CN101441225B - 一种顶针顶出机构及包含该机构的高精度运动部件 - Google Patents

Abstract

本发明的公开了一种顶针顶出机构，包括内套，沿内套的周向设置有多个凸轮槽，所述凸轮槽具有水平槽部和与水平槽部呈一定角度向上延伸的斜槽部；芯轴，与内套同心设置，且固连于内套；顶针安装座，可旋转的联接于芯轴；多个顶针升降销轴，沿周向固连于顶针安装座，与凸轮槽相对应，分别通过第一滚动轴承配合于凸轮槽内；多个顶针，固连于顶针安装座向上的侧面；弹簧，穿接于芯轴上，顶针安装座向下的侧面与内套底面之间；以及外套，与内套同心设置，可相对内套旋转，具有与所述多个凸轮槽高度相对应的直槽，所述多个顶针升降销轴分别通过第二滚动轴承配合于所述直槽内。本发明还公开了具有上述顶针顶出机构的高精度运动部件。

Description

一种顶针顶出机构及包含该机构的高精度运动部件

技术领域

本发明涉及一种半导体测试装置，尤其是一种自动探针台的Z向运动部件。

背景技术

自动探针台为半导体测试专用设备，与测试机配合完成晶圆片的测试。Z向运动部件是自动探针台的重要部件，它承载晶圆片实现上下，旋转运动，完成晶圆片的测试，它的顶针顶出机构配合上下机械手完成芯片的上下装载，实现自动上下片的功能。

一种传统的Z向运动部件的结构如图1、2所示，其中，参照图1，包括垂直运动部分1，旋转驱动部分2和顶针顶出部分3，垂直运动部分1包括承片台11，承片台连接座12、连接板13，承片台连接座内设有丝杆螺母机构14，其中丝杆的一端连接顶针顶出机构3，丝杆的另一端通过轴承联接至连接板13，承片台11上有孔供顶针顶出机构的顶针伸出；旋转驱动部分2包括电机21和联动装置22用以驱动丝杆转动，从而带动顶针顶出部分3的顶针从承片台的孔内伸出。

上述传统的六寸探针台的台身运动行程短一般小于15MM，因此，垂直运动部分多采用滚珠丝杆运动，滚珠滑套(或铜套)进行导向，而八寸自动探针台台身运动行程较大，一般为90MM，且Z平面重复定位精度小于±0.003MM，这样，六寸探针台的结构就无法满足设计精度的要求。需要设计一种新的探针台以实现对八寸以及更大尺寸的晶圆的检测。

由于八寸以上晶圆的自动探针台因竖直方向结构设计需要运动行程较大，因此现有的顶针顶出机构无法满足设计要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高精度的具有自动升降、旋转功能的顶针顶出机构。

本发明的顶针顶出机构包括

内套，沿内套的周向设置有多个凸轮槽，所述凸轮槽具有水平槽部和与水平槽部呈一定角度向上延伸的斜槽部；

芯轴，与内套同心设置，且固连于内套；

顶针安装座，可旋转的联接于芯轴；

多个顶针升降销轴，沿周向固连于顶针安装座，与凸轮槽相对应，分别通过第一滚动轴承配合于凸轮槽内；

多个顶针，固连于顶针安装座向上的侧面；

弹簧，穿接于芯轴上，顶针安装座向下的侧面与内套底面之间；以及

外套，与内套同心设置，可相对内套旋转，具有与所述多个凸轮槽高度相对应的直槽，

所述多个顶针升降销轴分别通过第二滚动轴承配合于所述直槽内。

当所述外套相对内套转动时，直槽会带动顶针升降销轴沿内套的凸轮槽运动，顶针升降销轴在各自的凸轮槽内首先沿凸轮槽的水平槽部运动，继而沿凸轮槽的斜槽部运动，在沿斜槽部的运动过程中，顶针升降销轴会带动与其固连的顶针安装座先转动一个角度，继而一边转动一边向上运动，并在这个过程中带动顶针向上运动。

进一步的，在所述顶针安装座的向下的侧面与弹簧之间设有平面轴承，其中，依靠弹簧的恢复力使平面轴承紧靠在顶针安装座向下的侧面上。平面轴承的设置可令顶针安装座的运动更加平滑。

本发明的另一个目的在于提供一种高精度运动部件，用于实现针对大尺寸晶圆的自动探针台的Z向精确运动。

为实现上述目的，本发明所提供的一种高精度运动部件，其包括一个垂直运动机构，所述垂直运动机构驱动一个托板相对位于托板下方的顶板沿竖直方向运动，托板上固连有一个旋转驱动机构，和由旋转驱动机构驱动转动的顶针顶出机构，所述顶针顶出机构上设有承片台。按照本发明，所述顶针顶出机构包括：

