摘要：設(shè)計(jì)了集成電路芯片測試設(shè)備機(jī)械手的速度測量裝置，考慮了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)以及氣缸軸老化、端部生銹所造成的運(yùn)動(dòng)速度與行程不穩(wěn)定因素。根據(jù)測控參數(shù)對設(shè)備進(jìn)行精確的調(diào)整，巧妙地解決了測試設(shè)備機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度與行程控制不良所引發(fā)的芯片失效問題，有效地降低了芯片的廢品率。 1 引言 當(dāng)今世界，芯片的封裝尺寸越來越小，納米芯片制造工藝已成為芯片制造業(yè)的主流。制造工藝的日益發(fā)展增加了加工和測試難度，芯片的大規(guī)模生產(chǎn)過程中對芯片失效問題的分析和測試就尤為重要。本文作者設(shè)計(jì)的測速儀主要用于Advantest（愛德萬）M6751/T5375測試設(shè)備中/。測速儀由兩部分組成：機(jī)械手部分用于抓取芯片放人（取出）專用的測試倉；測試機(jī)部分主要用于對芯片功能的測試。 由于測試機(jī)一次并行測試多達(dá)32個(gè)IC，這就要求機(jī)械手能以最快的速度抓起和放下芯片。AdvantestM6751機(jī)械手組件包括4個(gè)小吸頭，每個(gè)吸頭可以獨(dú)立地上升和下降，分別由一個(gè)微型SMC氣缸驅(qū)動(dòng)。4個(gè)吸頭都拾起和放下芯片重復(fù)8次后裝填完32個(gè)IC，整個(gè)組件再進(jìn)行X和r方向的移動(dòng)。由于測試速度的要求比較高，不得不把4個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸的速度調(diào)到盡可能快，但是速度太快又會(huì)導(dǎo)致芯片打壞，尤其如vfBGA封裝形式的硅片很薄，高速度抓取很容易導(dǎo)致芯片被打壞，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題，因此必須在保證質(zhì)量的前提下來提高氣缸的速度。 2 測試機(jī)組的基本介紹 Advantest M6751A/6751AD測試設(shè)備是在M6741A基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，它配置了新的控制裝置以更好地提高產(chǎn)能，是每小時(shí)測試產(chǎn)量很高的新型存儲(chǔ)器測試機(jī)組合，能達(dá)到每小時(shí)4500個(gè)被測器件的高產(chǎn)能；采用了觸摸屏使操作界面更為人性化；使用Win95以上的配置，允許基于SEMI規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議開放系統(tǒng)配置，被廣泛用于IC測試中。但是，M6751沒有自帶速度測試功能，本文作者設(shè)計(jì)測速裝置的目的是為了使該設(shè)備機(jī)械抓手具有速度測控功能。 2.1 機(jī)械手 AdvantestM6751系列機(jī)械手是與測試機(jī)配套使用的設(shè)備，它對多種封裝形式的芯片都能適用，從較老的TSOP、uBGA封裝乃至目前流行的vfBGA、SCSP封裝等。機(jī)械手的內(nèi)部組件分成三塊內(nèi)容：料盤轉(zhuǎn)移、芯片轉(zhuǎn)移和測試轉(zhuǎn)移。如圖1所示，左邊是裝載機(jī)械手，右邊是卸載機(jī)械手，兩者的機(jī)械原理相同。機(jī)械抓手的動(dòng)作過程如下：馬達(dá)是機(jī)械抓手的驅(qū)動(dòng)源，系統(tǒng)發(fā)送指令給驅(qū)動(dòng)電路，再由集成驅(qū)動(dòng)電路控制氣缸向下運(yùn)動(dòng)，真空發(fā)生器抽真空吸取芯片，命令氣缸向上運(yùn)動(dòng)，從料盤位置移動(dòng)到測試盤位置，再發(fā)送指令控制氣缸向下運(yùn)動(dòng)，釋放真空的同時(shí)吹氣，使芯片在測試盤中放置平整，然后氣缸向上運(yùn)動(dòng)，回到初始位置，完成芯片從料盤到測試盤的操作。工作過程中如果氣缸運(yùn)動(dòng)速度過快，很可能產(chǎn)生機(jī)械手的抖動(dòng)而使吸附在機(jī)械手上的芯片位置發(fā)生改變，也會(huì)使芯片在放置人測試盤時(shí)產(chǎn)生斜放，它就會(huì)對后道的測試機(jī)測試工序造成兩種后果，一種是接觸不良，導(dǎo)致無法進(jìn)行測試；另一種就是芯片在測試機(jī)上受壓固定時(shí)被打碎。