发明内容
为了以较低的成本实现高精度的、不需要设置伪栅电极之类的辅助结构的半导体检测,并在信号处理期间考虑到对触压探针压力信号水平的自动处理,本发明提供了一种基于石墨烯感测单元的半导体检测系统,包括:半导体驱动单元、触压探针水平驱动单元、触压探针垂直驱动单元、电气检测单元和压力检测单元,所述半导体驱动单元、触压探针水平驱动单元和触压探针垂直驱动单元相互之间被驱动信号线串联连接且被依次驱动,且所述压力检测单元被所述触压探针垂直驱动单元的驱动完毕信号作为驱动的起始信号,所述压力检测单元输出的信号被输入到所述电气检测单元,其中:
半导体驱动单元,用于将在流水线上的待测半导体移动到检测台的预定位置;
触压探针水平驱动单元,其位于所述检测台的预定位置的周围上方且呈圆形分布,用于将触压探针驱动到与所述待测半导体的引脚对应位置的正上方;
触压探针竖直驱动单元,其位于所述检测台的预定位置的正上方,用于将所述触压探针驱动到所述待测半导体在垂直于所述检测台的方向上的位置最高的待测引脚的至少一个的正上方但不与该待测引脚接触;
电气检测单元,包括多个电气信号针,所述电气信号针用于根据压力检测单元的输出向所述待测半导体的引脚输入或输出电气信号并检测所述输出的电气信号;
压力检测单元,用于利用石墨烯感测单元检测所述探针输出的压力信号。
进一步地,所述压力检测单元包括构成阵列式排布的多个石墨烯感测单元,且所述多个石墨烯单元被设置在柔性材料制成的片状结构内。
进一步地,当所述电气检测单元工作时,所述压力检测单元在垂直于所述检测台的方向上设置于所述电气检测单元和所述触压探针之间。
进一步地,所述压力检测单元的片状结构包括多个孔,所述多个石墨烯感测单元被一一对应地设置于所述孔的边缘,且所述孔被设置成容纳所述电气检测单元的探针接触所述多个电气信号针且与使所述触压探针和与其接触的所述电气信号针在所述检测台的垂直方向上一一对应。
进一步地,所述半导体包括半导体集成芯片。
进一步地,所述半导体包括半导体器件。
进一步地,所述半导体检测系统还包括信号处理单元,该信号处理单元包括压力信号处理单元和电气信号处理单元。
进一步地,所述压力信号处理单元用于接收来自所述压力检测单元输出的表示所述触压探针受到的压力的信号。
进一步地,所述电气信号处理单元用于根据所述压力信号处理单元的处理结果处理所述电气检测单元输出的电气信号。
进一步地,所述电气信号包括电压信号和/或电流信号。
本发明的有益效果包括:
(1)创造性地利用了石墨烯感测单元(即石墨烯传感器)自身通过形变来改变自身电阻值的特性,以及其轻薄柔软、可塑性强,对形变反应灵敏,成本低廉,易于大规模生产制造的特点取代了现有的半导体触压感应器件,极大地降低了半导体检测成本,同时又极大地提高了半导体检测期间触压的检测可靠度。
(2)创造性地将石墨烯感测单元制成具有多孔结构的感应层,使之能够适用于具有复杂结构,尤其是待测半导体具有在检测台非水平方向上(例如垂直于检测台的方向和/或在与检测台呈锐角或钝角方向上)的引脚的不规则检测结构,并且对这些复杂结构能够做到准确、快速的检测,而不需要通过编程设计复杂、维护成本高、需要花费编程后的时间进行调试的、传统的触压探针设置和调整方式,提高了半导体检测的自动化和自适应性水平。
(3)设置了独特的、考虑到触压信号的电气信号处理电路,从而能够自动判断在待测半导体被触压探针以适当的力度触压的时刻并在此时刻输出准确的的电气检测信号,提高了半导体检测的灵敏度和准确性。
(4)降低了对触压探针的控制复杂度要求,从而在流水线上可以采用更低成本的处理器实现触压探针的驱动操作。
