半自动探针台在集成电路自动测试的应用
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摘 要：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且只有半自动探针台可以使用的场景下，可以通过探针台提供的编程接口，以及安捷伦IO库提供的编程范例进行软件二次开发。文中以Cascade Summit 12000B-S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。
关键词：集成电路;半自动探针台;安捷伦;SCPI指令;集成电路产业链;RFID
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）05-00-02
0 引 言
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 12000B-S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
探针台通信模型如图1所示。
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 测试系统框图
测试系统框图如图2所示。
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，則循环结束，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
本自动测试系统为南宁某公司测试了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。Cascade Summit 12000B-S半自动探针台和自动测试软件界面如图3、图4所示。
6 结 语
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，以及安捷伦IO库提供的程序范例，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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