同理，機(jī)械手的抖動(dòng)會(huì)使芯片放置到料盤時(shí)的位置也發(fā)生偏移，多盤料盤疊在一起，未放置人料盤定位槽的芯片一經(jīng)擠壓容易被壓碎或者把芯片背面的焊球壓壞，產(chǎn)生廢品。另外，M6751型機(jī)械手的SMC氣缸軸使用45#鋼，長期使用易老化和端部生銹，造成運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定而易引發(fā)芯片失效。圖2是機(jī)械手的4個(gè)吸頭及其驅(qū)動(dòng)示意圖，九是運(yùn)動(dòng)行程約12mm。氣缸驅(qū)動(dòng)軸心上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)頭部由橡膠制成的具有很好密封性的梯形真空吸嘴上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的測速儀能對機(jī)械抓手上下運(yùn)動(dòng)速度與行程進(jìn)行精確的測量，并根據(jù)測量結(jié)果對氣缸的運(yùn)動(dòng)速度與行程進(jìn)行電氣與機(jī)械調(diào)整，控制機(jī)械抓手的速度與行程。 2.2 測試機(jī)

圖2 M6751的4個(gè)吸頭及其驅(qū)動(dòng)的示意圖

測試機(jī)部分由工作站、計(jì)算機(jī)主機(jī)、測試頭和IC成品測試界面接口板等組成。能測試芯片產(chǎn)品在不同溫度條件下的性能，并保證每顆芯片都能符合其功能參數(shù)要求。按照測試的結(jié)果將元件放人適當(dāng)?shù)男遁d區(qū)域。工作站控制所有的系統(tǒng)功能，并且下載測試程序和獲得測試結(jié)果；計(jì)算機(jī)主機(jī)包含了測試電路主板以及必要的電源供應(yīng)；測試頭包含了電子別針插件，用來接觸芯片，測試并分配主板信號(hào)到每個(gè)芯片引腳；IC成品測試界面接口板是主板、測試頭和芯片的連接部分。 [b]3 機(jī)械抓手測速儀的電路設(shè)計(jì) 3.1 電路結(jié)構(gòu)圖[/b][align=center] 測速儀的電路原理框圖如圖3所示，其信號(hào)拾取部分電路原理如圖4所示。 [/align] 測速裝置是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的，當(dāng)磁鋼片N極向線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過線圈的磁通量增加產(chǎn)生感應(yīng)電流，其激發(fā)的磁場阻礙線圈內(nèi)磁通量的增加，線圈感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)方向與磁鋼片的磁場方向相反。這一電流信號(hào)通過采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過放大器放大后再與比較器的基準(zhǔn)電壓信號(hào)相比較，輸出一個(gè)“1”，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)顯示的數(shù)值大小間接地表示了吸頭向下運(yùn)動(dòng)的速度快慢。而當(dāng)機(jī)械抓手不運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鋼片停止運(yùn)動(dòng)，線圈沒有感應(yīng)電流變化，比較器輸出一個(gè)“0”，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。如圖4所示。當(dāng)磁鋼片N極遠(yuǎn)離線圈時(shí)，通過線圈的磁通量減少，感應(yīng)電流的磁場與磁鋼片磁場方向相同，線圈中產(chǎn)生負(fù)的感應(yīng)電流，這與S極向下運(yùn)動(dòng)的效果是一樣的，因此，如果要測試吸頭向上運(yùn)動(dòng)的速度，只需把S極向下安放，則在吸頭上升時(shí)，線圈中產(chǎn)生負(fù)的感應(yīng)電流，同樣經(jīng)放大、比較后也輸出“1”，單片機(jī)計(jì)數(shù)輸出。單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)值大小可表示機(jī)械抓手的運(yùn)動(dòng)速度或者是運(yùn)動(dòng)行程。吸頭完成一次運(yùn)動(dòng)停止后，計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)位等待下一次測試。本設(shè)計(jì)在單片機(jī)的編程時(shí)也考慮了由于磁片在運(yùn)動(dòng)過程中的微震動(dòng)而引起的測量值不穩(wěn)定的修正方法。根據(jù)計(jì)數(shù)顯示結(jié)果對機(jī)械抓手的氣缸氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得精確的速度值與行程值控制。 3.2 電路原理圖及各單元介紹

