基于二維碼的半導體芯片測試信息自動化識別及追溯系統的設計與應用

梁 勇，吳永恒，陳 洋

(飛思卡爾半導體(中國)有限公司 天津300385)

0 引 言

在半導體芯片研發周期中，需要對芯片進行大量的可靠性試驗來進行認證，以確保芯片能夠在其整個生命周期中滿足質量可靠性要求。以家用轎車電子芯片為例，通常需要保證芯片在-40～125℃(操作環境溫度 1級芯片)的溫度范圍內具有 20年的使用壽命。因此，在芯片研發周期中需要對其進行高溫操作生命周期實驗(HTOL)，模擬芯片在整個生命周期內可能遇到的其他各種情況的可靠性試驗，如模擬焊接芯片到電路板的預處理試驗(PC)，模擬芯片儲存的高溫儲存生命周期試驗(HTSL)，模擬芯片在溫度變化環境中的溫度循環沖擊試驗(TC)等。

大多數可靠性試驗都要求對同一批芯片反復進行測試，并且能夠找到每顆芯片對應的每一次測試結果，以高溫操作生命周期實驗(HTOL)為例，其整個試驗流程見圖 1。可以看出，同一顆芯片在整個試驗周期中會經歷高達 21次自動化測試機反復測試(不包括人工手動驗證測試)。其中 6個度數點的每顆芯片的每個溫度的測試結果都需要一一對應以確保可靠性試驗后的電性參數漂移分析追溯。但是常用的最終測試自動化分揀機及自動化測試機通常并沒有該功能，通常的解決方案是：

①通過人工手動編號并每次放入自動化分揀機之前對待測芯片進行人工排序，以確定每顆芯片在測試結果中的位置，如圖2所示。

②通過芯片唯一電子身份碼(ECID)對應每顆芯片的當前測試結果及歷史測試結果，如圖3所示。

圖1 高溫操作生命周期實驗(HTOL)流程Fig.1 Flow of high temperature operation life experiment

圖2 人工手動編號芯片測試結果對應示意Fig.2 Corresponding diagram of test results of manual numbering chips

圖3 芯片唯一電子身份碼(ECID)測試結果對應及追溯示意Fig.3 Corresponding and traceability diagram of test results of ECID

由于以上兩種傳統芯片測試信息追溯方式都具有很大的局限性，需要一種全新的方式突破這些局限，實現一種更簡單通用的芯片測試結果追溯方法。

1 傳統芯片測試信息追溯方式的局限性

對于第 1種人工手動編號芯片測試信息追溯方式，其優點是測試結果信息對應清晰：在對芯片進行自動化測試之前，由人工將阿拉伯數字編號標記在芯片表面(或者印刷在芯片表面)，每次測試之前由人工排序的方式將待測芯片按編號從小到大進行排序并按順序進行測試，其測試結果生成順序即對應待測芯片的編號順序，不需要工程師進行額外的測試結果處理。同時，如果被測芯片由于機械性損傷造成無法測試，也可以直觀地從芯片表面的編號清楚知道該芯片的歷史測試信息。

從圖1高溫操作生命周期實驗(HTOL)流程中可知，芯片在整個試驗周期中會經歷高達 21次的自動化測試機反復測試，每次測試前都可能會要求操作人員對待測芯片進行手動編號。對于平均情況，在一個認證周期內需要進行的編號測試次數如表 1所示。其總計為306次人工手動待測物料排序。

因此，這種情況下會耗費大量的人力于重復性的無價值物料擺放工作中，同時，反復多次的人工擺放也會增大芯片產生機械性損傷的概率。

對于第 2種通過芯片唯一電子身份碼(ECID)測試信息追溯方式，其主要優點是不需要引入大量的人工工作，可以直接通過測試結果中的ECID對芯片的測試結果信息進行追溯。

但其主要的局限性在于，ECID信息是儲存在芯片內部存儲區的信息，只能通過最終測試將其顯示在測試結果中。某些簡單的芯片(如電子開關、總線控制等)內部不具有存儲區，因此也就沒有 ECID。另外，即使具有 ECID的芯片，由于在整個認證試驗周期中，同一顆芯片可能會經歷幾十次的反復測試，如果萬一芯片在測試過程中產生機械性損傷，如引腳彎曲、脫落乃至芯片碎裂，ECID信息將不能再被讀出，從而喪失可追溯性，如圖4所示。

表1 典型汽車電子芯片認證編號測試次數Tab.1 Test times of typical automotive electronic chip certification number

圖4 芯片機械性損傷導致測試信息可追溯性丟失Fig.4 Loss of test information traceability due to mechanical damage to chip

2 基于二維碼的半導體芯片測試信息自動化識別及追溯系統的設計理念

“基于二維碼的半導體芯片測試信息自動化識別及追溯系統”(以下簡稱“本系統”)的設計理念主要包括：

①通過識別印刷在芯片表面的二維碼來確定每顆芯片的唯一編號。

②不引入復雜的攝像頭移動機械控制裝置，而是選擇多個靜態高分辨率工業攝像頭對擺放在同一個測試托盤上的待測芯片進行圖片采集，每個攝像頭采集測試托盤上的部分區域以確保其分辨率。

