本發(fā)明涉及半導(dǎo)體零部件測(cè)試，具體涉及一種適用于半導(dǎo)體零部件的壽命測(cè)試、加熱測(cè)試、電源測(cè)試等項(xiàng)目的便攜式小型測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
1、在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)的核心支撐，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。半導(dǎo)體零部件作為產(chǎn)業(yè)的基石，其種類極為繁雜，涵蓋了從芯片制造過程中的光刻掩模版、晶圓承載器，到封裝環(huán)節(jié)的引線框架、鍵合絲等眾多關(guān)鍵部件。
2、而且不同品牌的半導(dǎo)體零部件在設(shè)計(jì)理念、制造工藝上存在顯著差異，即便同一品牌下不同系列的產(chǎn)品，也因應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，在性能側(cè)重點(diǎn)上大相徑庭，所以要對(duì)不同品牌或同一品牌不同系列的產(chǎn)品需要進(jìn)行多種性能測(cè)試，且產(chǎn)品迭代周期短，為了即能滿足測(cè)試需求，又不會(huì)因產(chǎn)品迭代，測(cè)試系統(tǒng)功能不符合需求導(dǎo)致閑置，這就要求測(cè)試系統(tǒng)需要做到盡量通用且便于維護(hù)調(diào)整。
3、目前市面上已經(jīng)存在的測(cè)試系統(tǒng)功能單一，或?yàn)榱俗龅酵ㄓ茫w積比較大，占用了很大的生產(chǎn)空間，而體積較小的測(cè)試系統(tǒng)，功能設(shè)計(jì)又局限于特定類型或特定性能指標(biāo)的測(cè)試。
4、同時(shí)，現(xiàn)有系統(tǒng)在控溫測(cè)試環(huán)節(jié)存在顯著缺陷，在控溫測(cè)試時(shí)，溫度波動(dòng)范圍較大，難以達(dá)到如此高的精度要求，pid參數(shù)整定主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏自動(dòng)整定方法，不同熱特性的半導(dǎo)體零部件需不同參數(shù)，人工整定難達(dá)最優(yōu)，易出現(xiàn)溫度超調(diào)、響應(yīng)遲緩問題。此外，基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定不合理，升溫、降溫速率固定，溫度采樣周期設(shè)置不優(yōu)，影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性與效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于半導(dǎo)體零部件的小型測(cè)試系統(tǒng)和方法，通過控溫模塊的plc模組對(duì)溫度精確控制和穩(wěn)定調(diào)節(jié)、pid參數(shù)整定單元實(shí)現(xiàn)pid參數(shù)自動(dòng)整定和優(yōu)化，以及將多個(gè)功能模塊集成并靈活組合以縮小體積，滿足半導(dǎo)體高精度工藝溫度控制要求、以及達(dá)成系統(tǒng)功能通用且不占用大量生產(chǎn)空間，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。
2、一種用于半導(dǎo)體零部件的小型測(cè)試系統(tǒng)，包括：
3、閥島功能檢測(cè)模塊，所述閥島功能檢測(cè)模塊用于驗(yàn)證閥島在半導(dǎo)體設(shè)備中的功能適配性；
4、電源模塊，所述電源模塊用于提供24vdc電源輸出、±15vdc電源輸出和220vac源輸出；
5、控溫模塊，所述控溫模塊包括固態(tài)繼電器和熱電偶延長(zhǎng)線組成，用于接收熱電偶和熱電阻溫度信號(hào)的輸入，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)與控溫點(diǎn)的溫度偏差；
6、輸入信號(hào)檢測(cè)模塊，所述輸入信號(hào)檢測(cè)模塊用于接收待測(cè)設(shè)備的輸入信號(hào)，讓操作人員通過人機(jī)交互界面觀察到待測(cè)設(shè)備的信號(hào)變化；
7、所述閥島功能檢測(cè)模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號(hào)檢測(cè)模塊，每個(gè)模塊外觀統(tǒng)一，均包括適配連接線、plc模組、供電模組、不銹鋼外殼（2）、接口板（4）、人機(jī)交互界面（3）和提手（1），尺寸均為400mm×300mm×260mm；
8、所述電源模塊通過適配連接線分別連接閥島功能檢測(cè)模塊、控溫模塊和輸入信號(hào)檢測(cè)模塊，為它們提供所需電源。
9、優(yōu)選的，所述控溫模塊中的plc模組包括pid參數(shù)整定單元、控溫單元和溫度偏差計(jì)算單元；
10、所述pid參數(shù)整定單元通過階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)獲取系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，并運(yùn)用自適應(yīng)算法自動(dòng)優(yōu)化pid參數(shù)，輸出適合當(dāng)前工況的pid參數(shù)，確保系統(tǒng)快速完成自整定過程；
11、所述控溫單元用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制輸出，根據(jù)溫度誤差及其變化率動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，將溫度穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)；
12、所述溫度偏差計(jì)算單元用于通過熱電偶延長(zhǎng)線采集的多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析和空間插值算法計(jì)算溫度場(chǎng)分布，計(jì)算多測(cè)點(diǎn)溫度偏差及均勻性，輸出最大偏差和溫度場(chǎng)分布。
