半导体温度补偿系统在芯片测试低温控制中的应用

摘 要：芯片测试在低温环境下需要较高的温度精确度，以确保电性参数的测试准确度。通常情况下，芯片测试的温度控制单纯由自动化送料机（Handler）进行控制，这种控制方式是基于液氮制冷的控制方式，虽然能够比较精确的保证芯片所在测试腔体的整体温度，但是并不能及时感知由于测试过程中芯片功耗发热引起的温度变化，不能实时精确控制芯片所在测试插槽的温度，从而影响芯片的测试良品率。本系统基于半导体制冷器件在原有的液氮制冷的大环境下，搭建一种基于闭环反馈的稳定性更高的低温测试温度补偿控制系统，该系统利用半导体制冷器件，结合原有测试系统的资源，对芯片低温测试环境进行实时的局部温度补偿，从而实现高精度的恒温控制，保证芯片测试的良品率。

关键词：芯片测试；半导体制冷；低温补偿；测试系统；自动化送料机（Handler）；芯片测试机（Tester）

1 概述

芯片測试是半导体器件生产的不可或缺的重要环节，芯片测试对测试环境要求非常严格。在芯片测试环境中，测试温度是测试环境中的重要参数，对于多数工业级芯片，不仅要求在室温下测试，同时也要求在低温和高温下进行测试，而低温测试的温度精度是三种测试温度下最难以控制的情况，因此，建立稳定的低温控制系统，从而保证低温测试环境的温度精度，是芯片测试中最重要的环节之一。通常的低温控制系统是通过自动化送料机的液氮制冷来实现，此种温度控制系统主要包括温度传感器，温度控制器和液氮设备。在整个密封环境中放置若干温度传感器和液氮输入口，通过用户界面设置目标温度，此种温度控制方法具有成本低，环境污染小等优点，对于自动化送料机测试腔体的温度控制较好，但是并不能对芯片所在测试插槽进行局部的实时温度补偿，随着芯片测试过程中功耗引起的发热，芯片测试插槽的温度会越来越偏离设定目标温度，但这种局部的温度变化并不能很快的影响到测试腔体的整体温度，因此，会造成测试插槽的局部温度升高到已经影响到芯片低温测试的良品率，而自动化送料机尚不能察觉到测试腔体整体有温度变化从而进行温度控制的情况发生。基于这种情况，引入一种能够实时监测测试插槽温度变化，并能根据温度变化实时进行温度补偿的系统，对于芯片测试来说是十分必要的。半导体制冷器件具有体积小，制冷效率高，精度高等优点，可安装在测试板上，进行局部温度的快速实时补偿。因此，本系统在在液氮制冷的测试环境下引入半导体制冷器件作为局部辅助制冷补偿设备，建立混合制冷模式，使测试环境温度更加稳定。从而保证低温测试精度，混合制冷系统如图1所示。

2 半导体制冷技术的研究

半导体制冷作为在半导体制冷材料基础上发展起来的一门新技术，具有体积小、无振动、无噪声、无污染、速度快、精度高、易于控制等优点，是一种具有良好前景的制冷方式。半导体制冷也称为热电制冷，它利用特殊半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，通过直流电制冷的一种新型制冷方式。与传统的制冷技术相比，它的特点在于：

1）结构简单，没有机械运动部件，无噪音、无磨损、无污染、寿命长、可靠性高；

2）制冷、加热速度快，控制灵活可靠；

3）冷热转换有可逆性，只要改变电流方向，就可以使半导体在制冷和加热模式之间转换；

热电堆可以任意排布、大小形状可变。

3 半导体温度补偿系统

3.1 系统整体工作原理

本文提出的半导体温度补偿系统，如图2所示，由半导体制冷器件、控制驱动电路、温度传感器以及温度补偿控制器组成。主要工作原理是通过闭环温度反馈系统，实时监测芯片测试插槽温度参数值，将此数值反馈至芯片测试程序，由植入在芯片测试程序中的温度补偿控制程序控制测试机（Tester）内部资源输出控制信号至安装在测试板的半导体制冷片进行局部温度实时补偿

3.2 半导体制冷器件选择

本系统选用的半导体制冷器件为TEC1-00703型号的微型半导体制冷片，超小型尺寸，有利于隐藏式安装。该型号的最大负载电流为3A，最大使用温差为69摄氏度，阻抗为0.21ohm。如图3所示。

