基于Cascade半自动探针台的简易自动测试平台设计

集成电路测试是集成电路产业链的重要组成部分。在对集成电路进行在片测试时，需要对整个晶圆进 行测试。文中以 Cascade Summit 12000 半自动探针台为例，设计一个由计算机、探针台、单片机 实验箱、测试电路组成的简易自动测试平台。自动测试软件在安捷伦IO 库提供的程序范例基础上开发，编程语言 为 VB.NET。最后对某公司的 RFID 晶圆进行测试，结果表明系统运行情况良好，测试效率高。

随着移动通信和消费类电子产品需求不断增长，在国家 政策对集成电路行业的重点扶持下，集成电路迎来发展的 春天。

测试是集成电路产业链的重要环节。设计阶段的测试一般用于验证设计的正确性或者设计方案的改良，测试方法可以是在片测试或者键合测试。如果集成电路已经切片且数量较少，可以选择在片测试或键合测试；如果尚未切片，芯片数量较多甚至是整个晶圆，只能选择在片测试。在片测试离不开探针台，探针台可以通过探针直接把信号从集成电路的焊盘输入 / 输出。

探针台分为手动、半自动和全自动三种。全自动探针台可以自动装片、自动对准，可以对测试数据进行打印，使用方便，测试效率高，但价格昂贵。本文以 Cascade Summit 12000半自动探针台（以下简称 Cascade 探针台）为例，探讨如何充分利用半自动探针台提供的编程接口控制探针移动，测试整个晶圆上的所有集成电路。该系统经过扩展 后，可作为由多个测试仪器组成的自动测试平台的一部分。

Cascade 探针台支持 8 英寸晶圆，定位精度为 0.1 μm，可以应对大部分测试场合。

1 Cascade探针台通信模型

Cascade 探针台提供 4 种操作方式：一种是安装在探针台专用计算机上的控制软件 Nucleus，另外三种是用户编程接口。为了安全起见，探针台专用计算机而不允许安装其他 无关软件，因此自行设计的控制软件只能安装在其他计算机 上，通过 RS 232 或者 GPIB 接口与探针台专用计算机连接，并由探针台专用计算机上的命令接口和驱动程序与探针台连接。由于 GPIB 传输数据更快，功能更强，并可以跟多种仪器组成总线系统，构成自动测试平台，因此本文采用 GPIB接口。

2测试系统

探针台和探针台专用计算机是探针台购置的整体配置， 计算机通过 USB-GPIB 转换卡和探针台专用计算机连接。晶 圆上的集成电路单元（DIE）的焊盘（PAD）通过探针和专用电缆连接到外部电源或测试设备。针对待测集成电路的 功能设计一个专用测试电路。如果测试通过，则输出一个 TTL 高电平，否则输出低电平。计算机通过 RS 232 和单片

机相连，控制单片机向测试电路发出测试指令，等待一段时 间后，单片机如果收到高电平信号则判断为测试通过，否 则为测试失败。测完一个集成电路单元（DIE）之后，自动

测试软件向探针台发出一系列指令，控制探针台移动到下 一个 DIE。

3编程方法

Cascade 探针台支持 3 种指令：GPIB 指令、Meta 指令 和 SCPI 指令。GPIB 指令用于读取、设置、清除 GPIB 状态 报告寄存器 ；Meta 指令用于控制系统级功能，例如设置计算 机是否显示指令或者返回值；SCPI 指令是控制指令的核心，

用于控制探针台的各种动作，例如打开或者关闭真空泵、接 触或者分离探针、控制探针台移动等。

要通过 GPIB 控制 Cascade 探针台，首先需要准备一 根安捷伦 USB-GPIB 转接线， 安装安捷伦 IO 库（Agilent IOLibraries Suite 14.0）。安捷伦 IO 库提供 USB-GPIB 转接线 的驱动程序以及 VB.NET，C#，C++ 的编程范例，编程范例 中有很多操作 GPIB 的函数，用户可根据自己的编程喜好找 到合适的工程范例，在此基础上修改即可。本文以 VB.NET 作为编程语言。与 GPIB 操作有关的函数主要有：

打开GPIB ：ioDmm.IO（）= mgr.Open（ioAddress）

关闭GPIB ：ioDmm.IO.Close（）

发送数据：ioDmm.WriteString（CmdToSend.Text）

读取数据 ：Str = ioDmm.ReadString

与自动测试有关的 SCPI 指令主要有（SCPI 指令以冒号

开头，不可省略）：

接触探针 ：:mov:down 2

分离探针 ：:mov:up 2

读取当前坐标 ：:mov:prob:abs:die?

移动到某个坐标：:mov:prob:abs:dieXY

移动到下一个 DIE ：:move:probeplan:next:die

开始测试时，先用程序控制探针移动到最后一个 DIE，

读取坐标并作记录，再移动到第一个 DIE，经过接触探针、 测试、分离探针、移动到下一个 DIE、读取当前坐标、判断 是否结束，组成一个循环。如果当前坐标是最后一个 DIE 的

坐标，则循环结束，测试完毕 ；否则继续测试。

4测试过程

Cascade 探针台作为一种比较复杂的精密仪器，测试前

除了要做常规准备工作之外，还包括针对程序控制自动测试 的步骤。自动测试的主要步骤如下 ：

（1）开机，打开 Nucleus 软件，初始化 Nucleus ； （2）装载晶圆 ；

（3）校准晶圆、DIE 尺寸计算 ；

（4）制作 WaferMap 并设置参考 DIE ；

（5）移动探针到参考 DIE 并设置接触 / 分离高度 ； （6）开启自动测试软件，设置 GPIB 端口地址，使得自

动测试软件的 GPIB 地址与 Nucleus 的 GPIB 地址相同。

其中制作 WaferMap 包括 ：设置晶圆尺寸、DIE 尺寸和

空隙、去掉晶圆边沿不完整的 DIE、选择测试顺序等步骤。 如果不是整个晶圆的自动测试，则步骤（3）、步骤（5）可

以省略。

5测试结果

本自动测试系统为某公司测试了 RFID 集成电路晶 圆，使用的设备包括 ：Cascade 探针台、笔记本电脑、单片 机实验箱、RFID 读卡器。整片 RFID 晶圆共 13 500 个 DIE， 其中 13 220 个测试通过，良品率为 97.9%，表明集成电路设计和试生产是成功的。测试过程中，各种仪器设备和自动测试软件运行良好，探针无跑偏现象。测试共耗时 4.5 h。

6总结

Cascade 半自动探针台的操作软件 Nucleus 对测试整个晶圆的集成电路单元无能为力。晶圆上的集成电路单元有数 千甚至数万个，直接用 Nucleus 手工测试几乎是不可能完成的事情。这时可以利用探针台提供的编程接口，设计一个自动测试软件，探针台可以根据晶圆和集成电路单元的尺寸特点，自动遍历测试晶圆上 的所有集成电路单元，并记录测试结果，大大了提高测试效率。

　　审核编辑：汤梓红