IC芯片测试设备机械抓手的速度测控

摘要：设计了集成电路芯片测试设备机械手的速度测量装置，考虑了机械手运动过程中的振动以及气缸轴老化、端部生锈所造成的运动速度与行程不稳定因素。根据测控参数对设备进行精确的调整，巧妙地解决了测试设备机械手运动速度与行程控制不良所引发的芯片失效问题，有效地降低了芯片的废品率。1 引言 当今世界，芯片的封装尺寸越来越小，纳米芯片制造工艺已成为芯片制造业的主流。制造工艺的日益发展增加了加工和测试难度，芯片的大规模生产过程中对芯片失效问题的分析和测试就尤为重要。本文作者设计的测速仪主要用于Advantest（爱德万）M6751/T5375测试设备中/。测速仪由两部分组成：机械手部分用于抓取芯片放人（取出）专用的测试仓；测试机部分主要用于对芯片功能的测试。 由于测试机一次并行测试多达32个IC，这就要求机械手能以最快的速度抓起和放下芯片。AdvantestM6751机械手组件包括4个小吸头，每个吸头可以独立地上升和下降，分别由一个微型SMC气缸驱动。4个吸头都拾起和放下芯片重复8次后装填完32个IC，整个组件再进行X和r方向的移动。由于测试速度的要求比较高，不得不把4个驱动气缸的速度调到尽可能快，但是速度太快又会导致芯片打坏，尤其如vfBGA封装形式的硅片很薄，高速度抓取很容易导致芯片被打坏，造成严重的质量问题，因此必须在保证质量的前提下来提高气缸的速度。2 测试机组的基本介绍 Advantest M6751A/6751AD测试设备是在M6741A基础上开发而成的，它配置了新的控制装置以更好地提高产能，是每小时测试产量很高的新型存储器测试机组合，能达到每小时4500个被测器件的高产能；采用了触摸屏使操作界面更为人性化；使用Win95以上的配置，允许基于SEMI规定的标准协议开放系统配置，被广泛用于IC测试中。但是，M6751没有自带速度测试功能，本文作者设计测速装置的目的是为了使该设备机械抓手具有速度测控功能。 2.1 机械手图1 AdvantestM6751系列机械手 AdvantestM6751系列机械手是与测试机配套使用的设备，它对多种封装形式的芯片都能适用，从较老的TSOP、uBGA封装乃至目前流行的vfBGA、SCSP封装等。机械手的内部组件分成三块内容：料盘转移、芯片转移和测试转移。如图1所示，左边是装载机械手，右边是卸载机械手，两者的机械原理相同。机械抓手的动作过程如下：马达是机械抓手的驱动源，系统发送指令给驱动电路，再由集成驱动电路控制气缸向下运动，真空发生器抽真空吸取芯片，命令气缸向上运动，从料盘位置移动到测试盘位置，再发送指令控制气缸向下运动，释放真空的同时吹气，使芯片在测试盘中放置平整，然后气缸向上运动，回到初始位置，完成芯片从料盘到测试盘的操作。工作过程中如果气缸运动速度过快，很可能产生机械手的抖动而使吸附在机械手上的芯片位置发生改变，也会使芯片在放置人测试盘时产生斜放，它就会对后道的测试机测试工序造成两种后果，一种是接触不良，导致无法进行测试；另一种就是芯片在测试机上受压固定时被打碎。同理，机械手的抖动会使芯片放置到料盘时的位置也发生偏移，多盘料盘叠在一起，未放置人料盘定位槽的芯片一经挤压容易被压碎或者把芯片背面的焊球压坏，产生废品。另外，M6751型机械手的SMC气缸轴使用45#钢，长期使用易老化和端部生锈，造成运动速度不稳定而易引发芯片失效。图2是机械手的4个吸头及其驱动示意图，九是运动行程约12mm。气缸驱动轴心上下运动，带动头部由橡胶制成的具有很好密封性的梯形真空吸嘴上下运动。本设计的测速仪能对机械抓手上下运动速度与行程进行精确的测量，并根据测量结果对气缸的运动速度与行程进行电气与机械调整，控制机械抓手的速度与行程。 