基于數字孿生技術的晶圓級測試平臺

李 斌，胡曉霞,，呂 磊,，王進瑞

(1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176；2.三河建華高科有限責任公司，河北燕郊 065201)

隨著復雜系統診斷、預測和系統健康管理技術的不斷發展，在新興的工業信息系統和工業智能的推動下，數字孿生（Digital Twin）技術成為智能制造領域和復雜系統智能運行以及維護領域的新興研究熱點。

數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。作為一種充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術，數字孿生技術面向產品全生命周期過程，發揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務[1]。

數字孿生已經走過了幾十年的發展歷程。實際上，自從諸如CAD數字化的“創作”手段出現，就已經創立了數字孿生的源頭，CAE仿真手段的誕生，讓數字虛擬和物理實體走得更近，系統仿真的發展，讓數字虛擬更接近物理實體，直至比較系統的數字樣機技術問世，數字孿生技術才步入成熟期。發展至今，人們發現在數字世界做了這么多年的數字設計、仿真結果，越來越虛實對應，越來越虛實融合，越來越廣泛應用，數字虛體越來越賦能物理實體系統[2]。

數字孿生是一個普遍適應的理論技術體系，可以在眾多領域應用。目前在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用較多[3]。

1 晶圓級測試系統技術現狀

近年來，數字孿生在工業領域不斷成熟，在機械產品可靠性測試、生產車間智能監控、復雜產品裝配技術以及物流配送等場景已成功應用，實現了對物理實體的在線監測、仿真及決策，具有實時性與保真性[4]。

在半導體生產領域，尤其在晶圓級測試領域數字孿生技術還未大量推廣應用。大部分屬于單機設備或聯線設備，數據存儲于設備端或者服務器端，但是對于設備的物理信息與故障維護尚未數字化、智能化，造成各個設備系統形成信息孤島，集成困難，更無從實現集中采集數據、智慧聯動、健康管理，如圖1所示。隨著半導體工藝技術的不斷提升，生產線智能化設備、設施數量不斷增加，智能化的設備系統需求也更加迫切。

圖1 晶圓級測試聯線設備

一方面人工現場設備維護越來越難，維護成本越來越高，而另一方面用戶對設備的維護要求也不斷提升。傳統的依靠人工巡視、值守、人工開關控制；各個系統獨立控制；維護人員后知后覺的維護狀態已經不能適應現狀。隨著互聯網的發展，用戶希望能夠通過互聯網對相關設備進行遠程診斷和維護，這樣可以減少維護工程師到現場的時間和費用，不僅節約了大量的人力和物力的成本，同時也能提供更為快捷的服務，減少客戶的損失。可以通過設備廠商的專家來進行系統診斷，服務效率和質量大大提高。還可以通過一些預警或者預案處理，避免故障發生后的損失。同時，在進行設備遠程維護的過程中收集大量設備運轉參數，為設備制造商的后續產品改進設計提供更多分析數據。

2 數字化晶圓級測試系統構建

面對晶圓級測試領域的維護需求，以數字孿生為主要建設理論，嘗試構建一個具有設備管理、設備監控、遠程預警、遠程診斷、遠程指導、維護保障、遠程故障處理、設備優化、數據分析、備件管理等功能的數字孿生平臺。

數字孿生的三大組成部分分別是現實空間中的物理實體，虛擬空間中的虛擬產品以及連接物理實體與虛擬產品之間的信息通道。對應這三個部分，構建的系統框架如圖2所示。

圖2 數字孿生系統構建

2.1 物理實體平臺搭建

物理實體平臺主要對應具體的物理設備，需要設備的自動化控制部分配置具有程控功能的傳感器，單獨研制數據采集及控制板卡，實現設備狀態數據的采集和設備控制功能。對本身具有遠程控制功能的設備，需要研制協議轉化板卡，將設備廠商的協議轉化為系統統一的協議實現設備狀態采集和控制。

所有的數據采集卡或者協議轉換卡都通過信道連接到網關上，由網關調度控制。連接的信道可以有多種形式，無線的方式有：Wifi、ZigBee、NBIoT、藍牙等，有線的方式有以太網、485總線等。

2.2 數字化虛擬平臺建立

數字化虛擬平臺即為服務器的軟件部分，其主要功能體現在設備管理、設備監控、遠程診斷與維護、故障預警與遠程處理和大數據分析與技術改進五個方面。

2.2.1 設備管理

遠程維護系統能夠對所有售出的設備進行管理，包括設備型號、售出時間、運行地點等信息。由于設備運行地具有分布廣、分散的特點，系統提供IP分配方式來查看運行地點，方便進行快速定位。另外系統中應提供關系數據庫展示的能力，以便展示設備管理的信息，如圖3所示。

