工作強度，同時因人工搬運裝卸而引發的測試板受損問題也得到很大改善，裝卸車及配套設備現已批量投產，實現了產線自動化生產。經過驗證，該設備的技術水平和生產性能領先于美國同類型設備，成功實現了該類半導體生產設備的國產化。