具体实施方式
如图1所示,本发明的基于石墨烯感测单元的半导体检测系统,包括:半导体驱动单元、触压探针水平驱动单元、触压探针垂直驱动单元、电气检测单元和压力检测单元,所述半导体驱动单元、触压探针水平驱动单元和触压探针垂直驱动单元相互之间被驱动信号线串联连接且被依次驱动,即所述半导体驱动单元的驱动完毕信号作为所述触压探针水平驱动单元的驱动起始信号,所述触压探针水平驱动单元的驱动完毕信号作为所述触压探针垂直驱动单元的驱动起始信号,且所述压力检测单元被所述触压探针垂直驱动单元的驱动完毕信号作为驱动的起始信号,所述压力检测单元输出的信号被输入到所述电气检测单元,其中:
半导体驱动单元,用于将在流水线上的待测半导体移动到检测台的预定位置;该半导体驱动单元例如是流水线自身设置的、带动待测半导体在流水线上按照预定轨迹移动的驱动机构。根据本发明的优选实施例,可以包括气缸和电机构成的机械驱动机构。本发明中的检测台为水平设置的检测台。
触压探针水平驱动单元,其位于所述检测台的预定位置的周围上方且呈圆形分布,用于将触压探针驱动到与所述待测半导体的引脚对应位置的正上方。根据本发明的优选实施例,该水平驱动单元包括8个水平步进电机,分别设置于所述检测台的预定位置的周围上方的正前、正后、正左、正右、左前、左后、右前、右后方位,并且这些水平步进电机驱动的触压探针也呈圆形分布于一个平面内。每个步进电机都驱动距离待测半导体上的待测引脚最近的触压探针进行在所述触压探针形成的圆形分布平面内移动。
触压探针竖直驱动单元,其位于所述检测台的预定位置的正上方,用于将所述触压探针驱动到所述待测半导体在垂直于所述检测台的方向上的位置最高的待测引脚的至少一个的正上方但不与该待测引脚接触。根据本发明的优选实施例,该垂直驱动单元同样包括8个垂直步进电机,在未开始工作前分别设置于所述检测台的预定位置的周围上方的正前、正后、正左、正右、左前、左后、右前、右后方位,并且所述水平步进电机驱动的触压探针也呈圆形分布于一个平面的上方的另一平面内。每个垂直步进电机都驱动距离待测半导体上的待测引脚最近的触压探针进行在所述触压探针垂直于所述检测台的方向上移动。根据本发明的一个实施例,这些触压探针竖直驱动单元在驱动触压探针做垂直于检测台方向的运动期间被统一地停止或启动,其中以垂直于检测台的方向上的、以预设间隔距离检测台底面高度最高的引脚,该预设间隔优选为2.5-3.3mm。根据本发明的另一个优选实施例,这些触压探针竖直驱动单元在驱动触压探针做垂直于检测台方向的运动期间,被各自按照各自驱动的触压探针对应的引脚所在的区域内,相对于检测台地面高度最高的8个引脚以预设间隔停止,该预设间隔优选为2.5-3.3mm。
通过上述触压探针水平驱动单元,触压探针被设置于待测半导体的待测引脚的水平对位位置;通过上述触压探针竖直驱动单元,触压探针又被设置于待测半导体的待测引脚的正上方,其探针尖端位于待测引脚的正上方或斜上方。从而,通过这两个方向的驱动单元的驱动作用,触压探针能够以非倾斜的方式被置于欲检测的引脚对位位置(本发明中的对位位置是指仅通过垂直于检测台的方向的短距离移动即可实现触压探针与待测半导体的引脚的接触,其中的短距离在1.1mm-5.3mm之间,优选为2.5-3.3mm)。
电气检测单元,包括多个电气信号针,所述电气信号针用于根据压力检测单元的输出向所述待测半导体的引脚输入或输出电气信号并检测所述输出的电气信号;
压力检测单元,用于利用石墨烯感测单元检测所述探针输出的压力信号。本发明中,所述石墨烯感测单元采用石墨烯压力传感器。