③選擇合適波長的光源以確保每個攝像頭抓取的圖片質量可被軟件100%識別最小為4mm×4mm的二維碼信息。

④基于 LabVIEW 語言編寫相應的控制軟件，可將來自多個攝像頭的圖片拼裝成完整的測試托盤圖像，并可以按照自動分揀機抓取芯片的順序進行每顆芯片的二維碼信息識別。

⑤控制軟件需具備二維碼再識別功能以確保100%的識別率。

⑥控制軟件可以將識別出的二維碼信息存儲于txt、excel等常用格式文件內。

⑦控制軟件可以處理芯片標準測試格式文件(STDFFile)，將識別出的二維碼信息對應每顆芯片的測試結果嵌入至芯片測試STDF文件中。

⑧友好的用戶操作界面。

本系統的工作原理如圖5所示：操作人員控制本系統對測試托盤進行圖片采集之后，即可將待測物料直接放入自動分揀機進行測試，同時本系統會對采集的圖片上的二維碼進行識別。待生成測試結果文件后，將其輸入到本系統，將會重新生成一個包含解析后的二維碼信息的新的測試結果標準文件。該文件可直接用于以后的測試結果追溯及分析。

圖5 基于二維碼的半導體芯片測試信息自動化識別及追溯系統工作原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of working principle of automatic identification and traceability system for semiconductor chip test information based on 2D code

3 本系統的組成

3.1 硬件組成

如圖6所示，本系統的硬件部分主要包含：

①3個 1600萬像素高清工業用攝像頭(HXSUA1600C-T)+焦距12mm高清鏡頭(MD-JT12)。

②波長 650nm 專用光源(HX-GYTX001)+光源控制器(ACS-2C0400-24PS)。

③安裝支架+測試托盤底座。

④個人電腦(安裝有用戶界面、控制軟件、驅動程序等)。

圖6 基于二維碼的半導體芯片測試信息自動化識別及追溯系統硬件組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of hardware composition of automatic identification and traceability system for semiconductor chip test information based on 2D code

本系統放入專用金屬小車內部以實現靈活移動，且能保證靜電防護要求以及屏蔽可見光的干擾。

3.2 軟件組成

本系統軟件編寫基于 LabVIEW 語言，其前面板用戶界面如圖7所示，其主要功能是與用戶進行信息交互，用戶可實時了解解析過程，并通過交互界面對系統功能的執行進行控制。后面板主程序如圖 8所示，主要包含：

①圖像采集處理代碼模塊。用以處理3個攝像頭采集出來的圖片，將其合并并轉化成軟件可直接識別的格式。

②二維碼識別代碼模塊。用以識別并解析處理后的圖片上的二維碼信息，自適應不同二維碼的大小，以及待測芯片的大小。完成從第一顆芯片到最后一顆芯片的二維碼分析，并循環檢查以確保達到 100%的識別率。

③數據保存代碼模塊。用以保存解析后的二維碼信息，且將二維碼信息嵌入至測試結果標準格式文件中。

④測試邏輯管理代碼模塊。用以管理整個流程的運行，根據用戶界面輸入的信息進行任務分配及流程控制。

除上述主程序模塊之外，軟件還包括多個子程序模塊，以配合主程序模塊完成系統工作。

圖7 軟件代碼前面板用戶界面Fig.7 Front panel user interface of software code

圖8 軟件代碼后面板主程序模塊Fig.8 Back panel main program module of software code

4 功能驗證結果

本系統的工作流程如圖9所示。

選擇正在進行可靠性試驗認證的PCU12芯片按以上工作流程進行系統功能驗證，選擇4個班次的不同操作人員，其結果如表 2所示：所有批次都實現100%成功識別，且需要生成的標準測試數據格式文件皆成功加入了正確的二維碼信息，如圖10所示。

表2 系統功能驗證結果Tab.2 System function verification result

圖10 原始的STDF文件及加入了二維碼順序信息的STDF文件Fig.10 Original STDF file and STDF file with 2D code serial information

5 結 論

基于二維碼的半導體芯片測試信息自動化識別及追溯系統硬件結構簡單可靠，成本低廉。軟件操作簡單，系統運行可靠。通過實驗結果以及實際應用表明其識別率可達 100%，代碼執行效率高。可以將技術人員從重復性的工作中解放出來，同時減小由于人工操作所帶來的風險。生成的STDF文件已經包含重要的芯片二維碼解析信息或者由此信息生成的芯片測試順序信息，可讀性高，工程人員在今后的數據分析中可用其直接追溯歷史測試結果，同時也避免了由于芯片機械性損傷造成的芯片唯一電子身份碼(ECID)無法讀出的風險。