2.2 测试机图2 M6751的4个吸头及其驱动的示意图 测试机部分由工作站、计算机主机、测试头和IC成品测试界面接口板等组成。能测试芯片产品在不同温度条件下的性能，并保证每颗芯片都能符合其功能参数要求。按照测试的结果将元件放人适当的卸载区域。工作站控制所有的系统功能，并且下载测试程序和获得测试结果；计算机主机包含了测试电路主板以及必要的电源供应；测试头包含了电子别针插件，用来接触芯片，测试并分配主板信号到每个芯片引脚；IC成品测试界面接口板是主板、测试头和芯片的连接部分。[b]3 机械抓手测速仪的电路设计 3.1 电路结构图[/b][align=center] 测速仪的电路原理框图如图3所示，其信号拾取部分电路原理如图4所示。[/align]图4 信号拾取基本原理图 测速装置是根据法拉第电磁感应原理进行工作的，当磁钢片N极向线圈运动时，通过线圈的磁通量增加产生感应电流，其激发的磁场阻碍线圈内磁通量的增加，线圈感应电流所产生的磁感应方向与磁钢片的磁场方向相反。这一电流信号通过采样电阻转化为电压信号，经过放大器放大后再与比较器的基准电压信号相比较，输出一个“1”，单片机开始计数，单位时间内计数显示的数值大小间接地表示了吸头向下运动的速度快慢。而当机械抓手不运动时，磁钢片停止运动，线圈没有感应电流变化，比较器输出一个“0”，单片机停止计数。如图4所示。当磁钢片N极远离线圈时，通过线圈的磁通量减少，感应电流的磁场与磁钢片磁场方向相同，线圈中产生负的感应电流，这与S极向下运动的效果是一样的，因此，如果要测试吸头向上运动的速度，只需把S极向下安放，则在吸头上升时，线圈中产生负的感应电流，同样经放大、比较后也输出“1”，单片机计数输出。单位时间内的计数数值大小可表示机械抓手的运动速度或者是运动行程。吸头完成一次运动停止后，计数器自动复位等待下一次测试。本设计在单片机的编程时也考虑了由于磁片在运动过程中的微震动而引起的测量值不稳定的修正方法。根据计数显示结果对机械抓手的气缸气压进行调节，从而获得精确的速度值与行程值控制。 3.2 电路原理图及各单元介绍以AT89C2051为主控核心的测速电路原理图如图5所示。[b] 3.2.1 电源电路[/b] 测速装置采用由9V的干电池供电。电路中的+5V由三端稳压集成电路7805输出作为主电源，由ICL7660组成-5V辅助电源，它们同时接在采用双电源供电的精密运算放大器OP77的管脚8和管脚4上，OP77构成反向输入放大器。7805的负载电流达到350mA左右，功耗比较低，不需加装散热片。-5V电源由ICL7660输出，ICL7660的工作电压范围在+1.5～10.5V，可向负载提供10～20mA的电流，接负载后本身耗电小于0.5mA，其转换效率为95%以上。外围电路只需外接两个电容即可工作，当电源电压小于5.5V时，能承受持续短路，能利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，是一种变极性DC-DC变换器，可以将正电压输入变为负电压输出，即Ui与Uo的极性相反。它的1脚为空脚；2、4脚分别外接10μF/26V的电解电容的正、负端；3脚为信号地；5脚为转换负电压输出端，对地反接10μF/26V的电解电容C2；6脚是芯片内置电源低电压端，当Ucc>3.5V时，此端开路；Ucc<3.5V时，应将此端接地来改善电路的低压工作性能；7脚为振荡器外接电容或时钟输出端，不接电容时，振荡频率为10kHz，若需降低振荡频率，应外接电容C，当C=100pF时，f≈lkHz；C=1000pF时，f≈lOOHz，振荡信号亦可由此端引出；8脚为正电源输入端（1.5～10.5V），电路接+5V。电路中C5，C6均采用10μF的储能电容，用于构成DC-DC电荷泵，提高电源转换效率。