羅 楊

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

隨著手機(jī)的功能日益強(qiáng)大，攝像頭已是手機(jī)的一個(gè)常規(guī)配置。為保證攝像頭的品質(zhì)，在其還是裸片時(shí)就需要對(duì)其性能進(jìn)行測試。通常，在攝像頭的主芯片（裸片）中已經(jīng)集成了影像采集和處理功能，配合鏡頭就構(gòu)成一個(gè)完整的攝像頭。芯片的正面是呈矩陣排列的金屬凸點(diǎn)，探針從正面接觸凸點(diǎn)來進(jìn)行電參數(shù)的測試；鏡頭從背面接觸芯片，進(jìn)行圖像測試。檢測時(shí)，首先對(duì)芯片進(jìn)行電參數(shù)的測試，包括開路測試和短路測試。電參數(shù)測試合格后，再打開光源，進(jìn)行圖像檢測。

目前的測試大多是針對(duì)已劃切的單粒芯片，采用純手動(dòng)的方式進(jìn)行操作和判斷。測試時(shí)，將芯片嵌入測試板，測試板通過USB 口與電腦連接，電腦端安裝有配套的測試軟件。打開測試板的電源后，先手動(dòng)選擇進(jìn)行開短路的電參數(shù)測試，測試軟件會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的條件判斷是否合格；若合格，再手動(dòng)開啟圖像采集功能，采集到的圖像顯示在電腦端，由人工判斷是否存在壞點(diǎn)等缺陷。測試完畢后，關(guān)閉電源，更換下一粒芯片。

為了提高效率，可以選擇采用自動(dòng)化的設(shè)備來直接測試未劃切的攝像頭芯片。劃切前的攝像頭芯片均勻分布在200 mm(8 英寸)的晶圓上(如圖1 所示)。設(shè)備的工作原理：在晶圓的正面，有兩個(gè)X、Y 方向的電機(jī)帶動(dòng)探針組件運(yùn)動(dòng)，在晶圓的背面，另有兩個(gè)X、Y 方向的電機(jī)帶動(dòng)鏡頭運(yùn)動(dòng)。測試時(shí)，探針組件和鏡頭定位到同一個(gè)芯片的正反面，與測試板通訊來進(jìn)行測試，測試過程與手動(dòng)測試類似。測試完成后再定位到下一個(gè)芯片。由于芯片的正反兩面在測試過程中均需要使用，晶圓必須采用環(huán)型夾具來懸空固定。夾具在正反兩面都高出晶圓表面約5 mm；而在移動(dòng)過程中，探針脫離凸點(diǎn)的距離在0.3～0.5 mm 之間，鏡頭距離芯片背面的距離不到0.1 mm。因此，測試過程中必須嚴(yán)格控制測試范圍，避免由于碰到夾具而造成探針和背面鏡頭的損壞。

為了校正晶圓的角度以及統(tǒng)一探針組和鏡頭的坐標(biāo)系，設(shè)備配有智能相機(jī)來進(jìn)行圖像識(shí)別。智能相機(jī)是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，它將圖像的采集、處理和通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺解決方案[1]。使用時(shí)，先為智能相機(jī)設(shè)定模板，然后移動(dòng)智能相機(jī)，捕捉圖像。捕捉到的圖像若能與模板匹配，智能相機(jī)計(jì)算后將給出圖像的X、Y 以及θ 坐標(biāo)，若不能匹配，則給出提示。由于智能相機(jī)具有較大的焦距，其鏡頭與晶圓的垂直距離遠(yuǎn)大于環(huán)形夾具5 mm 的高度，所以它可以運(yùn)動(dòng)到晶圓的邊緣任意位置，而不用擔(dān)心與環(huán)形夾具發(fā)生碰觸。下面對(duì)利用智能相機(jī)進(jìn)行掃描的兩種方案進(jìn)行分析。本文將就如何利用智能相機(jī)來準(zhǔn)確高效定位晶圓的有效測試范圍展開分析。

1 掃描方案分析

掃描方案有兩種，“全片掃描”和“邊緣掃描”，下面將具體分析兩種方案的實(shí)現(xiàn)方法、優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，找出二者中效率更高者。

