一种半导体芯片测试系统的制作方法

1.本发明属于半导体芯片技术领域，具体涉及一种半导体芯片测试系统。


背景技术：

2.近几年来新发展起来的高速光电半导体芯片，例如tof芯片，具有测距精度高，测距远，响应速度快的特点，可应用于一系列消费产品、汽车以及工业领域，可以将人工智能与3d成像结合，实现各种传感器和识别功能，以改变传统2d视觉的局限。由于目前tof芯片对于光电测试速度的要求非常高，光源的上升和下降时间的要求都在0.2ns以下；同时，对光源的均匀度，一致性有很高的要求；由于要在同一个wafer上进行多个die的并行测试，图像传输速率要达到40gpbs以上。目前的缺陷是：
3.直流光源和调制光源不能集成在同一个测试系统中；
4.调制光的上升下降时间均＞1ns,达不到0.2ns的要求；
5.对于调制光动态性能测试，均为串行测试，不能并行测试；
6.激光驱动需要的高压大电流要求无法满足；
7.目前市场方案无法满足：图像采集速率要求高；兼容mipi和客户自定义lvds接口，为此我们提出一种半导体芯片测试系统。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种半导体芯片测试系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种半导体芯片测试系统，包括校准机箱、机械手臂、测试头和探针台，所述测试头内部设置有测试板卡，所述机械手臂用于带着所述测试头进行上下运动和翻转运动，进行cp测试和ft测试，所述校准机箱用来校准所述测试头里面的所述测试板卡，所述校准机箱上设置有工作站电脑，所述探针台设置为集成的第三方全自动探针台；
10.所述测试头内部的设置有测试板卡，所述测试板卡通过连接器与dib板卡对接，所述测试板卡用于将所述测试头内部的板卡信号转移到dib板卡的pogo pin上，所述dib板卡的下方设置有load board，所述pogo pin和所述负载板上面的pad自动对接，将测试信号引到探针卡上，所述load board下方设置有probe card，所述probe card与待测晶圆上面的die直接连接，将测试头内部的激励信号引导待测的晶圆上面，所述load board上面安装有直流光模块，所述probe card上面安装有脉冲光模块。
11.优选的，所述工作站电脑通过pci总线控制所述测试头，所述工作站电脑通过gpib总线控制探针台，所述校准机箱用于给整个测试系统供电，并且通过plc对所述机械臂进行控制。
12.优选的，所述测试头包括dps板卡、dm板卡、icld板卡、ccb板卡、ld板卡和bb板卡，所述dps板卡包括dpsh板卡和dpsl板卡。
13.优选的，所述dpsh板卡设置为大功率模块，包括8通道，具有电源和电子负载功能，用于对待测die供电或者作为待测die的负载使用；所述dpsl板卡设置为电源模块，包括40通道，具有电源和电子负载功能，用于对待测die供电或者作为待测die的负载使用；所述dm板卡设置为数字信号模块，速率为10mhz，包括128路数字通道和16路ppmu，所述ppmu具有fvmi/fimv/fvmv、拉电流和灌电流功能，且每8路数字通道共用一路ppmu模块，所述数字信号模块具有信号的驱动、信号比较、高阻态、波形发生、pattern产生功能；所述icld板卡设置为图像采集和激光驱动板卡，用于4路lvds图像和4路mipi图像的采集，采用xilinx的ultrascale plus v系列的fpga，将图像数据采集、缓存、存储，转换为光口网络，通过pcie端口，发送到工作站电脑，在多个die并行测试的时候，达到万兆数据传输速度，所述4路lvds的信号输出用于驱动vcsel脉冲激光发光；所述ccb板卡设置为电源输出功能，包括8路iic、8路spi、8路uart、128路gpio；用于给直流光模块提供电源，并且提供通讯端口，调节直流光模块的亮度；所述ld板卡用于输出1ns脉冲和0.2ns上升沿激光脉冲，所述激光脉冲重复频率为200mhz max，用于编程控制；所述bb板卡用于资源分配，包括8个插槽，用于将dpsh、dpsl、ccb、icld、dm以任意位置插入。
14.优选的，所述测试头的测试流程包括以下步骤：
15.s1.开短路测试：通过dpsh/dpsl板卡，以及icld板卡和dm板卡的ppmu模块，对待测晶圆进行开短路测试，开短路测试采取force current measure voltage方法，通过实际采集的电压值，对芯片进行open-short测试；
16.s2.功耗测试：通过dpsh/dpsl板卡给die供电，测试电压电流，进行功耗测试；
17.s3.通讯测试：通过dm板卡给die提供io信号，同时通过dm板卡和die之间进行iic/spi通讯，配置die内部对应的寄存器的值，让芯片工作在不同的模式；
18.s4.静态图像采集模式：通过ccb控制直流光源发光，照射多个die，icld板卡同时通过mipi/lvds接口，采集die的图像数据；
