摘 要：芯片測(cè)試在低溫環(huán)境下需要較高的溫度精確度，以確保電性參數(shù)的測(cè)試準(zhǔn)確度。通常情況下，芯片測(cè)試的溫度控制單純由自動(dòng)化送料機(jī)（Handler）進(jìn)行控制，這種控制方式是基于液氮制冷的控制方式，雖然能夠比較精確的保證芯片所在測(cè)試腔體的整體溫度，但是并不能及時(shí)感知由于測(cè)試過(guò)程中芯片功耗發(fā)熱引起的溫度變化，不能實(shí)時(shí)精確控制芯片所在測(cè)試插槽的溫度，從而影響芯片的測(cè)試良品率。本系統(tǒng)基于半導(dǎo)體制冷器件在原有的液氮制冷的大環(huán)境下，搭建一種基于閉環(huán)反饋的穩(wěn)定性更高的低溫測(cè)試溫度補(bǔ)償控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用半導(dǎo)體制冷器件，結(jié)合原有測(cè)試系統(tǒng)的資源，對(duì)芯片低溫測(cè)試環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的局部溫度補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)高精度的恒溫控制，保證芯片測(cè)試的良品率。

關(guān)鍵詞：芯片測(cè)試；半導(dǎo)體制冷；低溫補(bǔ)償；測(cè)試系統(tǒng)；自動(dòng)化送料機(jī)（Handler）；芯片測(cè)試機(jī)（Tester）

1 概述

芯片測(cè)試是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的不可或缺的重要環(huán)節(jié)，芯片測(cè)試對(duì)測(cè)試環(huán)境要求非常嚴(yán)格。在芯片測(cè)試環(huán)境中，測(cè)試溫度是測(cè)試環(huán)境中的重要參數(shù)，對(duì)于多數(shù)工業(yè)級(jí)芯片，不僅要求在室溫下測(cè)試，同時(shí)也要求在低溫和高溫下進(jìn)行測(cè)試，而低溫測(cè)試的溫度精度是三種測(cè)試溫度下最難以控制的情況，因此，建立穩(wěn)定的低溫控制系統(tǒng)，從而保證低溫測(cè)試環(huán)境的溫度精度，是芯片測(cè)試中最重要的環(huán)節(jié)之一。通常的低溫控制系統(tǒng)是通過(guò)自動(dòng)化送料機(jī)的液氮制冷來(lái)實(shí)現(xiàn)，此種溫度控制系統(tǒng)主要包括溫度傳感器，溫度控制器和液氮設(shè)備。在整個(gè)密封環(huán)境中放置若干溫度傳感器和液氮輸入口，通過(guò)用戶界面設(shè)置目標(biāo)溫度，此種溫度控制方法具有成本低，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于自動(dòng)化送料機(jī)測(cè)試腔體的溫度控制較好，但是并不能對(duì)芯片所在測(cè)試插槽進(jìn)行局部的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，隨著芯片測(cè)試過(guò)程中功耗引起的發(fā)熱，芯片測(cè)試插槽的溫度會(huì)越來(lái)越偏離設(shè)定目標(biāo)溫度，但這種局部的溫度變化并不能很快的影響到測(cè)試腔體的整體溫度，因此，會(huì)造成測(cè)試插槽的局部溫度升高到已經(jīng)影響到芯片低溫測(cè)試的良品率，而自動(dòng)化送料機(jī)尚不能察覺(jué)到測(cè)試腔體整體有溫度變化從而進(jìn)行溫度控制的情況發(fā)生?；谶@種情況，引入一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試插槽溫度變化，并能根據(jù)溫度變化實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，對(duì)于芯片測(cè)試來(lái)說(shuō)是十分必要的。半導(dǎo)體制冷器件具有體積小，制冷效率高，精度高等優(yōu)點(diǎn)，可安裝在測(cè)試板上，進(jìn)行局部溫度的快速實(shí)時(shí)補(bǔ)償。因此，本系統(tǒng)在在液氮制冷的測(cè)試環(huán)境下引入半導(dǎo)體制冷器件作為局部輔助制冷補(bǔ)償設(shè)備，建立混合制冷模式，使測(cè)試環(huán)境溫度更加穩(wěn)定。從而保證低溫測(cè)試精度，混合制冷系統(tǒng)如圖1所示。

