BTZ-3100型探針臺承片臺系統的改進研究

鄭金寶

（秦皇島視聽機械研究所，河北秦皇島066000）

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BTZ-3100型探針臺承片臺系統的改進研究

鄭金寶

（秦皇島視聽機械研究所，河北秦皇島066000）

BTZ-3100型自動探針臺是半導體芯片測試的高精密儀器，其中運動系統是該分選設備的一個重要結構。結合客戶在使用過程的反饋意見，總結了運動系統存在的一些問題：主要包括z軸升降臺運動導致的芯片劃傷，以及u軸旋轉軸的旋轉精度不夠。針對這兩個問題，主要更改了z軸升降臺的軟件控制方式，同時改進了u軸的機械結構，優化了機械運動和軟件控制的配合方式，并且對改進后的結構進行了實際測試，測試結果顯示探針臺運動系統的精確性和穩定性得到了提高，設備運行過程中出現的劃傷問題和對齊精度不高的問題都得到了很好的解決。

承片臺系統；z軸升降臺；u軸

半導體芯片封裝、測試是半導體制造過程的一個重要環節。隨著半導體芯片制造業的迅速發展，芯片測試越來越受到生產廠家的重視，并且已經成為半導體生產行業中一個不可或缺的重要環節，所以相關測試設備的設計和制造也得到了迅速發展［1］。BTZ-3100型自動探針臺是秦皇島視聽機械研究所專為半導體生產廠設計的用于半導體芯片封裝前晶圓測試的生產設備。與相應的測試儀進行信號通訊就可以組成一套完整的測試系統。BTZ-3100型自動探針臺采用整體箱式結構，封閉式設計，其主體主要分為四大部分：電氣控制系統，機械運動系統，操作系統，顯示系統。該設備是高速、高精度、高壓型探針機型，主要適用于半導體分立元件，光電元件的高壓測試。

探針臺承片臺系統是芯片測試過程中比較重要的一個部分。承片臺系統的載片平臺的平面度以及z軸升降臺的升降和u軸的旋轉精度，都影響著整個測試設備的測試精度和測試結果的準確性，所以，針對承片臺系統現存的測試劃傷和u軸旋轉軸精度低的問題進行了研究改進，來提高整個設備的測試精度和穩定性。

1　承片臺系統結構和工作原理

BTZ-3100型自動探針臺承片臺系統的兩個重要運動過程包括z軸升降臺方向的升降和u軸水平面的角度旋轉。其中z軸升降臺的升降主要是通過承片臺安裝的滾軸絲杠結構，用伺服電機連接同步帶來帶動滾珠絲杠完成承片臺的上下運動。z軸升降臺的升降主要是實現測試芯片與探針的接觸和分離，進而完成對芯片的逐個連續測試，其升降運動達到的行程為4 mm，在整個測試的過程中，z向的升降要求每次芯片與測試探針接觸而且不要出現大的劃痕。而u軸水平面的角度調整是通過步進電機連接同步帶帶動載片臺結構旋轉完成的，其旋轉的角度范圍可以達到± 15°，u軸的旋轉作用是完成測試前對芯片的水平對齊，使得測試過程中測試針與芯粒不會發生水平上的偏移。

在探針臺對芯片的測試過程中，通過運動控制卡加載的程序，工控機發出信號給電機驅動器控制電機轉動，z軸升降臺在伺服電機的帶動下上升，使z軸升降臺吸盤上的測試芯片與探針接觸，測試儀完成對芯片參數的測試，測試完成工控機接收到測試儀的測試結束信號，工控機發出信號使伺服電機控制z軸升降臺下降。同時軟件控制X-Y運動平臺定位到下一粒芯片的位置，重復上升，測試，下降，完成對所有芯片的測試［2］。承片臺系統的結構如圖1所示。

圖1　探針臺承片臺系統

2　結構改進

2.1升降臺運動控制方式改進

BTZ-3100型自動探針臺的承片臺系統基本上可以滿足測試過程，但是z軸升降臺的升降是一個開環控制，沒有對接觸結果的反饋信號，每次z軸升降臺升降的電機旋轉脈沖是一定的，那么在測試的過程中，載片臺和測試芯片的平整度以及z軸升降臺電機和絲杠的傳動精度都會使z軸升降臺上升或下降的高度發生變化，導致出現測試探針和測試芯片的接觸不好或出現上升過高而劃片的結果［3］。

現在設備的z軸升降臺的運動與控制系統之間是開環控制，控制z軸升降臺的伺服電機只是接受一次控制信號，z軸升降臺的升降高度不會反饋給控制系統。所以要想控制z軸升降臺的實際升降高度，需要將以前的開環控制改為閉環控制。載片臺的升降主要是完成探針與測試芯片的接觸測試和分離，所以可將探高器的開合作為z軸升降臺升降的反饋信號，探針與測試芯片接觸開始測試，同時探高器被打開，z軸升降臺接受反饋信號開始下降，這時探高器閉合，z軸升降臺下降一定高度后再次上升，這樣則完成了z軸升降臺升降高度的可控性，實現了閉環系統控制，解決了測試探針和測試芯片的接觸不好或出現上升過高而劃片的問題。如圖2所示［5］。

