基于二維碼的半導(dǎo)體芯片測(cè)試信息自動(dòng)化識(shí)別及追溯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梁 勇，吳永恒，陳 洋

(飛思卡爾半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司 天津300385)

0 引 言

在半導(dǎo)體芯片研發(fā)周期中，需要對(duì)芯片進(jìn)行大量的可靠性試驗(yàn)來進(jìn)行認(rèn)證，以確保芯片能夠在其整個(gè)生命周期中滿足質(zhì)量可靠性要求。以家用轎車電子芯片為例，通常需要保證芯片在-40～125℃(操作環(huán)境溫度 1級(jí)芯片)的溫度范圍內(nèi)具有 20年的使用壽命。因此，在芯片研發(fā)周期中需要對(duì)其進(jìn)行高溫操作生命周期實(shí)驗(yàn)(HTOL)，模擬芯片在整個(gè)生命周期內(nèi)可能遇到的其他各種情況的可靠性試驗(yàn)，如模擬焊接芯片到電路板的預(yù)處理試驗(yàn)(PC)，模擬芯片儲(chǔ)存的高溫儲(chǔ)存生命周期試驗(yàn)(HTSL)，模擬芯片在溫度變化環(huán)境中的溫度循環(huán)沖擊試驗(yàn)(TC)等。

大多數(shù)可靠性試驗(yàn)都要求對(duì)同一批芯片反復(fù)進(jìn)行測(cè)試，并且能夠找到每顆芯片對(duì)應(yīng)的每一次測(cè)試結(jié)果，以高溫操作生命周期實(shí)驗(yàn)(HTOL)為例，其整個(gè)試驗(yàn)流程見圖 1。可以看出，同一顆芯片在整個(gè)試驗(yàn)周期中會(huì)經(jīng)歷高達(dá) 21次自動(dòng)化測(cè)試機(jī)反復(fù)測(cè)試(不包括人工手動(dòng)驗(yàn)證測(cè)試)。其中 6個(gè)度數(shù)點(diǎn)的每顆芯片的每個(gè)溫度的測(cè)試結(jié)果都需要一一對(duì)應(yīng)以確?？煽啃栽囼?yàn)后的電性參數(shù)漂移分析追溯。但是常用的最終測(cè)試自動(dòng)化分揀機(jī)及自動(dòng)化測(cè)試機(jī)通常并沒有該功能，通常的解決方案是：

①通過人工手動(dòng)編號(hào)并每次放入自動(dòng)化分揀機(jī)之前對(duì)待測(cè)芯片進(jìn)行人工排序，以確定每顆芯片在測(cè)試結(jié)果中的位置，如圖2所示。

②通過芯片唯一電子身份碼(ECID)對(duì)應(yīng)每顆芯片的當(dāng)前測(cè)試結(jié)果及歷史測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

圖1 高溫操作生命周期實(shí)驗(yàn)(HTOL)流程Fig.1 Flow of high temperature operation life experiment

圖2 人工手動(dòng)編號(hào)芯片測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)示意Fig.2 Corresponding diagram of test results of manual numbering chips

圖3 芯片唯一電子身份碼(ECID)測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)及追溯示意Fig.3 Corresponding and traceability diagram of test results of ECID

由于以上兩種傳統(tǒng)芯片測(cè)試信息追溯方式都具有很大的局限性，需要一種全新的方式突破這些局限，實(shí)現(xiàn)一種更簡(jiǎn)單通用的芯片測(cè)試結(jié)果追溯方法。

1 傳統(tǒng)芯片測(cè)試信息追溯方式的局限性

對(duì)于第 1種人工手動(dòng)編號(hào)芯片測(cè)試信息追溯方式，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果信息對(duì)應(yīng)清晰：在對(duì)芯片進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試之前，由人工將阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)標(biāo)記在芯片表面(或者印刷在芯片表面)，每次測(cè)試之前由人工排序的方式將待測(cè)芯片按編號(hào)從小到大進(jìn)行排序并按順序進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果生成順序即對(duì)應(yīng)待測(cè)芯片的編號(hào)順序，不需要工程師進(jìn)行額外的測(cè)試結(jié)果處理。同時(shí)，如果被測(cè)芯片由于機(jī)械性損傷造成無法測(cè)試，也可以直觀地從芯片表面的編號(hào)清楚知道該芯片的歷史測(cè)試信息。

