摘要：設計了集成電路芯片測試設備機械手的速度測量裝置，考慮了機械手運動過程中的振動以及氣缸軸老化、端部生銹所造成的運動速度與行程不穩定因素。根據測控參數對設備進行精確的調整，巧妙地解決了測試設備機械手運動速度與行程控制不良所引發的芯片失效問題，有效地降低了芯片的廢品率。 1 引言 當今世界，芯片的封裝尺寸越來越小，納米芯片制造工藝已成為芯片制造業的主流。制造工藝的日益發展增加了加工和測試難度，芯片的大規模生產過程中對芯片失效問題的分析和測試就尤為重要。本文作者設計的測速儀主要用于Advantest（愛德萬）M6751/T5375測試設備中/。測速儀由兩部分組成：機械手部分用于抓取芯片放人（取出）專用的測試倉；測試機部分主要用于對芯片功能的測試。 由于測試機一次并行測試多達32個IC，這就要求機械手能以最快的速度抓起和放下芯片。AdvantestM6751機械手組件包括4個小吸頭，每個吸頭可以獨立地上升和下降，分別由一個微型SMC氣缸驅動。4個吸頭都拾起和放下芯片重復8次后裝填完32個IC，整個組件再進行X和r方向的移動。由于測試速度的要求比較高，不得不把4個驅動氣缸的速度調到盡可能快，但是速度太快又會導致芯片打壞，尤其如vfBGA封裝形式的硅片很薄，高速度抓取很容易導致芯片被打壞，造成嚴重的質量問題，因此必須在保證質量的前提下來提高氣缸的速度。 2 測試機組的基本介紹 Advantest M6751A/6751AD測試設備是在M6741A基礎上開發而成的，它配置了新的控制裝置以更好地提高產能，是每小時測試產量很高的新型存儲器測試機組合，能達到每小時4500個被測器件的高產能；采用了觸摸屏使操作界面更為人性化；使用Win95以上的配置，允許基于SEMI規定的標準協議開放系統配置，被廣泛用于IC測試中。但是，M6751沒有自帶速度測試功能，本文作者設計測速裝置的目的是為了使該設備機械抓手具有速度測控功能。 2.1 機械手 AdvantestM6751系列機械手是與測試機配套使用的設備，它對多種封裝形式的芯片都能適用，從較老的TSOP、uBGA封裝乃至目前流行的vfBGA、SCSP封裝等。機械手的內部組件分成三塊內容：料盤轉移、芯片轉移和測試轉移。如圖1所示，左邊是裝載機械手，右邊是卸載機械手，兩者的機械原理相同。機械抓手的動作過程如下：馬達是機械抓手的驅動源，系統發送指令給驅動電路，再由集成驅動電路控制氣缸向下運動，真空發生器抽真空吸取芯片，命令氣缸向上運動，從料盤位置移動到測試盤位置，再發送指令控制氣缸向下運動，釋放真空的同時吹氣，使芯片在測試盤中放置平整，然后氣缸向上運動，回到初始位置，完成芯片從料盤到測試盤的操作。工作過程中如果氣缸運動速度過快，很可能產生機械手的抖動而使吸附在機械手上的芯片位置發生改變，也會使芯片在放置人測試盤時產生斜放，它就會對后道的測試機測試工序造成兩種后果，一種是接觸不良，導致無法進行測試；另一種就是芯片在測試機上受壓固定時被打碎。同理，機械手的抖動會使芯片放置到料盤時的位置也發生偏移，多盤料盤疊在一起，未放置人料盤定位槽的芯片一經擠壓容易被壓碎或者把芯片背面的焊球壓壞，產生廢品。另外，M6751型機械手的SMC氣缸軸使用45#鋼，長期使用易老化和端部生銹，造成運動速度不穩定而易引發芯片失效。圖2是機械手的4個吸頭及其驅動示意圖，九是運動行程約12mm。氣缸驅動軸心上下運動，帶動頭部由橡膠制成的具有很好密封性的梯形真空吸嘴上下運動。本設計的測速儀能對機械抓手上下運動速度與行程進行精確的測量，并根據測量結果對氣缸的運動速度與行程進行電氣與機械調整，控制機械抓手的速度與行程。 2.2 測試機

圖2 M6751的4個吸頭及其驅動的示意圖

