劉書萌，馮國兵，王 龍，陳俊凱

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所 北京 102209)

0 引言

在芯片工業(yè)生產(chǎn)過程中，需對芯片內(nèi)部電容進行測量實現(xiàn)芯片合格性篩選，因此研發(fā)大批量、高精度、高可靠性電容測量設(shè)備對芯片生產(chǎn)工業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。針對該實際工業(yè)需求，本文給出了一種詳細(xì)的芯片電容測量設(shè)備設(shè)計方案，方案中給出了設(shè)備工作原理、設(shè)備硬件總體設(shè)計、軟件架構(gòu)設(shè)計等，為芯片電容測量方案提供重要的工業(yè)參考價值。

目前電容檢測方法主要有：芯片檢測；使用分立元件搭建的電容橋、脈沖頻率測量；使用通用的電容檢測芯片；新型的MEMS檢測器件等[1]。綜合成本及設(shè)計精度等因素，本方案采用德國ACAM公司的PCAP01電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，通過對電容測量電路的精心設(shè)計，使得測試等級可達(dá)到fF級[2]，測量的容值范圍從幾fF到幾百nF范圍內(nèi)可以任意配置，可以滿足多型號芯片工業(yè)生產(chǎn)檢測的需求。

1 設(shè)備工作原理

為了滿足芯片電容批量自動化檢測需求，整個設(shè)備采用經(jīng)典“磁帶式”釋放與回收機械結(jié)構(gòu)。芯片卷帶通過約1 m長傳送帶平鋪展開，每檢測一個芯片，需給傳送帶正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、脈沖數(shù)、停止四個參數(shù)。電容測量探針通過針氣缸壓接芯片待測管腳，針氣缸由專用驅(qū)動器控制，氣缸上、下部各有一路位置傳感器進行氣缸到位檢測，當(dāng)針氣缸收到“下壓”信號時，針氣缸探針飛速跳至底端，壓在芯片待測試管腳上，待下部傳感器檢測“下壓到位”信號，判定芯片到位，可進行電容測量操作，并將測量結(jié)果按設(shè)定的傳輸協(xié)議通過RS422串口傳至上位機，上位機接收數(shù)據(jù)后進行解析，提取測量值并作出合格判定，同時將測試結(jié)果存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，并對被測芯片作出標(biāo)記，然后給出針氣缸復(fù)位指令，針氣缸飛速上移回位，待上部傳感器檢測到“復(fù)位”信號后，傳送帶走一個芯片的間隔，芯片到達(dá)鉆氣缸下方，此時若被測芯片標(biāo)記為不合格，上位機發(fā)送指令控制下位機驅(qū)動鉆氣缸“剔除”不合格芯片；對合格芯片鉆氣缸則不做處理，至此一個完整的芯片測試過程結(jié)束，接下來重復(fù)以上過程，直至芯片卷帶測試完畢。芯片電容測量單元采用專用芯片PCAP01-AD，通過I2C總線與下位機(STM32F103ZET)通信。詳細(xì)工作原理框圖如圖1所示。

2 設(shè)備總體設(shè)計

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)主要由工作臺(傳送帶)、上位機、下位機、復(fù)位電路、電容測量模塊、按鍵、驅(qū)動控制電路、針氣缸(裝測試探針)、鉆氣缸(打孔氣缸)、步進電機、復(fù)位傳感器、針氣缸傳感器、蓋板傳感器、首尾檢測傳感器、鉆氣缸傳感器及相應(yīng)的驅(qū)動電路構(gòu)成。

(1)工作臺為約1 m長的傳送帶，將待測試芯片卷帶在傳送帶上展開，實現(xiàn)逐個測試。

(2)上位機用來運行測試軟件，實現(xiàn)用戶管理、控制流程啟停、記錄和顯示測量數(shù)據(jù)、標(biāo)記不合格芯片并實時顯示檢測信息等功能。

(3)下位機為STM32F103ZET單片機，搭載μC/OS-II實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)多路傳感器信號采集及與上位機完成數(shù)據(jù)傳輸，任務(wù)間通信采用消息郵箱。