從圖1高溫操作生命周期實(shí)驗(yàn)(HTOL)流程中可知，芯片在整個(gè)試驗(yàn)周期中會(huì)經(jīng)歷高達(dá) 21次的自動(dòng)化測(cè)試機(jī)反復(fù)測(cè)試，每次測(cè)試前都可能會(huì)要求操作人員對(duì)待測(cè)芯片進(jìn)行手動(dòng)編號(hào)。對(duì)于平均情況，在一個(gè)認(rèn)證周期內(nèi)需要進(jìn)行的編號(hào)測(cè)試次數(shù)如表 1所示。其總計(jì)為306次人工手動(dòng)待測(cè)物料排序。

因此，這種情況下會(huì)耗費(fèi)大量的人力于重復(fù)性的無價(jià)值物料擺放工作中，同時(shí)，反復(fù)多次的人工擺放也會(huì)增大芯片產(chǎn)生機(jī)械性損傷的概率。

對(duì)于第 2種通過芯片唯一電子身份碼(ECID)測(cè)試信息追溯方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是不需要引入大量的人工工作，可以直接通過測(cè)試結(jié)果中的ECID對(duì)芯片的測(cè)試結(jié)果信息進(jìn)行追溯。

但其主要的局限性在于，ECID信息是儲(chǔ)存在芯片內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的信息，只能通過最終測(cè)試將其顯示在測(cè)試結(jié)果中。某些簡(jiǎn)單的芯片(如電子開關(guān)、總線控制等)內(nèi)部不具有存儲(chǔ)區(qū)，因此也就沒有 ECID。另外，即使具有 ECID的芯片，由于在整個(gè)認(rèn)證試驗(yàn)周期中，同一顆芯片可能會(huì)經(jīng)歷幾十次的反復(fù)測(cè)試，如果萬一芯片在測(cè)試過程中產(chǎn)生機(jī)械性損傷，如引腳彎曲、脫落乃至芯片碎裂，ECID信息將不能再被讀出，從而喪失可追溯性，如圖4所示。

表1 典型汽車電子芯片認(rèn)證編號(hào)測(cè)試次數(shù)Tab.1 Test times of typical automotive electronic chip certification number

圖4 芯片機(jī)械性損傷導(dǎo)致測(cè)試信息可追溯性丟失Fig.4 Loss of test information traceability due to mechanical damage to chip

2 基于二維碼的半導(dǎo)體芯片測(cè)試信息自動(dòng)化識(shí)別及追溯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

“基于二維碼的半導(dǎo)體芯片測(cè)試信息自動(dòng)化識(shí)別及追溯系統(tǒng)”(以下簡(jiǎn)稱“本系統(tǒng)”)的設(shè)計(jì)理念主要包括：

①通過識(shí)別印刷在芯片表面的二維碼來確定每顆芯片的唯一編號(hào)。

②不引入復(fù)雜的攝像頭移動(dòng)機(jī)械控制裝置，而是選擇多個(gè)靜態(tài)高分辨率工業(yè)攝像頭對(duì)擺放在同一個(gè)測(cè)試托盤上的待測(cè)芯片進(jìn)行圖片采集，每個(gè)攝像頭采集測(cè)試托盤上的部分區(qū)域以確保其分辨率。

③選擇合適波長(zhǎng)的光源以確保每個(gè)攝像頭抓取的圖片質(zhì)量可被軟件100%識(shí)別最小為4mm×4mm的二維碼信息。

④基于 LabVIEW 語言編寫相應(yīng)的控制軟件，可將來自多個(gè)攝像頭的圖片拼裝成完整的測(cè)試托盤圖像，并可以按照自動(dòng)分揀機(jī)抓取芯片的順序進(jìn)行每顆芯片的二維碼信息識(shí)別。

⑤控制軟件需具備二維碼再識(shí)別功能以確保100%的識(shí)別率。

⑥控制軟件可以將識(shí)別出的二維碼信息存儲(chǔ)于txt、excel等常用格式文件內(nèi)。

⑦控制軟件可以處理芯片標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試格式文件(STDFFile)，將識(shí)別出的二維碼信息對(duì)應(yīng)每顆芯片的測(cè)試結(jié)果嵌入至芯片測(cè)試STDF文件中。

⑧友好的用戶操作界面。

本系統(tǒng)的工作原理如圖5所示：操作人員控制本系統(tǒng)對(duì)測(cè)試托盤進(jìn)行圖片采集之后，即可將待測(cè)物料直接放入自動(dòng)分揀機(jī)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)本系統(tǒng)會(huì)對(duì)采集的圖片上的二維碼進(jìn)行識(shí)別。待生成測(cè)試結(jié)果文件后，將其輸入到本系統(tǒng)，將會(huì)重新生成一個(gè)包含解析后的二維碼信息的新的測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)文件。該文件可直接用于以后的測(cè)試結(jié)果追溯及分析。

