集成電路測試是集成電路產業鏈的重要組成部分。在對集成電路進行在片測試時,需要對整個晶圓進 行測試。文中以 Cascade Summit 12000 半自動探針臺為例,設計一個由計算機、探針臺、單片機 實驗箱、測試電路組成的簡易自動測試平臺。自動測試軟件在安捷倫IO 庫提供的程序范例基礎上開發,編程語言 為 VB.NET。最后對某公司的 RFID 晶圓進行測試,結果表明系統運行情況良好,測試效率高。
隨著移動通信和消費類電子產品需求不斷增長,在國家 政策對集成電路行業的重點扶持下,集成電路迎來發展的 春天。
測試是集成電路產業鏈的重要環節。設計階段的測試一般用于驗證設計的正確性或者設計方案的改良,測試方法可以是在片測試或者鍵合測試。如果集成電路已經切片且數量較少,可以選擇在片測試或鍵合測試;如果尚未切片,芯片數量較多甚至是整個晶圓,只能選擇在片測試。在片測試離不開探針臺,探針臺可以通過探針直接把信號從集成電路的焊盤輸入 / 輸出。
探針臺分為手動、半自動和全自動三種。全自動探針臺可以自動裝片、自動對準,可以對測試數據進行打印,使用方便,測試效率高,但價格昂貴。本文以 Cascade Summit 12000半自動探針臺(以下簡稱 Cascade 探針臺)為例,探討如何充分利用半自動探針臺提供的編程接口控制探針移動,測試整個晶圓上的所有集成電路。該系統經過擴展 后,可作為由多個測試儀器組成的自動測試平臺的一部分。
Cascade 探針臺支持 8 英寸晶圓,定位精度為 0.1 μm,可以應對大部分測試場合。
1 Cascade探針臺通信模型
Cascade 探針臺提供 4 種操作方式:一種是安裝在探針臺專用計算機上的控制軟件 Nucleus,另外三種是用戶編程接口。為了安全起見,探針臺專用計算機而不允許安裝其他 無關軟件,因此自行設計的控制軟件只能安裝在其他計算機 上,通過 RS 232 或者 GPIB 接口與探針臺專用計算機連接,并由探針臺專用計算機上的命令接口和驅動程序與探針臺連接。由于 GPIB 傳輸數據更快,功能更強,并可以跟多種儀器組成總線系統,構成自動測試平臺,因此本文采用 GPIB接口。
2測試系統
探針臺和探針臺專用計算機是探針臺購置的整體配置, 計算機通過 USB-GPIB 轉換卡和探針臺專用計算機連接。晶 圓上的集成電路單元(DIE)的焊盤(PAD)通過探針和專用電纜連接到外部電源或測試設備。針對待測集成電路的 功能設計一個專用測試電路。如果測試通過,則輸出一個 TTL 高電平,否則輸出低電平。計算機通過 RS 232 和單片
機相連,控制單片機向測試電路發出測試指令,等待一段時 間后,單片機如果收到高電平信號則判斷為測試通過,否 則為測試失敗。測完一個集成電路單元(DIE)之后,自動
測試軟件向探針臺發出一系列指令,控制探針臺移動到下 一個 DIE。
3編程方法
Cascade 探針臺支持 3 種指令:GPIB 指令、Meta 指令 和 SCPI 指令。GPIB 指令用于讀取、設置、清除 GPIB 狀態 報告寄存器 ;Meta 指令用于控制系統級功能,例如設置計算 機是否顯示指令或者返回值;SCPI 指令是控制指令的核心,
用于控制探針臺的各種動作,例如打開或者關閉真空泵、接 觸或者分離探針、控制探針臺移動等。
要通過 GPIB 控制 Cascade 探針臺,首先需要準備一 根安捷倫 USB-GPIB 轉接線, 安裝安捷倫 IO 庫(Agilent IOLibraries Suite 14.0)。安捷倫 IO 庫提供 USB-GPIB 轉接線 的驅動程序以及 VB.NET,C#,C++ 的編程范例,編程范例 中有很多操作 GPIB 的函數,用戶可根據自己的編程喜好找 到合適的工程范例,在此基礎上修改即可。本文以 VB.NET 作為編程語言。與 GPIB 操作有關的函數主要有:
打開GPIB :ioDmm.IO()= mgr.Open(ioAddress)
關閉GPIB :ioDmm.IO.Close()
發送數據:ioDmm.WriteString(CmdToSend.Text)
讀取數據 :Str = ioDmm.ReadString
與自動測試有關的 SCPI 指令主要有(SCPI 指令以冒號
開頭,不可省略):
接觸探針 ::mov:down 2
分離探針 ::mov:up 2
讀取當前坐標 ::mov:prob:abs:die?
移動到某個坐標::mov:prob:abs:dieXY
移動到下一個 DIE ::move:probeplan:next:die
開始測試時,先用程序控制探針移動到最后一個 DIE,
讀取坐標并作記錄,再移動到第一個 DIE,經過接觸探針、 測試、分離探針、移動到下一個 DIE、讀取當前坐標、判斷 是否結束,組成一個循環。如果當前坐標是最后一個 DIE 的
坐標,則循環結束,測試完畢 ;否則繼續測試。
4測試過程
Cascade 探針臺作為一種比較復雜的精密儀器,測試前
除了要做常規準備工作之外,還包括針對程序控制自動測試 的步驟。自動測試的主要步驟如下 :
(1)開機,打開 Nucleus 軟件,初始化 Nucleus ; (2)裝載晶圓 ;
(3)校準晶圓、DIE 尺寸計算 ;
(4)制作 WaferMap 并設置參考 DIE ;
(5)移動探針到參考 DIE 并設置接觸 / 分離高度 ; (6)開啟自動測試軟件,設置 GPIB 端口地址,使得自
動測試軟件的 GPIB 地址與 Nucleus 的 GPIB 地址相同。
其中制作 WaferMap 包括 :設置晶圓尺寸、DIE 尺寸和
空隙、去掉晶圓邊沿不完整的 DIE、選擇測試順序等步驟。 如果不是整個晶圓的自動測試,則步驟(3)、步驟(5)可
以省略。
5測試結果
本自動測試系統為某公司測試了 RFID 集成電路晶 圓,使用的設備包括 :Cascade 探針臺、筆記本電腦、單片 機實驗箱、RFID 讀卡器。整片 RFID 晶圓共 13 500 個 DIE, 其中 13 220 個測試通過,良品率為 97.9%,表明集成電路設計和試生產是成功的。測試過程中,各種儀器設備和自動測試軟件運行良好,探針無跑偏現象。測試共耗時 4.5 h。
6總結
Cascade 半自動探針臺的操作軟件 Nucleus 對測試整個晶圓的集成電路單元無能為力。晶圓上的集成電路單元有數 千甚至數萬個,直接用 Nucleus 手工測試幾乎是不可能完成的事情。這時可以利用探針臺提供的編程接口,設計一個自動測試軟件,探針臺可以根據晶圓和集成電路單元的尺寸特點,自動遍歷測試晶圓上 的所有集成電路單元,并記錄測試結果,大大了提高測試效率。
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