1.1 全片掃描

圖1 晶圓模擬圖示

“全片掃描”，顧名思義，就是指利用智能相機(jī)逐一掃描整個(gè)晶圓上的所有芯片，從中去掉邊緣殘片，確定出晶圓的有效測試范圍。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1.1.1 實(shí)現(xiàn)方法

首先，選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片為智能相機(jī)建立模板，在掃描過程中，捕捉到的圖像都會(huì)與此模板比較，若不能匹配，則判斷為無效芯片。

然后，智能相機(jī)按照一定的路徑掃描整個(gè)晶圓的范圍，將每一個(gè)能與模板匹配的芯片的脈沖坐標(biāo)記入文件中。處于晶圓邊緣的芯片由于殘缺不能與模板匹配，被判斷為無效芯片，其信息不會(huì)記錄到文件中。通過這種方式，可以過濾掉邊緣的殘缺芯片，掃描結(jié)束后，得到一個(gè)記錄有效芯片信息的坐標(biāo)映射文件。

在測試過程中，讀取坐標(biāo)映射文件，依次運(yùn)動(dòng)到文件中記錄的坐標(biāo)位置進(jìn)行測試即可。由于文件中已經(jīng)過濾掉邊緣的殘缺芯片，所以能保證測試針和鏡頭的安全。全片掃描和全片掃描后的測試流程圖如圖2 所示。圖3 為全片掃描時(shí)智能相機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。

1.1.2 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

從實(shí)現(xiàn)方法可以看出，全片掃描的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，直接使用智能相機(jī)掃描全片即可。由于每個(gè)有效管芯的坐標(biāo)都已記錄，測試過程中不用再次計(jì)算，只用讀取文件，運(yùn)動(dòng)到指定的絕對(duì)坐標(biāo)處即可。

但由于算法簡單，全片掃描同時(shí)還具有如下缺點(diǎn)：①掃描范圍過大，消耗時(shí)間太長；②由于光線等原因，部分處于有效測試范圍內(nèi)的完整管芯不能與模板匹配，沒有記入坐標(biāo)文件，造成漏測。③由于裝載晶圓的差異，即使是同一型號(hào)的晶圓，其電機(jī)脈沖坐標(biāo)也存在差異，掃描好的坐標(biāo)文件不能重復(fù)利用，每個(gè)晶圓測試前都必須重新掃描。

圖2 全片掃描及其測試流程圖

圖3 全片掃描軌跡示意圖

1.2 邊緣掃描

“邊緣掃描”是相對(duì)“全片掃描”而言，指利用智能相機(jī)掃描晶圓邊緣上的完整芯片，通過計(jì)算，確定出晶圓的有效測試范圍。

由于晶圓中的所有芯片大小相同，且分布間隔均勻，所以晶圓中各芯片的相對(duì)位置關(guān)系是固定的。因此，只要確定出其中一個(gè)芯片的絕對(duì)坐標(biāo)，其余芯片的坐標(biāo)也可以確定。其實(shí)，確定晶圓有效測試范圍的關(guān)鍵點(diǎn)在于定位晶圓最外圈有效芯片的位置，在其以內(nèi)的芯片必然是可以進(jìn)行安全測試的，而且其坐標(biāo)也可以計(jì)算出來（見圖4）。邊緣掃描需要兩個(gè)輔助條件：查找首測點(diǎn)和進(jìn)行Map 坐標(biāo)映射。

圖4 內(nèi)外圈有效管芯分布圖

1.2.1 查找首測點(diǎn)

在邊緣掃描法中，只用記錄一個(gè)特殊芯片的脈沖坐標(biāo)，其他有效芯片的脈沖坐標(biāo)可以由這個(gè)特殊芯片計(jì)算得到。這個(gè)特殊芯片稱為首測點(diǎn)，是指按照從左到右，從上到下的方向查找到的晶圓左上角第一個(gè)匹配的芯片。

查找首測點(diǎn)時(shí)，首先根據(jù)晶圓的中心坐標(biāo)(XC，YC)和片徑D，計(jì)算出位于左上角且在晶圓外部的一個(gè)坐標(biāo)(X0，Y0)，計(jì)算見公式(1)；然后相機(jī)運(yùn)動(dòng)到(X0，Y0)處，按照從左到右，從上到下的順序查找能與模板匹配的第一個(gè)芯片，該芯片就是首測點(diǎn)(XF，YF)，如圖5 所示。圖6 為查找首測點(diǎn)流程圖。

