利用RSS公差分析法來優(yōu)化測試硬件設計

趙春華

摘要：在半導體芯片測試中，測試巢和測試插座是兩個關鍵部件。設計出具有良好測試效果的測試巢和插座是非常重要的。如何實現(xiàn)這一目標是每個測試硬件設計師都非常關心的問題。本文主要介紹了什么是RSS公差分析方法，RSS公差分析法的計算步驟，以及如何利用公差分析法對測試硬件進行優(yōu)化設計。最后以17x17BGA 封裝為例，優(yōu)化測試巢和插座的關鍵尺寸公差，展示優(yōu)化前后接觸良率的結(jié)果對比。

關鍵詞：測試巢測試插座公差分析半導體封裝

一、測試巢和插座在半導體測試中的重要性

在半導體芯片測試中，測試巢和插座是兩個關鍵部件，用于連接測試電路板和待測芯片。每種芯片的封裝都對應至少一款測試巢和插座，目前生產(chǎn)常見的芯片封裝有3000多種，對應的測試巢/插座數(shù)不勝數(shù). 隨著半導體封裝工藝的持續(xù)改進，測試巢和插座的設計也需要不斷更新迭代。而且不同的測試機對測試巢和插座的要求不同，所以隨著測試機的更新?lián)Q代，測試巢和插座設計理念也推陳出新，越來越復雜。

嚴謹可靠的測試巢和插座設計不僅可以保證生產(chǎn)維持較高的測試良品率，而且還能減少停機檢修時間，從而提高生產(chǎn)效率。這兩個部件雖然很小，但是一旦有問題，影響的卻是整個公司效益，小則延誤產(chǎn)品出貨周期，帶來負面客戶體驗，大則影響公司產(chǎn)品的市場占有率。所以在產(chǎn)品量產(chǎn)之前研制出嚴謹可靠的測試巢和插座至關重要。

二、簡介RSS公差分析法

如何保證測試巢/插座具有良好的測試效果？不僅需要機械加工廠具備較高的加工精度，還需要設計者根據(jù)芯片封裝尺寸設定合理的幾何尺寸和公差。太嚴的尺寸公差會提高測試巢和插座的加工成本，太寬松的尺寸公差會降低測試良品率。本文所探討的就是利用RSS公差分析法來分析測試硬件的裝配關系，從而制定出合理的測試巢/插座的幾何尺寸和公差。

RSS（Root Sum Squares）是一種統(tǒng)計方法，將裝配中所涉及到的所有因素的公差都計算在內(nèi)，進行平方根運算，計算結(jié)果就是RSS值，即有效接觸軌跡的半徑。根據(jù)RSS結(jié)果，為設計測試巢/插座提供合理的幾何尺寸參數(shù)。RSS的最初目的就是計算出最壞情況下的接觸位置。

三、運用RSS公差分析法的步驟

第一步：創(chuàng)建被測器件的封裝模型和測試巢

依據(jù)實物測量的數(shù)值和封裝工藝使用的模具設計圖來創(chuàng)建被測器件的封裝模型。本文主要探討非管腳封裝類型，例如BGA/QFN/LGA 等。關鍵尺寸是：外形長寬尺寸，總厚度，有效定位厚度，焊盤或焊錫球大小和間距。