3.3 制冷器件控制驱动电路

本系统所使用的控制驱动电路如图4所示，针对半导体测试环境温度设计的温度控制系统，对于半导体测试环境中的高测试并行度要求（一般为8或16片芯片在各自的测试插槽中同时进行测试），设计多个半导体制冷器件的独立驱动控制电路，能够精确的将不同测试插槽的温度分别进行精确调节，使得温度控制更加精确。驱动电路中的直流供电电源以及开关控制都由测试机（Tester）中现有的测试机系统资源进行控制，不另外增加多余的控制电路，对现有测试设备影响不大，本系统选用泰瑞达公司MicroFlex测试机中的DC30资源作为半导体制冷片的控制、驱动资源。

3.4 温度监测原理及模型

本系统直接使用被测芯片的体二极管作为对测试插槽温度检测的温度传感器，选用此方法的优点在于不用引入额外的温度传感器及相应的控制电路，从而减少了由于引入本系统而导致的测试板成本的增加。根据体二极管的电压温度曲线特性，对不同芯片体二极管建立电压/温度线性回归模型，确定线性回归参数

电压/温度线性回归模型：

β0和β1为线性回归模型参数。确定此参数需对多个芯片进行温度/电压采样，利用线性回归分析，如图5所示，通过对多个芯片体二极管电压和对应测试插槽温度进行采样，通过线性回归分析，可以确定低温测试条件下线性回归模型为：

公式1：

3.5 控制软件

本系统直接使用芯片测试机（Tester）的测试程序开发环境，将温度监测补偿程序直接嵌入进芯片测试程序，保证与芯片测试程序兼容性，且容易进行移植，不会另外增加应用程序接口的开发成本。本系统所使用的测试程序的开发环境为泰瑞达（Teradyne）公司的IG-XL软件，IG-XL软件是基于Excel的测试程序开发环境，其主要使用VBT（Visual Basic for Test）作为程序开发语言。

本系统软件工作流程图如图6所示。测试程序实时监测被测芯片体二极管电压值，通过回归模型公式1，将电压值转换为温度值，通过判断温度值是否超出温度上限来决定是否开启闭环比例积分微分控制程序来控制测试机系统资源驱动半导体制冷片来进行温度补偿。

比例积分微分（PID）控制算法原理框图如图7所示，PID控制算法根据温度目标值r（t）与实际温度c（t）构成控制偏差e（t）：

公式2：e（t） =c（t）-r（t）

将控制偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制信号u（t）：

公式3：

其中，Kp是比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数。

比例环节即时成比例控制偏差信号e（t），一旦有偏差信号产生，控制算法立刻动作以减小偏差。

积分环节作用为消除静差，提高系统精度，积分作用强弱与积分时间常数Ti成反比。

微分环节反应偏差信号变化速率，在偏差信号变大之前引入修正信号减少系统超调，减小控制系统过渡时间，加快系统稳定。

PID控制算法程序直接嵌入测试程序，结合温度监测控制程序和系统资源调用程序，控制测试机（Tester）系统资源开闭，从而驱动控制半导体制冷片的工作。

4 系统测试

将本温度补偿系统应用在高功率芯片测试插槽1中，同时将无本温度补偿系统的测试插槽2作为对比，初始测试温度目标值设定为-40℃。

如图8所示，测试插槽2伴随着高功率芯片测试过程中芯片的功耗发热，测试插槽温度呈逐渐上升趋势。

应用了温度补偿系统的测试插槽1温度趋势如图9所示，伴随着高功率芯片的测试，由于低温半导体的工作，提供温度补偿，使测试插槽温度始终在-40℃上下波动。

5 总结

本系统在在液氮制冷的测试大环境下引入半导体制冷器件作为局部辅助制冷补偿设备，通过直接使用测试机现有硬件资源控制半导体制冷片；直接使用芯片体二极管电压/温度特性，实时监测测试芯片的温度变化；直接使用测试程序现有开发环境嵌入相应的比例积分微分温度控制程序，建立混合制冷模式。在保证低温测试精度的同时，降低了现有测试板硬件电路改动，节省了硬件成本，同时也降低了软件开发难度，增加了软件可移植性。实验结果证明了本系统能够作为液氮制冷的有效温度补偿手段，实现液氮制冷所不能即时实现的温度微调功能，将测試温度控制在目标温度附近，从而实现高精度的恒温控制，保证芯片测试的良品率。

参考文献

吕强，胡建明等。半导体热电材料制冷原理及其在医学上的应用[J].牡丹江医学院学报，2004，25（1）：5

Teradyne Inc. FLEX microFLEX IG-XL VBT Student Manual 553_401_60.

胡寿松。自动控制原理 。第五版。

作者简介

梁勇，男，天津，学士，任职于飞思卡尔半导体（中国）有限公司，助理工程师，混合半导体新产品测试。