所述压力检测单元包括构成阵列式排布的多个石墨烯感测单元,且所述多个石墨烯单元被设置在柔性材料制成的片状结构内。该柔性材料制成的片状结构例如是硅胶片,而本发明中片状结构的厚度取值范围可以为0.2mm-2.5mm之间,优选为1.3mm或1.9mm。
当所述电气检测单元工作时,所述压力检测单元在垂直于所述检测台的方向上设置于所述电气检测单元和所述触压探针之间。
所述压力检测单元的片状结构包括多个孔,所述多个石墨烯感测单元被一一对应地设置于所述孔的边缘,且所述孔被设置成容纳所述电气检测单元的探针接触所述多个电气信号针且与使所述触压探针和与其接触的所述电气信号针在所述检测台的垂直方向上一一对应。
所述半导体包括半导体集成芯片或半导体器件。这里的半导体集成芯片可以包括一个或多个半导体器件,而半导体器件在本发明中既可以是指通过自身包括的一种器件的结构实现一个单独功能的基本半导体器件,例如晶体管、二极管等,也可以是指通过自身的包括多种器件的结构实现一个单独功能的基本半导体器件,例如运算放大器、与非门等。
所述半导体检测系统还包括信号处理单元,该信号处理单元包括压力信号处理单元和电气信号处理单元。其中,所述压力信号处理单元用于接收来自所述压力检测单元输出的表示所述触压探针受到的压力的信号。所述电气信号处理单元用于根据所述压力信号处理单元的处理结果处理所述电气检测单元输出的电气信号。所述电气信号包括电压信号和/或电流信号。
本发明的基于石墨烯感测单元的半导体检测系统进行检测的方法,即其工作原理为:
(1)驱动待测半导体到位;
(2)设置具有石墨烯探针的触压探针,并驱动触压探针到达待测状态;
(3)检测待测半导体各触压探针输出的压力信号;
(4)根据所述压力信号检测待测半导体的电气输出信号。
优选地,所述步骤(1)包括:利用半导体驱动单元驱动待测半导体从流水线进入检测台的预定位置,并产生第一到位信号;
所述设置具有石墨烯探针的触压探针,并驱动触压探针到达待测状态包括:利用触压探针水平驱动单元监测半导体驱动单元发出的信号并确定是否接收到所述第一到位信号,并在收到时启动,驱动触压探针做平行于检测台所在平面的水平移动,以将触压探针驱动到与所述待测半导体的引脚对应位置的正上方,驱动完毕时产生第二到位信号;
利用触压探针垂直驱动单元监测触压探针水平驱动单元发出的信号并确定是否接收到所述第二到位信号,并在接收到时启动,驱动触压探针做垂直于检测台的移动,以将所述触压探针驱动到所述待测半导体在垂直于所述检测台的方向上的位置最高的待测引脚的至少一个的正上方但不与该待测引脚接触,驱动完毕时产生第三到位信号;
所述待测状态是指将触压探针驱动到与所述待测半导体的引脚对应位置的正上方,且将所述触压探针驱动到所述待测半导体在垂直于所述检测台的方向上的位置最高的待测引脚的至少一个的正上方但不与该待测引脚接触。
所述步骤(3)包括:利用压力检测单元监测触压探针垂直驱动单元发出的信号并确定是否接收到所述第三到位信号,并在接收到时输出石墨烯感测单元检测到的压力信号;
所述步骤(4)包括:电气检测单元根据压力检测单元的输出向所述待测半导体的引脚输入或输出电气信号并检测所述输出的电气信号。
优选地,在上述步骤(2)中,将所述触压探针驱动到所述待测半导体在垂直于所述检测台的方向上的位置最高的待测引脚的至少一个的正上方但不与该待测引脚接触可以为:将所述触压探针驱动到所述待测半导体在垂直于所述检测台的方向上的某个位置,该位置处于该触压探针与其对应的待测引脚相距预设距离,所述预设距离大于1mm且小于3mm,优选为1.5mm至1.8mm之间的值。
