本發(fā)明涉及半導體零部件測試，具體涉及一種適用于半導體零部件的壽命測試、加熱測試、電源測試等項目的便攜式小型測試系統(tǒng)及測試方法。

背景技術：

1、在當今數(shù)字化時代，半導體產業(yè)作為信息技術的核心支撐，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。半導體零部件作為產業(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、鍵合絲等眾多關鍵部件。

2、而且不同品牌的半導體零部件在設計理念、制造工藝上存在顯著差異，即便同一品牌下不同系列的產品，也因應用場景的多樣化，在性能側重點上大相徑庭，所以要對不同品牌或同一品牌不同系列的產品需要進行多種性能測試，且產品迭代周期短，為了即能滿足測試需求，又不會因產品迭代，測試系統(tǒng)功能不符合需求導致閑置，這就要求測試系統(tǒng)需要做到盡量通用且便于維護調整。

3、目前市面上已經存在的測試系統(tǒng)功能單一，或為了做到通用，往往體積比較大，占用了很大的生產空間，而體積較小的測試系統(tǒng)，功能設計又局限于特定類型或特定性能指標的測試。

4、同時，現(xiàn)有系統(tǒng)在控溫測試環(huán)節(jié)存在顯著缺陷，在控溫測試時，溫度波動范圍較大，難以達到如此高的精度要求，pid參數(shù)整定主要依賴人工經驗，缺乏自動整定方法，不同熱特性的半導體零部件需不同參數(shù)，人工整定難達最優(yōu)，易出現(xiàn)溫度超調、響應遲緩問題。此外，基礎參數(shù)設定不合理，升溫、降溫速率固定，溫度采樣周期設置不優(yōu)，影響測試結果準確性與效率。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種用于半導體零部件的小型測試系統(tǒng)和方法，通過控溫模塊的plc模組對溫度精確控制和穩(wěn)定調節(jié)、pid參數(shù)整定單元實現(xiàn)pid參數(shù)自動整定和優(yōu)化，以及將多個功能模塊集成并靈活組合以縮小體積，滿足半導體高精度工藝溫度控制要求、以及達成系統(tǒng)功能通用且不占用大量生產空間，以解決現(xiàn)有技術中的問題。

2、一種用于半導體零部件的小型測試系統(tǒng)，包括：

3、閥島功能檢測模塊，所述閥島功能檢測模塊用于驗證閥島在半導體設備中的功能適配性；

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線組成，用于接收熱電偶和熱電阻溫度信號的輸入，計算出各測點與控溫點的溫度偏差；

6、輸入信號檢測模塊，所述輸入信號檢測模塊用于接收待測設備的輸入信號，讓操作人員通過人機交互界面觀察到待測設備的信號變化；

7、所述閥島功能檢測模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號檢測模塊，每個模塊外觀統(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模塊、控溫模塊和輸入信號檢測模塊，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算單元；

10、所述pid參數(shù)整定單元通過階躍響應實驗自動獲取系統(tǒng)動態(tài)特性，并運用自適應算法自動優(yōu)化pid參數(shù)，輸出適合當前工況的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時調節(jié)控制輸出，根據(jù)溫度誤差及其變化率動態(tài)調整控制參數(shù)，將溫度穩(wěn)定在設定值范圍內；

12、所述溫度偏差計算單元用于通過熱電偶延長線采集的多個測溫點的實時數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析和空間插值算法計算溫度場分布，計算多測點溫度偏差及均勻性，輸出最大偏差和溫度場分布。

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、首先定義無超調和快速響應的理想二階參考模型：

15、；

16、其中，s表示拉普拉斯變換的復變量，用于頻域分析，表示自然頻率，基于待加熱設備的熱慣性進行設定，表示為阻尼比，設定為1.0，即臨界阻尼；

17、接著進行階躍響應實驗，向待加熱設備施加額定功率的50%，即，記錄基于時間的溫度上升曲線；

18、提取特性參數(shù),穩(wěn)態(tài)增益為：

19、；

20、其中，為系統(tǒng)在待加熱設備功率為時的穩(wěn)態(tài)溫度值，表示階躍響應實驗開始前的初始溫度，然后基于穩(wěn)態(tài)增益k的反比初始參數(shù)；

21、等效時間常數(shù)：

22、；

23、其中，表示在斜率最大點處的切線與初始溫度線的交點時間，表示在斜率最大點處的切線與穩(wěn)態(tài)溫度線的交點時間，1.2是經驗修正系數(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、自適應參數(shù)調整，根據(jù)參考模型與實際輸出的誤差動態(tài)調整pid參數(shù)：

26、；

27、其中，表示時間，、和為控制pid參數(shù)調整速度的增益系數(shù)，取值范圍為0.01～0.1，值越大收斂越快，、和表示誤差對pid參數(shù)的敏感度，通過數(shù)值差分法進行計算獲得，表示溫度跟蹤誤差，即由參考模型離散化計算得到的理論溫度與實際溫度的實時跟蹤誤差；

28、參數(shù)收斂判斷，根據(jù)控溫穩(wěn)定性指標h設定收斂條件，當溫度跟蹤誤差，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算流程如下：

30、設定控溫目標溫度值為，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pwm信號，即控制量占空比，接著通過狀態(tài)空間模型預測未來n步的溫度值，構建優(yōu)化目標函數(shù)：