当Ucc<+6.5V时，5脚可直接作为输出；当Ucc>+6.5V时，为避免芯片损坏，输出电路须串接一个二极管VD。电容C7是一个旁路电容，接在输入电源和地之间，增强抗干扰能力。-5V电源是辅助电源，后级负载OP77功耗也比较低，选用ICL7660构建-5V电路就能符合设计要求。 3.2.2 信号调理电路 线圈上感应的电流信号，经过电阻及，转化为电压。一般感应信号非常微弱，需要OP77把其放大到200倍左右，再送到比较器LM393与基准电压信号比较后将输出电平送给单片机。 OP77是一款超低失调电压运算放大器，拥有高增益，低功耗，低的初始Uos漂移和较快的稳定时间，可消除前级放大电路的非线性误差，非常适用于高分辨率的仪器设备和误差要求严格的电子系统中。采用双电源供电构成的反向输入放大器，可以有效地提高精度，满量程可以输出±5V。反相输入端2脚接2.4kΩ的输入电阻R1，同相输入端3脚接2.4kΩ的外接电阻R2，2脚和6脚间接大小为500kΩ的反馈电阻R3，4脚接-5V，7脚接+5V。1，5，8脚悬空。放大器的电压增益为-（R3/R1）=-（500kΩ/2.4kΩ）=-200。 运放LM393是作为比较器运用的，它的负端接一个可调电位器R5的目的是稳定输出。由电磁感应原理可知，当磁铁与线圈间有相对运动时，线圈中才产生感应电流，相对运动的速度越大，感应电流越大。磁钢片在刚开始运动时的速度比稳定的速度慢，这样就会产生不同的感应电流，经过放大就会有不同的输出电压，而实际所需要测量的是稳定时的速度，则可通过调节月，对比较器的比较端设置一个低电压，这样在比较时就可以把磁钢片运动中不稳定因素所引起的电压去除，达到防噪的目的。选择参考电压为可调的目的在于可以根据不同的工作情况及环境干扰来调节参考电压，以降低测量误差。LM393其输出脚为OC门，须加上拉电阻，本电路中接到了AT89C2051的P1.2上，AT89C2051的P1.2到P1.7有内部上拉，所以电路中省略了LM393输出端的上拉电阻。 3.2.3 AT89C2051的主控电路及周围电路 测速装置的主控芯片选用Atmel公司的AT89C2051，它是一款低电压高性能COMS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读存储器（PEROM）和128bytes的随机存取存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，芯片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。晶振电路选用6M石英晶体和两个30pF起振电容，并跨接一个1MΩ电阻，用于防止停振。P1.2与比较器LM393的输出相连，判断P1.2是否触发，一旦触发则计数。计数的标准为1ms，设计的量程是999ms，有3个数码管显示，分别对应百位、十位和个位。MCU程序由WH200编程加密器写入。限于篇幅，此处不作详叙。 看门狗电路具有监视器与执行器的作用，目的是提高测控系统可靠性。电路采用14位二进制串行技术/分频振荡器CD4060来实现硬件看门狗电路，它的电压范围宽（3～15V）。选R1=130kΩ、C1=100pF时，振荡频率经内部14级二分频后，在3脚约2Hz的频率信号。R2为偏置电阻。正常情况下AT89C2051每隔一段时间t1就将CD4060复位一次。一旦由于某种原因导致CPU失控，CD4060不能及时被复位，经过时间t2（t2>t1）就从3脚输出高电平将AT89C2051复位，把CPU复位到正常状态，然后CPU又将CD4060复位，使3脚恢复成低电平。R3C2组成微分电路，可将P3.4口输出的复位电平变成复位脉冲。 GAL16V8D译码及驱动电路。