集成电路测试是集成电路产业链的重要组成部分。在对集成电路进行在片测试时,需要对整个晶圆进 行测试。文中以 Cascade Summit 12000 半自动探针台为例,设计一个由计算机、探针台、单片机 实验箱、测试电路组成的简易自动测试平台。自动测试软件在安捷伦IO 库提供的程序范例基础上开发,编程语言 为 VB.NET。最后对某公司的 RFID 晶圆进行测试,结果表明系统运行情况良好,测试效率高。
随着移动通信和消费类电子产品需求不断增长,在国家 政策对集成电路行业的重点扶持下,集成电路迎来发展的 春天。
测试是集成电路产业链的重要环节。设计阶段的测试一般用于验证设计的正确性或者设计方案的改良,测试方法可以是在片测试或者键合测试。如果集成电路已经切片且数量较少,可以选择在片测试或键合测试;如果尚未切片,芯片数量较多甚至是整个晶圆,只能选择在片测试。在片测试离不开探针台,探针台可以通过探针直接把信号从集成电路的焊盘输入 / 输出。
探针台分为手动、半自动和全自动三种。全自动探针台可以自动装片、自动对准,可以对测试数据进行打印,使用方便,测试效率高,但价格昂贵。本文以 Cascade Summit 12000半自动探针台(以下简称 Cascade 探针台)为例,探讨如何充分利用半自动探针台提供的编程接口控制探针移动,测试整个晶圆上的所有集成电路。该系统经过扩展 后,可作为由多个测试仪器组成的自动测试平台的一部分。
Cascade 探针台支持 8 英寸晶圆,定位精度为 0.1 μm,可以应对大部分测试场合。
1 Cascade探针台通信模型
Cascade 探针台提供 4 种操作方式:一种是安装在探针台专用计算机上的控制软件 Nucleus,另外三种是用户编程接口。为了安全起见,探针台专用计算机而不允许安装其他 无关软件,因此自行设计的控制软件只能安装在其他计算机 上,通过 RS 232 或者 GPIB 接口与探针台专用计算机连接,并由探针台专用计算机上的命令接口和驱动程序与探针台连接。由于 GPIB 传输数据更快,功能更强,并可以跟多种仪器组成总线系统,构成自动测试平台,因此本文采用 GPIB接口。
2测试系统
探针台和探针台专用计算机是探针台购置的整体配置, 计算机通过 USB-GPIB 转换卡和探针台专用计算机连接。晶 圆上的集成电路单元(DIE)的焊盘(PAD)通过探针和专用电缆连接到外部电源或测试设备。针对待测集成电路的 功能设计一个专用测试电路。如果测试通过,则输出一个 TTL 高电平,否则输出低电平。计算机通过 RS 232 和单片
机相连,控制单片机向测试电路发出测试指令,等待一段时 间后,单片机如果收到高电平信号则判断为测试通过,否 则为测试失败。测完一个集成电路单元(DIE)之后,自动
测试软件向探针台发出一系列指令,控制探针台移动到下 一个 DIE。
3编程方法
Cascade 探针台支持 3 种指令:GPIB 指令、Meta 指令 和 SCPI 指令。GPIB 指令用于读取、设置、清除 GPIB 状态 报告寄存器 ;Meta 指令用于控制系统级功能,例如设置计算 机是否显示指令或者返回值;SCPI 指令是控制指令的核心,
用于控制探针台的各种动作,例如打开或者关闭真空泵、接 触或者分离探针、控制探针台移动等。
要通过 GPIB 控制 Cascade 探针台,首先需要准备一 根安捷伦 USB-GPIB 转接线, 安装安捷伦 IO 库(Agilent IOLibraries Suite 14.0)。安捷伦 IO 库提供 USB-GPIB 转接线 的驱动程序以及 VB.NET,C#,C++ 的编程范例,编程范例 中有很多操作 GPIB 的函数,用户可根据自己的编程喜好找 到合适的工程范例,在此基础上修改即可。本文以 VB.NET 作为编程语言。与 GPIB 操作有关的函数主要有:
打开GPIB :ioDmm.IO()= mgr.Open(ioAddress)
关闭GPIB :ioDmm.IO.Close()
发送数据:ioDmm.WriteString(CmdToSend.Text)
读取数据 :Str = ioDmm.ReadString
与自动测试有关的 SCPI 指令主要有(SCPI 指令以冒号
开头,不可省略):
接触探针 ::mov:down 2
分离探针 ::mov:up 2
读取当前坐标 ::mov:prob:abs:die?
移动到某个坐标::mov:prob:abs:dieXY
移动到下一个 DIE ::move:probeplan:next:die
开始测试时,先用程序控制探针移动到最后一个 DIE,
读取坐标并作记录,再移动到第一个 DIE,经过接触探针、 测试、分离探针、移动到下一个 DIE、读取当前坐标、判断 是否结束,组成一个循环。如果当前坐标是最后一个 DIE 的
坐标,则循环结束,测试完毕 ;否则继续测试。
4测试过程
Cascade 探针台作为一种比较复杂的精密仪器,测试前
除了要做常规准备工作之外,还包括针对程序控制自动测试 的步骤。自动测试的主要步骤如下 :
(1)开机,打开 Nucleus 软件,初始化 Nucleus ; (2)装载晶圆 ;
(3)校准晶圆、DIE 尺寸计算 ;
(4)制作 WaferMap 并设置参考 DIE ;
(5)移动探针到参考 DIE 并设置接触 / 分离高度 ; (6)开启自动测试软件,设置 GPIB 端口地址,使得自
动测试软件的 GPIB 地址与 Nucleus 的 GPIB 地址相同。
其中制作 WaferMap 包括 :设置晶圆尺寸、DIE 尺寸和
空隙、去掉晶圆边沿不完整的 DIE、选择测试顺序等步骤。 如果不是整个晶圆的自动测试,则步骤(3)、步骤(5)可
以省略。
5测试结果
本自动测试系统为某公司测试了 RFID 集成电路晶 圆,使用的设备包括 :Cascade 探针台、笔记本电脑、单片 机实验箱、RFID 读卡器。整片 RFID 晶圆共 13 500 个 DIE, 其中 13 220 个测试通过,良品率为 97.9%,表明集成电路设计和试生产是成功的。测试过程中,各种仪器设备和自动测试软件运行良好,探针无跑偏现象。测试共耗时 4.5 h。
6总结
Cascade 半自动探针台的操作软件 Nucleus 对测试整个晶圆的集成电路单元无能为力。晶圆上的集成电路单元有数 千甚至数万个,直接用 Nucleus 手工测试几乎是不可能完成的事情。这时可以利用探针台提供的编程接口,设计一个自动测试软件,探针台可以根据晶圆和集成电路单元的尺寸特点,自动遍历测试晶圆上 的所有集成电路单元,并记录测试结果,大大了提高测试效率。
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