半導體測試板自動裝卸車的開發(fā)與應用

文/周凱旋

在通常情況下，半導體存儲芯片在封裝前要做一系列老化測試，需要將芯片裝入測試板，再將測試板裝入老化測試爐中進行高低溫老化測試。以往該生產(chǎn)工藝完全由人工完成，即工人將一整車測試板推行至測試爐，將一車32片、每片5公斤的測試板一片一片插入測試爐軌道；測試完成后再由人工一片一片從爐子內取出，裝回推車，整個過程要搬料、彎腰來回重復64次，勞動強度大，極易損傷腰背、手臂，因此操作工人流動性大，生產(chǎn)成本高，同時單片搬運容易引發(fā)芯片污染、受損等問題。

現(xiàn)代社會對半導體芯片的需求越來越旺盛，由此帶來更高效率和良率的生產(chǎn)工藝自動化升級要求，原有的生產(chǎn)工藝很難再滿足實際的生產(chǎn)工況要求，需要引入測試板自動裝卸、轉運設備對其做自動化改造升級。

一、半導體芯片的封裝測試工藝

半導體生產(chǎn)流程如下：由晶圓制造、晶圓測試、芯片封裝和封裝后測試組成。半導體封裝測試是指將通過測試的晶圓按照產(chǎn)品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。 封裝過程為：來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后，被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應的基板（引線框架）架的小島上，再利用超細的金屬（金、錫、銅、鋁）導線或者導電性樹脂將晶片的接合焊盤（Bond Pad）連接到基板的相應引腳（Lead），并構成所要求的電路；然后再對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護，塑封之后，還要進行一系列操作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋和成型（Trim&Form）、電鍍（Plating）以及打印等工藝。封裝完成后進行成品測試，通常經(jīng)過入檢（Incoming）、測試（Test）和包裝（Packing）等工序，最后入庫出貨。典型的封裝工藝流程為：劃片、裝片、鍵合、塑封、 去飛邊、電鍍、打印、切筋和成型、外觀檢查、成品測試、包裝出貨。

在半導體測試過程中，分選機將幾千個同一型號的芯片裝入一片測試板，而將32片測試板裝一車轉運進入一個測試烤爐，因而測試板的裝卸搬運是一道基礎工序，但因傳統(tǒng)工藝流程中該工序的自動化程度不足，使其運行效率較低，越來越無法適應當前高效、無人化、自動化的半導體芯片生產(chǎn)要求，因此半導體測試板裝卸搬運也成為整個生產(chǎn)工藝流程升級的重點關注對象。

圖1 應用場景

二、應用場景與需求分析

自動轉運裝卸車需要替代人力推車，其裝載量為32片測試板，總重量160～192kg，物料在裝卸、轉運過程中不與人接觸，裝入物料和卸除物料均由動力機構完成，裝載轉運的兩頭對接的設備是中轉站和測試爐，通過自動對接機構與中轉站和測試爐對接掛靠，并且能識別不同的設備（同種設備也有不同的高度差異），對接后各機構根據(jù)預先設定的參數(shù)自動調節(jié)與中轉站或測試爐的料軌對齊，由推拉料機構完成32片測試板在三種設備之間的裝卸轉移。由于車重加物料總重將近400kg，需要增加電動驅動輪，由人員操作行駛。

1.車體結構

要求車體重量低，強度高，結構緊湊，尺寸與現(xiàn)有推車相仿，耐沖撞。按此要求采用鋁型材和鋁合金材質設計車體框架結構。因需對接擁有32層物料的測試爐，所有裝卸車設置32層托料結構。

2.動力機構

裝卸自動化要求能將32層測試板整體裝入和卸除，考慮到測試板的扁平結構，抓料機構采用有32片料爪的推拉機構，每一片料爪鉤掛一片測試板，裝載時拉入托料軌道，卸除時推出托料軌道。測試并計算推拉摩擦系數(shù)為0.5，總推力為80～96kg，推拉驅動機構采用傳動力大且定位準確的齒輪齒條傳動機構。因要與測試爐和中轉站對接，即不同設備托料軌道的對接，故裝卸車托料軌道須具有升降功能，采用大傳動比、大載荷、能自鎖的梯形絲桿傳動。裝卸車由動力電池供電，需設計電源管理系統(tǒng)。