内套，沿内套的周向设置有多个凸轮槽，所述凸轮槽具有水平槽部和与水平槽部呈一定角度向上延伸的斜槽部；

芯轴，与内套同心设置，且固连于内套；

顶针安装座，可旋转的联接于芯轴；

多个顶针升降销轴，沿周向固连于顶针安装座，与凸轮槽相对应，分别通过第一滚动轴承配合于凸轮槽内；

多个顶针，固连于顶针安装座向上的侧面；

弹簧，穿接于芯轴上，顶针安装座向下的侧面与内套底面之间；以及

外套，与内套同心设置，可相对内套旋转，具有与所述多个凸轮槽高度相对应的直槽，所述多个顶针升降销轴分别通过第二滚动轴承配合于所述直槽内。

进一步的，所述旋转驱动机构包括：

旋转驱动机构安装架；

驱动电机，固定于旋转驱动机构安装架，通过输出轴提供驱动动力；

滚珠丝杆，一端与驱动电机的输出轴耦合，另一端配合于轴承，从而实现与输出轴的联动；

螺母，配合于滚珠丝杆上，可沿滚珠丝杆做直线运动；

销轴，固连于螺母，竖直设置；

滚珠导套，配合于销轴上，可沿销轴上下运动；

顶针外套连接座，中部有孔，通过该孔利用一个球面轴承配合于滚珠导套，在一侧具有与顶针外套相配合的配合部。

所述旋转驱动机构由驱动电机驱动，驱动电机带动滚珠丝杆做旋转运动，滚珠丝杆的旋转运动带动螺母沿滚珠丝杆作直线运动，由于销轴是与螺母固连的，因此销轴也在螺母的带动下做直线运动，由于顶针外套连接座与顶针顶出机构的外套的固连的，因此，在销轴与顶针顶出机构外套直线距离最近时，球面轴承带动滚珠导套相对销轴运动至最低点；随着销轴与顶针顶出机构外套直线距离的加大(向两个方向的任意一个方向)，轴承会带动滚珠导套上移，随这距离的加大，滚珠导套逐渐上移，直到销轴与顶针顶出机构外套间的直线距离达到最大时，球面轴承带动滚珠导套相对销轴运动至最高点。

进一步的，所述垂直运动机构包括

导轨安装座，顶部固连于所述顶板，侧部设置至少一个导轨；

至少一个滑块安装座，顶部固连于所述托板，分别在侧部固连有滑块，滑块可在导轨内滑动；

导柱，设置于导轨安装座内部，与导轨安装座通过一个滚珠滑套相配合，其顶部固连于托板；以及

丝杠螺母机构，包括丝杆和螺母，其中丝杠一端与电机轴连，由电机带动旋转，螺母固连于导柱的下部。

在运动中，顶板固定不动，在电机的驱动下，丝杆带动螺母沿丝杆运动，从而带动导柱，进而带动与导柱固连的托板相对顶板运动，由于托板还同滑块连接座固连，而顶板还与导轨连接座固连，因此，滑块会在导轨内滑动，保证了托板相对顶板运动的直线度。

本发明的有益效果在于，通过妥善的设置顶针顶出机构通过外套上的凸轮槽的水平槽部与斜槽部的比例，可以实现，首先，顶针连接座旋转带动顶针旋转，继而带动承片台旋转一定角度，通过旋转一定的角度可以实现承片台自动对准；此后，顶针连接座旋转上行，带动顶针从承片台中伸出，从而顶起晶圆。

附图说明

图1为现有的一种Z向运动部件的结构剖视图；

图2为图1中的探针伸出状态下的结构示意图；

图3为依照本发明的一种具体实施方式的顶针顶出机构的结构剖视图；

图4为依照本发明的一种具体实施方式的顶针顶出机构的内套的结构侧视图；

图5为依照本发明的一种具体实施方式的顶针顶出机构结合旋转驱动结构的结构立体图；

图6为依照本发明的一种具体实施方式的旋转驱动机构的结构立体图。

图7为图6中所示的旋转驱动机构的结构剖视图；

图8为依照本发明的一种具体实施方式的垂直运动机构的结构立体图；

图9为图8中的垂直运动机构的结构剖视图；

图10为依照本发明的一种高精度运动部件的结构立体图。

具体实施方式

图10为本发明所述高精度运动部件的结构立体图。参照图10，本发明的高精度运动部件包括承片台10、顶板20、托板30、垂直升降机构40、旋转驱动机构50和顶针顶出机构60，承片台10、旋转驱动机构5和顶针机构固定于托板30上，承片台10的下部连接有圆柱形的顶针顶出机构60的外套607，外套607与托板30转动连接，旋转机构50固定在托板30上，和顶板20位于托板30的下方，垂直升降机构40一部分设置于顶板上，另一部分设置于托板30上。

