手動探針測試臺的自動化設計*

羅 輝，秦會斌

(杭州電子科技大學電子信息學院， 杭州310018)

ST-103A型手動探針測試臺是一種半導體制作工藝的中間測試設備，是中國電子科技集團公司第四十五研究所研制生產的。主要由工作臺、顯微鏡、測試探頭、打點器和電源等組成。工作臺是探針臺的主體，由承片臺、臺板和X、Y、Z移動平臺等部分組成。

但是由于ST-103A型測試臺是手動控制的，給測量帶來了很多不便，控制起來也不精確，尤其在測量多點的時候，會帶來很大的誤差。而且每次測完都要手動記錄數據，使得測量過程非常麻煩。鑒于以上原因，對ST-103A型手動探針測試臺進行了改造，實現了其全自動化控制。給半導體材料的測試帶來了極大的幫助。

1 總體框架

ST-103A型手動探針測試臺為接觸式測試探針臺，即在探針接觸樣品時才能測量，然而在移動時探針是不能接觸樣品的。該系統采用單片機控制步進電機的轉動[1]來帶動絲桿和滾珠的轉動，從而實現探針臺的自動化控制。測試臺上的顯微鏡對探針臺進行放大，然后經過攝像頭和視頻采集卡對放大后的探針臺視頻信息進行圖像采集，采集到的圖像信息再送到上位機VC++界面顯示。從而實現了對探針臺的實時監控，并且根據當前的視頻圖像就可以做相應的控制。總體控制框架圖如圖1所示。

圖1 總體控制框架圖

2 測試臺控制

根據ST-103A型手動探針測試臺的結構，要實現測試臺的自動化控制，首先要對X、Y、Z移動平臺進行機械改造，采用步進電機代替原來的手輪。X、Y移動平臺的傳動和導向均采用絲桿與直線導軌結構， Z軸方向采用滾珠與直線導軌結構，兩者都具有導向精度高、靈敏度高、穩定性好，對溫度變化的敏感性小等特點。但是步進電機與導軌是不能直接連接的。為了實現更好的機械耦合，帶來更好的實驗效果，系統中使用了柔性連軸器作為電機與導軌的中間紐帶。再加工相應的機械零件將電機固定于測試臺上。

采用MSP430F449單片機[2]作為下位機的主控芯片， MSP430 系列單片機具有與眾不同的功能和特點，超低功耗設計可以提高電源的效率， 節省電能，眾多的片內外圍設備可以減少成本的投入，方便的開發平臺和Flash型現場更新功能可以有效加速產品的開發進程。

單片機先通過串口接收上位機界面的命令信息，再根據相應的命令通過相應的算法之后控制三個電機的轉與否，正轉或者反轉，以及轉動的步數和速度。因為ST-103A型手動探針測試臺是接觸式測試探針臺，所以在測量時先對X、Y軸電機進行控制，移動到測量位置之后再對Z軸電機進行控制。具體控制流程圖如圖2所示。

圖2 下位機的控制流程圖

對于電機的驅動，該系統采用傳統的L297和L298芯片組和作為驅動。基于X、Y、Z軸三維控制，因此三套L297和L298芯片。L297的核心是脈沖分配器。它產生三種相序，對應三種不同的工作方式，即半步方式(HALFSTEP)；基本步距(FULLSTEP，整步)一相激勵方式；基本步距兩相激勵方式。L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的。為了控制更加精確，系統采用L297的半步方式，這樣電機轉完一整圈需要400步，即需要給L297輸入400個脈沖。

3 視頻采集系統

視頻采集系統的功能是把顯微鏡里放大的測試臺圖像信息采集下來并傳輸到上位機VC++界面，從而實現對測試臺的實時監控。該系統采用CCD攝像頭[3]與視頻采集卡[4]相結合的方式實現視頻采集。攝像頭固定在顯微鏡目鏡的位置，即取代目鏡。視頻卡裝置在上位機主機一個空置的PCI插槽內。再用一根視頻信號傳輸線將攝像頭的輸出口和視頻卡的視頻輸入口連接起來。

CCD攝像頭選用柯士公司生產的CAM-640C型攝像頭。視頻采集卡則是選用圖碼公司開發的天敏SDK-2000高清圖像采集卡。 SDK-2000是一款高品質PCI視頻卡，支持兩路復合視頻輸入和一路SVideo輸入。其工作原理圖如圖3所示。