(4)復(fù)位電路用來測量芯片內(nèi)部的復(fù)位信息是否正確。

(5)電容測量電路用來測量芯片管腳之間的電容值。

(6)按鍵用來手動控制設(shè)備急停、電源開關(guān)、電機復(fù)位等。

(7)驅(qū)動控制電路用來完成氣缸、步進電機的通信和控制功能。

(8)針氣缸用來氣動接觸被測芯片，為芯片電容和復(fù)位測量提供前端探針觸點。

(9)鉆氣缸用來對復(fù)位信息或測量電容值不合格的芯片做打孔處理，剔除芯片。

(10)多種位置傳感器用來檢測氣缸、步進電機、芯片卷帶等位置信息。各式傳感器與傳送帶步進電機組成設(shè)備閉環(huán)控制系統(tǒng)，可保障設(shè)備正常有序地長時間工作。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖2所示。

3 設(shè)備關(guān)鍵模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計：為滿足大批量的芯片檢測，設(shè)備采用經(jīng)典磁帶式結(jié)構(gòu)，即在傳送帶一端放置待檢測芯片卷帶，中間為水平傳送帶，另一端設(shè)計回收檢測完的芯片卷帶。傳送帶進口與出口處分別設(shè)有位置傳感器，傳感器信號由下位機采集并處理。傳送帶的執(zhí)行機構(gòu)由混合式五相步進電機控制，可長時間運行而無位置誤差累積。步進電機與首尾傳感器組成設(shè)備閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運行可靠性。

通信可靠性設(shè)計：為保證通信傳輸?shù)目煽啃裕环矫妫捎肅RC校驗的方式排除誤碼；另一方面，通過建立握手信號來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率，即上位機與下位機傳輸數(shù)據(jù)后，會將接收數(shù)據(jù)進行反向回傳校驗，確保數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)確無誤。

安全性設(shè)計：在控制柜面板上設(shè)置復(fù)位、急停開關(guān)按鍵，當(dāng)有異常情況導(dǎo)致測試工作中斷需要重新上帶時，可通過復(fù)位按鍵操控步進電機到達(dá)初始點位；當(dāng)發(fā)生突發(fā)意外情況時，可立即按下急停開關(guān)使設(shè)備斷電，防止傷害或損失擴大。

電容測量單元設(shè)計：電容測量的核心為PCAP01集成芯片，該芯片有著功耗低、測量區(qū)間大、速度快、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點，是高精度寬范圍電容測量的首選。PCAP01芯片有20個配置寄存器與12個讀寄存器，芯片內(nèi)部自帶DSP處理器，可以將采集的電容值進行轉(zhuǎn)換，采集的數(shù)據(jù)存儲在SRAM中；芯片PCAP01有四種工作模式，本方案中采用單一傳感器漂移模式[3]。電路原理圖如圖3所示。

圖3 電容測量單元原理圖

在芯片進帶口處設(shè)計有檢測蓋板狀態(tài)傳感器，當(dāng)芯片卷帶放入傳送帶進帶口處時，壓實蓋板，點擊操控界面的“開始”按鈕，系統(tǒng)可進入工作狀態(tài)，傳送帶在傳送過程中，壓實的蓋板可自動理順芯片卷帶，提高測試穩(wěn)定性。

4 設(shè)備軟件設(shè)計

設(shè)備上電后，點擊上位機操作界面中的“開始”按鈕，設(shè)備執(zhí)行復(fù)位操作，包括步進電機復(fù)位、串口開啟、氣缸復(fù)位等；復(fù)位成功后，判斷蓋板是否蓋上，若未蓋

圖4 系統(tǒng)執(zhí)行算法設(shè)計流程圖

上則彈出提示信息，待蓋板蓋上后步進電機開始傳動，當(dāng)芯片到達(dá)針氣缸所在位置時，首部傳感器將以中斷形式告知下位機(STM32F103)，下位機控制針氣缸下降，使測試探針與芯片待測管腳氣壓接觸，進行芯片內(nèi)部復(fù)位測量；若復(fù)位信息正確，則進行電容測量，若電容測量也正確，則在操作界面實時顯示芯片合格信息，針氣缸飛速上升回位，然后執(zhí)行針氣缸的循環(huán)測量操作；若復(fù)位信息或電容測量不正確，則在操作界面實時顯示芯片不合格信息，控制針氣缸上升，電機步進，并進行步進計數(shù)，計數(shù)值為i，當(dāng)不合格芯片傳送到鉆氣缸所在位置時(該位置對應(yīng)的i=k，k為針氣缸到鉆氣缸的步進間隔數(shù))，鉆氣缸下降，執(zhí)行打孔操作，完成打孔后鉆氣缸升起，電機步進，當(dāng)芯片卷帶測量完畢時，尾部傳感器檢測到芯片檢測完畢并告知下位機，設(shè)備停止。