GAL（Generic Array Logic）是采用先进的E2PROM工艺制造的大规模专用数字集成电路，GAL器件具有高速、低耗、用户可反复编程及结构灵活等特点。GAL的输入缓冲器的逻辑作用是把输出变量转换成原变量和反变量，为与门阵列提供输入信号。同时，由于CMOS工艺输入阻抗很高，要求的输入驱动电流大大低于普遍双极型器件，使驱动电路有很高的扇出系数，并可与TTL电路兼容，也可直接驱动数码管。GAL16V8D译码并驱动数码管显示，由单片机控制显示位数。单片机的P1.7连接GAL16V8D的使能端12脚、P1.6连接9脚、P1.5连接8脚，相对应地显示百位、十位和个位。电路中GAL16V8D工作在一般模式下，有4个输入端，分别与单片机的输出相连，GAL16V8D的2脚对应单片机的P3.0；3脚对应P3.1；4脚对应P3.2；5脚对应P3.3。有7个输出端接数码管管脚。GAL16V8D完成4位二进制数的译码。采用ABEL语言对GAL16V8D进行编程，实现译码功能，其GAL程序略叙。 数码显示电路采用欧兴电子的SP402401 LED数码管，其电压范围为1.8～2.3V。具有红色、高亮度、低功耗、售价低等特点。SP402401采用共阴接法，驱动电流在5～10mA之间。GAL16V8D译码后完成对SP402401 LED数码管的驱动。SP402401引脚8、引脚9和引脚12是片选使能脚，3脚为小数点。1脚对应数码显示段E位，2脚对应D，4脚对应C，5脚对应G，7脚对应B，10脚对应F，11脚对应A，6脚悬空。[b]4 测速仪的使用 4.1 电路的信号流程[/b] 如果当磁钢片运动时，磁场的变化会在线圈L上产生感应电流，经过电阻R1与OP77的反向输入端2脚相连，放大200倍后，在6脚输出。再经过R4把输出电压值耦合到电压比较器LM393的正向输入端3脚。与反向输入端可调电位器上的参考电压相比较，在1脚上输出电平。LM393脚1上输出电平接到AT89C2051的P1.2，如果P1.2接收的是高电平，则单片机以定时步长为1ms触发计数，直到P1.2收到一个低电平停止计数。同时将计数值送到显示缓冲区。译码由AT89C2051和GAL16V8D共同完成。译码输入是单片机的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3，输出是GAL16V8D的13号脚到19号脚，对应接在七段数码管上，单片机的P1.7、P1.6、P1.5控制数码显示输出。[b] 4.2 测速仪的调整[/b] 测试仪不需要对原设备作额外的安装，只利用机械手本身自带的抽真空功能。实际应用时只要让真空吸头抽真空吸取一片磁铁，把测速仪的线圈感应器部分对准磁铁，然后机械控制真空吸头的上下移动，仪器能根据磁铁的N极和S极分别测试向下或者向上的速度，机械抓手的运动速度在LED上显示。 机械抓手运动行程控制方法如图6所示。气缸驱动吸头的上下移动。设备日常维护标准规范中规定，当气缸在初始状态下，吸头的连接块与气缸联动轴顶端的接触范围必须在0.5～1mm之间（可用塞尺进行测量）；而当吸头向下运动时，通过白色硬塑料挡块进行阻挡控制，防止吸头向下距离过大。白色硬塑料挡块的另一作用是能够缓冲吸头运动引起的震动。吸头的运动距离是有限制的，通常行程为12mm。图6 测速仪使用示意图 机械抓手运动速度控制。吸头是由气缸来驱动的，只要控制气缸的速度就能控制吸头向下的速度，而气缸速度变化是由进入气缸的流量引起的。所以，通过机械调整进入气缸的流量大小就能改变气缸速度，达到控速的目的。5 结束语 测速装置主要运用于短距离运动部件的速度测试，通过在生产线实际测试工序的操作使用，能对芯片测试设备机械抓手运动速度实现较精确测控，在不影响芯片测试质量的前提下提高测试效率和成品率，缩短了测试环节的周期，降低了测试环节成本。