圖5 首測點(diǎn)示意圖

1.2.2 Map 坐標(biāo)映射

晶圓安裝到設(shè)備上后，晶圓的每個(gè)位置都可以獲得脈沖坐標(biāo)。設(shè)晶圓的脈沖中心坐標(biāo)為(XC，YC)，芯片的脈沖尺寸為SX和SY，任意芯片中心的脈沖坐標(biāo)為(XP，YP)，Map 坐標(biāo)為(XM，YM)，可以得到Map 坐標(biāo)映射公式(2)：

Map 坐標(biāo)可以看作是對(duì)晶圓的一個(gè)提煉和簡化，其坐標(biāo)值均為整數(shù)。上述公式反映了晶圓上各芯片相對(duì)于中心的位置關(guān)系。對(duì)于同一型號(hào)的晶圓，這種位置關(guān)系是唯一的。圖7 中顯示了各芯片的Map 坐標(biāo)關(guān)系。

在查找首測點(diǎn)后，可以得出首測點(diǎn)的脈沖坐標(biāo)為(XF，YF)，根據(jù)上述公式，可以計(jì)算出其Map坐標(biāo)為(XMF，YMF)。若已知某芯片的Map 坐標(biāo)為(XM，YM)，芯片的脈沖尺寸為SX和SY，根據(jù)啟測點(diǎn)獲取其脈沖坐標(biāo)(XP，YP)的公式(3)為：

圖6 查找首測點(diǎn)流程圖

圖7 芯片相對(duì)于中心的關(guān)系

1.2.3 掃描邊緣

綜合上述兩個(gè)條件，可以得出這樣一個(gè)方法：首先采用某種方法僅掃描晶圓的邊緣，根據(jù)公式(2)計(jì)算出每個(gè)有效邊緣管芯的Map 坐標(biāo)，記入文件。這個(gè)文件反映了芯片間的相對(duì)關(guān)系，對(duì)同一型號(hào)的晶圓都是有效的。在自動(dòng)測試前，先查找首測點(diǎn)得到一個(gè)實(shí)際脈沖坐標(biāo)，根據(jù)公式(3)來推算所有有效芯片的實(shí)際脈沖坐標(biāo)。

掃描邊緣時(shí)，將晶圓分為左右兩個(gè)部分，先掃描晶圓的左側(cè)邊緣，再掃描晶圓的右側(cè)邊緣。兩側(cè)邊緣在X 方向均按照從晶圓外側(cè)向晶圓內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)的方式掃描，找到匹配芯片后，將其Map 坐標(biāo)記錄到文件中，然后退回到晶圓外側(cè)；在Y 方向按照從上到下運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行掃描，直到掃描完整個(gè)晶圓。掃描邊緣的流程圖和邊緣掃描軌跡示意圖分別如圖8 和圖9 所示。

自動(dòng)測試開始前，先查找啟測點(diǎn)，獲得啟測點(diǎn)的脈沖坐標(biāo)。根據(jù)啟測點(diǎn)的定義，其必然對(duì)應(yīng)掃描邊緣時(shí)記錄的Map 坐標(biāo)文件中左邊緣的第一個(gè)Map 坐標(biāo)值。這樣，有了啟測點(diǎn)的脈沖坐標(biāo)和Map坐標(biāo)，再加上文件中記錄的邊緣芯片的Map 坐標(biāo)，根據(jù)公式(3)，可以計(jì)算出所有邊緣管芯的脈沖坐標(biāo)。在測試時(shí)，根據(jù)計(jì)算出當(dāng)前行的最左和最右邊緣的X 坐標(biāo)，就可以確定出當(dāng)前行的測試范圍。以此類推，整個(gè)晶圓的測試范圍也都可以確定。這樣，針對(duì)同一型號(hào)的晶圓，掃描一次邊緣得到邊緣芯片的Map 坐標(biāo)文件后，以后每次測試前只用查找啟測點(diǎn)來重新確定脈沖坐標(biāo)即可。圖10為邊緣掃描后的測試流程圖。