測試機部分由工作站、計算機主機、測試頭和IC成品測試界面接口板等組成。能測試芯片產品在不同溫度條件下的性能，并保證每顆芯片都能符合其功能參數要求。按照測試的結果將元件放人適當的卸載區域。工作站控制所有的系統功能，并且下載測試程序和獲得測試結果；計算機主機包含了測試電路主板以及必要的電源供應；測試頭包含了電子別針插件，用來接觸芯片，測試并分配主板信號到每個芯片引腳；IC成品測試界面接口板是主板、測試頭和芯片的連接部分。 [b]3 機械抓手測速儀的電路設計 3.1 電路結構圖[/b][align=center] 測速儀的電路原理框圖如圖3所示，其信號拾取部分電路原理如圖4所示。 [/align] 測速裝置是根據法拉第電磁感應原理進行工作的，當磁鋼片N極向線圈運動時，通過線圈的磁通量增加產生感應電流，其激發的磁場阻礙線圈內磁通量的增加，線圈感應電流所產生的磁感應方向與磁鋼片的磁場方向相反。這一電流信號通過采樣電阻轉化為電壓信號，經過放大器放大后再與比較器的基準電壓信號相比較，輸出一個“1”，單片機開始計數，單位時間內計數顯示的數值大小間接地表示了吸頭向下運動的速度快慢。而當機械抓手不運動時，磁鋼片停止運動，線圈沒有感應電流變化，比較器輸出一個“0”，單片機停止計數。如圖4所示。當磁鋼片N極遠離線圈時，通過線圈的磁通量減少，感應電流的磁場與磁鋼片磁場方向相同，線圈中產生負的感應電流，這與S極向下運動的效果是一樣的，因此，如果要測試吸頭向上運動的速度，只需把S極向下安放，則在吸頭上升時，線圈中產生負的感應電流，同樣經放大、比較后也輸出“1”，單片機計數輸出。單位時間內的計數數值大小可表示機械抓手的運動速度或者是運動行程。吸頭完成一次運動停止后，計數器自動復位等待下一次測試。本設計在單片機的編程時也考慮了由于磁片在運動過程中的微震動而引起的測量值不穩定的修正方法。根據計數顯示結果對機械抓手的氣缸氣壓進行調節，從而獲得精確的速度值與行程值控制。 3.2 電路原理圖及各單元介紹

以AT89C2051為主控核心的測速電路原理圖如圖5所示。

[b] 3.2.1 電源電路 [/b] 測速裝置采用由9V的干電池供電。電路中的+5V由三端穩壓集成電路7805輸出作為主電源，由ICL7660組成-5V輔助電源，它們同時接在采用雙電源供電的精密運算放大器OP77的管腳8和管腳4上，OP77構成反向輸入放大器。7805的負載電流達到350mA左右，功耗比較低，不需加裝散熱片。-5V電源由ICL7660輸出，ICL7660的工作電壓范圍在+1.5～10.5V，可向負載提供10～20mA的電流，接負載后本身耗電小于0.5mA，其轉換效率為95%以上。外圍電路只需外接兩個電容即可工作，當電源電壓小于5.5V時，能承受持續短路，能利用振蕩器和多路模擬開關實現電壓極性的轉換，是一種變極性DC-DC變換器，可以將正電壓輸入變為負電壓輸出，即Ui與Uo的極性相反。它的1腳為空腳；2、4腳分別外接10μF/26V的電解電容的正、負端；3腳為信號地；5腳為轉換負電壓輸出端，對地反接10μF/26V的電解電容C2；6腳是芯片內置電源低電壓端，當Ucc>3.5V時，此端開路；Ucc<3.5V時，應將此端接地來改善電路的低壓工作性能；7腳為振蕩器外接電容或時鐘輸出端，不接電容時，振蕩頻率為10kHz，若需降低振蕩頻率，應外接電容C，當C=100pF時，f≈lkHz；C=1000pF時，f≈lOOHz，振蕩信號亦可由此端引出；8腳為正電源輸入端（1.5～10.5V），電路接+5V。電路中C5，C6均采用10μF的儲能電容，用于構成DC-DC電荷泵，提高電源轉換效率。當Ucc<+6.5V時，5腳可直接作為輸出；當Ucc>+6.5V時，為避免芯片損壞，輸出電路須串接一個二極管VD。