其中,在步骤(4)中,当所述电气检测单元接收到压力检测单元输出的石墨烯感测单元检测得到的压力信号时,设该压力信号为Pi(t),该压力信号随着时间t而改变,其中i表示触压探针的序号,i为正整数;本发明中,对于特定的某个检测台,与其对应的触压探针均被编号且其编号为相对整个流水线全局而言是唯一编号,且该编号与产生压力信号的石墨烯感测单元的编号j相对应,j为正整数;设产生压力信号的石墨烯感测单元的本征压力值为则当石墨烯压力感测系数C的取值为1.89至2.15之间时,表示此时的电气检测单元应当进行电气信号的运算,其中C值根据如下经验公式计算:
上式中,N为检测过程中与待测半导体的引脚接触的触压探针的个数,该个数等于待测半导体的待测引脚的个数。
根据本发明的优选实施例,本基于石墨烯感测单元的半导体检测系统还包括电气信号处理电路。由于本发明采用的是石墨烯感测单元这种输出信号微弱的传感器来检测压力,因此申请人特研发了如图2的电气信号处理电路以对电气检测单元的输出信号进行处理,以对该微弱信号进行有效的测量。该电路利用图中4个纵向分支电路作为桥臂构成变形惠斯通电桥,且图中底部的电路能够根据各桥臂输出信号以及上述压力系数的波动进行自动调整,判断何时需要向其中一个桥臂进行补偿,并在补偿发生时产生最佳的输出信号,该最佳的输出信号表示各个触压探针均与待测半导体上被期望检测的引脚适当地接触,这种接触不会破坏该待测半导体内部的结构和电路且能够准确地反映各个引脚的真实输出。这种补偿和压力检测并用机制减少了反馈电路的应用和激励震荡现象,提高了压力检测判断的自动化程度,有利于微弱信号的自动化、稳定化采集。
优选地,所述电气信号处理电路输入的来自压力检测单元的表示触压探针检测到的压力的信号Vc是通过所述压力检测单元实际输出的表示压力的电压值乘以上述C值和根据实际待测半导体设置的具有放大倍数可调的放大器得到的。
图2中的处理电路包括:第一反相器INV1、第二反相器INV2、第一相位延迟单元D1、第二相位延迟单元D2、第一差分运放单元UA1、第二差分运放单元UA2、压力检测信号比较单元、第一信号放大网络单元、第二信号放大网络单元、第三信号放大网络单元、第四信号放大网络单元、第一运放单元U1、第二运放单元U2、第三运放单元U3、第四运放单元U4、第五运放单元U5、第六运放单元U6、第七运放单元U7、第八运放单元U8、第九运放单元U9,以及第十运放单元U10。该电路中,信号Vin表示电气检测单元检测得到的各引脚输出的电压信号,信号Vout表示电气信号处理电路的输出电压信号,Vc表示压力检测单元检测到的输出电压信号,该输出电压信号是通过所述压力检测单元实际输出的表示压力的电压值乘以上述C值和根据实际待测半导体设置的具有放大倍数可调的放大器得到的,其中相关放大器和乘法电路的技术属于本领域现有技术。
所述第一相位延迟单元D1对向其输入的信号Vin延迟+180°相位,所述第二相位延迟单元D2对向其输入的信号Vin延迟-180°相位,所述第一反相器INV1使得向其输入的信号的相位变化+90°,所述第二反相器INV2使得向其输入的信号的相位变化-90°,所述第一相位延迟单元D1和所述第二相位延迟单元D2的输入端均连接Vin,所述第十运放单元U10的输出端Vout连接到模数转换器的信号输入端,该模数转换器位于通信单元(在图中未示出)中,可供远程通信时将该检测台检测得到的各引脚的数据传输到监控服务器。