圖5 基于二維碼的半導(dǎo)體芯片測(cè)試信息自動(dòng)化識(shí)別及追溯系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of working principle of automatic identification and traceability system for semiconductor chip test information based on 2D code

3 本系統(tǒng)的組成

3.1 硬件組成

如圖6所示，本系統(tǒng)的硬件部分主要包含：

①3個(gè) 1600萬像素高清工業(yè)用攝像頭(HXSUA1600C-T)+焦距12mm高清鏡頭(MD-JT12)。

②波長(zhǎng) 650nm 專用光源(HX-GYTX001)+光源控制器(ACS-2C0400-24PS)。

③安裝支架+測(cè)試托盤底座。

④個(gè)人電腦(安裝有用戶界面、控制軟件、驅(qū)動(dòng)程序等)。

圖6 基于二維碼的半導(dǎo)體芯片測(cè)試信息自動(dòng)化識(shí)別及追溯系統(tǒng)硬件組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of hardware composition of automatic identification and traceability system for semiconductor chip test information based on 2D code

本系統(tǒng)放入專用金屬小車內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)，且能保證靜電防護(hù)要求以及屏蔽可見光的干擾。

3.2 軟件組成

本系統(tǒng)軟件編寫基于 LabVIEW 語言，其前面板用戶界面如圖7所示，其主要功能是與用戶進(jìn)行信息交互，用戶可實(shí)時(shí)了解解析過程，并通過交互界面對(duì)系統(tǒng)功能的執(zhí)行進(jìn)行控制。后面板主程序如圖 8所示，主要包含：

①圖像采集處理代碼模塊。用以處理3個(gè)攝像頭采集出來的圖片，將其合并并轉(zhuǎn)化成軟件可直接識(shí)別的格式。

②二維碼識(shí)別代碼模塊。用以識(shí)別并解析處理后的圖片上的二維碼信息，自適應(yīng)不同二維碼的大小，以及待測(cè)芯片的大小。完成從第一顆芯片到最后一顆芯片的二維碼分析，并循環(huán)檢查以確保達(dá)到 100%的識(shí)別率。

③數(shù)據(jù)保存代碼模塊。用以保存解析后的二維碼信息，且將二維碼信息嵌入至測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)格式文件中。

④測(cè)試邏輯管理代碼模塊。用以管理整個(gè)流程的運(yùn)行，根據(jù)用戶界面輸入的信息進(jìn)行任務(wù)分配及流程控制。

除上述主程序模塊之外，軟件還包括多個(gè)子程序模塊，以配合主程序模塊完成系統(tǒng)工作。

圖7 軟件代碼前面板用戶界面Fig.7 Front panel user interface of software code

圖8 軟件代碼后面板主程序模塊Fig.8 Back panel main program module of software code

4 功能驗(yàn)證結(jié)果

本系統(tǒng)的工作流程如圖9所示。

選擇正在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)認(rèn)證的PCU12芯片按以上工作流程進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證，選擇4個(gè)班次的不同操作人員，其結(jié)果如表 2所示：所有批次都實(shí)現(xiàn)100%成功識(shí)別，且需要生成的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)格式文件皆成功加入了正確的二維碼信息，如圖10所示。

表2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證結(jié)果Tab.2 System function verification result

圖10 原始的STDF文件及加入了二維碼順序信息的STDF文件Fig.10 Original STDF file and STDF file with 2D code serial information

5 結(jié) 論

基于二維碼的半導(dǎo)體芯片測(cè)試信息自動(dòng)化識(shí)別及追溯系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本低廉。軟件操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)際應(yīng)用表明其識(shí)別率可達(dá) 100%，代碼執(zhí)行效率高?？梢詫⒓夹g(shù)人員從重復(fù)性的工作中解放出來，同時(shí)減小由于人工操作所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。生成的STDF文件已經(jīng)包含重要的芯片二維碼解析信息或者由此信息生成的芯片測(cè)試順序信息，可讀性高，工程人員在今后的數(shù)據(jù)分析中可用其直接追溯歷史測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也避免了由于芯片機(jī)械性損傷造成的芯片唯一電子身份碼(ECID)無法讀出的風(fēng)險(xiǎn)。