13、優(yōu)選的，所述pid參數(shù)整定單元具體參數(shù)整定流程如下：
14、首先定義無超調(diào)和快速響應(yīng)的理想二階參考模型：
15、；
16、其中，s表示拉普拉斯變換的復(fù)變量，用于頻域分析，表示自然頻率，基于待加熱設(shè)備的熱慣性進(jìn)行設(shè)定，表示為阻尼比，設(shè)定為1.0，即臨界阻尼；
17、接著進(jìn)行階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，向待加熱設(shè)備施加額定功率的50%，即，記錄基于時(shí)間的溫度上升曲線；
18、提取特性參數(shù),穩(wěn)態(tài)增益為：
19、；
20、其中，為系統(tǒng)在待加熱設(shè)備功率為時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度值，表示階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)開始前的初始溫度，然后基于穩(wěn)態(tài)增益k的反比初始參數(shù)；
21、等效時(shí)間常數(shù)：
22、；
23、其中，表示在斜率最大點(diǎn)處的切線與初始溫度線的交點(diǎn)時(shí)間，表示在斜率最大點(diǎn)處的切線與穩(wěn)態(tài)溫度線的交點(diǎn)時(shí)間，1.2是經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，源自ziegler-nichols整定規(guī)則；
24、然后采用chien-hrones-reswick整定規(guī)則，基于穩(wěn)態(tài)增益的反比和等效時(shí)間常數(shù)初始參數(shù)pid參數(shù)，即比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)；
25、自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整，根據(jù)參考模型與實(shí)際輸出的誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整pid參數(shù)：
26、；
27、其中，表示時(shí)間，、和為控制pid參數(shù)調(diào)整速度的增益系數(shù)，取值范圍為0.01～0.1，值越大收斂越快，、和表示誤差對(duì)pid參數(shù)的敏感度，通過數(shù)值差分法進(jìn)行計(jì)算獲得，表示溫度跟蹤誤差，即由參考模型離散化計(jì)算得到的理論溫度與實(shí)際溫度的實(shí)時(shí)跟蹤誤差；
28、參數(shù)收斂判斷，根據(jù)控溫穩(wěn)定性指標(biāo)h設(shè)定收斂條件，當(dāng)溫度跟蹤誤差，判定該參數(shù)收斂，停止整定，輸出最終的、和。
29、優(yōu)選的，所述控溫單元具體控溫計(jì)算流程如下：
30、設(shè)定控溫目標(biāo)溫度值為，然后基于pid參數(shù)整定單元的、、通過二階慣性環(huán)節(jié)模型推導(dǎo)初始化狀態(tài)空間矩陣a、b和c，建立狀態(tài)空間模型；
31、；
32、其中，是時(shí)的由溫度和升溫速率組成的狀態(tài)向量，表示固態(tài)繼電器的控制信號(hào)pwm信號(hào)，即控制量占空比，接著通過狀態(tài)空間模型預(yù)測(cè)未來n步的溫度值，構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
33、；
34、其中,表示狀態(tài)空間模型基于當(dāng)前狀態(tài)向量預(yù)測(cè)的未來某時(shí)刻的溫度值，j表示是預(yù)測(cè)步長(zhǎng)n中的溫度值索引，取值范圍為1至n，是懲罰控制量突變的權(quán)重，值越大控制越平緩，最后通過二次規(guī)劃求解優(yōu)化問題，得到最優(yōu)控制序列，執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻的，更新固態(tài)繼電器的控制量占空比。
35、優(yōu)選的，所述溫度偏差計(jì)算單元具體計(jì)算流程如下：
36、基于和及熱電偶多測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度偏差統(tǒng)計(jì)，計(jì)算單點(diǎn)偏差：
37、；
38、計(jì)算最大偏差：
39、；
40、計(jì)算溫度極差r：
41、；
42、其中，y表示熱電偶多測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的測(cè)溫點(diǎn)索引，表示對(duì)應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)y的控溫目標(biāo)溫度值，同時(shí)，使用rbf空間插值法構(gòu)建插值函數(shù)，通過有限測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)估算未布置測(cè)點(diǎn)區(qū)域的溫度，生成連續(xù)的溫度場(chǎng)云圖，直觀顯示高溫區(qū)和低溫區(qū)。
43、優(yōu)選的，所述閥島功能檢測(cè)模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號(hào)檢測(cè)模塊均具備數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出功能和急停按鈕，能夠在發(fā)生緊急情況時(shí)急停系統(tǒng)，同時(shí)電源插頭適配普通墻插。
44、優(yōu)選的，所述閥島功能檢測(cè)模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號(hào)檢測(cè)模塊，每個(gè)模塊均能夠作為獨(dú)立狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，也能夠根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求進(jìn)行組合測(cè)試，并且能夠?qū)蓚€(gè)以上單元集成在一個(gè)不銹鋼外殼內(nèi)，在犧牲指定接口數(shù)量的前提下進(jìn)一步縮小測(cè)試系統(tǒng)的體積。