第二步：選取所有影響接觸性能的配合因素

通常影響測試接觸性能的配合要素有：

1.測試插座探針孔與探針的配合公差– H（最大探針孔直徑– 最小探針直徑）

2.測試插座探針孔的位置公差– P

3.測試插座各零件之間定位銷的位置公差– D

4.測試插座與測試板定位銷的配合公差 - G

5.測試插座與測試巢之間的配合公差– A

6.測試板與測試系統(tǒng)之間定位銷的配合公差–T

7.測試板探針接觸焊盤尺寸公差- S

第三步：計算被測器件在測試巢中最大的偏移量（SH）

SH=

X方向偏移= 測試巢定位芯片處的最大尺寸 - 被測器件X方向最小尺寸

Y方向偏移= 測試巢定位芯片處的最大尺寸 - 被測器件Y方向最小尺寸

第四步：計算RSS的數(shù)值

RSS的計算公式如下：

RSS =

RSS計算出的是測試探針接觸被測芯片焊盤時所有可能的軌跡范圍。它是一個圓圈的半徑值。

第五步：根據(jù)RSS計算結(jié)果，檢查測試巢/插座設計是否合理

很顯然，軌跡的直徑一定要小于被測芯片的焊錫球直徑或焊盤最小寬度。用RSS乘以2 跟焊錫球、焊盤直徑的比率進行判斷。Ratio= RSS*2 / Terminal。比率Ratio越小，接觸性能越好，但是加工精度提高，成本會提高。

為了方便使用RSS公差分析法，可以用excel 做一個模板，根據(jù)上述的理論編輯好公式算法，以后每當設計完成，使用這個模板，填入項目的參數(shù)，即可很快的計算出RSS 比率，選出最優(yōu)的設計尺寸和公差。從而極大地節(jié)約工程師設計時間。

四、以17x17BGA封裝為例進行RSS公差分析

17x17BGA 有很多種不同的焊錫球封裝，有289個球的，404個球的，256個球的，和208球的。它們的外形尺寸公差范圍較大，焊錫球的直徑和公差也不同。下面是每種封裝實際尺寸范圍：

404BGA17x17_5343 外形尺寸：16.89mm ～16.98mm 焊錫球直徑：0.35mm ～ 0.45mm

400BGA17x17_5284外形尺寸：16.96mm ～17.01mm 焊錫球直徑：0.4mm ～0.5mm

256BGA17x17_5246 外形尺寸：16.87mm ～16.96mm 焊錫球直徑：0.4mm ～ 0.6mm

208BGA17x17_5253外形尺寸：16.92mm ～17.03mm 焊錫球直徑：0.5mm ～ 0.7mm

289BGA17x17_5235 外形尺寸：16.89mm ～17.00mm 焊錫球直徑：0.5mm ～ 0.7mm

假設測試插槽的定位尺寸設計為17.08+0.03mm。根據(jù)上述RSS計算方法可以得出：

404BGA17x17_5343 的封裝，RSS比率為99%～125%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）用于生產(chǎn)將會有接觸不良的問題，測試插槽設計需要優(yōu)化。

400BGA17x17_5284的封裝，RSS比率為74%～99%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不存在接觸不良的風險。

256BGA17x17_5246的封裝，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不能100%接觸良好。當焊錫球直徑大于0.45mm時，RSS比率低于99%，沒有接觸不良的風險。當焊錫球直徑小于0.45mm時，RSS比率為102%～112%，存在接觸不良的風險，測試插槽設計需要優(yōu)化。

208BGA17x17_5253的封裝，RSS比率為61%～85%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不存在接觸不良的風險。

289BGA17x17_5235 的封裝，RSS比率為62%～89%之間，當前的測試插槽設計（17.08+0.03mm）不存在接觸不良的風險。

針對接觸不好的封裝芯片，5343 和5246，優(yōu)化測試插槽尺寸為17+0.03mm，再次帶入RSS運算模板。根據(jù)表格計算結(jié)果可知，測試插槽尺寸為17+0.03mm 時，5246接觸不良的問題，可以被徹底改善。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，使用改善后的測試插槽，良品率提高了約5個百分點。但是5343的封裝，當封裝焊錫球直徑小于0.4mm時，仍然會有接觸不良的風險，這種情況需要跟封裝工藝工程師溝通，可以加大封裝的外形尺寸，或者擴大封裝焊錫球的接觸面積。

綜上所述，RSS公差分析法是一種簡單有效的方法，在半導體測試硬件設計中為工程師極大的節(jié)約設計時間，同時保證測試硬件設計合理，提高首次成功的概率。

（作者單位：恩智浦半導體中國有限公司）