圖3 SDK-2000視頻卡的工作原理圖

如圖3， SDK-2000卡主要由視頻信號輸入端、A/D轉換器、同步鎖相及時序電路、數據存儲器、混合器、D/A轉換器和總線控制電路組成。視頻信號先進行A/D轉換，然后送入數字解碼器解碼，時鐘控制則完成時序同步和同步鎖相功能；解碼后的信號和VGA卡的顏色查找表對應的R、G、B輸入值混合，通過D/A轉換輸出顯示。控制電路主要完成解碼器、數據存儲器保持與VGA特性一致，并負責PCI總線控制。

4 上位機軟件設計

該設計中上位機軟件的開發在VC++6.0平臺下完成，主要分2部分：視頻顯示部分和串口傳輸部分。視頻顯示部分主要使用了一個動態鏈接庫[5]：視頻采集卡二次開發包 DSStream.DLL。DSStream.DLL由視頻采集卡自帶，其中包含了很多與視頻采集卡相關的操作函數。通過調用庫函數可以實現圖像的數字化，要加載DSStream.DLL需要執行以下幾個步驟：

(1)安裝SDK-2000軟件包；

(2)將SDK安裝目錄下的Inc和Lib目錄路徑分別加入VC++工程設置的“C/C++-Prep rocressor Additional include directories”和“Link-Input-Additional library path”中；

(3)將LibDSStream.lib文件加入工程設置的“Link-General-Object/librarymodule”中；

(4)將IncDSStream.h文件加入工程，并#include“DSStream.h”；

(5)將ExeDSStream.dll文件拷入系統目錄或其他系統能找到的目錄中。

串口傳輸部分則是使用了Remon Spekreijse提供的免費串口類—CserialPort類[6]。 CserialPort類主要包括了串口初始化、啟動串口通信監測線程、暫停或停止監測線程、關閉串口、發送字符或數據等函數。要使用CserialPort類需要先執行以下兩個步驟：

(1)將SerialPort.cpp文件和SerialPort.h文件拷貝到工程文件夾；

(2)將SerialPort.cpp文件和SerialPort.h文件加入到工程并#include“SerialPort.h”。

當打開VC++界面時，界面上會顯示測試臺當前的圖像，如圖4所示。以圖像的中心點作為原點，將鼠標在需要測量的目標點處雙擊，通過OnLButtonDblClk()函數和SetCapture()函數獲取目標點的坐標值，再將此坐標值與原點比較，所得的差值再通過串口傳輸給單片機。單片機則會根據此差值控制測試臺做相應的移動，將目標點移動到原點的位置，此時目標點就成了新的原點。控制原理圖如圖5所示。

圖4 視頻采集效果圖

圖5 測試臺的控制原理圖

5 改造后的技術指標

通過控制步進電機來實現測試臺的自動控制，跟原來的手動探針測試臺相比，許多性能都有了很大的提高。包括定位精度、升降控制的精度以及步進速率等等。表1列出了改造后測試臺的一些技術指標。

表1 測試臺改造后的技術指標

6 結束語

探針測試臺是半導體集成電路測試的重要設備，它的自動化控制以及控制的精準度對半導體測試都是非常重要的。改造完成后的探針測試臺經過測試，成功地完成了對測試臺的全自動控制，實現了實時監控，根據表1可以看出，控制精度高。由于還采用了VC++編寫上位機界面控制，使得改造后的探針測試臺還具有界面友好、操作簡單等優點。

[ 1] 王盈.步進電機的細分驅動及動態性能仿真[ D] .中國優秀碩士學位論文全文數據庫， 2007， (05).

[ 2] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社， 2008：272-288.

[ 3] 江潔，郁道銀.一種微型面陣CCD及其驅動控制[ J] .傳感器技術， 1999， 18(5)：47-49.

[ 4] 林靖，陳輝堂，蔣平，等.用多媒體視頻卡實現實時數字圖像采集[J] .測控技術， 1999， 18(2)：45-47.

[ 5] 朱洪波.Visual C++6.0完全自學寶典[ M] .北京：清華大學出版社， 2008：196-220.

[ 6] 龔建偉， 熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[ M] .北京：電子工業出版社， 2004：16-35.