2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究

半導(dǎo)體制冷作為在半導(dǎo)體制冷材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，具有體積小、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)污染、速度快、精度高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有良好前景的制冷方式。半導(dǎo)體制冷也稱為熱電制冷，它利用特殊半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對(duì)，通過(guò)直流電制冷的一種新型制冷方式。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，它的特點(diǎn)在于：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪音、無(wú)磨損、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、可靠性高；

2）制冷、加熱速度快，控制靈活可靠；

3）冷熱轉(zhuǎn)換有可逆性，只要改變電流方向，就可以使半導(dǎo)體在制冷和加熱模式之間轉(zhuǎn)換；

熱電堆可以任意排布、大小形狀可變。

3 半導(dǎo)體溫度補(bǔ)償系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)整體工作原理

本文提出的半導(dǎo)體溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，如圖2所示，由半導(dǎo)體制冷器件、控制驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器以及溫度補(bǔ)償控制器組成。主要工作原理是通過(guò)閉環(huán)溫度反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片測(cè)試插槽溫度參數(shù)值，將此數(shù)值反饋至芯片測(cè)試程序，由植入在芯片測(cè)試程序中的溫度補(bǔ)償控制程序控制測(cè)試機(jī)（Tester）內(nèi)部資源輸出控制信號(hào)至安裝在測(cè)試板的半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行局部溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償

3.2 半導(dǎo)體制冷器件選擇

本系統(tǒng)選用的半導(dǎo)體制冷器件為TEC1-00703型號(hào)的微型半導(dǎo)體制冷片，超小型尺寸，有利于隱藏式安裝。該型號(hào)的最大負(fù)載電流為3A，最大使用溫差為69攝氏度，阻抗為0.21ohm。如圖3所示。

3.3 制冷器件控制驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)所使用的控制驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，針對(duì)半導(dǎo)體測(cè)試環(huán)境溫度設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，對(duì)于半導(dǎo)體測(cè)試環(huán)境中的高測(cè)試并行度要求（一般為8或16片芯片在各自的測(cè)試插槽中同時(shí)進(jìn)行測(cè)試），設(shè)計(jì)多個(gè)半導(dǎo)體制冷器件的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制電路，能夠精確的將不同測(cè)試插槽的溫度分別進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，使得溫度控制更加精確。驅(qū)動(dòng)電路中的直流供電電源以及開(kāi)關(guān)控制都由測(cè)試機(jī)（Tester）中現(xiàn)有的測(cè)試機(jī)系統(tǒng)資源進(jìn)行控制，不另外增加多余的控制電路，對(duì)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備影響不大，本系統(tǒng)選用泰瑞達(dá)公司MicroFlex測(cè)試機(jī)中的DC30資源作為半導(dǎo)體制冷片的控制、驅(qū)動(dòng)資源。

3.4 溫度監(jiān)測(cè)原理及模型

本系統(tǒng)直接使用被測(cè)芯片的體二極管作為對(duì)測(cè)試插槽溫度檢測(cè)的溫度傳感器，選用此方法的優(yōu)點(diǎn)在于不用引入額外的溫度傳感器及相應(yīng)的控制電路，從而減少了由于引入本系統(tǒng)而導(dǎo)致的測(cè)試板成本的增加。根據(jù)體二極管的電壓溫度曲線特性，對(duì)不同芯片體二極管建立電壓/溫度線性回歸模型，確定線性回歸參數(shù)

電壓/溫度線性回歸模型：

β0和β1為線性回歸模型參數(shù)。確定此參數(shù)需對(duì)多個(gè)芯片進(jìn)行溫度/電壓采樣，利用線性回歸分析，如圖5所示，通過(guò)對(duì)多個(gè)芯片體二極管電壓和對(duì)應(yīng)測(cè)試插槽溫度進(jìn)行采樣，通過(guò)線性回歸分析，可以確定低溫測(cè)試條件下線性回歸模型為：

公式1：

3.5 控制軟件

本系統(tǒng)直接使用芯片測(cè)試機(jī)（Tester）的測(cè)試程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，將溫度監(jiān)測(cè)補(bǔ)償程序直接嵌入進(jìn)芯片測(cè)試程序，保證與芯片測(cè)試程序兼容性，且容易進(jìn)行移植，不會(huì)另外增加應(yīng)用程序接口的開(kāi)發(fā)成本。本系統(tǒng)所使用的測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境為泰瑞達(dá)（Teradyne）公司的IG-XL軟件，IG-XL軟件是基于Excel的測(cè)試程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，其主要使用VBT（Visual Basic for Test）作為程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。

