基于Castle型机械手的三温量产测试平台实现

戴强

摘要：本文首先阐述了雷达用射频接收芯片对于三温量产测试迫切需要，接着对三温量产测试的实现平台进行了详细介绍，包括自动测试系统和机械手。阐述了关键连接硬件测试板和配套件的设计和实现，自动测试系统的测试程序开发和机械手的软件设置。引入多芯片的并行测试，优化完善测试程序，有效的提高了测试效率，降低了测试成本，仍需克服带来的相关影响，提高量产测试技术。

关键词：自动测试系统；三温量产；机械手；测试程序；多芯片并行测试

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0110-02

随着近些年来集成电路在雷达领域的发展和应用需求，雷达系统中核心的接收和发射单元逐渐被射频接收和发射芯片代替，这就对芯片的量产筛选测试提出了要求，包括测试环境的能力、稳定性和可靠性。芯片的三温测试就是其中之一，考虑到将来芯片应用场景，保证芯片在一个大的温度范围内都要保证性能和稳定性，必须对芯片进行常温、低温和高温条件下的测试。为了实现芯片量产化三温测试，通过使用机械手与测试系统搭建量产测试平台，是业内的主流解决方案，提升量产效率，降低成本则是不断探索追求的目标[1]。

集成电路的量产测试技术随着设计技术能力的不断突破而提升，其要求就是高效率的完成对待测芯片的性能参数筛选，保证芯片在应用中的可靠性。目前业内通用类量产筛选平台主要包括自动测试系统和机械手，利用GPIB实现软硬件的协调控制。

1 自动测试系统介绍

自动测试系统（Auto Test Equipment，ATE），是一种通过高性能工作站控制的各类测试模块的集合，工作站通过运行测试程序的指令来控制测试硬件。测试系统最根本的标准是高效且可靠地重复实现的测试结果，满足速度、可靠性和稳定性[2]。图1-1是目前芯片量产测试较为成熟完善的测试系统，ADVANTEST V93000是数模混合和射频信号测试系统，该系统基于可扩展、单一平台构建的超大规模模拟射频集成电路自动测试系统。该系统能够覆盖各种射频芯片的测试要求，为目前所有SoC RF芯片测试提供性能优异的解决方案[3]。

2 机械手原理

机械手的主要功能就是对芯片的抓取分拣、摁压测试和温度控制，它将整批次的待测芯片分别传送到测试区域，通过ATE完成测试后，根据测试结果反馈将芯片分类摆放，在这个过程中还可以实现对芯片的加温和降温。机械手的主要能力表现为传输速度、温控精度和并行度三个方面。

图1所示为Castle机械手，温度控制范围为-60℃至160℃，最大可支持X8并行测试。

3 量产测试环境搭建

根据雷达用射频芯片的测试要求，我们基于Castle型机械手完成在V93000自动测试系统的量产测试环境搭建。机械手与测试系统的硬件连接则是通过测试接口硬件来完成，测试接口硬件主要包括测试板、测试配套件（kit）和测试座，以及机械手与测试系统相连接的相关硬件机构等。他们相互配合分别在物理以及电性上起到连接机械手与测试系统的作用。

3.1 测试板

根据待测芯片参数测试要求，通过使用Cadence、PADS和Protel等工具设计实现测试板，保证各类测试信号在板级上的传输质量，要进行合理的布局布线、阻抗匹配仿真[4]和材质选择加工。测试板的设计完成不仅仅可以实现与ATE测试资源的连接，还是与机械手物理连接的桥梁。

3.2 测试配套件（kit）

测试配套件是各个型号机械手针对不同封装类型芯片定制的承载配件，它包括机械吸头和传送船。由于配套件要实现对芯片的吸取、拾放和传送，为了避免对芯片噪声损伤，对其设计要求极其严格，吸头的材质，传送船的船槽大小在三温测试环境下影响明显。因此我们对传送船的船槽底部进行“米”字形开槽，减少接触芯片面积，可防止损伤管脚，还可以尽可能的避免低温测试时结霜粘连芯片。

4 量产测试软件实现

4.1 测试系统程序开发

基于V93000测试系统进行测试程序开发，根据待测芯片的测试项目要求进行编写，完成各类电特性测试，并将测试结果通过GPIB/RS232实时反馈给机械手。测试程序中还需要对测试结果数据进行存档统計，提供给测试工程师和设计工程师进行数据分析，用于检验测试可靠性和提升量产良品率。V93000的测试程序是基于C++环境进行开发的，测试程序的开发与调试是一个十分复杂和繁琐的过程，不仅需要根据芯片数据手册要求，还要根据应用环境对测试条件进行适当科学的调整，使得在量产中能够得到一个较高的良品率，这就需要测试工程师不断实践积累的经验进行支撑。

在测试程序开发过程中可以通过Timing Diagram和Signal Analyzer对数字模拟信号时域频域输出进行数据分析，如图所示，对ADC串行输出数据采样到的数据进行FFT变换所得的频域信息，显示结果与测试程序计算吻合，可验证整个测试过程中对待测芯片的设置测试正常。

4.2 机械手软件设置

机械手能够实现在高低温条件下对待测芯片的筛选测试流程，芯片在进出料分类区、温度浸泡区、测压区和温度恢复区进行流转，如图2所示。整个流程的控制则需要软件对各个模块进行设置完成[5]。

机械手中的主要设置如下：

（1）料盘设置：首先设置料盘Tray的尺寸，需要四个关键参数的尺寸，分别是水平方向上两个相邻芯片之间的间距，水平方向上最外侧芯片到Tray盘边缘的距离，垂直方向上两个相邻芯片之间的间距，垂直方向上最外侧芯片到Tray盘边缘的距离。

（2）取放料坐标设置：设置X、Y、Z三个方向上的坐标设置，其中X、Y轴的坐标主要是准确定位芯片的位置，Z轴的坐标主要是控制芯片压在测试座内的深度。

（3）三温测试设置：设置高温、低温的温度，设定测试温度浸泡的时间、恢复温度和恢复时间，在本项目中待测芯片高温为120度，低温为-40度，浸泡时间为30秒。

4.3 并行测试

节约芯片的测试成本、提高测试效率的重要手段就是进行多芯片的并行测试，根据ATE测试资源和机械手的最大并行度，进行多芯片的并行测试。

多芯片并行测试技术虽然可以显著的降低测试成本，但也带来相应的不良影响，多芯片的测试板设计难度要远远高于单芯片测试板，尤其是射频信号在板级的相互串扰，使得各个测试位之间的相互影响会愈加明显，比如各个测试位良品率的不一致问题，有电特性上的影响也有物理机械上的影响，这样就经常会遇到某个或某几个测试位良品率偏低的情况。并行测试技术一直是我们不断探寻完善的研究方向。

5 结语

本文主要介绍了基于Castle型机械手的芯片量产测试实现，对测试过程中所使用的测试系统、设备和其他硬件做了比较详细的介绍，通过量产测试平台的实现，提高了生产效率，降低了测试成本，使得提供用户的芯片得到了有效保障。

参考文献

[1]刘红梅，陈文苑.中国集成电路产业未来发展之路探析[J].当代经济，2017，（4）：69-71.

[2]周万成.半导体测试设备选型研究[M].苏州：苏州大学，2012：25-27.

[3]Verigy.Verigy V93000 SOC RF measurement suite user guide[M].The Federal Republic of Germany，2007，43-77.

[4]陈丽飞.射频电路PCB的设计技巧[J].电子设计工程，2013，181-183.

[5]Delta Design， Castle Lx CE Handler Setup and Service Manual，2005.