半导体测试板自动装卸车的开发与应用

文/周凯旋

在通常情况下，半导体存储芯片在封装前要做一系列老化测试，需要将芯片装入测试板，再将测试板装入老化测试炉中进行高低温老化测试。以往该生产工艺完全由人工完成，即工人将一整车测试板推行至测试炉，将一车32片、每片5公斤的测试板一片一片插入测试炉轨道；测试完成后再由人工一片一片从炉子内取出，装回推车，整个过程要搬料、弯腰来回重复64次，劳动强度大，极易损伤腰背、手臂，因此操作工人流动性大，生产成本高，同时单片搬运容易引发芯片污染、受损等问题。

现代社会对半导体芯片的需求越来越旺盛，由此带来更高效率和良率的生产工艺自动化升级要求，原有的生产工艺很难再满足实际的生产工况要求，需要引入测试板自动装卸、转运设备对其做自动化改造升级。

一、半导体芯片的封装测试工艺

半导体生产流程如下：由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。半导体封装测试是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。 封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后，被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金、锡、铜、铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（Bond Pad）连接到基板的相应引脚（Lead），并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后，还要进行一系列操作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋和成型（Trim&Form）、电镀（Plating）以及打印等工艺。封装完成后进行成品测试，通常经过入检（Incoming）、测试（Test）和包装（Packing）等工序，最后入库出货。典型的封装工艺流程为：划片、装片、键合、塑封、 去飞边、电镀、打印、切筋和成型、外观检查、成品测试、包装出货。

在半导体测试过程中，分选机将几千个同一型号的芯片装入一片测试板，而将32片测试板装一车转运进入一个测试烤炉，因而测试板的装卸搬运是一道基础工序，但因传统工艺流程中该工序的自动化程度不足，使其运行效率较低，越来越无法适应当前高效、无人化、自动化的半导体芯片生产要求，因此半导体测试板装卸搬运也成为整个生产工艺流程升级的重点关注对象。

图1 应用场景

二、应用场景与需求分析

自动转运装卸车需要替代人力推车，其装载量为32片测试板，总重量160～192kg，物料在装卸、转运过程中不与人接触，装入物料和卸除物料均由动力机构完成，装载转运的两头对接的设备是中转站和测试炉，通过自动对接机构与中转站和测试炉对接挂靠，并且能识别不同的设备（同种设备也有不同的高度差异），对接后各机构根据预先设定的参数自动调节与中转站或测试炉的料轨对齐，由推拉料机构完成32片测试板在三种设备之间的装卸转移。由于车重加物料总重将近400kg，需要增加电动驱动轮，由人员操作行驶。

1.车体结构

要求车体重量低，强度高，结构紧凑，尺寸与现有推车相仿，耐冲撞。按此要求采用铝型材和铝合金材质设计车体框架结构。因需对接拥有32层物料的测试炉，所有装卸车设置32层托料结构。

2.动力机构

装卸自动化要求能将32层测试板整体装入和卸除，考虑到测试板的扁平结构，抓料机构采用有32片料爪的推拉机构，每一片料爪钩挂一片测试板，装载时拉入托料轨道，卸除时推出托料轨道。测试并计算推拉摩擦系数为0.5，总推力为80～96kg，推拉驱动机构采用传动力大且定位准确的齿轮齿条传动机构。因要与测试炉和中转站对接，即不同设备托料轨道的对接，故装卸车托料轨道须具有升降功能，采用大传动比、大载荷、能自锁的梯形丝杆传动。装卸车由动力电池供电，需设计电源管理系统。

3.对接机构

测试炉不可改动，要实现装卸车与炉子的对接，不能在炉子上加装任何机构，只能在地面上安装固定的挂靠机构，由装卸车底部的对接机构自动对接挂靠，脱离时又能方便操作离开，对接要有信号感应，对接还应考虑地面不平、测试炉倾斜等不利因素，故此采用左右顶升机构，当地面不平或炉子倾斜时由顶升机构调节对齐。

4.自动对接

测试车间的炉子有上千台，中转站配置十几台，而装卸车只需要几十台，每一台炉子和中转站的高度、倾斜角度、地面情况都不同，如何能保证少数的装卸车准确对接多数测试炉及中转站，将是项目成功的关键。设计考虑由装卸车去识别每一台测试炉和中转站，并读取对接参数，根据参数自动调节。

5.防静电要求

芯片生产环境须严格避免和消除静电，装卸车车体和地面之间能导电，车轮、车体材料采用防静电材质。

6.防护和防撞

车体须有外壳保护，避免身体任何部位进入车体被动力机构伤害，同时要留有观察孔和窗，车辆行驶过程中应有预判和防碰撞机构。

三、半导体自动装卸车设计

1.车体框架

半导体测试板自动装卸车有框架结构、推拉料机构、托料轨道、升降机构、对接机构、顶升机构、电源模块、行驶机构、防撞系统、控制系统和操作面板等模块构成。车体框架为铝合金及型材结构，一侧安装有操作面板，车体顶部安装有扫码枪，车体内部两侧安装升降滑轨，左右两套托料轨道机构安装在滑轨上。托料轨道中间、车体内框架底部和顶部安装推拉料轨道，在运行过程中，由推拉料机构完成测试板的装卸，与托料轨道配合，确保测试板移动过程平稳顺畅。对接机构、顶升机构、电源模块安装在推拉料机构下部、车体框架底部。

系统控制面板提供参数设置、生产数据、报警信息和操作按钮，操作人员通过控制面板可调节各机构的运行参数，监控各传感器、电机机构、电源系统、防撞系统的运行状态，并通过自动或手动模式操作装卸车进行生产运行。