本系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖6所示。測(cè)試程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)芯片體二極管電壓值，通過(guò)回歸模型公式1，將電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，通過(guò)判斷溫度值是否超出溫度上限來(lái)決定是否開(kāi)啟閉環(huán)比例積分微分控制程序來(lái)控制測(cè)試機(jī)系統(tǒng)資源驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

比例積分微分（PID）控制算法原理框圖如圖7所示，PID控制算法根據(jù)溫度目標(biāo)值r（t）與實(shí)際溫度c（t）構(gòu)成控制偏差e（t）：

公式2：e（t） =c（t）-r（t）

將控制偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制信號(hào)u（t）：

公式3：

其中，Kp是比例系數(shù)，Ti是積分時(shí)間常數(shù)，Td是微分時(shí)間常數(shù)。

比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例控制偏差信號(hào)e（t），一旦有偏差信號(hào)產(chǎn)生，控制算法立刻動(dòng)作以減小偏差。

積分環(huán)節(jié)作用為消除靜差，提高系統(tǒng)精度，積分作用強(qiáng)弱與積分時(shí)間常數(shù)Ti成反比。

微分環(huán)節(jié)反應(yīng)偏差信號(hào)變化速率，在偏差信號(hào)變大之前引入修正信號(hào)減少系統(tǒng)超調(diào)，減小控制系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間，加快系統(tǒng)穩(wěn)定。

PID控制算法程序直接嵌入測(cè)試程序，結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)控制程序和系統(tǒng)資源調(diào)用程序，控制測(cè)試機(jī)（Tester）系統(tǒng)資源開(kāi)閉，從而驅(qū)動(dòng)控制半導(dǎo)體制冷片的工作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將本溫度補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用在高功率芯片測(cè)試插槽1中，同時(shí)將無(wú)本溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的測(cè)試插槽2作為對(duì)比，初始測(cè)試溫度目標(biāo)值設(shè)定為-40℃。

如圖8所示，測(cè)試插槽2伴隨著高功率芯片測(cè)試過(guò)程中芯片的功耗發(fā)熱，測(cè)試插槽溫度呈逐漸上升趨勢(shì)。

應(yīng)用了溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的測(cè)試插槽1溫度趨勢(shì)如圖9所示，伴隨著高功率芯片的測(cè)試，由于低溫半導(dǎo)體的工作，提供溫度補(bǔ)償，使測(cè)試插槽溫度始終在-40℃上下波動(dòng)。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)在在液氮制冷的測(cè)試大環(huán)境下引入半導(dǎo)體制冷器件作為局部輔助制冷補(bǔ)償設(shè)備，通過(guò)直接使用測(cè)試機(jī)現(xiàn)有硬件資源控制半導(dǎo)體制冷片；直接使用芯片體二極管電壓/溫度特性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試芯片的溫度變化；直接使用測(cè)試程序現(xiàn)有開(kāi)發(fā)環(huán)境嵌入相應(yīng)的比例積分微分溫度控制程序，建立混合制冷模式。在保證低溫測(cè)試精度的同時(shí)，降低了現(xiàn)有測(cè)試板硬件電路改動(dòng)，節(jié)省了硬件成本，同時(shí)也降低了軟件開(kāi)發(fā)難度，增加了軟件可移植性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本系統(tǒng)能夠作為液氮制冷的有效溫度補(bǔ)償手段，實(shí)現(xiàn)液氮制冷所不能即時(shí)實(shí)現(xiàn)的溫度微調(diào)功能，將測(cè)試溫度控制在目標(biāo)溫度附近，從而實(shí)現(xiàn)高精度的恒溫控制，保證芯片測(cè)試的良品率。

參考文獻(xiàn)

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胡壽松。自動(dòng)控制原理 。第五版。

作者簡(jiǎn)介

梁勇，男，天津，學(xué)士，任職于飛思卡爾半導(dǎo)體（中國(guó)）有限公司，助理工程師，混合半導(dǎo)體新產(chǎn)品測(cè)試。