以AT89C2051為主控核心的測速電路原理圖如圖5所示。

[b] 3.2.1 電源電路 [/b] 測速裝置采用由9V的干電池供電。電路中的+5V由三端穩(wěn)壓集成電路7805輸出作為主電源，由ICL7660組成-5V輔助電源，它們同時(shí)接在采用雙電源供電的精密運(yùn)算放大器OP77的管腳8和管腳4上，OP77構(gòu)成反向輸入放大器。7805的負(fù)載電流達(dá)到350mA左右，功耗比較低，不需加裝散熱片。-5V電源由ICL7660輸出，ICL7660的工作電壓范圍在+1.5～10.5V，可向負(fù)載提供10～20mA的電流，接負(fù)載后本身耗電小于0.5mA，其轉(zhuǎn)換效率為95%以上。外圍電路只需外接兩個(gè)電容即可工作，當(dāng)電源電壓小于5.5V時(shí)，能承受持續(xù)短路，能利用振蕩器和多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，是一種變極性DC-DC變換器，可以將正電壓輸入變?yōu)樨?fù)電壓輸出，即Ui與Uo的極性相反。它的1腳為空腳；2、4腳分別外接10μF/26V的電解電容的正、負(fù)端；3腳為信號(hào)地；5腳為轉(zhuǎn)換負(fù)電壓輸出端，對地反接10μF/26V的電解電容C2；6腳是芯片內(nèi)置電源低電壓端，當(dāng)Ucc>3.5V時(shí)，此端開路；Ucc<3.5V時(shí)，應(yīng)將此端接地來改善電路的低壓工作性能；7腳為振蕩器外接電容或時(shí)鐘輸出端，不接電容時(shí)，振蕩頻率為10kHz，若需降低振蕩頻率，應(yīng)外接電容C，當(dāng)C=100pF時(shí)，f≈lkHz；C=1000pF時(shí)，f≈lOOHz，振蕩信號(hào)亦可由此端引出；8腳為正電源輸入端（1.5～10.5V），電路接+5V。電路中C5，C6均采用10μF的儲(chǔ)能電容，用于構(gòu)成DC-DC電荷泵，提高電源轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)Ucc<+6.5V時(shí)，5腳可直接作為輸出；當(dāng)Ucc>+6.5V時(shí)，為避免芯片損壞，輸出電路須串接一個(gè)二極管VD。電容C7是一個(gè)旁路電容，接在輸入電源和地之間，增強(qiáng)抗干擾能力。-5V電源是輔助電源，后級(jí)負(fù)載OP77功耗也比較低，選用ICL7660構(gòu)建-5V電路就能符合設(shè)計(jì)要求。 3.2.2 信號(hào)調(diào)理電路 線圈上感應(yīng)的電流信號(hào)，經(jīng)過電阻及，轉(zhuǎn)化為電壓。一般感應(yīng)信號(hào)非常微弱，需要OP77把其放大到200倍左右，再送到比較器LM393與基準(zhǔn)電壓信號(hào)比較后將輸出電平送給單片機(jī)。 OP77是一款超低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器，擁有高增益，低功耗，低的初始Uos漂移和較快的穩(wěn)定時(shí)間，可消除前級(jí)放大電路的非線性誤差，非常適用于高分辨率的儀器設(shè)備和誤差要求嚴(yán)格的電子系統(tǒng)中。采用雙電源供電構(gòu)成的反向輸入放大器，可以有效地提高精度，滿量程可以輸出±5V。反相輸入端2腳接2.4kΩ的輸入電阻R1，同相輸入端3腳接2.4kΩ的外接電阻R2，2腳和6腳間接大小為500kΩ的反饋電阻R3，4腳接-5V，7腳接+5V。1，5，8腳懸空。放大器的電壓增益為-（R3/R1）=-（500kΩ/2.4kΩ）=-200。 運(yùn)放LM393是作為比較器運(yùn)用的，它的負(fù)端接一個(gè)可調(diào)電位器R5的目的是穩(wěn)定輸出。由電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)磁鐵與線圈間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中才產(chǎn)生感應(yīng)電流，相對運(yùn)動(dòng)的速度越大，感應(yīng)電流越大。