手動探針測試臺的自動化設(shè)計(jì)*

羅 輝，秦會斌

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 杭州310018)

ST-103A型手動探針測試臺是一種半導(dǎo)體制作工藝的中間測試設(shè)備，是中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制生產(chǎn)的。主要由工作臺、顯微鏡、測試探頭、打點(diǎn)器和電源等組成。工作臺是探針臺的主體，由承片臺、臺板和X、Y、Z移動平臺等部分組成。

但是由于ST-103A型測試臺是手動控制的，給測量帶來了很多不便，控制起來也不精確，尤其在測量多點(diǎn)的時(shí)候，會帶來很大的誤差。而且每次測完都要手動記錄數(shù)據(jù)，使得測量過程非常麻煩。鑒于以上原因，對ST-103A型手動探針測試臺進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了其全自動化控制。給半導(dǎo)體材料的測試帶來了極大的幫助。

1 總體框架

ST-103A型手動探針測試臺為接觸式測試探針臺，即在探針接觸樣品時(shí)才能測量，然而在移動時(shí)探針是不能接觸樣品的。該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動[1]來帶動絲桿和滾珠的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)探針臺的自動化控制。測試臺上的顯微鏡對探針臺進(jìn)行放大，然后經(jīng)過攝像頭和視頻采集卡對放大后的探針臺視頻信息進(jìn)行圖像采集，采集到的圖像信息再送到上位機(jī)VC++界面顯示。從而實(shí)現(xiàn)了對探針臺的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且根據(jù)當(dāng)前的視頻圖像就可以做相應(yīng)的控制?？傮w控制框架圖如圖1所示。

圖1 總體控制框架圖

2 測試臺控制

根據(jù)ST-103A型手動探針測試臺的結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)測試臺的自動化控制，首先要對X、Y、Z移動平臺進(jìn)行機(jī)械改造，采用步進(jìn)電機(jī)代替原來的手輪。X、Y移動平臺的傳動和導(dǎo)向均采用絲桿與直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)， Z軸方向采用滾珠與直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，兩者都具有導(dǎo)向精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好，對溫度變化的敏感性小等特點(diǎn)。但是步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)軌是不能直接連接的。為了實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)械耦合，帶來更好的實(shí)驗(yàn)效果，系統(tǒng)中使用了柔性連軸器作為電機(jī)與導(dǎo)軌的中間紐帶。再加工相應(yīng)的機(jī)械零件將電機(jī)固定于測試臺上。

采用MSP430F449單片機(jī)[2]作為下位機(jī)的主控芯片， MSP430 系列單片機(jī)具有與眾不同的功能和特點(diǎn)，超低功耗設(shè)計(jì)可以提高電源的效率， 節(jié)省電能，眾多的片內(nèi)外圍設(shè)備可以減少成本的投入，方便的開發(fā)平臺和Flash型現(xiàn)場更新功能可以有效加速產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。

單片機(jī)先通過串口接收上位機(jī)界面的命令信息，再根據(jù)相應(yīng)的命令通過相應(yīng)的算法之后控制三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)與否，正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以及轉(zhuǎn)動的步數(shù)和速度。因?yàn)镾T-103A型手動探針測試臺是接觸式測試探針臺，所以在測量時(shí)先對X、Y軸電機(jī)進(jìn)行控制，移動到測量位置之后再對Z軸電機(jī)進(jìn)行控制。具體控制流程圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)的控制流程圖

對于電機(jī)的驅(qū)動，該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的L297和L298芯片組和作為驅(qū)動?；赬、Y、Z軸三維控制，因此三套L297和L298芯片。L297的核心是脈沖分配器。它產(chǎn)生三種相序，對應(yīng)三種不同的工作方式，即半步方式(HALFSTEP)；基本步距(FULLSTEP，整步)一相激勵(lì)方式；基本步距兩相激勵(lì)方式。L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負(fù)載的。為了控制更加精確，系統(tǒng)采用L297的半步方式，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)完一整圈需要400步，即需要給L297輸入400個(gè)脈沖。

3 視頻采集系統(tǒng)

視頻采集系統(tǒng)的功能是把顯微鏡里放大的測試臺圖像信息采集下來并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)VC++界面，從而實(shí)現(xiàn)對測試臺的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)采用CCD攝像頭[3]與視頻采集卡[4]相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)視頻采集。攝像頭固定在顯微鏡目鏡的位置，即取代目鏡。視頻卡裝置在上位機(jī)主機(jī)一個(gè)空置的PCI插槽內(nèi)。再用一根視頻信號傳輸線將攝像頭的輸出口和視頻卡的視頻輸入口連接起來。

CCD攝像頭選用柯士公司生產(chǎn)的CAM-640C型攝像頭。視頻采集卡則是選用圖碼公司開發(fā)的天敏SDK-2000高清圖像采集卡。 SDK-2000是一款高品質(zhì)PCI視頻卡，支持兩路復(fù)合視頻輸入和一路SVideo輸入。其工作原理圖如圖3所示。