19.s5.动态图像采集模式：通过icld的lvds输出接口激励ld板卡，使得ld板卡上面的vcsel激光器发出脉冲光，照射die，icld通过mipi/lvds接口采集die的图像数据。
20.优选的，所述直流光模块采用直流850/940nm led光源，经过多层匀光板，变为均匀光，然后通过半透半反镜入射到die上；所述脉冲光模块采用vcsel脉冲激光光源，通过半透半反射镜反射到待测die上面，进行多个die的并行测试。
21.优选的，所述icld板卡的fpga通过lvds信号驱动vcsel的驱动芯片，用于产生超快可编程脉冲激光，所述脉冲激光的重复频率由fpga的lvds的频率进行控制，所述脉冲激光的脉宽通过fpga的spi接口对驱动芯片ic-hs05进行编程控制。
22.优选的，所述校准机箱对dps板卡输出电压校准的校准流程包括以下步骤：
23.s101.由dps板卡产生一个电压，然后由标准仪器对此电压进行测试，完成多个点的电压采集，进行误差计算；
24.s102.按照校准算法，将补偿值写入dps板卡；
25.s103.重新由dps板卡产生电压，由标准仪器再次测量，确认二者误差是否满足精度要求；
26.s104.如果精度达到要求，则校准结束；如果不能达到要求，则返回s101重新执行，如果重复3次依然校准失败，则校准失败。
27.优选的，所述工作站电脑通过pci板卡，经过桥接芯片转换为本地总线，所述本地总线通过if板卡，进入bb背板，用于控制测试头内部的各个不同板卡的输出。
28.优选的，所述pci卡具有4根读写控制位﹑16根数据线﹑23根地址线；所述if板用于实现8个slot槽选信号和本地总线通信信号的中继功能；所述bb背板设置有
±
54vp﹑
±
24vp﹑
±
48vf﹑
±
15v﹑ 5v﹑ 5vr﹑ 5vd﹑ 12vd外部电源，还包括8个可插板卡槽位。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够完成超快脉冲激光产生，使同一个wafer上面多个die脉冲光电性能并行测试，具有完成混合光驱动技术、万兆光纤数据传输技术和多通道大功率四象限电源技术。
附图说明
30.图1为本发明的结构示意图；
31.图2为本发明测试系统的框架图；
32.图3为本发明测试系统的测试信号链路图；
33.图4为本发明测试头的细节说明图；
34.图5为本发明混合光技术示意图。
35.图中：1、校准机箱；2、机械手臂；3、测试头；4、探针台；5、工作站电脑。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：一种半导体芯片测试系统，包括校准机箱1、机械手臂2、测试头3和探针台4，测试头3内部设置有测试板卡，机械手臂2用于带着测试头3进行上下运动和翻转运动，进行cp测试和ft测试，校准机箱1用来校准测试头3里面的测试板卡，校准机箱1上设置有工作站电脑5，探针台4设置为集成的第三方全自动探针台4；
38.测试头3内部的设置有测试板卡，测试板卡通过连接器与dib板卡(device interface board)对接，测试板卡用于将测试头3内部的板卡信号转移到dib板卡的pogo pin上，dib板卡的下方设置有load board(负载板)，pogo pin和负载板上面的pad自动对接，将测试信号引到探针卡上，load board下方设置有probe card(探针卡)，probe card与待测晶圆上面的die直接连接，将测试头3内部的激励信号引导待测的晶圆上面，load board上面安装有直流光模块，probe card上面安装有脉冲光模块。
39.本实施例中，优选的，工作站电脑5通过pci总线控制测试头3，工作站电脑5通过gpib总线控制探针台4，校准机箱1用于给整个测试系统供电，并且通过plc对机械臂进行控制。
40.本实施例中，优选的，测试头3包括dps板卡、dm板卡、icld板卡、ccb板卡、ld板卡和bb板卡，dps板卡包括dpsh板卡和dpsl板卡。
41.本实施例中，优选的，dpsh板卡设置为大功率模块，包括8通道，具有电源和电子负
载功能，用于对待测die供电或者作为待测die的负载使用；dpsl板卡设置为电源模块，包括40通道，具有电源和电子负载功能，用于对待测die供电或者作为待测die的负载使用；dm板卡设置为数字信号模块，速率为10mhz，包括128路数字通道和16路ppmu(per-pin parametric measurement unit，参数测量单元)，ppmu具有fvmi(激励电压测电流)/fimv(激励电流测电压)/fvmv(激励电压测电压)、拉电流和灌电流功能，且每8路数字通道共用一路ppmu模块，数字信号模块具有信号的驱动、信号比较、高阻态、波形发生、pattern产生功能；icld板卡设置为图像采集和激光驱动板卡，用于4路lvds(1pair clock 