3.對接機構

測試爐不可改動，要實現(xiàn)裝卸車與爐子的對接，不能在爐子上加裝任何機構，只能在地面上安裝固定的掛靠機構，由裝卸車底部的對接機構自動對接掛靠，脫離時又能方便操作離開，對接要有信號感應，對接還應考慮地面不平、測試爐傾斜等不利因素，故此采用左右頂升機構，當?shù)孛娌黄交驙t子傾斜時由頂升機構調節(jié)對齊。

4.自動對接

測試車間的爐子有上千臺，中轉站配置十幾臺，而裝卸車只需要幾十臺，每一臺爐子和中轉站的高度、傾斜角度、地面情況都不同，如何能保證少數(shù)的裝卸車準確對接多數(shù)測試爐及中轉站，將是項目成功的關鍵。設計考慮由裝卸車去識別每一臺測試爐和中轉站，并讀取對接參數(shù)，根據(jù)參數(shù)自動調節(jié)。

5.防靜電要求

芯片生產(chǎn)環(huán)境須嚴格避免和消除靜電，裝卸車車體和地面之間能導電，車輪、車體材料采用防靜電材質。

6.防護和防撞

車體須有外殼保護，避免身體任何部位進入車體被動力機構傷害，同時要留有觀察孔和窗，車輛行駛過程中應有預判和防碰撞機構。

三、半導體自動裝卸車設計

1.車體框架

半導體測試板自動裝卸車有框架結構、推拉料機構、托料軌道、升降機構、對接機構、頂升機構、電源模塊、行駛機構、防撞系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和操作面板等模塊構成。車體框架為鋁合金及型材結構，一側安裝有操作面板，車體頂部安裝有掃碼槍，車體內部兩側安裝升降滑軌，左右兩套托料軌道機構安裝在滑軌上。托料軌道中間、車體內框架底部和頂部安裝推拉料軌道，在運行過程中，由推拉料機構完成測試板的裝卸，與托料軌道配合，確保測試板移動過程平穩(wěn)順暢。對接機構、頂升機構、電源模塊安裝在推拉料機構下部、車體框架底部。

系統(tǒng)控制面板提供參數(shù)設置、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報警信息和操作按鈕，操作人員通過控制面板可調節(jié)各機構的運行參數(shù)，監(jiān)控各傳感器、電機機構、電源系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并通過自動或手動模式操作裝卸車進行生產(chǎn)運行。

2.系統(tǒng)組成

（1）托料軌道

托料軌道有左右兩套，安裝在車體內框左右滑軌上，分別由頂部的伺服電機和梯形絲桿傳動做升降運動，每套托料軌道有32根料軌，同一高度的左右兩根料軌托起一片測試板，可裝載32片測試板。通過左右升降機構的獨立運動，裝卸車料軌可調節(jié)左右偏差與中轉站或測試爐的料軌對齊，也可整體升降對齊。

（2）推拉料機構

推拉料機構豎直設置在左右料軌中間，沿著上下各一根齒條和兩根滑軌移動，由減速伺服電機和上下齒輪傳動。推拉料機構上設置有可掛住測試板邊沿的料爪，對應32個，料爪由減速電機和絲桿傳動在豎直方向升降。通過操作面板設定推拉料行程。

（3）對接機構

對接機構設置在底部，由掛鉤、傳感器、聯(lián)軸器、導向輪、彈簧、脫扣連桿等組成，當裝卸車與對接設備靠近時，由左右兩側的導向輪定位，掛鉤與設備連接掛靠；需要脫離時，用腳推動脫扣連桿即可脫離對接。

（4）自動調節(jié)系統(tǒng)

自動調節(jié)系統(tǒng)包括：掃碼槍、激光傳感器、光電傳感器、頂升機構，自動裝卸車最重要的是能夠識別不同的對接設備，以少數(shù)對接多數(shù)，且滿足料軌對接精度，減少對測試板的磨損。本系統(tǒng)的解決方案是，在車體頂部安裝掃碼槍，使用一臺標準的裝卸車與每臺測試爐和中轉站進行對接調試，獲得對接參數(shù)，如：料軌高度、左右偏差、料爪行程、推拉料機構行程、左右頂升行程等，加上對接設備的類型、編號，一同寫入二維碼，打印二維碼貼紙粘貼在測試爐或中轉站上，對接時掛鉤傳感器獲得信號觸發(fā)掃描槍掃描二維碼，各機構根據(jù)二維碼參數(shù)自動進行調節(jié)，調節(jié)完成后根據(jù)行程參數(shù)自動運行裝卸工作。

