摘  要: 介紹了一種對ST-103A 型手動探針測試臺進行自動化改造的設(shè)計方案。在原設(shè)備的基礎(chǔ)上， 引進步進電機代替原來的手輪控制；其次， 還引進了攝像頭和視頻采集卡技術(shù)實現(xiàn)對探針臺的實時監(jiān)控；另外， 通過VC + + 編寫上位機友好界面既提高了控制， 又使得控制更為方便。經(jīng)測試， 改造后的探針測試臺能實現(xiàn)高的全自動化控制。

　　ST-103A型手動探針測試臺是一種半導(dǎo)體制作工藝的中間測試設(shè)備， 是中國電子科技集團公司第四十五研究所研制生產(chǎn)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， 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(shù)據(jù)， 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(xiàn)了其全自動化控制。給半導(dǎo)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(tǒng)采用單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)動 來帶動絲桿和滾珠的轉(zhuǎn)動， 從而實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)了對探針臺的實時監(jiān)控， 并且根據(jù)當(dāng)前的視頻圖像就可以做相應(yīng)的控制?？傮w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(jù)ST-103A型手動探針測試臺的結(jié)構(gòu)， 要實現(xiàn)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(dǎo)向均采用絲桿與直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)， Z軸方向采用滾珠與直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)， 兩者都具有導(dǎo)向高、靈敏度高、穩(wěn)定性好， 對溫度變化的敏感性小等特點。但是步進電機與導(dǎo)軌是不能直接連接的。為了實現(xiàn)更好的機械耦合， 帶來更好的實驗效果， 系統(tǒng)中使用了柔性連軸器作為電機與導(dǎo)軌的中間紐帶。再加工相應(yīng)的機械零件將電機固定于測試臺上。

　　采用MSP430F449單片機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(shè)計可以提高電源的效率， 節(jié)省電能， 眾多的片內(nèi)外圍設(shè)備可以減少成本的投入， 方便的開發(fā)平臺和Flash型現(xiàn)場更新功能可以有效加速產(chǎn)品的開發(fā)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(jù)相應(yīng)的命令通過相應(yīng)的算法之后控制三個電機的轉(zhuǎn)與否， 正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)， 以及轉(zhuǎn)動的步數(shù)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(qū)動， 該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的L297和L298芯片組和作為驅(qū)動。基于X、Y、Z軸三維控制， 因此三套L297和L298芯片。L297的是脈沖分配器。它產(chǎn)生三種相序， 對應(yīng)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(qū)動器， 其設(shè)計是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負(fù)載的。為了控制更加，系統(tǒng)采用L297的半步方式， 這樣電機轉(zhuǎn)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(tǒng)

　　視頻采集系統(tǒng)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?shù)缴衔粰CVC+ + 界面，從而實現(xiàn)對測試臺的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)采用CCD攝像頭與視頻采集卡相結(jié)合的方式實現(xiàn)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PC I插槽內(nèi)。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(chǎn)的CAM-640C型攝像頭。視頻采集卡則是選用圖碼公司開發(fā)的天敏SDK 2000高清圖像采集卡。SDK-2000是一款高品質(zhì)PC I視頻卡， 支持兩路復(fù)合視頻輸入和一路SV ideo 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(zhuǎn)換器、同步鎖相及時序電路、數(shù)據(jù)存儲器、混合器、D /A轉(zhuǎn)換器和總線控制電路組成。視頻信號先進行A /D轉(zhuǎn)換， 然后送入數(shù)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(yīng)的R、G、B輸入值混合， 通過D /A轉(zhuǎn)換輸出顯示。控制電路主要完成解碼器、數(shù)據(jù)存儲器保持與VGA 特性一致， 并負(fù)責(zé)PC I總線控制。

　　4  上位機軟件設(shè)計

　　該設(shè)計中上位機軟件的開發(fā)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(tài)鏈接庫: 視頻采集卡二次開發(fā)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(guān)的操作函數(shù)。通過調(diào)用庫函數(shù)可以實現(xiàn)圖像的數(shù)字化， 要加載DSStream. DLL需要執(zhí)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L ib 目錄路徑分別加入VC + + 工程設(shè)置的“C /C + + -PreprocressorAdd it ional include directories ”和“Link-Inpu t-Addit iona l library path ”中;( 3)將L ib \DSStream. lib文件加入工程設(shè)置的  L ink G enera l Object/ library module 中;( 4)將Inc \DSStream. h文件加入工程， 并# inc lude “ DSStream. h”;( 5)將Exe \DSStream. dll文件拷入系統(tǒng)目錄或其他系統(tǒng)能找到的目錄中。

　　串口傳輸部分則是使用了Remon Spekre ijse提供的串口類! C serialPo rt類。CserialPort類主要包括了串口初始化、啟動串口通信監(jiān)測線程、暫?；蛲Ｖ贡O(jiān)測線程、關(guān)閉串口、發(fā)送字符或數(shù)據(jù)等函數(shù)。

　　要使用CserialPort類需要先執(zhí)行以下兩個步驟:

　　( 1)將Ser ia lPor.t cpp文件和Seria lPor.t h 文件拷貝到工程文件夾;( 2)將Ser ia lPor.t cpp文件和Seria lPor.t h 文件加入到工程并# include “SerialPo r.t h”。

　　當(dāng)打開VC+ +界面時， 界面上會顯示測試臺當(dāng)前的圖像， 如圖4所示。以圖像的中心點作為原點， 將鼠標(biāo)在需要測量的目標(biāo)點處雙擊， 通過OnLButtonDblC lk( )函數(shù)和SetCapture( )函數(shù)獲取目標(biāo)點的坐標(biāo)值， 再將此坐標(biāo)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(jù)此差值控制測試臺做相應(yīng)的移動， 將目標(biāo)點移動到原點的位置， 此時目標(biāo)點就成了新的原點?？刂圃韴D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(shù)指標(biāo)

　　通過控制步進電機來實現(xiàn)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、升降控制的以及步進速率等等。表1列出了改造后測試臺的一些技術(shù)指標(biāo)。

表1  測試臺改造后的技術(shù)指標(biāo)

　　6  結(jié)束語

　　探針測試臺是半導(dǎo)體集成電路測試的重要設(shè)備， 它的自動化控制以及控制的精準(zhǔn)度對半導(dǎo)體測試都是非常重要的。改造完成后的探針測試臺經(jīng)過測試， 成功地完成了對測試臺的全自動控制， 實現(xiàn)了實時監(jiān)控， 根據(jù)表1可以看出， 控制高。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(yōu)點。