4pair data lines,速率1.2gbps/lane)图像和4路mipi(1pair clock 4pair data lines,速率1.2gbps/lane)图像的采集，采用xilinx的ultrascale plus v系列的fpga，将图像数据采集、缓存、存储，转换为光口网络，通过pcie端口，发送到工作站电脑5，在多个die并行测试的时候，达到万兆(19.2gbps)数据传输速度，4路lvds的信号输出(200mhz max)用于驱动vcsel脉冲激光发光；ccb板卡设置为电源输出功能，包括8路iic、8路spi、8路uart、128路gpio，用于给直流光模块提供电源，并且提供通讯端口，调节直流光模块的亮度；ld板卡用于输出1ns脉冲(脉冲宽度可编程，1ns/2ns/3ns/4ns/5ns
…
)和0.2ns上升沿激光脉冲，激光脉冲重复频率为200mhz max，用于编程控制；bb板卡用于资源分配，包括8个插槽，用于将dpsh、dpsl、ccb、icld、dm以任意位置插入。
42.本实施例中，优选的，测试头3的测试流程包括以下步骤：
43.s1.开短路测试：通过dpsh/dpsl板卡，以及icld板卡和dm板卡的ppmu模块，对待测晶圆进行开短路测试，开短路测试采取force current measure voltage方法，通过实际采集的电压值，对芯片进行open-short测试；
44.s2.功耗测试：通过dpsh/dpsl板卡给die供电，测试电压电流，进行功耗测试；
45.s3.通讯测试：通过dm板卡给die提供io信号，同时通过dm板卡和die之间进行iic/spi通讯，配置die内部对应的寄存器的值，让芯片工作在不同的模式；
46.s4.静态图像采集模式：通过ccb控制直流光源发光，照射多个die，icld板卡同时通过mipi/lvds接口，采集die的图像数据；
47.s5.动态图像采集模式：通过icld的lvds输出接口激励ld板卡，使得ld板卡上面的vcsel激光器发出脉冲光，照射die，icld通过mipi/lvds接口采集die的图像数据。
48.本实施例中，优选的，直流光模块采用直流850/940nm led光源，经过多层匀光板，变为均匀光，然后通过半透半反镜入射到die上；脉冲光模块采用vcsel脉冲激光光源，通过半透半反射镜反射到待测die上面，进行多个die的并行测试。
49.本实施例中，优选的，icld板卡的fpga通过lvds信号驱动vcsel的驱动芯片(ic-hs05)，用于产生超快可编程脉冲激光，脉冲激光的重复频率由fpga的lvds的频率进行控制，脉冲激光的脉宽通过fpga的spi接口对驱动芯片ic-hs05进行编程控制。
50.本实施例中，优选的，校准机箱1对dps板卡输出电压校准的校准流程包括以下步骤：
51.s101.由dps板卡产生一个电压，然后由标准仪器对此电压进行测试，完成多个点的电压采集，进行误差计算；
52.s102.按照校准算法，将补偿值写入dps板卡；
53.s103.重新由dps板卡产生电压，由标准仪器再次测量，确认二者误差是否满足精
度要求；
54.s104.如果精度达到要求，则校准结束；如果不能达到要求，则返回s101重新执行，如果重复3次依然校准失败，则校准失败。
55.本实施例中，优选的，工作站电脑5通过pci板卡，经过桥接芯片转换为本地总线，本地总线通过if板卡，进入bb背板，用于控制测试头3内部的各个不同板卡的输出。
56.本实施例中，优选的，pci卡具有4根读写控制位﹑16根数据线﹑23根地址线；if板用于实现8个slot槽选信号和本地总线通信信号的中继功能；bb背板设置有
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54vp﹑
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24vp﹑
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48vf﹑
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15v﹑ 5v﹑ 5vr﹑ 5vd﹑ 12vd外部电源，还包括8个可插板卡槽位。
57.本发明的原理及优点：本发明能够完成超快脉冲激光产生，使同一个wafer上面多个die脉冲光电性能并行测试，具有完成混合光驱动技术、万兆光纤数据传输技术和多通道大功率四象限电源技术，利用自主研发的测试板卡、vcsel光源驱动以及光源系统、海量数据采集存储和传输、实时测试分析引擎，通过集成第三方半导体探针台，完成对光电半导体芯片的测试和筛选，特别是使用vcsel超快光源对wafer上面多个die进行并行测试，以混合光源技术。
58.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。