所述第一相位延迟单元D1和所述第二相位延迟单元D2的输出端分别通过第一信号放大网络单元连接到所述第三运放单元U3的正信号输入端和第五运放单元U5的正信号输入端,所述第三运放单元U3的输出端和所述第五运放单元U5的输出端分别经由第二信号放大网络单元连接所述第四运放单元U4的正信号输入端和所述第六运放单元U6的正信号输入端,所述第五运放单元U5的输出端与所述第四运放单元U4的输出端分别连接到所述第一差分运放单元UA1的负信号输入端和正信号输入端,所述第三运放单元U3的输出端和所述第六运放单元U6的输出端分别连接到所述第二差分运放单元UA2的正信号输入端和负信号输入端,所述第一差分运放单元UA1的输出端经过所述第一反相器INV1进入第三信号放大网络单元,然后进入所述第一运放单元U1的正信号输入端,所述第一运放单元U1的输出端经由第四信号放大网络单元进入所述第二运放单元U2的正信号输入端,所述第二差分运放单元UA2的输出端经过所述第二反相器INV2进入第三信号放大网络单元,然后进入所述第七运放单元U7的正信号输入端,所述第七运放单元U7的输出端经由第四信号放大网络单元进入所述第八运放单元U8的正信号输入端,所述第二运放单元U2的输出端和所述第八运放单元U8的输出端分别连接所述第十运放单元U10的正信号输入端和负信号输入端,所述第一运放单元U1、第二运放单元U2、第三运放单元U3、第五运放单元U5、第七运放单元U7、第八运放单元U8的负信号输入端均与各自的输出端连接;所述第四运放单元U4的负信号输入端连接到所述压力检测信号比较单元的输出端;
与所述第三运放单元U3的输入端连接的所述第一信号放大网络单元的0.1uF电容的第二端连接所述第三运放单元U3的输出端,与所述第五运放单元U5的输入端连接的所述第一信号放大网络单元的0.1uF电容的第二端连接所述第五运放单元U5的输出端,与所述第四运放单元U4的输入端连接的所述第一信号放大网络单元的0.15uF电容的第二端连接所述第四运放单元U4的输出端,与所述第六运放单元U6的输入端连接的所述第一信号放大网络单元的0.15uF电容的第二端连接与所述第七运放单元U7的输入端相连接的第三信号放大网络单元中的3.3K欧姆电阻与5K欧姆电阻之间,与所述第七运放单元U7的输入端连接的所述第三信号放大网络单元的0.33uF电容的第二端连接所述第七运放单元U7的输出端并连接信号Vin,与所述第一运放单元U1的输入端连接的所述第三信号放大网络单元的0.33uF电容的第二端连接所述第四运放单元U4的负信号输入端;
所述压力检测信号比较单元包括第二15K欧姆电阻、第三20K欧姆电阻、第四0.1uF电容、第二0.33uF电容和比较器,所述第二15K欧姆电阻的第一端作为所述压力检测信号比较单元的信号输入端连接信号Vc,所述第二15K欧姆电阻的第二端连接第三20K欧姆电阻的第一端和第四0.1uF电容的第一端,所述第四0.1uF电容的第二端连接所述比较器的第一信号输入端,所述第三20K欧姆电阻的第二端连接所述第二0.33uF电容的第一端和所述比较器的第二信号输入端,所述第二0.33uF电容的第二端接地;
所述信号端Vc连接与所述第二运放单元U2的输入端相连的第四信号放大网络单元的输入端,并连接压力检测信号比较单元的输入端;所述第九运放单元U9的输出端连接第二反相器INV2的输入端;所述第三运放单元U3的负信号输入端连接第九运放单元U9的负信号输入端,所述第九运放单元U9的正信号输入端分别连接第三0.1uF电容的第一端和第二0.2uF电容的第一端,所述第三0.1uF电容的第二端接地,所述第二0.2uF电容的第二端连接所述第九运放单元U9的输出端,所述第二0.2uF电容的第一端还通过1M欧姆电阻连接到所述压力检测信号比较单元的比较器UA3的第一信号输入端;