圖3 SDK-2000視頻卡的工作原理圖

如圖3， SDK-2000卡主要由視頻信號輸入端、A/D轉(zhuǎn)換器、同步鎖相及時(shí)序電路、數(shù)據(jù)存儲器、混合器、D/A轉(zhuǎn)換器和總線控制電路組成。視頻信號先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后送入數(shù)字解碼器解碼，時(shí)鐘控制則完成時(shí)序同步和同步鎖相功能；解碼后的信號和VGA卡的顏色查找表對應(yīng)的R、G、B輸入值混合，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出顯示。控制電路主要完成解碼器、數(shù)據(jù)存儲器保持與VGA特性一致，并負(fù)責(zé)PCI總線控制。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中上位機(jī)軟件的開發(fā)在VC++6.0平臺下完成，主要分2部分：視頻顯示部分和串口傳輸部分。視頻顯示部分主要使用了一個(gè)動態(tài)鏈接庫[5]：視頻采集卡二次開發(fā)包 DSStream.DLL。DSStream.DLL由視頻采集卡自帶，其中包含了很多與視頻采集卡相關(guān)的操作函數(shù)。通過調(diào)用庫函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化，要加載DSStream.DLL需要執(zhí)行以下幾個(gè)步驟：

(1)安裝SDK-2000軟件包；

(2)將SDK安裝目錄下的Inc和Lib目錄路徑分別加入VC++工程設(shè)置的“C/C++-Prep rocressor Additional include directories”和“Link-Input-Additional library path”中；

(3)將LibDSStream.lib文件加入工程設(shè)置的“Link-General-Object/librarymodule”中；

(4)將IncDSStream.h文件加入工程，并#include“DSStream.h”；

(5)將ExeDSStream.dll文件拷入系統(tǒng)目錄或其他系統(tǒng)能找到的目錄中。

串口傳輸部分則是使用了Remon Spekreijse提供的免費(fèi)串口類—CserialPort類[6]。 CserialPort類主要包括了串口初始化、啟動串口通信監(jiān)測線程、暫?；蛲Ｖ贡O(jiān)測線程、關(guān)閉串口、發(fā)送字符或數(shù)據(jù)等函數(shù)。要使用CserialPort類需要先執(zhí)行以下兩個(gè)步驟：

(1)將SerialPort.cpp文件和SerialPort.h文件拷貝到工程文件夾；

(2)將SerialPort.cpp文件和SerialPort.h文件加入到工程并#include“SerialPort.h”。

當(dāng)打開VC++界面時(shí)，界面上會顯示測試臺當(dāng)前的圖像，如圖4所示。以圖像的中心點(diǎn)作為原點(diǎn)，將鼠標(biāo)在需要測量的目標(biāo)點(diǎn)處雙擊，通過OnLButtonDblClk()函數(shù)和SetCapture()函數(shù)獲取目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，再將此坐標(biāo)值與原點(diǎn)比較，所得的差值再通過串口傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)則會根據(jù)此差值控制測試臺做相應(yīng)的移動，將目標(biāo)點(diǎn)移動到原點(diǎn)的位置，此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)就成了新的原點(diǎn)?？刂圃韴D如圖5所示。

圖4 視頻采集效果圖

圖5 測試臺的控制原理圖

5 改造后的技術(shù)指標(biāo)

通過控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)測試臺的自動控制，跟原來的手動探針測試臺相比，許多性能都有了很大的提高。包括定位精度、升降控制的精度以及步進(jìn)速率等等。表1列出了改造后測試臺的一些技術(shù)指標(biāo)。

表1 測試臺改造后的技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)束語

探針測試臺是半導(dǎo)體集成電路測試的重要設(shè)備，它的自動化控制以及控制的精準(zhǔn)度對半導(dǎo)體測試都是非常重要的。改造完成后的探針測試臺經(jīng)過測試，成功地完成了對測試臺的全自動控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)表1可以看出，控制精度高。由于還采用了VC++編寫上位機(jī)界面控制，使得改造后的探針測試臺還具有界面友好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

[ 1] 王盈.步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動及動態(tài)性能仿真[ D] .中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫， 2007， (05).

[ 2] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2008：272-288.

[ 3] 江潔，郁道銀.一種微型面陣CCD及其驅(qū)動控制[ J] .傳感器技術(shù)， 1999， 18(5)：47-49.

[ 4] 林靖，陳輝堂，蔣平，等.用多媒體視頻卡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字圖像采集[J] .測控技術(shù)， 1999， 18(2)：45-47.

[ 5] 朱洪波.Visual C++6.0完全自學(xué)寶典[ M] .北京：清華大學(xué)出版社， 2008：196-220.

[ 6] 龔建偉， 熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐[ M] .北京：電子工業(yè)出版社， 2004：16-35.