磁鋼片在剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比穩(wěn)定的速度慢，這樣就會(huì)產(chǎn)生不同的感應(yīng)電流，經(jīng)過放大就會(huì)有不同的輸出電壓，而實(shí)際所需要測量的是穩(wěn)定時(shí)的速度，則可通過調(diào)節(jié)月，對比較器的比較端設(shè)置一個(gè)低電壓，這樣在比較時(shí)就可以把磁鋼片運(yùn)動(dòng)中不穩(wěn)定因素所引起的電壓去除，達(dá)到防噪的目的。選擇參考電壓為可調(diào)的目的在于可以根據(jù)不同的工作情況及環(huán)境干擾來調(diào)節(jié)參考電壓，以降低測量誤差。LM393其輸出腳為OC門，須加上拉電阻，本電路中接到了AT89C2051的P1.2上，AT89C2051的P1.2到P1.7有內(nèi)部上拉，所以電路中省略了LM393輸出端的上拉電阻。 3.2.3 AT89C2051的主控電路及周圍電路 測速裝置的主控芯片選用Atmel公司的AT89C2051，它是一款低電壓高性能COMS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。晶振電路選用6M石英晶體和兩個(gè)30pF起振電容，并跨接一個(gè)1MΩ電阻，用于防止停振。P1.2與比較器LM393的輸出相連，判斷P1.2是否觸發(fā)，一旦觸發(fā)則計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)為1ms，設(shè)計(jì)的量程是999ms，有3個(gè)數(shù)碼管顯示，分別對應(yīng)百位、十位和個(gè)位。MCU程序由WH200編程加密器寫入。限于篇幅，此處不作詳敘。 看門狗電路具有監(jiān)視器與執(zhí)行器的作用，目的是提高測控系統(tǒng)可靠性。電路采用14位二進(jìn)制串行技術(shù)/分頻振蕩器CD4060來實(shí)現(xiàn)硬件看門狗電路，它的電壓范圍寬（3～15V）。選R1=130kΩ、C1=100pF時(shí)，振蕩頻率經(jīng)內(nèi)部14級(jí)二分頻后，在3腳約2Hz的頻率信號(hào)。R2為偏置電阻。正常情況下AT89C2051每隔一段時(shí)間t1就將CD4060復(fù)位一次。一旦由于某種原因?qū)е翪PU失控，CD4060不能及時(shí)被復(fù)位，經(jīng)過時(shí)間t2（t2>t1）就從3腳輸出高電平將AT89C2051復(fù)位，把CPU復(fù)位到正常狀態(tài)，然后CPU又將CD4060復(fù)位，使3腳恢復(fù)成低電平。R3C2組成微分電路，可將P3.4口輸出的復(fù)位電平變成復(fù)位脈沖。 GAL16V8D譯碼及驅(qū)動(dòng)電路。GAL（Generic Array Logic）是采用先進(jìn)的E2PROM工藝制造的大規(guī)模專用數(shù)字集成電路，GAL器件具有高速、低耗、用戶可反復(fù)編程及結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)。GAL的輸入緩沖器的邏輯作用是把輸出變量轉(zhuǎn)換成原變量和反變量，為與門陣列提供輸入信號(hào)。同時(shí)，由于CMOS工藝輸入阻抗很高，要求的輸入驅(qū)動(dòng)電流大大低于普遍雙極型器件，使驅(qū)動(dòng)電路有很高的扇出系數(shù)，并可與TTL電路兼容，也可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。GAL16V8D譯碼并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，由單片機(jī)控制顯示位數(shù)。單片機(jī)的P1.7連接GAL16V8D的使能端12腳、P1.6連接9腳、P1.5連接8腳，相對應(yīng)地顯示百位、十位和個(gè)位。電路中GAL16V8D工作在一般模式下，有4個(gè)輸入端，分別與單片機(jī)的輸出相連，GAL16V8D的2腳對應(yīng)單片機(jī)的P3.0；3腳對應(yīng)P3.1；4腳對應(yīng)P3.2；5腳對應(yīng)P3.3。有7個(gè)輸出端接數(shù)碼管管腳。GAL16V8D完成4位二進(jìn)制數(shù)的譯碼。