所述第一信号放大网络单元包括:10K欧姆电阻、3K欧姆电阻、0.1uF电容和0.2uF电容,所述10K欧姆电阻的第一端连接所述第一信号放大网络单元的输入端,所述10K欧姆电阻的第二端与所述3K欧姆电阻的第一端串联,所述3K欧姆电阻的第二端连接所述第一信号放大网络单元的输出端,所述10K欧姆电阻和所述3K欧姆电阻之间连接0.1uF电容的第一端,所述第一信号放大网络单元的输出端还连接有0.2uF电容的第一端,所述0.2uF电容的另一端接地;
所述第二信号放大网络单元包括:5K欧姆电阻、15K欧姆电阻、第一0.15uF电容和第二0.15uF电容,所述5K欧姆电阻的第一端连接所述第二信号放大网络单元的输入端,所述5K欧姆电阻的第二端与所述15K欧姆电阻的第一端串联,所述15K欧姆电阻的第二端连接所述第二信号放大网络单元的输出端,所述5K欧姆电阻和所述15K欧姆电阻之间连接第一0.15uF电容的第一端,所述第一0.15uF电容的另一端连接到与所述第二信号放大网络单元的输出端连接的运放单元的输出端,所述第二信号放大网络单元的输出端还连接有第二0.15uF电容的第一端,所述第二0.15uF电容的另一端接地;
所述第三信号放大网络单元包括:3.3K欧姆电阻、5K欧姆电阻、0.33uF电容和0.3uF电容,所述3.3K欧姆电阻的第一端连接所述第三信号放大网络单元的输入端,所述3.3K欧姆电阻的第二端与所述5K欧姆电阻的第一端串联,所述5K欧姆电阻的第二端连接所述第三信号放大网络单元的输出端,所述3.3K欧姆电阻和所述5K欧姆电阻之间连接0.33uF电容的第一端,所述第三信号放大网络单元的输出端还连接有0.3uF电容的第一端,所述0.3uF电容的另一端接地;
所述第四信号放大网络单元包括:第二10K欧姆电阻、第二20K欧姆电阻、第二0.1uF电容和0.31uF电容,所述第二10K欧姆电阻的第一端连接所述第四信号放大网络单元的输入端,所述第二10K欧姆电阻的第二端与所述第二20K欧姆电阻的第一端串联,所述第二20K欧姆电阻的第二端连接所述第四信号放大网络单元的输出端,所述第二10K欧姆电阻和所述第二20K欧姆电阻之间连接第二0.1uF电容的第一端,所述第二0.1uF电容的另一端连接到与所述第四信号放大网络单元的输出端连接的运放单元的输出端,所述第四信号放大网络单元的输出端还连接有0.31uF电容的第一端,所述0.31uF电容的另一端接地。
上述电路创造性地考虑到了压力检测单元输出的触压信号,从而相比于现有技术中简单的信号放大电路,具有能够自动判断在待测半导体被触压探针以适当的力度触压的时刻并在此时刻输出准确的的电气检测信号,提高了半导体检测的灵敏度和准确性的独特作用和优点。这样,待检测的半导体将可以实现带电检测以及检测其具有不同工作温度的情况下或相应于不同输入信号时的响应信号的情况下的连续信号输出情况,尤其是当这些情况下需要断开触压探针与待测半导体的引脚之间的连接的情况,而不必考虑期间触压探针对引脚造成的压力致使待测半导体的外观或内部结构和电路产生触压损坏缺陷,因此特别适用于具有复杂检测环节以及体积较小、引脚未朝向同一方向的半导体器件的检测。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的,而无意限定本发明精确地为所揭露的形式,基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的,实施例是为解说本发明的原理以及让所属领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述,本发明的技术思想企图由权利要求及其均等来决定。