BTZ-3100型探針臺(tái)承片臺(tái)系統(tǒng)的改進(jìn)研究

鄭金寶

（秦皇島視聽機(jī)械研究所，河北秦皇島066000）

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BTZ-3100型探針臺(tái)承片臺(tái)系統(tǒng)的改進(jìn)研究

鄭金寶

（秦皇島視聽機(jī)械研究所，河北秦皇島066000）

BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)是半導(dǎo)體芯片測(cè)試的高精密儀器，其中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是該分選設(shè)備的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)。結(jié)合客戶在使用過程的反饋意見，總結(jié)了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)存在的一些問題：主要包括z軸升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的芯片劃傷，以及u軸旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度不夠。針對(duì)這兩個(gè)問題，主要更改了z軸升降臺(tái)的軟件控制方式，同時(shí)改進(jìn)了u軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了機(jī)械運(yùn)動(dòng)和軟件控制的配合方式，并且對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示探針臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性得到了提高，設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的劃傷問題和對(duì)齊精度不高的問題都得到了很好的解決。

承片臺(tái)系統(tǒng)；z軸升降臺(tái)；u軸

半導(dǎo)體芯片封裝、測(cè)試是半導(dǎo)體制造過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著半導(dǎo)體芯片制造業(yè)的迅速發(fā)展，芯片測(cè)試越來(lái)越受到生產(chǎn)廠家的重視，并且已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)中一個(gè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，所以相關(guān)測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造也得到了迅速發(fā)展［1］。BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)是秦皇島視聽機(jī)械研究所專為半導(dǎo)體生產(chǎn)廠設(shè)計(jì)的用于半導(dǎo)體芯片封裝前晶圓測(cè)試的生產(chǎn)設(shè)備。與相應(yīng)的測(cè)試儀進(jìn)行信號(hào)通訊就可以組成一套完整的測(cè)試系統(tǒng)。BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)采用整體箱式結(jié)構(gòu)，封閉式設(shè)計(jì)，其主體主要分為四大部分：電氣控制系統(tǒng)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)。該設(shè)備是高速、高精度、高壓型探針機(jī)型，主要適用于半導(dǎo)體分立元件，光電元件的高壓測(cè)試。

探針臺(tái)承片臺(tái)系統(tǒng)是芯片測(cè)試過程中比較重要的一個(gè)部分。承片臺(tái)系統(tǒng)的載片平臺(tái)的平面度以及z軸升降臺(tái)的升降和u軸的旋轉(zhuǎn)精度，都影響著整個(gè)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試精度和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以，針對(duì)承片臺(tái)系統(tǒng)現(xiàn)存的測(cè)試劃傷和u軸旋轉(zhuǎn)軸精度低的問題進(jìn)行了研究改進(jìn)，來(lái)提高整個(gè)設(shè)備的測(cè)試精度和穩(wěn)定性。

1　承片臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)承片臺(tái)系統(tǒng)的兩個(gè)重要運(yùn)動(dòng)過程包括z軸升降臺(tái)方向的升降和u軸水平面的角度旋轉(zhuǎn)。其中z軸升降臺(tái)的升降主要是通過承片臺(tái)安裝的滾軸絲杠結(jié)構(gòu)，用伺服電機(jī)連接同步帶來(lái)帶動(dòng)滾珠絲杠完成承片臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)。z軸升降臺(tái)的升降主要是實(shí)現(xiàn)測(cè)試芯片與探針的接觸和分離，進(jìn)而完成對(duì)芯片的逐個(gè)連續(xù)測(cè)試，其升降運(yùn)動(dòng)達(dá)到的行程為4 mm，在整個(gè)測(cè)試的過程中，z向的升降要求每次芯片與測(cè)試探針接觸而且不要出現(xiàn)大的劃痕。而u軸水平面的角度調(diào)整是通過步進(jìn)電機(jī)連接同步帶帶動(dòng)載片臺(tái)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)完成的，其旋轉(zhuǎn)的角度范圍可以達(dá)到± 15°，u軸的旋轉(zhuǎn)作用是完成測(cè)試前對(duì)芯片的水平對(duì)齊，使得測(cè)試過程中測(cè)試針與芯粒不會(huì)發(fā)生水平上的偏移。

在探針臺(tái)對(duì)芯片的測(cè)試過程中，通過運(yùn)動(dòng)控制卡加載的程序，工控機(jī)發(fā)出信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，z軸升降臺(tái)在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下上升，使z軸升降臺(tái)吸盤上的測(cè)試芯片與探針接觸，測(cè)試儀完成對(duì)芯片參數(shù)的測(cè)試，測(cè)試完成工控機(jī)接收到測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)束信號(hào)，工控機(jī)發(fā)出信號(hào)使伺服電機(jī)控制z軸升降臺(tái)下降。同時(shí)軟件控制X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位到下一粒芯片的位置，重復(fù)上升，測(cè)試，下降，完成對(duì)所有芯片的測(cè)試［2］。承片臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　探針臺(tái)承片臺(tái)系統(tǒng)

