CN115055958B - 一种用于植针的自动纠偏系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于植针的自动纠偏系统，属于半导体测试及装备技术领域，包括探针图像获取部件、垂直运动轴和核心纠偏机构，核心纠偏机构包括依次连接的正交偏移调节组件、三向偏转调节组件、电子陀螺仪、驱动夹爪和夹爪头，驱动夹爪用于带动夹爪头对探针进行夹取，探针图像获取部件用于获取所述探针的图像，图像用于计算探针在水平面内的偏折角度，电子陀螺仪用于获取探针在垂直面内的偏折角度，三向偏转调节组件用于根据探针在水平面内的偏折角度和垂直面内的偏折角度对探针进行三个旋转方向的偏折角度调节，正交偏移调节组件用于在探针的偏折角度调节后进行水平面内的位移调节。通过本申请提高了植针过程的精度和加工良率。

Description

一种用于植针的自动纠偏系统

技术领域

本申请涉及半导体测试及装备技术领域，尤其涉及一种用于植针的自动纠偏系统。

背景技术

植针是高密度垂直探针卡组装的核心工序之一，目前主要由人工完成。由于高密度垂直探针卡使用的探针都非常微小，直径在30μm 到50μm 之间，工人需长时间在光学显微镜下进行极高精度的手工操作。由于探针数量多，工人需要长时间保持极高专注状态，其效率和良品率都难以提高，且受工人熟练度、状态等额外因素影响较大，由此带来的废针甚至废卡几率很高，造成较大成本损失。

因此已有厂家着力研发自动植针设备，但受限于机械制造工艺，整个自动植针的动作只是沿着导轨传输方向运行，而高密度垂直探针卡的针孔配合误差仅有±2μm，只要探针在植针过程中有任何微小的角度波动（任何导轨传动都存在偏转角、俯仰角、旋转角的波动）或者初始角度不能保证垂直，都会随着植针行程增加使水平偏移位移变大，从而造成针孔摩擦进而使探针失去部分机械性能，甚至发生探针之间的短路，载流变小等重大故障，因此其良率也很难提高，返修成本大大增加。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种用于植针的自动纠偏系统，该系统能自动补偿导轨传动及安装精度不足带来的位置度、垂直度偏差，使高密度垂直探针卡探针组装的植针部分能够高效率、高良品率地实现自动化作业。

本申请实施例提供一种用于植针的自动纠偏系统，包括探针图像获取部件、垂直运动轴及安装在所述垂直运动轴上的核心纠偏机构，所述核心纠偏机构包括依次连接的正交偏移调节组件、三向偏转调节组件、电子陀螺仪、驱动夹爪和夹爪头，所述驱动夹爪用于带动所述夹爪头对所述探针进行夹取，所述探针图像获取部件用于获取所述探针的图像，所述图像用于计算探针在水平面内的偏折角度，所述电子陀螺仪用于获取探针在垂直面内的偏折角度，所述三向偏转调节组件用于根据所述探针在水平面内的偏折角度和垂直面内的偏折角度对所述探针进行三个旋转方向的偏折角度调节，所述正交偏移调节组件用于在所述探针的偏折角度调节后进行水平面内的位移调节。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述夹爪头包括对称设置的第一夹爪头和第二夹爪头，所述第一夹爪头和所述第二夹爪头分别固定在所述驱动夹爪上，且所述第一夹爪头和所述第二夹爪头中的一个为活动设置，另一个为固定设置。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述驱动夹爪包括：