采用ABEL語言對GAL16V8D進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)譯碼功能，其GAL程序略敘。 數(shù)碼顯示電路采用歐興電子的SP402401 LED數(shù)碼管，其電壓范圍為1.8～2.3V。具有紅色、高亮度、低功耗、售價(jià)低等特點(diǎn)。SP402401采用共陰接法，驅(qū)動(dòng)電流在5～10mA之間。GAL16V8D譯碼后完成對SP402401 LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。SP402401引腳8、引腳9和引腳12是片選使能腳，3腳為小數(shù)點(diǎn)。1腳對應(yīng)數(shù)碼顯示段E位，2腳對應(yīng)D，4腳對應(yīng)C，5腳對應(yīng)G，7腳對應(yīng)B，10腳對應(yīng)F，11腳對應(yīng)A，6腳懸空。 [b]4 測速儀的使用 4.1 電路的信號(hào)流程 [/b] 如果當(dāng)磁鋼片運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場的變化會(huì)在線圈L上產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過電阻R1與OP77的反向輸入端2腳相連，放大200倍后，在6腳輸出。再經(jīng)過R4把輸出電壓值耦合到電壓比較器LM393的正向輸入端3腳。與反向輸入端可調(diào)電位器上的參考電壓相比較，在1腳上輸出電平。LM393腳1上輸出電平接到AT89C2051的P1.2，如果P1.2接收的是高電平，則單片機(jī)以定時(shí)步長為1ms觸發(fā)計(jì)數(shù)，直到P1.2收到一個(gè)低電平停止計(jì)數(shù)。同時(shí)將計(jì)數(shù)值送到顯示緩沖區(qū)。譯碼由AT89C2051和GAL16V8D共同完成。譯碼輸入是單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3，輸出是GAL16V8D的13號(hào)腳到19號(hào)腳，對應(yīng)接在七段數(shù)碼管上，單片機(jī)的P1.7、P1.6、P1.5控制數(shù)碼顯示輸出。 [b] 4.2 測速儀的調(diào)整 [/b] 測試儀不需要對原設(shè)備作額外的安裝，只利用機(jī)械手本身自帶的抽真空功能。實(shí)際應(yīng)用時(shí)只要讓真空吸頭抽真空吸取一片磁鐵，把測速儀的線圈感應(yīng)器部分對準(zhǔn)磁鐵，然后機(jī)械控制真空吸頭的上下移動(dòng)，儀器能根據(jù)磁鐵的N極和S極分別測試向下或者向上的速度，機(jī)械抓手的運(yùn)動(dòng)速度在LED上顯示。 機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)行程控制方法如圖6所示。氣缸驅(qū)動(dòng)吸頭的上下移動(dòng)。設(shè)備日常維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)氣缸在初始狀態(tài)下，吸頭的連接塊與氣缸聯(lián)動(dòng)軸頂端的接觸范圍必須在0.5～1mm之間（可用塞尺進(jìn)行測量）；而當(dāng)吸頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過白色硬塑料擋塊進(jìn)行阻擋控制，防止吸頭向下距離過大。白色硬塑料擋塊的另一作用是能夠緩沖吸頭運(yùn)動(dòng)引起的震動(dòng)。吸頭的運(yùn)動(dòng)距離是有限制的，通常行程為12mm。

圖6 測速儀使用示意圖

機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)速度控制。吸頭是由氣缸來驅(qū)動(dòng)的，只要控制氣缸的速度就能控制吸頭向下的速度，而氣缸速度變化是由進(jìn)入氣缸的流量引起的。所以，通過機(jī)械調(diào)整進(jìn)入氣缸的流量大小就能改變氣缸速度，達(dá)到控速的目的。 5 結(jié)束語 測速裝置主要運(yùn)用于短距離運(yùn)動(dòng)部件的速度測試，通過在生產(chǎn)線實(shí)際測試工序的操作使用，能對芯片測試設(shè)備機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)較精確測控，在不影響芯片測試質(zhì)量的前提下提高測試效率和成品率，縮短了測試環(huán)節(jié)的周期，降低了測試環(huán)節(jié)成本。