除了將z軸升降臺的開環控制系統改成閉環控制系統，同時還優化了z軸升降臺電機的運動方式，將z軸升降臺的一次上升過程變成分段運動，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動變成減速運動，增加了一個減速緩沖的過程，避免了芯片與探針的硬性接觸，減少了探針對芯片的劃傷。圖3（a）為改進后，（b）為改進前兩種運動方式對芯片的劃傷對比圖。

圖3 z軸升降臺改進后的劃痕圖

圖3中的（a）圖為z軸升降臺改進后所測芯片的針痕圖，（b）圖為z軸升降臺改進前所測芯片的針痕圖，通過兩個圖片的對比可以看出，（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超出客戶要求，已經造成了對芯片表面的損傷，并且還會出現比較長的劃痕，這種劃痕是因為z軸升降臺上升過程為開環控制，導致了探針與芯片的過度接觸，出現了比較長的劃傷，通過圖3可以看出z軸升降臺的改進解決了測試探針和測試芯片的接觸不好和出現上升過高而劃片的問題。

2.2u軸旋轉軸的結構改進

在測試前的掃描對齊過程中，u軸的旋轉會出現傳動件間的空程現象，主要是因為在步進電機帶動同步帶轉動的過程中，由于同步帶和齒輪間的摩擦力不夠，導致步進電機的轉動沒有帶動同步帶運動，尤其是在u軸的往返運動中更為明顯。這樣就會導致在掃描對齊的過程中，對齊時間過長或者測試芯片達不到對齊的位置，致使在接下來的測試過程中出現測試針偏離芯片的現象。

于是對u軸的結構進行了改進，主要改進部分是在步進電機與載片臺之間的傳動結構上，考慮到傳動帶與鋸齒間的摩擦大小不同，會影響到傳動精度的實現，所以將步進電機與載片臺之間的同步帶傳動，換成通過銅片連接軌道滑塊與載片臺，然后通過步進電機帶動螺桿旋轉使滑塊牽引載片臺旋轉。機械結構如圖4所示。

圖4　u軸改進示意圖

這樣載片臺的旋轉精度主要由步進電機的旋轉精度和螺桿的規格決定，進而消除了之前同步帶傳動的空程滑動問題。原u軸旋轉角度公式如式（1），改進后u軸旋轉角度的公式如式（2）。

公式（1）中，θ2為載片臺的旋轉角度；r2為載片臺的旋轉半徑；θ1為電機端的旋轉角度；r1為電機端的旋轉半徑。

公式（2）中，θ為u軸旋轉角度；l為滑塊的行程；r為承片臺的旋轉半徑。

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

由（2）、（3）可以得出：

由公式（1）可以看出，通過同步帶傳動的u軸旋轉精度主要受同步帶的傳動精度影響，如果出現空程現象，則u軸的旋轉角度會受到比較大的影響。由公式（4）得出改進后的u軸的旋轉角度主要靠滑塊在螺桿上的滑動行程，則不會出現比較大的空程現象，確保了u軸每次的旋轉精度。將改進后的結構通過軟件自動掃描對齊，將對齊后的旋轉對準精度用萬能工具顯微鏡進行測量，得出的旋轉誤差統計值如圖5。

圖5　改進前后u軸旋轉誤差統計表

通過圖5可以看出，改進前的旋轉精度比較差，通過萬能工具顯微鏡測得的平均自動對齊誤差為38 μm，在測試過程就會出現測試針偏離芯片中心的現象，影響測試結果的準確性。但是改進后通過萬能工具顯微鏡測量得出的平均旋轉誤差為10 μm，所以u軸改進后的效果提高了整個機器的自動對齊精度，使整個測試結果的穩定性得到了提高。

3　結　論

對于BTZ-3100型自動探針臺結構的改進和設計主要參考了國內和國外相似機型的結構，并且結合了我所研發設備的自有特點，在原有結構的基礎上，將z軸升降臺的軟件控制模式進行了優化改進，將之前簡單的開環控制模式改為閉環控制模式，降低了升降臺承載芯片與探針的硬性接觸，減少了芯片的劃傷；并且對u軸的傳動結構進行了改進，并對改進前后的運行情況進行了旋轉精度實驗對比，對比結果證明此次改進提高了u軸旋轉軸的精度，使得承片臺系統的整體測試精度和測試穩定性得到了提高，存在的問題得到了很好的解決。

［1］ 楊超，胡泓.面向IC測試技術的精密運動平臺的設計［J］.機械工程師，2006，（5）：52-54.

［2］ 于林麗，濮鈺麒，孟麗霞，等.精密掃描平臺控制電路的設計［J］.儀器儀表學報，2006，27（Z1）：617-618.

［3］ 吳小燕，柏正香，歐昌銀.多探針自動測試臺的技術改造［J］.微電子學，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，機械工程師，主要從事精密儀器機械設計。

2016-07-25