電容C7是一個旁路電容，接在輸入電源和地之間，增強抗干擾能力。-5V電源是輔助電源，后級負載OP77功耗也比較低，選用ICL7660構建-5V電路就能符合設計要求。 3.2.2 信號調理電路 線圈上感應的電流信號，經過電阻及，轉化為電壓。一般感應信號非常微弱，需要OP77把其放大到200倍左右，再送到比較器LM393與基準電壓信號比較后將輸出電平送給單片機。 OP77是一款超低失調電壓運算放大器，擁有高增益，低功耗，低的初始Uos漂移和較快的穩定時間，可消除前級放大電路的非線性誤差，非常適用于高分辨率的儀器設備和誤差要求嚴格的電子系統中。采用雙電源供電構成的反向輸入放大器，可以有效地提高精度，滿量程可以輸出±5V。反相輸入端2腳接2.4kΩ的輸入電阻R1，同相輸入端3腳接2.4kΩ的外接電阻R2，2腳和6腳間接大小為500kΩ的反饋電阻R3，4腳接-5V，7腳接+5V。1，5，8腳懸空。放大器的電壓增益為-（R3/R1）=-（500kΩ/2.4kΩ）=-200。 運放LM393是作為比較器運用的，它的負端接一個可調電位器R5的目的是穩定輸出。由電磁感應原理可知，當磁鐵與線圈間有相對運動時，線圈中才產生感應電流，相對運動的速度越大，感應電流越大。磁鋼片在剛開始運動時的速度比穩定的速度慢，這樣就會產生不同的感應電流，經過放大就會有不同的輸出電壓，而實際所需要測量的是穩定時的速度，則可通過調節月，對比較器的比較端設置一個低電壓，這樣在比較時就可以把磁鋼片運動中不穩定因素所引起的電壓去除，達到防噪的目的。選擇參考電壓為可調的目的在于可以根據不同的工作情況及環境干擾來調節參考電壓，以降低測量誤差。LM393其輸出腳為OC門，須加上拉電阻，本電路中接到了AT89C2051的P1.2上，AT89C2051的P1.2到P1.7有內部上拉，所以電路中省略了LM393輸出端的上拉電阻。 3.2.3 AT89C2051的主控電路及周圍電路 測速裝置的主控芯片選用Atmel公司的AT89C2051，它是一款低電壓高性能COMS 8位單片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，芯片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大。晶振電路選用6M石英晶體和兩個30pF起振電容，并跨接一個1MΩ電阻，用于防止停振。P1.2與比較器LM393的輸出相連，判斷P1.2是否觸發，一旦觸發則計數。計數的標準為1ms，設計的量程是999ms，有3個數碼管顯示，分別對應百位、十位和個位。MCU程序由WH200編程加密器寫入。限于篇幅，此處不作詳敘。 看門狗電路具有監視器與執行器的作用，目的是提高測控系統可靠性。電路采用14位二進制串行技術/分頻振蕩器CD4060來實現硬件看門狗電路，它的電壓范圍寬（3～15V）。選R1=130kΩ、C1=100pF時，振蕩頻率經內部14級二分頻后，在3腳約2Hz的頻率信號。R2為偏置電阻。正常情況下AT89C2051每隔一段時間t1就將CD4060復位一次。一旦由于某種原因導致CPU失控，CD4060不能及時被復位，經過時間t2（t2>t1）就從3腳輸出高電平將AT89C2051復位，把CPU復位到正常狀態，然后CPU又將CD4060復位，使3腳恢復成低電平。R3C2組成微分電路，可將P3.4口輸出的復位電平變成復位脈沖。 GAL16V8D譯碼及驅動電路。GAL（Generic Array Logic）是采用先進的E2PROM工藝制造的大規模專用數字集成電路，GAL器件具有高速、低耗、用戶可反復編程及結構靈活等特點。