第一过渡板，与所述三向偏转调节组件的下侧连接；

导向机构，与所述第一过渡板的下侧连接；

活动臂，与所述导向机构远离所述第一过渡板的一侧连接，所述活动臂远离所述导向机构的一端连接所述第一夹爪头；

固定座，与所述第一过渡板连接，且位于所述导向机构的轴向的一侧，所述固定座远离所述第一过渡板的一端连接所述第二夹爪头；

电动执行机构，设置于所述固定座上，并对所述活动臂提供驱动力使所述活动臂沿所述导向机构移动。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述导向机构的轴向的另一侧设置有限位挡块，所述限位挡块对所述活动臂的移动进行限位。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述导向机构包括导轨和沿所述导轨滑动的滑块，所述导轨与所述第一过渡板连接，所述滑块与所述活动臂连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述电子陀螺仪内嵌于所述第一过渡板上，所述电子陀螺仪的水平双方向的偏摆角分辨率小于等于0.01°。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述三向偏转调节组件包括从上到下依次连接的水平Y方向偏转角转动件、水平X方向偏转角转动件和垂直轴自旋转件。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述垂直运动轴、正交偏移调节组件、三向偏转调节组件和所述驱动夹爪采用全电动伺服光栅反馈。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述探针图像获取部件包括第一工业相机和第二工业相机，所述第一工业相机和所述第二工业相机在水平正交方向进行布局。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述核心纠偏机构还包括固定板，所述固定板的下方连接所述正交偏移调节组件，所述核心纠偏机构通过所述固定板与所述垂直运动轴连接，所述垂直运动轴带动所述核心纠偏机构进行上下移动。

有益效果

本申请实施例中的用于植针的自动纠偏系统，应用三向偏转调节组件和电子陀螺仪实现了探针垂直性的动态补偿，同时应用正交偏移调节组件完成对因角度补偿而产生的的水平位移变化进行二次补偿，大大降低了对运动轴导轨自身偏转、俯仰、旋转精度和安装精度的依赖性，使自动植针设备的设计制造难度大幅降低；

本申请的纠偏系统应用的陶瓷夹爪头使用陶瓷材料加工而成，作为机构唯一易损件，其加工精度良率高，生产成本相对低廉，因此长期使用费用低，更兼具陶瓷材料无需消磁处理的特性，对金属探针极其友好；

本申请的纠偏系统可自动化完成植针过程而无需人工参与，其重复性和可靠性大大提高；

本申请的纠偏系统只需少量的外部开关量信号交互即可整合至外部系统，具有很好的兼容性和通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为根据本发明一实施例的用于植针的自动纠偏系统的结构图；

图2为根据本发明一实施例的核心纠偏机构的结构图；

图3为根据本发明一实施例的驱动夹爪的结构图；

图4为根据本发明一实施例的三项偏转调节组件的结构图；

图5为根据本发明一实施例的电子陀螺仪的安装结构图；

图6为根据本发明一实施例的用于植针的自动纠偏系统的工作方法流程图。

图中：1、垂直运动轴；2、核心纠偏机构；3、探针图像获取部件；3a、第一工业相机；3b、第二工业相机；4、固定板；5、正交偏移调节组件；6、第二过渡板；7、三向偏转调节组件；8、第一过渡板；9、驱动夹爪；10、夹爪头；11、水平Y方向偏转角转动件；12、水平X方向偏转角转动件；13、垂直轴自旋转件；14、电子陀螺仪；15、导向机构；16、限位挡块；17、活动臂；18、第一夹爪头；19、第二夹爪头；20、电动执行机构；21、固定座。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供了一种用于植针的自动纠偏系统，用于在植针过程中使探针保持垂直状态，对探针的偏转进行纠偏的系统，下面参照附图进行详细描述。

本实施例提供一种用于植针的自动纠偏系统，整体结构参照图1，包括探针图像获取部件3、垂直运动轴1及安装在所述垂直运动轴1上的核心纠偏机构2，垂直运动轴1带动核心纠偏机构2进行整体的上提和下移，由全电动伺服光栅反馈垂直运动轴1，可进行±2μm的高度定位，使核心纠偏机构2 具有极佳的高度位置重复性。探针图像获取部件3位于核心纠偏机构2的下侧，所述探针图像获取部件3包括第一工业相机3a和第二工业相机3b，所述第一工业相机3a和所述第二工业相机3b在水平正交方向进行布局，用于对探针进行拍照，获取探针的图像，根据获取的图像可计算出探针在水平面内的偏折角度。具体计算过程由相应的测控系统进行完成。