（5）其他機構

除上述機構和系統(tǒng)，自動裝卸車還配備有充電電池及電源管理系統(tǒng)、超聲波雷達防撞系統(tǒng)、電動輪和操作把手、防掉料的自動擋料機構、防護外殼、行走聲光警示系統(tǒng)等。這些機構能從多方面保證安全、自動化、防呆，提高設備的可靠性和安全系數(shù)。

四、半導體測試板自動裝卸車的應用

圖2為半導體測試板自動裝卸車的結構組成，以及推拉料機構組成。各機構包括：框架、掃描槍、料軌、操作面板、行駛把手、推拉料機構、電控箱、電池、對接機構、頂升機構、電動輪等等。

圖2 半導體自動裝卸車結構

圖3為半導體測試板自動裝卸車的對接機構示意圖，實現(xiàn)方案是：在測試爐底部安裝對接塊，通過裝卸車底部的對接機構和導向輪與對接塊掛靠，實現(xiàn)機械對接；通過調試確定料軌的升降高度、頂升機構的升降高度、推拉機構的行程、推拉速度等參數(shù)，生產(chǎn)二維碼并打印成貼紙，粘貼在測試爐掃描位置；裝卸車與測試爐對接后觸發(fā)掃碼槍掃描二維碼，控制系統(tǒng)解碼得到各機構參數(shù)并自動調節(jié)，完成對接過程，如圖4所示。

圖3 對接機構示意圖

圖4 裝卸車與測試爐對接示意圖

根據(jù)測試生產(chǎn)工藝，自動裝卸車的運用有四種應用工況。

1.測試板從手推車通過中轉站向自動裝卸車中轉轉移

在設備投入生產(chǎn)前，設置自動裝卸車和中轉站的對接參數(shù)，寫入二維碼并調試好。手推車和裝卸車同時與中轉站對接，對接時裝卸車通過掃碼自動調節(jié)料軌對齊；運行時，中轉站的動力機構將測試板從手推車拉入中轉通道，機構避讓出通道，自動裝卸車的推拉料機構再將測試板從中轉通道拉出并拉入裝卸車，完成測試板中轉裝載；作業(yè)員操作裝卸車與中轉站脫離，使用行駛把手將裝卸車轉移到測試爐。

2.自動裝卸車將測試板推入測試爐

同樣的，在投產(chǎn)前設置自動裝卸車和測試爐的對接參數(shù)并寫入二維碼。操作裝卸車與測試爐對接，自動調節(jié)各機構使料軌對齊，推拉料機構推動測試板裝入測試爐，機構退回，裝卸車脫離測試爐。

3.自動裝卸車將測試板拉出測試爐

測試完成后，裝卸車空車與測試爐對接，自動調節(jié)料軌對齊，推拉料機構將測試板從測試爐拉出裝載，脫離測試爐。

4.測試板從裝卸車通過中轉站向手推車中轉轉移

裝卸車和手推車同時與中轉站對接，裝卸車將測試板推入中轉站料軌，機構退回，中轉站再將測試板推入手推車，兩車脫離中轉站，完成中轉。

自動裝卸車及配套的對接裝置、中轉站自2019年年初開始研發(fā)，經(jīng)過產(chǎn)線運行測試，2020年升級到第四版，同年上半年導入小批量設備經(jīng)過半年的試生產(chǎn)，各運行指標均滿足了生產(chǎn)要求，同時在競標中領先于美國同型號設備，效率和可靠性得到了客戶的認可，2021年上半年已全面導入某國際半導體芯片大廠在國內的兩個工廠，并開始在國外的兩個工廠進行適應性測試和試生產(chǎn)。

五、結論

測試板自動裝卸車根據(jù)應用場景需求開發(fā)解決方案，經(jīng)過不斷迭代改進，成功應用在半導體存儲芯片生產(chǎn)工藝過程，其與裝卸中轉站的應用解決了封裝測試環(huán)節(jié)中最大的人力消耗問題，有效降低產(chǎn)線工人工作強度，同時因人工搬運裝卸而引發(fā)的測試板受損問題也得到很大改善，裝卸車及配套設備現(xiàn)已批量投產(chǎn)，實現(xiàn)了產(chǎn)線自動化生產(chǎn)。經(jīng)過驗證，該設備的技術水平和生產(chǎn)性能領先于美國同類型設備，成功實現(xiàn)了該類半導體生產(chǎn)設備的國產(chǎn)化。