图8为本发明所述垂直升降机构40的示意图，图9为其剖视图。参照图8、9，垂直升降机构40包括电机401、滚珠丝杠402、螺母403、导柱404、导轨安装座405、导轨406、滑块安装座407和滑块408，滚珠丝杠402从顶板20中间穿过，螺母403套在滚珠丝杠402上，导柱404与螺母403固定连接，导柱404上部与托板30连接，滚珠丝杠下部连接有电机401，导轨406位于导轨安装座405上，导轨安装座405上部与顶板20相连，滑块安装座407上部与托板30相连用以安装滑块471，滑块471固连于滑块安装座的一侧并与导轨滑动连接。电机401通过电机固定座411固定于导轨安装座405的底部，通过联轴器408与滚珠丝杆402相联；滚珠丝杆从导轨安装座405的底部穿入，其有丝的一段与导柱404通过螺母403相配合。可以在滚珠丝杆无私的一段与导轨安装座之间设置固定段支撑件481，并在固定段支撑件481内设置轴承，从而可以使滚珠丝杆得到有效支撑，并令滚珠丝杆，继而导柱的运动更平稳。

为了进一步加强导柱运动的平稳性，可以在导柱与导轨安装座之间设置滚珠滑套409，从而保证导柱相对导轨安装座竖直运动的平稳性、顺滑性。

在垂直升降机构40的运动中，顶板20固定不动，在电机的驱动下401，滚珠丝杆402带动螺母403沿丝杆运动，从而带动导柱404，进而带动与导柱固连的托板30相对顶板20运动，由于托板还同滑块连接座407固连，而顶板还与导轨安装接405座固连，因此，滑块会在导轨内滑动，保证了托板相对顶板运动的直线度。通过控制电机的正转与反转可以控制顶板与托板的相对上、下运动。

图6为本发明所述旋转驱动机构50的示意图，图7为其剖视图。参照图6、7，旋转机构包括驱动电机501、滚珠丝杠502、螺母503、销轴504、球面轴承505和顶针外套连接座506，滚珠丝杠502水平放置并且一端通过联轴器511与驱动电机501相连，并因此可以同驱动电机一同旋转，可以在滚珠丝杆的无丝段与联轴器之间设置支撑件508，并在支撑件内设置轴承，以保证滚珠丝杆更平稳的转动，从而提高运动精度，滚珠丝杆的另一端配合一个轴承座509；螺母503套在滚珠丝杠502上，销轴504一端垂直固连于螺母503上，销轴的另一端通过滚动滑套507与球面轴承505相连，球面轴承505设置于连接座506的台阶孔561内，连接座与顶针顶出机构的外套相固连。

旋转驱动机构50由驱动电机驱动，驱动电机501带动滚珠丝杆502做旋转运动，滚珠丝杆的旋转运动带动螺母503沿滚珠丝杆作直线运动，由于销轴504是与螺母固连的，因此销轴也在螺母的带动下做直线运动，由于顶针外套连接座506与顶针顶出机构的外套的固连的，因此，在销轴504与顶针顶出机构外套直线距离最近时，球面轴承505带动滚珠导套507相对销轴运动至最低点；随着销轴与顶针顶出机构外套直线距离的加大(向两个方向的任意一个方向)，轴承会带动滚珠导套上移，并这距离的加大，滚珠导套逐渐上移，直到销轴与顶针顶出机构外套间的直线距离达到最大时，球面轴承带动滚珠导套相对销轴运动至最高点。

在配合球面轴承时，应注意轴承座与顶针外套连接座台阶孔的台阶不留有间隙。

图3、4为本发明所述顶针机构的示意图。参照图3和图4，所述顶针顶出机构包括内套601，沿内套的周向设置有多个凸轮槽612，在本实施例中为三个，图中示出了一个，其余两个与图中示出的凸轮槽呈120度设置，凸轮槽612具有水平槽部613和与水平槽部呈一定角度向上延伸的斜槽部614；芯轴602与内套601同心设置且固连于内套，其上部可旋转的连接一个顶针安装座603；沿顶针安装座的周向固连有多个顶针升降销轴604，其数量应该与凸轮槽612的数量相对应，因此，在本例中也为三个，每个顶针升降销轴604分别通过第一滚动轴承641滚动配合于凸轮槽612内；在顶针安装座向上的侧面固连有多个顶针605，顶针的树木依照要求而定，一般为三根；在顶针安装座向下的侧面与内套601的底面之间的一段芯轴上穿接有弹簧606。如上面所提到的，顶针顶出机构还包括外套607，外套与内套同心设置，可相对内套旋转，上部与承片台固连，侧壁具有与所述多个凸轮槽高度、位置相对应的直槽671，参见图5；所述多个顶针升降销轴分别通过第二滚动轴承672配合于所述直槽内。