所述核心纠偏机构2包括依次连接的正交偏移调节组件5、三向偏转调节组件7、电子陀螺仪14、驱动夹爪9和夹爪头10，参照图2，所述驱动夹爪9用于带动所述夹爪头10对所述探针进行夹取，探针图像获取部件3对夹取后的探针进行拍照获得图像，所述电子陀螺仪14用于获取探针在垂直面内的偏折角度，所述三向偏转调节组件7用于根据所述探针在水平面内的偏折角度和垂直面内的偏折角度对所述探针进行三个旋转方向的偏折角度调节，所述正交偏移调节组件5用于在所述探针的偏折角度调节后进行水平面内的位移调节。

正交偏移调节组件5为全电动伺服光栅反馈，正交偏移调节组件5可进行水平双方向的±1μm精度调节。

在一个实施例中，所述夹爪头10包括对称设置的第一夹爪头18和第二夹爪头19，参照图3，所述第一夹爪头18和所述第二夹爪头19分别固定在所述驱动夹爪9上，且所述第一夹爪头18和所述第二夹爪头19中的一个为活动设置，另一个为固定设置，驱动夹爪9可带动活动设置的夹爪头进行移动移动，另一个夹爪头固定不动，利用第一夹爪头18和第二夹爪头19的张开状态对探针进行夹取。

在一个实施例中，第一夹爪头18和第二夹爪头19均设置为陶瓷夹爪头，经由高精度研磨机加工，使得两个夹持平面的平面度小于5μm，且重合度极高，避免夹持探针受力不均匀。

本实施例中对所述驱动夹爪9进行进一步限定，参照图3，驱动夹爪9主要包括第一过渡板8、导向机构15、活动臂17、固定座21和电动执行机构20，第一过渡板8与所述三向偏转调节组件7的下侧连接，通过第一过渡板8使驱动夹爪9与三向偏转调节组件7相连。导向机构15与所述第一过渡板8的下侧连接，在本实施例中，导向机构15设置为沿直线方向进行导向的结构，活动臂17与所述导向机构15远离所述第一过渡板8的一侧连接，所述活动臂17远离所述导向机构15的一端连接所述第一夹爪头18，即第一夹爪头18设置为在活动臂17的带动下可沿导向机构15进行移动的结构。固定座21与所述第一过渡板8连接，且位于所述导向机构15的轴向的一侧，即在导向机构15的直线方向的一侧固定连接有固定座21，所述固定座21远离所述第一过渡板8的一端连接所述第二夹爪头19。电动执行机构20设置于所述固定座21上，并对所述活动臂17提供驱动力使所述活动臂17沿所述导向机构15移动，电动执行机构20可进行±1μm 调节，且有电流反馈检测负载情况。驱动夹爪9为全电动伺服光栅反馈，可进行±1μm调节，且有电流反馈检测负载情况。

进一步的，所述导向机构15包括导轨和沿所述导轨滑动的滑块，所述导轨与所述第一过渡板8连接，所述滑块与所述活动臂17连接。电动执行机构20的运动机构与活动臂17连接，可带动活动臂17沿着导轨进行移动。

进一步的，所述导向机构15的轴向的另一侧设置有限位挡块16，所述限位挡块16对所述活动臂17的移动进行限位。

在上述实施例中，第一过渡板8作为整体结构的安装基准板，第二夹爪头19和电动执行机构20都安装在固定座21上，固定座21安装在第一过渡板8上，以此构成固定端；第一夹爪头18安装在活动臂17上，活动臂17与电动执行机构20的运动机构相连并安装在导向机构15上，以此构成活动端。第一夹爪头18和第二夹爪头19在安装时可借助探针图像获取部件3进行图像抓取，通过分析两个夹爪头的闭合状态保证其极高的重合度。

在一个实施例中，参照图4，所述三向偏转调节组件7包括从上到下依次连接的水平Y方向偏转角转动件11、水平X方向偏转角转动件12和垂直轴自旋转件13，三向偏转调节组件7为叠加模组，各运动轴可独立动作互不干涉。三向偏转调节组件7为全电动伺服光栅反馈，三向偏转调节组件7可进行三个旋转方向上±5arcsec精度调节，由于三向偏转调节组件7设置了垂直轴旋转角调节，方便适应不同垂直轴旋转角的指针需求。

在一个实施例中，参照图5，第一过渡板8中央挖孔内嵌电子陀螺仪14，并用环氧树脂胶水固化，保证实时反馈驱动夹爪9和夹爪头10的水平双方向偏摆角度状态，所述电子陀螺仪14的水平双方向的偏摆角分辨率小于等于0.01°。