如果測試過程中未及時給出成功的反饋信息(如氣缸上升或下降操作)，則系統(tǒng)將在5 s定時器超時中斷給出當(dāng)前操作的實時報警信息，確保設(shè)備運行可靠。程序設(shè)計算法流程圖如圖4所示。

4.1 上位機軟件界面設(shè)計

人機交互界面設(shè)計在上位機，采用Visual Studio2010集成開發(fā)環(huán)境下的Windows窗體應(yīng)用程序開發(fā)，整個軟件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮姆绞?，采用C#語言編寫，數(shù)據(jù)庫為SQL Server。軟件主要功能有：測試狀態(tài)設(shè)定、電容測量范圍參數(shù)設(shè)置、測量數(shù)據(jù)存儲與顯示等。

4.2 下位機控制程序設(shè)計

下位機采用STM32F103作為主控制器，開發(fā)環(huán)境為Keilu4+MDK，程序采用C語言編寫。主要功能有：單片機和測量芯片CPAP01初始化、讀取測量值、與上位機進行數(shù)據(jù)與指令傳輸、異常處理等。芯片PCAP01初始化需要下位機進行握手通信測試并向其內(nèi)部SRAM下載固件，此固件由廠商提供，最后按照設(shè)計要求配置相應(yīng)寄存器，STM32單片機與芯片PCAP01初始化后，此時可以發(fā)送測量命令，進行數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機[4]。程序執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 下位機程序執(zhí)行流程圖

異常處理機制：在控制程序中建立定時器子線程，進行氣缸位置傳感器的到位判定，如氣缸動作延時，讀取的位置傳感器信息與控制操作不符，則再次發(fā)送控制指令，直到定時器超時觸發(fā)報警，同時在界面顯示故障提示信息。程序設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 異常確認(rèn)與響應(yīng)處理機制流程圖

5 設(shè)備運行分析

芯片卷帶初次放置傳送帶時，需要人工干預(yù)放置到指定位置，待設(shè)備運行后，無需人員看守，設(shè)備可以準(zhǔn)確無誤地將芯片傳送到針氣缸與鉆氣缸位置，進行芯片電容測量與剔除；芯片卷帶測試結(jié)束時，尾部傳感器可以準(zhǔn)確檢測到結(jié)束狀態(tài)，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)。

上位機測試記錄完整，數(shù)據(jù)存儲準(zhǔn)確，通信可靠無異常。設(shè)備實現(xiàn)了芯片卷帶長時間運行且批量、自動化、安全、可靠測試。設(shè)備運行部分芯片測試記錄表如表1所示。

表1 部分芯片測試記錄表 (pf)

6 結(jié)論

綜上所述，該方案實現(xiàn)了電容的高精度、高效率批量測試，上位機界面設(shè)計友好，設(shè)備自動化程度高，下位機實時響應(yīng)快，設(shè)備運行安全，模塊之間通信可靠，能夠應(yīng)對復(fù)雜的電磁工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。該方案對工業(yè)生產(chǎn)中研發(fā)芯片電容自動化批量檢測設(shè)備具有一定參考價值。

[1] 付潔,趙晴,劉書萌.基于PCAP01的高精度電容測量[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2014(2):27-29.

[2].胡敏,李曉瑩,常洪龍,等.基于ASIC芯片的微小電容測量電路研究[J].計量學(xué)報，2007,28(2):379-382.

[3].韓冬偉.氣固兩相流ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].濟南:濟南大學(xué)，2016

[4].侯亞賓,卜雄洙,孫斌.微小電容檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].應(yīng)用天地,2015,34(12):87-90.