利用RSS公差分析法来优化测试硬件设计

赵春华

摘要：在半导体芯片测试中，测试巢和测试插座是两个关键部件。设计出具有良好测试效果的测试巢和插座是非常重要的。如何实现这一目标是每个测试硬件设计师都非常关心的问题。本文主要介绍了什么是RSS公差分析方法，RSS公差分析法的计算步骤，以及如何利用公差分析法对测试硬件进行优化设计。最后以17x17BGA 封装为例，优化测试巢和插座的关键尺寸公差，展示优化前后接触良率的结果对比。

关键词：测试巢测试插座公差分析半导体封装

一、测试巢和插座在半导体测试中的重要性

在半导体芯片测试中，测试巢和插座是两个关键部件，用于连接测试电路板和待测芯片。每种芯片的封装都对应至少一款测试巢和插座，目前生产常见的芯片封装有3000多种，对应的测试巢/插座数不胜数. 随着半导体封装工艺的持续改进，测试巢和插座的设计也需要不断更新迭代。而且不同的测试机对测试巢和插座的要求不同，所以随着测试机的更新换代，测试巢和插座设计理念也推陈出新，越来越复杂。

严谨可靠的测试巢和插座设计不仅可以保证生产维持较高的测试良品率，而且还能减少停机检修时间，从而提高生产效率。这两个部件虽然很小，但是一旦有问题，影响的却是整个公司效益，小则延误产品出货周期，带来负面客户体验，大则影响公司产品的市场占有率。所以在产品量产之前研制出严谨可靠的测试巢和插座至关重要。

二、简介RSS公差分析法

如何保证测试巢/插座具有良好的测试效果？不仅需要机械加工厂具备较高的加工精度，还需要设计者根据芯片封装尺寸设定合理的几何尺寸和公差。太严的尺寸公差会提高测试巢和插座的加工成本，太宽松的尺寸公差会降低测试良品率。本文所探讨的就是利用RSS公差分析法来分析测试硬件的装配关系，从而制定出合理的测试巢/插座的几何尺寸和公差。

RSS（Root Sum Squares）是一种统计方法，将装配中所涉及到的所有因素的公差都计算在内，进行平方根运算，计算结果就是RSS值，即有效接触轨迹的半径。根据RSS结果，为设计测试巢/插座提供合理的几何尺寸参数。RSS的最初目的就是计算出最坏情况下的接触位置。

三、运用RSS公差分析法的步骤

第一步：创建被测器件的封装模型和测试巢

依据实物测量的数值和封装工艺使用的模具设计图来创建被测器件的封装模型。本文主要探讨非管脚封装类型，例如BGA/QFN/LGA 等。关键尺寸是：外形长宽尺寸，总厚度，有效定位厚度，焊盘或焊锡球大小和间距。

第二步：选取所有影响接触性能的配合因素

通常影响测试接触性能的配合要素有：

1.测试插座探针孔与探针的配合公差– H（最大探针孔直径– 最小探针直径）

2.测试插座探针孔的位置公差– P

3.测试插座各零件之间定位销的位置公差– D

4.测试插座与测试板定位销的配合公差 - G

5.测试插座与测试巢之间的配合公差– A

6.测试板与测试系统之间定位销的配合公差–T

7.测试板探针接触焊盘尺寸公差- S

第三步：计算被测器件在测试巢中最大的偏移量（SH）

SH=

X方向偏移= 测试巢定位芯片处的最大尺寸 - 被测器件X方向最小尺寸

Y方向偏移= 測试巢定位芯片处的最大尺寸 - 被测器件Y方向最小尺寸

第四步：计算RSS的数值

RSS的计算公式如下：

RSS =

RSS计算出的是测试探针接触被测芯片焊盘时所有可能的轨迹范围。它是一个圆圈的半径值。

第五步：根据RSS计算结果，检查测试巢/插座设计是否合理

很显然，轨迹的直径一定要小于被测芯片的焊锡球直径或焊盘最小宽度。用RSS乘以2 跟焊锡球、焊盘直径的比率进行判断。Ratio= RSS*2 / Terminal。比率Ratio越小，接触性能越好，但是加工精度提高，成本会提高。

为了方便使用RSS公差分析法，可以用excel 做一个模板，根据上述的理论编辑好公式算法，以后每当设计完成，使用这个模板，填入项目的参数，即可很快的计算出RSS 比率，选出最优的设计尺寸和公差。从而极大地节约工程师设计时间。

四、以17x17BGA封装为例进行RSS公差分析

17x17BGA 有很多种不同的焊锡球封装，有289个球的，404个球的，256个球的，和208球的。它们的外形尺寸公差范围较大，焊锡球的直径和公差也不同。下面是每种封装实际尺寸范围：

404BGA17x17_5343 外形尺寸：16.89mm ～16.98mm 焊锡球直径：0.35mm ～ 0.45mm

400BGA17x17_5284外形尺寸：16.96mm ～17.01mm 焊锡球直径：0.4mm ～0.5mm

256BGA17x17_5246 外形尺寸：16.87mm ～16.96mm 焊锡球直径：0.4mm ～ 0.6mm

208BGA17x17_5253外形尺寸：16.92mm ～17.03mm 焊锡球直径：0.5mm ～ 0.7mm

289BGA17x17_5235 外形尺寸：16.89mm ～17.00mm 焊锡球直径：0.5mm ～ 0.7mm

假设测试插槽的定位尺寸设计为17.08+0.03mm。根据上述RSS计算方法可以得出：

404BGA17x17_5343 的封装，RSS比率为99%～125%之间，当前的测试插槽设计（17.08+0.03mm）用于生产将会有接触不良的问题，测试插槽设计需要优化。

400BGA17x17_5284的封装，RSS比率为74%～99%之间，当前的测试插槽设计（17.08+0.03mm）不存在接触不良的风险。

256BGA17x17_5246的封装，当前的测试插槽设计（17.08+0.03mm）不能100%接触良好。当焊锡球直径大于0.45mm时，RSS比率低于99%，没有接触不良的风险。当焊锡球直径小于0.45mm时，RSS比率为102%～112%，存在接触不良的风险，测试插槽设计需要优化。

208BGA17x17_5253的封装，RSS比率为61%～85%之间，当前的测试插槽设计（17.08+0.03mm）不存在接触不良的风险。

289BGA17x17_5235 的封装，RSS比率为62%～89%之间，当前的测试插槽设计（17.08+0.03mm）不存在接触不良的风险。

针对接触不好的封装芯片，5343 和5246，优化测试插槽尺寸为17+0.03mm，再次带入RSS运算模板。根据表格计算结果可知，测试插槽尺寸为17+0.03mm 时，5246接触不良的问题，可以被彻底改善。经过实际生产验证，使用改善后的测试插槽，良品率提高了约5个百分点。但是5343的封装，当封装焊锡球直径小于0.4mm时，仍然会有接触不良的风险，这种情况需要跟封装工艺工程师沟通，可以加大封装的外形尺寸，或者扩大封装焊锡球的接触面积。

综上所述，RSS公差分析法是一种简单有效的方法，在半导体测试硬件设计中为工程师极大的节约设计时间，同时保证测试硬件设计合理，提高首次成功的概率。

（作者单位：恩智浦半导体中国有限公司）