33、；

34、其中,表示狀態(tài)空間模型基于當前狀態(tài)向量預測的未來某時刻的溫度值，j表示是預測步長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)行當前時刻的，更新固態(tài)繼電器的控制量占空比。

35、優(yōu)選的，所述溫度偏差計算單元具體計算流程如下：

36、基于和及熱電偶多測點溫度數(shù)據(jù)進行溫度偏差統(tǒng)計，計算單點偏差：

37、；

38、計算最大偏差：

39、；

40、計算溫度極差r：

41、；

42、其中，y表示熱電偶多測點溫度數(shù)據(jù)的測溫點索引，表示對應測溫點y的控溫目標溫度值，同時，使用rbf空間插值法構建插值函數(shù)，通過有限測點數(shù)據(jù)估算未布置測點區(qū)域的溫度，生成連續(xù)的溫度場云圖，直觀顯示高溫區(qū)和低溫區(qū)。

43、優(yōu)選的，所述閥島功能檢測模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號檢測模塊均具備數(shù)據(jù)記錄和導出功能和急停按鈕，能夠在發(fā)生緊急情況時急停系統(tǒng)，同時電源插頭適配普通墻插。

44、優(yōu)選的，所述閥島功能檢測模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號檢測模塊，每個模塊均能夠作為獨立狀態(tài)進行測試，也能夠根據(jù)實際測試需求進行組合測試，并且能夠將兩個以上單元集成在一個不銹鋼外殼內，在犧牲指定接口數(shù)量的前提下進一步縮小測試系統(tǒng)的體積。

45、一種用于半導體零部件的小型測試方法，包括：

46、步驟1，供電測試，操作人員根據(jù)待測產品的電氣參數(shù)調整供電模組的參數(shù)為合適參數(shù)，啟動供電模組，用測量工具測量接口輸出，若正常則進行下一步，若不正常則再檢查具體具體原因；關閉供電模組后，使用接口板和適配連接線將測試系統(tǒng)與待測產品連接，待連接牢固后接通供電模組的電源，根據(jù)測試目的判斷是否合格，從而完成待測樣品的供電測試；

47、步驟2，閥島測試，操作人員根據(jù)待測閥島手冊或接線圖紙上有關閥門驅動的信息，在閥島功能檢測模塊的人機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，并使用它將對應的接口板與待測閥島連接，同時在人機交互界面上選擇合適的測試參數(shù)，點擊啟動后，plc模組接收到指令并按照設定的工序依次對待測閥島輸出驅動信號，操作人員通過觀察閥島的動作是否按照預設參數(shù)進行，從而完成待測閥島的功能測試；

48、步驟3，控溫測試，操作人員根據(jù)待加熱設備的加熱需求，在控溫模塊中的人機交互界面上設置好基礎參數(shù)，將待加熱設備的供電線、溫度信號線接入控溫模塊對應的接口上，點擊控溫模塊中的人機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對該待加熱設備的pid自整定，在自整定完畢后，系統(tǒng)自動切換至控溫模式，plc模組控制固態(tài)繼電器不停地輸出pwm信號，進而使待加熱設備持續(xù)保持在目標溫度上；

49、若要監(jiān)控帶加熱設備其他點位的溫度，可將溫度信號線粘貼在該位置上，信號傳輸?shù)絧lc模組內，在控溫模塊的人機交互界面上進行展示；

50、步驟4，輸入信號測試，操作人員根據(jù)待測產品的輸出信號類型和接口在人機交互界面進行選擇，根據(jù)界面提示，使用適配連接線將它與對應的接口板與待測產品連接，啟動待測產品，讓其輸出相對應信號，在信號檢測模塊中的人機交互界面上觀察該信號的類型從而完成待測產品的輸入信號測試。

51、與現(xiàn)有技術相比，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態(tài)調整控制參數(shù)，溫度偏差計算單元計算多測點溫度偏差及均勻性，實現(xiàn)了對半導體零部件測試過程中溫度的精確控制和穩(wěn)定調節(jié)，達成了滿足半導體高精度工藝對溫度控制要求的有益效果，避免了因溫度波動大影響測試準確性和產品良品率的問題。

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，進行階躍響應實驗提取特性參數(shù)，采用chien-hrones-reswick整定規(guī)則初始pid參數(shù)，再根據(jù)參考模型與實際輸出的誤差動態(tài)調整pid參數(shù)并進行收斂判斷，實現(xiàn)了pid參數(shù)的自動整定和優(yōu)化，達成了擺脫人工經驗依賴、快速找到適合當前工況的最優(yōu)pid參數(shù)組合的有益效果，解決了現(xiàn)有技術中pid參數(shù)整定困難、易出現(xiàn)溫度超調與響應遲緩的問題。

54、3、本發(fā)明通過將閥島功能檢測模塊、電源模塊、控溫模塊和輸入信號檢測模塊集成，各模塊具備數(shù)據(jù)記錄和導出功能及急停按鈕，且可獨立或組合測試，還能將兩個以上單元集成在一個不銹鋼外殼內，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)功能的通用性和靈活性，同時縮小了系統(tǒng)體積，達成了既能滿足多種半導體零部件測試需求，又不占用大量生產空間的有益效果，避免了現(xiàn)有測試系統(tǒng)功能單一或體積龐大的缺陷。