2　結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制方式改進(jìn)

BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)的承片臺(tái)系統(tǒng)基本上可以滿足測(cè)試過程，但是z軸升降臺(tái)的升降是一個(gè)開環(huán)控制，沒有對(duì)接觸結(jié)果的反饋信號(hào)，每次z軸升降臺(tái)升降的電機(jī)旋轉(zhuǎn)脈沖是一定的，那么在測(cè)試的過程中，載片臺(tái)和測(cè)試芯片的平整度以及z軸升降臺(tái)電機(jī)和絲杠的傳動(dòng)精度都會(huì)使z軸升降臺(tái)上升或下降的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)試探針和測(cè)試芯片的接觸不好或出現(xiàn)上升過高而劃片的結(jié)果［3］。

現(xiàn)在設(shè)備的z軸升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)之間是開環(huán)控制，控制z軸升降臺(tái)的伺服電機(jī)只是接受一次控制信號(hào)，z軸升降臺(tái)的升降高度不會(huì)反饋給控制系統(tǒng)。所以要想控制z軸升降臺(tái)的實(shí)際升降高度，需要將以前的開環(huán)控制改為閉環(huán)控制。載片臺(tái)的升降主要是完成探針與測(cè)試芯片的接觸測(cè)試和分離，所以可將探高器的開合作為z軸升降臺(tái)升降的反饋信號(hào)，探針與測(cè)試芯片接觸開始測(cè)試，同時(shí)探高器被打開，z軸升降臺(tái)接受反饋信號(hào)開始下降，這時(shí)探高器閉合，z軸升降臺(tái)下降一定高度后再次上升，這樣則完成了z軸升降臺(tái)升降高度的可控性，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)系統(tǒng)控制，解決了測(cè)試探針和測(cè)試芯片的接觸不好或出現(xiàn)上升過高而劃片的問題。如圖2所示［5］。

除了將z軸升降臺(tái)的開環(huán)控制系統(tǒng)改成閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)還優(yōu)化了z軸升降臺(tái)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，將z軸升降臺(tái)的一次上升過程變成分段運(yùn)動(dòng)，分為基本高度、接觸高度、緩沖高度。在將要與芯片接觸的末段運(yùn)動(dòng)變成減速運(yùn)動(dòng)，增加了一個(gè)減速緩沖的過程，避免了芯片與探針的硬性接觸，減少了探針對(duì)芯片的劃傷。圖3（a）為改進(jìn)后，（b）為改進(jìn)前兩種運(yùn)動(dòng)方式對(duì)芯片的劃傷對(duì)比圖。

圖3 z軸升降臺(tái)改進(jìn)后的劃痕圖

圖3中的（a）圖為z軸升降臺(tái)改進(jìn)后所測(cè)芯片的針痕圖，（b）圖為z軸升降臺(tái)改進(jìn)前所測(cè)芯片的針痕圖，通過兩個(gè)圖片的對(duì)比可以看出，（a）圖雖然也有針痕，但是接觸針痕比較小，其針痕大小所占芯片的整體面積比例完全符合測(cè)試客戶的要求，（b）圖的針痕比較大，其針痕大小所占芯片的整體面積比例已經(jīng)超出客戶要求，已經(jīng)造成了對(duì)芯片表面的損傷，并且還會(huì)出現(xiàn)比較長(zhǎng)的劃痕，這種劃痕是因?yàn)閦軸升降臺(tái)上升過程為開環(huán)控制，導(dǎo)致了探針與芯片的過度接觸，出現(xiàn)了比較長(zhǎng)的劃傷，通過圖3可以看出z軸升降臺(tái)的改進(jìn)解決了測(cè)試探針和測(cè)試芯片的接觸不好和出現(xiàn)上升過高而劃片的問題。

2.2u軸旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在測(cè)試前的掃描對(duì)齊過程中，u軸的旋轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)件間的空程現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵诓竭M(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，由于同步帶和齒輪間的摩擦力不夠，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)沒有帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，尤其是在u軸的往返運(yùn)動(dòng)中更為明顯。這樣就會(huì)導(dǎo)致在掃描對(duì)齊的過程中，對(duì)齊時(shí)間過長(zhǎng)或者測(cè)試芯片達(dá)不到對(duì)齊的位置，致使在接下來(lái)的測(cè)試過程中出現(xiàn)測(cè)試針偏離芯片的現(xiàn)象。

于是對(duì)u軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，主要改進(jìn)部分是在步進(jìn)電機(jī)與載片臺(tái)之間的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上，考慮到傳動(dòng)帶與鋸齒間的摩擦大小不同，會(huì)影響到傳動(dòng)精度的實(shí)現(xiàn)，所以將步進(jìn)電機(jī)與載片臺(tái)之間的同步帶傳動(dòng)，換成通過銅片連接軌道滑塊與載片臺(tái)，然后通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)使滑塊牽引載片臺(tái)旋轉(zhuǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　u軸改進(jìn)示意圖