为了保证顶针连接座转动的灵活性，可以在顶针连接座与弹簧之间设置平面轴承608，其中，依靠弹簧的恢复力使平面轴承紧靠在顶针安装座向下的侧面上。平面轴承的设置可令顶针安装座的运动更加平滑。

当所述外套相对内套转动时，直槽会带动顶针升降销轴沿内套的凸轮槽运动，顶针升降销轴在各自的凸轮槽内首先沿凸轮槽的水平槽部运动，继而沿凸轮槽的斜槽部运动，在沿斜槽部的运动过程中，顶针升降销轴会带动与其固连的顶针安装座先转动一个角度，继而一边转动一边向上运动，并在这个过程中带动顶针向上运动。

顶针可以有两部分组成，位于下部的主体部分可采用45号钢，保证其有足够的刚性，上部采用ABS工程塑料，保证与芯片接触时有韧性且绝缘性能好。

本发明的高精度运动部件承载晶圆片，可实现上下，旋转运动，配合测试装置完成晶圆片的测试，顶针顶出机构配合上下机械手完成芯片的上下装载。升降机构具有较大的行程，并具有很高的位移精度。旋转机构实现承片台±5℃旋转，完成芯片自动对准的要求，承片台的旋转运动是芯片自动找正的关键。顶针机构设计巧妙，与旋转机构配合完成顶针的升降。

Claims (5)

1.一种顶针顶出机构，其特征在于：包括

内套，沿内套的周向设置有多个凸轮槽，所述凸轮槽具有水平槽部和与水平槽部呈一定角度向上延伸的斜槽部；

芯轴，与内套同心设置，且固连于内套；

顶针安装座，可旋转的联接于芯轴；

多个顶针升降销轴，沿周向固连于顶针安装座，与凸轮槽相对应，分别通过第一滚动轴承配合于凸轮槽内；

多个顶针，固连于顶针安装座向上的侧面；

弹簧，穿接于芯轴上，顶针安装座向下的侧面与内套底面之间；以及

外套，与内套同心设置，可相对内套旋转，具有与所述多个凸轮槽高度相对应的直槽，所述多个顶针升降销轴分别通过第二滚动轴承配合于所述直槽内。

2.根据权利要求1所述的顶针顶出机构，其特征在于：在所述顶针安装座的向下的侧面与弹簧之间设有平面轴承，其中，依靠弹簧的恢复力使平面轴承紧靠在顶针安装座向下的侧面上；平面轴承的设置令顶针安装座的运动更加平滑。

3.一种高精度运动部件，用于自动探针台，包括一个垂直运动机构，所述垂直运动机构驱动一个托板相对位于托板下方的顶板沿竖直方向运动，托板上固连有一个旋转驱动机构，和由旋转驱动机构驱动转动的顶针顶出机构，所述顶针顶出机构上设有承片台；其特征在于：所述顶针顶出机构包括：

内套，沿内套的周向设置有多个凸轮槽，所述凸轮槽具有水平槽部和与水平槽部呈一定角度向上延伸的斜槽部；

芯轴，与内套同心设置，且固连于内套；

顶针安装座，可旋转的联接于芯轴；

多个顶针升降销轴，沿周向固连于顶针安装座，与凸轮槽相对应，分别通过第一滚动轴承配合于凸轮槽内；

多个顶针，固连于顶针安装座向上的侧面；

弹簧，穿接于芯轴上，顶针安装座向下的侧面与内套底面之间；以及， 

外套，与内套同心设置，能相对内套旋转，具有与所述多个凸轮槽高度相对应的直槽，所述多个顶针升降销轴分别通过第二滚动轴承配合于所述直槽内。

4.根据权利要求3所述的高精度运动部件，其特征在于：所述旋转驱动机构包括：

旋转驱动机构安装架；

驱动电机，固定于旋转驱动机构安装架，通过输出轴提供驱动动力；

滚珠丝杆，一端与驱动电机的输出轴耦合，另一端配合于轴承，从而实现与输出轴的联动；

螺母，配合于滚珠丝杆上，能够沿滚珠丝杆做直线运动；

销轴，固连于螺母，竖直设置；

滚珠导套，配合于销轴上，能够沿销轴上下运动；以及，

顶针外套连接座，中部有孔，通过该孔利用一个球面轴承配合于滚珠导套，在一侧具有与顶针外套相配合的配合部。

5.根据权利要求3所述的高精度运动部件，其特征在于：所述垂直运动机构包括导轨安装座，顶部固连于所述顶板，侧部设置至少一个导轨；

至少一个滑块安装座，顶部固连于所述托板，分别在侧部固连有滑块，滑块能够在导轨内滑动；

导柱，设置于导轨安装座内部，与导轨安装座通过一个滚珠滑套相配合，其顶部固连于托板；以及

丝杠螺母机构，包括丝杆和螺母，其中丝杠一端与电机轴连，由电机带动旋转，螺母固连于导柱的下部。 

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