1.2.4 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

從實(shí)現(xiàn)方法可以看出，邊緣掃描的優(yōu)點(diǎn)有：①掃描范圍小，消耗時(shí)間短；②同一型號(hào)的晶圓只用掃描一次邊緣，以后每次測試該型號(hào)的晶圓只用簡單查找一下首測點(diǎn)即可，利用率很高。

邊緣掃描具有的缺點(diǎn)：①以管芯大小與間隔均勻?yàn)榍疤幔m用范圍有限制；②掃描得出的只是相對(duì)坐標(biāo)，在實(shí)際測試中還要計(jì)算每個(gè)管芯的脈沖坐標(biāo)。

1.3 兩種方案的效率比較

設(shè)整個(gè)晶圓中的有效管芯個(gè)數(shù)為NT，邊緣管芯個(gè)數(shù)為NE，電機(jī)走單個(gè)步距的平均時(shí)間為T1，電機(jī)走5 倍步距的平均時(shí)間為T5，智能相機(jī)平均匹配時(shí)間為TC，查找首測點(diǎn)的平均時(shí)間為TF，那么進(jìn)行一次全片掃描的耗時(shí)TA 和進(jìn)行一次邊緣掃描的耗時(shí)TE 的計(jì)算公式分別為：

圖8 掃描晶圓邊緣流程圖

圖9 邊緣掃描軌跡示意圖

圖10 邊緣掃描測試流程圖

以片徑為200 mm，芯片大小為3 mm×3.1 mm的晶圓為例，計(jì)算可得有效管芯個(gè)數(shù)NT=3200 個(gè)，邊緣管芯個(gè)數(shù)NE=120 個(gè)。運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1 所示。

以表1 的速度分別進(jìn)行2000 次的單個(gè)步距走步和5 倍步距走步，計(jì)算單次走步的時(shí)間，如此重復(fù)5 次，求得平均值T1=109ms，T5=349ms。以類似的方法求得智能相機(jī)平均匹配時(shí)間TC=13ms。再進(jìn)行10 次查找首測點(diǎn)步驟，計(jì)算平均時(shí)間TF= 11s, 則根據(jù)公式 (4) 和公式 (5)：TA=7.205min，TE=1.814min。

表1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

可以看出，僅單次掃描一個(gè)晶圓，“邊緣掃描”就比“全片掃描”要快約5 min：

TA-(TE+TF/60)=7.205-1.997=5.207 min。

若有10 個(gè)同一型號(hào)的晶圓需要測試，其掃描所消耗的時(shí)間差距就更大：

10TA-(TE+10TF/60)=70.25-3.647=66.603 min。

經(jīng)過比較可以得出：兩種掃描方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，“全片掃描”簡單易行，但可能漏掉有效芯片，耗時(shí)較長，且不能重復(fù)使用掃描結(jié)果，效率較低；“邊緣掃描”耗時(shí)短，與查找首測點(diǎn)配合使用，對(duì)同一型號(hào)的晶圓可以重復(fù)利用，在測試同一型號(hào)的多個(gè)晶圓時(shí)的效率優(yōu)勢非常明顯。

2 結(jié)束語

本文從測試手機(jī)攝像頭芯片引出“如何通過智能相機(jī)掃描晶圓的測試范圍”這一問題，通過分析比較，找到了一種提高晶圓掃描效率的方案：邊緣掃描。這種方案對(duì)于掃描管芯未劃切、且管芯大小與間隔均勻的晶圓有很高的效率，并可以推廣到其他需求和條件類似的設(shè)備中使用，如探針臺(tái)等。

[1] E.R. Davies 著，Machine vision：theory，algorithms，practicalities（機(jī)器視覺：理論、算法與實(shí)踐）[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2] 北京凌云光視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司. 圖像和機(jī)器視覺產(chǎn)品手冊(cè)[Z]. 北京，2007.

[3] 深圳度信科技有限公司，測試板V90 產(chǎn)品說明手冊(cè)[Z].深圳，2009.

[4] 王建波，胡泓. 圖像模板匹配技術(shù)在探針臺(tái)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2006，(1-2)：13.