圖3 設備管理窗口

2.2.2 設備監控

對設備進行遠程監控，通過網絡技術、通信技術，將分散在不同地點的設備數據接入到遠程維護系統中來，對設備運行、易損部件磨損程度及電氣控制系統進行檢查和校驗，便于判斷設備的運行情況。

由于設備型號不同，使用的上位機系統會有一定差異，遠程維護系統應能夠支持與不同上位機系統進行通信。由于設備運行地點網絡條件不同，遠程維護系統應支持通過多種方式進行通信。另外，隨著設備數量的增加，遠程維護系統應能夠容納大量的數據。

對設備的遠程監控還包括視頻監控，維護系統能夠獲取設備關鍵部位的視頻信息，為遠程診斷、故障維護提供視頻信息。

2.2.3 遠程診斷與維護

遠程維護系統的操作員根據設備運行有關的數據、報警、事件等信息，結合設備特性和專家經驗，可對其進行遠程診斷和故障預警，指導用戶按規定及時檢查、調整設備可調整數值至標準范圍，緊固松脫的零件等，及時消除設備隱患。

當設備出現故障后，遠程維護系統可根據故障類型，通知不同的專家、技術人員，便于相關人員與現場取得聯系，盡快排查故障原因、恢復正常運行。

2.2.4 故障預警與遠程處理

通過對設備的遠程監控，遠程維護系統收集了大量的數據，掌握了設備技術狀況的變化和損耗情況，但這些數據需要與設備模型、專家經驗結合，進行分析才能準確地診斷設備預警故障。故遠程維護系統能與設備廠商已有的設備模型、專家經驗總結相結合，才能實現遠程診斷和預警功能。遠程維護系統應具有豐富靈活的通知方式，將設備的故障信息及時告知設備廠商的專家或技術員，以便進行下一步的故障排除和維護工作。

2.2.5 大數據分析與技術改進

結合現有的人工智能技術，在系統中建設人工智能算法模型，對數據進行機器學習處理，將人工智能與運營相結合，逐步實現設備的智能運營，包括提高設備運營可靠性和使用壽命，降低設備運營成本等。

2.3 信息交互協議

通信信道包含設備端的網關軟硬件和服務器端的數據解析、命令發送軟件，如圖4所示。網關向下與設備通信，向上與服務器通信。同時網關還要承擔邊緣計算工作，實現下端區域內的簡單智能聯動，如：檢測到真空信號，則檢查總真空壓力值、I/O控制卡點位、真空閥狀態等；檢測到傳感器異常，則檢查并復位當前位置等。

圖4 基于數字孿生的平臺部署

3 現有的技術方案

3.1 數據交互指令

本方案采用ASCII編碼+產品供應商編碼體系。本方案中使用的編碼如表1所示。

表1 交互指令編碼

在設計中，所有廠商設備的協議轉換應該在網關完成。傳送給服務器統一的數據格式，但是由于廠商的協議復雜調試不方便，同時變化較快。所以部分設備的協議解析沒有放在網關，而是由網關打包，發送到服務器，由服務器負責解析。這樣做的好處是便于調試系統，可以在不修改硬件的條件下，響應供應商的變化；不足是增加了服務器端軟件的復雜度，降低了服務器處理數據的效率。

3.2 訪問平臺建設

采用線上云服務器形式，運用多線程異步處理機制，實現數據上傳與下傳互不影響，增加數據備份算法，保證用戶存儲數據安全可靠。系統前后端分離，前端可支持PC端操作和微信小程序。并設置多級密碼，可滿足用戶同步實時自我監控設備狀態。

打開瀏覽器，輸入www.45prober.com進入平臺登錄，輸入賬戶密碼即可登錄平臺，如圖5所示。

圖5 瀏覽器登錄界面

通過微信端打開“探針設備管理平臺”小程序。具有實時監控、查看歷史數據、通知提醒等功能，如圖6所示。

4 未來發展應用

數字孿生技術是目前前沿技術研究的熱點之一。其價值正在被各專業人員所認同，反映了一種新的、先進的生產管理手段和遠程監控與維護的研究方向。隨著數字孿生技術越來越先進，任何東西都可能有數字孿生[5]。

本文基于數字孿生理論，進行晶圓級測試設備維護系統的探索性構建，希望能夠為半導體相關設備數字孿生技術的未來發展與應用提供一些思考和借鑒。