2.系统组成

（1）托料轨道

托料轨道有左右两套，安装在车体内框左右滑轨上，分别由顶部的伺服电机和梯形丝杆传动做升降运动，每套托料轨道有32根料轨，同一高度的左右两根料轨托起一片测试板，可装载32片测试板。通过左右升降机构的独立运动，装卸车料轨可调节左右偏差与中转站或测试炉的料轨对齐，也可整体升降对齐。

（2）推拉料机构

推拉料机构竖直设置在左右料轨中间，沿着上下各一根齿条和两根滑轨移动，由减速伺服电机和上下齿轮传动。推拉料机构上设置有可挂住测试板边沿的料爪，对应32个，料爪由减速电机和丝杆传动在竖直方向升降。通过操作面板设定推拉料行程。

（3）对接机构

对接机构设置在底部，由挂钩、传感器、联轴器、导向轮、弹簧、脱扣连杆等组成，当装卸车与对接设备靠近时，由左右两侧的导向轮定位，挂钩与设备连接挂靠；需要脱离时，用脚推动脱扣连杆即可脱离对接。

（4）自动调节系统

自动调节系统包括：扫码枪、激光传感器、光电传感器、顶升机构，自动装卸车最重要的是能够识别不同的对接设备，以少数对接多数，且满足料轨对接精度，减少对测试板的磨损。本系统的解决方案是，在车体顶部安装扫码枪，使用一台标准的装卸车与每台测试炉和中转站进行对接调试，获得对接参数，如：料轨高度、左右偏差、料爪行程、推拉料机构行程、左右顶升行程等，加上对接设备的类型、编号，一同写入二维码，打印二维码贴纸粘贴在测试炉或中转站上，对接时挂钩传感器获得信号触发扫描枪扫描二维码，各机构根据二维码参数自动进行调节，调节完成后根据行程参数自动运行装卸工作。

（5）其他机构

除上述机构和系统，自动装卸车还配备有充电电池及电源管理系统、超声波雷达防撞系统、电动轮和操作把手、防掉料的自动挡料机构、防护外壳、行走声光警示系统等。这些机构能从多方面保证安全、自动化、防呆，提高设备的可靠性和安全系数。

四、半导体测试板自动装卸车的应用

图2为半导体测试板自动装卸车的结构组成，以及推拉料机构组成。各机构包括：框架、扫描枪、料轨、操作面板、行驶把手、推拉料机构、电控箱、电池、对接机构、顶升机构、电动轮等等。

图2 半导体自动装卸车结构

图3为半导体测试板自动装卸车的对接机构示意图，实现方案是：在测试炉底部安装对接块，通过装卸车底部的对接机构和导向轮与对接块挂靠，实现机械对接；通过调试确定料轨的升降高度、顶升机构的升降高度、推拉机构的行程、推拉速度等参数，生产二维码并打印成贴纸，粘贴在测试炉扫描位置；装卸车与测试炉对接后触发扫码枪扫描二维码，控制系统解码得到各机构参数并自动调节，完成对接过程，如图4所示。

图3 对接机构示意图

图4 装卸车与测试炉对接示意图

根据测试生产工艺，自动装卸车的运用有四种应用工况。

1.测试板从手推车通过中转站向自动装卸车中转转移

在设备投入生产前，设置自动装卸车和中转站的对接参数，写入二维码并调试好。手推车和装卸车同时与中转站对接，对接时装卸车通过扫码自动调节料轨对齐；运行时，中转站的动力机构将测试板从手推车拉入中转通道，机构避让出通道，自动装卸车的推拉料机构再将测试板从中转通道拉出并拉入装卸车，完成测试板中转装载；作业员操作装卸车与中转站脱离，使用行驶把手将装卸车转移到测试炉。

2.自动装卸车将测试板推入测试炉

同样的，在投产前设置自动装卸车和测试炉的对接参数并写入二维码。操作装卸车与测试炉对接，自动调节各机构使料轨对齐，推拉料机构推动测试板装入测试炉，机构退回，装卸车脱离测试炉。

3.自动装卸车将测试板拉出测试炉

测试完成后，装卸车空车与测试炉对接，自动调节料轨对齐，推拉料机构将测试板从测试炉拉出装载，脱离测试炉。

4.测试板从装卸车通过中转站向手推车中转转移

装卸车和手推车同时与中转站对接，装卸车将测试板推入中转站料轨，机构退回，中转站再将测试板推入手推车，两车脱离中转站，完成中转。

自动装卸车及配套的对接装置、中转站自2019年年初开始研发，经过产线运行测试，2020年升级到第四版，同年上半年导入小批量设备经过半年的试生产，各运行指标均满足了生产要求，同时在竞标中领先于美国同型号设备，效率和可靠性得到了客户的认可，2021年上半年已全面导入某国际半导体芯片大厂在国内的两个工厂，并开始在国外的两个工厂进行适应性测试和试生产。

五、结论

测试板自动装卸车根据应用场景需求开发解决方案，经过不断迭代改进，成功应用在半导体存储芯片生产工艺过程，其与装卸中转站的应用解决了封装测试环节中最大的人力消耗问题，有效降低产线工人工作强度，同时因人工搬运装卸而引发的测试板受损问题也得到很大改善，装卸车及配套设备现已批量投产，实现了产线自动化生产。经过验证，该设备的技术水平和生产性能领先于美国同类型设备，成功实现了该类半导体生产设备的国产化。