45、一種用于半導(dǎo)體零部件的小型測(cè)試方法，包括：
46、步驟1，供電測(cè)試，操作人員根據(jù)待測(cè)產(chǎn)品的電氣參數(shù)調(diào)整供電模組的參數(shù)為合適參數(shù)，啟動(dòng)供電模組，用測(cè)量工具測(cè)量接口輸出，若正常則進(jìn)行下一步，若不正常則再檢查具體具體原因；關(guān)閉供電模組后，使用接口板和適配連接線將測(cè)試系統(tǒng)與待測(cè)產(chǎn)品連接，待連接牢固后接通供電模組的電源，根據(jù)測(cè)試目的判斷是否合格，從而完成待測(cè)樣品的供電測(cè)試；
47、步驟2，閥島測(cè)試，操作人員根據(jù)待測(cè)閥島手冊(cè)或接線圖紙上有關(guān)閥門驅(qū)動(dòng)的信息，在閥島功能檢測(cè)模塊的人機(jī)交互界面上選擇合適的閥島類型，根據(jù)界面提示，選擇合適的適配連接線，并使用它將對(duì)應(yīng)的接口板與待測(cè)閥島連接，同時(shí)在人機(jī)交互界面上選擇合適的測(cè)試參數(shù)，點(diǎn)擊啟動(dòng)后，plc模組接收到指令并按照設(shè)定的工序依次對(duì)待測(cè)閥島輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，操作人員通過觀察閥島的動(dòng)作是否按照預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行，從而完成待測(cè)閥島的功能測(cè)試；
48、步驟3，控溫測(cè)試，操作人員根據(jù)待加熱設(shè)備的加熱需求，在控溫模塊中的人機(jī)交互界面上設(shè)置好基礎(chǔ)參數(shù)，將待加熱設(shè)備的供電線、溫度信號(hào)線接入控溫模塊對(duì)應(yīng)的接口上，點(diǎn)擊控溫模塊中的人機(jī)交互界面上該回路的自整定按鈕，plc模組接收到指令后便啟動(dòng)對(duì)該待加熱設(shè)備的pid自整定，在自整定完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)切換至控溫模式，plc模組控制固態(tài)繼電器不停地輸出pwm信號(hào)，進(jìn)而使待加熱設(shè)備持續(xù)保持在目標(biāo)溫度上；
49、若要監(jiān)控帶加熱設(shè)備其他點(diǎn)位的溫度，可將溫度信號(hào)線粘貼在該位置上，信號(hào)傳輸?shù)絧lc模組內(nèi)，在控溫模塊的人機(jī)交互界面上進(jìn)行展示；
50、步驟4，輸入信號(hào)測(cè)試，操作人員根據(jù)待測(cè)產(chǎn)品的輸出信號(hào)類型和接口在人機(jī)交互界面進(jìn)行選擇，根據(jù)界面提示，使用適配連接線將它與對(duì)應(yīng)的接口板與待測(cè)產(chǎn)品連接，啟動(dòng)待測(cè)產(chǎn)品，讓其輸出相對(duì)應(yīng)信號(hào)，在信號(hào)檢測(cè)模塊中的人機(jī)交互界面上觀察該信號(hào)的類型從而完成待測(cè)產(chǎn)品的輸入信號(hào)測(cè)試。
51、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
52、1、本發(fā)明通過控溫模塊中的plc模組中的控溫單元根據(jù)溫度誤差及其變化率動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，溫度偏差計(jì)算單元計(jì)算多測(cè)點(diǎn)溫度偏差及均勻性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體零部件測(cè)試過程中溫度的精確控制和穩(wěn)定調(diào)節(jié)，達(dá)成了滿足半導(dǎo)體高精度工藝對(duì)溫度控制要求的有益效果，避免了因溫度波動(dòng)大影響測(cè)試準(zhǔn)確性和產(chǎn)品良品率的問題。
53、2、本發(fā)明通過pid參數(shù)整定單元定義理想二階參考模型，進(jìn)行階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)提取特性參數(shù)，采用chien-hrones-reswick整定規(guī)則初始pid參數(shù)，再根據(jù)參考模型與實(shí)際輸出的誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整pid參數(shù)并進(jìn)行收斂判斷，實(shí)現(xiàn)了pid參數(shù)的自動(dòng)整定和優(yōu)化，達(dá)成了擺脫人工經(jīng)驗(yàn)依賴、快速找到適合當(dāng)前工況的最優(yōu)pid參數(shù)組合的有益效果，解決了現(xiàn)有技術(shù)中pid參數(shù)整定困難、易出現(xiàn)溫度超調(diào)與響應(yīng)遲緩的問題。
54、3、本發(fā)明通過將閥島功能檢測(cè)模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號(hào)檢測(cè)模塊集成，各模塊具備數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出功能及急停按鈕，且可獨(dú)立或組合測(cè)試，還能將兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)不銹鋼外殼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)功能的通用性和靈活性，同時(shí)縮小了系統(tǒng)體積，達(dá)成了既能滿足多種半導(dǎo)體零部件測(cè)試需求，又不占用大量生產(chǎn)空間的有益效果，避免了現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)功能單一或體積龐大的缺陷。