GAL的輸入緩沖器的邏輯作用是把輸出變量轉換成原變量和反變量，為與門陣列提供輸入信號。同時，由于CMOS工藝輸入阻抗很高，要求的輸入驅動電流大大低于普遍雙極型器件，使驅動電路有很高的扇出系數，并可與TTL電路兼容，也可直接驅動數碼管。GAL16V8D譯碼并驅動數碼管顯示，由單片機控制顯示位數。單片機的P1.7連接GAL16V8D的使能端12腳、P1.6連接9腳、P1.5連接8腳，相對應地顯示百位、十位和個位。電路中GAL16V8D工作在一般模式下，有4個輸入端，分別與單片機的輸出相連，GAL16V8D的2腳對應單片機的P3.0；3腳對應P3.1；4腳對應P3.2；5腳對應P3.3。有7個輸出端接數碼管管腳。GAL16V8D完成4位二進制數的譯碼。采用ABEL語言對GAL16V8D進行編程，實現譯碼功能，其GAL程序略敘。 數碼顯示電路采用歐興電子的SP402401 LED數碼管，其電壓范圍為1.8～2.3V。具有紅色、高亮度、低功耗、售價低等特點。SP402401采用共陰接法，驅動電流在5～10mA之間。GAL16V8D譯碼后完成對SP402401 LED數碼管的驅動。SP402401引腳8、引腳9和引腳12是片選使能腳，3腳為小數點。1腳對應數碼顯示段E位，2腳對應D，4腳對應C，5腳對應G，7腳對應B，10腳對應F，11腳對應A，6腳懸空。 [b]4 測速儀的使用 4.1 電路的信號流程 [/b] 如果當磁鋼片運動時，磁場的變化會在線圈L上產生感應電流，經過電阻R1與OP77的反向輸入端2腳相連，放大200倍后，在6腳輸出。再經過R4把輸出電壓值耦合到電壓比較器LM393的正向輸入端3腳。與反向輸入端可調電位器上的參考電壓相比較，在1腳上輸出電平。LM393腳1上輸出電平接到AT89C2051的P1.2，如果P1.2接收的是高電平，則單片機以定時步長為1ms觸發計數，直到P1.2收到一個低電平停止計數。同時將計數值送到顯示緩沖區。譯碼由AT89C2051和GAL16V8D共同完成。譯碼輸入是單片機的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3，輸出是GAL16V8D的13號腳到19號腳，對應接在七段數碼管上，單片機的P1.7、P1.6、P1.5控制數碼顯示輸出。 [b] 4.2 測速儀的調整 [/b] 測試儀不需要對原設備作額外的安裝，只利用機械手本身自帶的抽真空功能。實際應用時只要讓真空吸頭抽真空吸取一片磁鐵，把測速儀的線圈感應器部分對準磁鐵，然后機械控制真空吸頭的上下移動，儀器能根據磁鐵的N極和S極分別測試向下或者向上的速度，機械抓手的運動速度在LED上顯示。 機械抓手運動行程控制方法如圖6所示。氣缸驅動吸頭的上下移動。設備日常維護標準規范中規定，當氣缸在初始狀態下，吸頭的連接塊與氣缸聯動軸頂端的接觸范圍必須在0.5～1mm之間（可用塞尺進行測量）；而當吸頭向下運動時，通過白色硬塑料擋塊進行阻擋控制，防止吸頭向下距離過大。白色硬塑料擋塊的另一作用是能夠緩沖吸頭運動引起的震動。吸頭的運動距離是有限制的，通常行程為12mm。

圖6 測速儀使用示意圖

機械抓手運動速度控制。吸頭是由氣缸來驅動的，只要控制氣缸的速度就能控制吸頭向下的速度，而氣缸速度變化是由進入氣缸的流量引起的。所以，通過機械調整進入氣缸的流量大小就能改變氣缸速度，達到控速的目的。 5 結束語 測速裝置主要運用于短距離運動部件的速度測試，通過在生產線實際測試工序的操作使用，能對芯片測試設備機械抓手運動速度實現較精確測控，在不影響芯片測試質量的前提下提高測試效率和成品率，縮短了測試環節的周期，降低了測試環節成本。