這樣載片臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度主要由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度和螺桿的規(guī)格決定，進(jìn)而消除了之前同步帶傳動(dòng)的空程滑動(dòng)問題。原u軸旋轉(zhuǎn)角度公式如式（1），改進(jìn)后u軸旋轉(zhuǎn)角度的公式如式（2）。

公式（1）中，θ2為載片臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度；r2為載片臺(tái)的旋轉(zhuǎn)半徑；θ1為電機(jī)端的旋轉(zhuǎn)角度；r1為電機(jī)端的旋轉(zhuǎn)半徑。

公式（2）中，θ為u軸旋轉(zhuǎn)角度；l為滑塊的行程；r為承片臺(tái)的旋轉(zhuǎn)半徑。

公式（3）中，θ為u軸旋轉(zhuǎn)角度；ΔL為實(shí)際旋轉(zhuǎn)誤差距離；R為晶圓的實(shí)際半徑。

由（2）、（3）可以得出：

由公式（1）可以看出，通過同步帶傳動(dòng)的u軸旋轉(zhuǎn)精度主要受同步帶的傳動(dòng)精度影響，如果出現(xiàn)空程現(xiàn)象，則u軸的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)受到比較大的影響。由公式（4）得出改進(jìn)后的u軸的旋轉(zhuǎn)角度主要靠滑塊在螺桿上的滑動(dòng)行程，則不會(huì)出現(xiàn)比較大的空程現(xiàn)象，確保了u軸每次的旋轉(zhuǎn)精度。將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)通過軟件自動(dòng)掃描對(duì)齊，將對(duì)齊后的旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)精度用萬(wàn)能工具顯微鏡進(jìn)行測(cè)量，得出的旋轉(zhuǎn)誤差統(tǒng)計(jì)值如圖5。

圖5　改進(jìn)前后u軸旋轉(zhuǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

通過圖5可以看出，改進(jìn)前的旋轉(zhuǎn)精度比較差，通過萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)得的平均自動(dòng)對(duì)齊誤差為38 μm，在測(cè)試過程就會(huì)出現(xiàn)測(cè)試針偏離芯片中心的現(xiàn)象，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是改進(jìn)后通過萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量得出的平均旋轉(zhuǎn)誤差為10 μm，所以u(píng)軸改進(jìn)后的效果提高了整個(gè)機(jī)器的自動(dòng)對(duì)齊精度，使整個(gè)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性得到了提高。

3　結(jié)　論

對(duì)于BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)主要參考了國(guó)內(nèi)和國(guó)外相似機(jī)型的結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合了我所研發(fā)設(shè)備的自有特點(diǎn)，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將z軸升降臺(tái)的軟件控制模式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將之前簡(jiǎn)單的開環(huán)控制模式改為閉環(huán)控制模式，降低了升降臺(tái)承載芯片與探針的硬性接觸，減少了芯片的劃傷；并且對(duì)u軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)前后的運(yùn)行情況進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果證明此次改進(jìn)提高了u軸旋轉(zhuǎn)軸的精度，使得承片臺(tái)系統(tǒng)的整體測(cè)試精度和測(cè)試穩(wěn)定性得到了提高，存在的問題得到了很好的解決。

［1］ 楊超，胡泓.面向IC測(cè)試技術(shù)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2006，（5）：52-54.

［2］ 于林麗，濮鈺麒，孟麗霞，等.精密掃描平臺(tái)控制電路的設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（Z1）：617-618.

［3］ 吳小燕，柏正香，歐昌銀.多探針自動(dòng)測(cè)試臺(tái)的技術(shù)改造［J］.微電子學(xué)，2006，36（6）：842-844.

The Improvement of Motion System to the BTZ-3100 Probe Station

ZHENG Jinbao

（Qinhuangdao Audio-Visual Machinery Research Institute，Qinhuangdao 066000，China）

The BTZ-3100 automatic probe station is the high precision instruments of semiconductor chip testing，and the motion system is an important structure of the sorting equipment.To improve the accuracy and stability of the motion system，the article summarizes some problems of the motion system and puts forward the improvement method in combination with the feedback message of the customers in the use of equipment，mainly includes the chip scratches caused by the z axis movement，and the less high alignment accuracy caused by insufficient rotation accuracy of u axis.To solve these problems，the way of the software control of z axis is changed，，at the same time the mechanical structure of u axis is improved，all the methods can optimize the way of the cooperation of mechanical movement and the software control，the improved structure has carried on the actual test，the test results show that the accuracy and stability of the probe's motion system are improved，the problems of scratch and false-positive in the process of equipment operation are well solved.

Motion system；z axis；u axis

TN305

B

1004-4507（2016）09-0034-05

鄭金寶（1987-），男，漢，河北省唐山市人，碩士研究生，機(jī)械工程師，主要從事精密儀器機(jī)械設(shè)計(jì)。

2016-07-25