为了使连接方便，所述核心纠偏机构2还包括固定板4，所述固定板4的下方连接所述正交偏移调节组件5，所述核心纠偏机构2通过所述固定板4与所述垂直运动轴1连接，所述垂直运动轴1带动所述核心纠偏机构2进行上下移动。

使用时，在初始位置还需要使用水平正交分布的第一工业相机3a 和第二工业相机3b 进行初始位置测量，由此建立纠偏系统的纠偏参考系，所有的测量和控制都由对应的测控系统完成。配套的测控系统设计时使用通用的电动伺服驱动器进行控制，考虑精度问题配备不同精度等级的光栅进行全闭环反馈（这一步是伺服驱动器自己支持的）。考虑到纠偏的实时性，系统采样频率控制在100Hz，补偿调节频率控制在50Hz。电子陀螺仪精度定在0.01°，因为若垂直存在0.01°的角度偏差，植针行程每增加1mm，水平偏移为0.17μm，满足＜10mm 级别的植针行程需求。

下面对本申请的用于植针的自动纠偏系统的工作方法进行详细介绍，参照图6，包括以下步骤：

步骤a、夹爪头10张开，探针料盘送来时，机构整体下移，此时陶瓷夹爪头10处于探针的两侧执行夹持，然后机构整体上升至取针初始位置（拍摄位置）；

步骤b、双向工业相机（第一工业相机3a和第二工业相机3b）拍摄探针照片，计算探针双向偏折角度；

步骤c、三向偏转调节组件7根据步骤b获得的双向偏折角度进行偏折角度补偿，使探针垂直，并记录电子陀螺仪14当前水平双向角度作为垂直状态的初始角度；

步骤d、植针基板送料时，机构整体下移植针，实时监测电子陀螺仪14反馈，只要发现水平双向角度偏离初始角度，即驱动三向偏转调节组件7根据电子陀螺仪14测量值动态补偿垂直角度，使电子陀螺仪14当前双向角度一直维持在初始角度，并综合偏转调节的角度，驱动正交偏移调节组件5同步动态补偿角度变化带来的水平位移使植针位置（垂直投影位置）保持不变；

步骤e、植针行程完成，松开夹爪头10，机构整体上升复位，各运动轴复位至初始位置。

若植针未结束，则重复进行以上步骤，直至植针完成。

可见整个纠偏系统只需预留和外部系统沟通所需的探针送料到位（输入）、探针夹持结束（输出）、植针基板到位（输入）和植针结束（输出）四个开关量信号接口即可整合至更大的流水线控制系统中作为独立的子系统运行，具有可兼容性和通用性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，包括探针图像获取部件、垂直运动轴及安装在所述垂直运动轴上的核心纠偏机构，所述核心纠偏机构包括依次连接的正交偏移调节组件、三向偏转调节组件、电子陀螺仪、驱动夹爪和夹爪头，所述驱动夹爪用于带动所述夹爪头对所述探针进行夹取，所述探针图像获取部件用于获取所述探针的图像，所述图像用于计算探针在水平面内的偏折角度，所述电子陀螺仪用于获取探针在垂直面内的偏折角度，所述三向偏转调节组件用于根据所述探针在水平面内的偏折角度和垂直面内的偏折角度对所述探针进行三个旋转方向的偏折角度调节，所述正交偏移调节组件用于在所述探针的偏折角度调节后进行水平面内的位移调节。

2.根据权利要求1所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述夹爪头包括对称设置的第一夹爪头和第二夹爪头，所述第一夹爪头和所述第二夹爪头分别固定在所述驱动夹爪上，且所述第一夹爪头和所述第二夹爪头中的一个为活动设置，另一个为固定设置。

3.根据权利要求2所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述驱动夹爪包括：

第一过渡板，与所述三向偏转调节组件的下侧连接；

导向机构，与所述第一过渡板的下侧连接；

活动臂，与所述导向机构远离所述第一过渡板的一侧连接，所述活动臂远离所述导向机构的一端连接所述第一夹爪头；

固定座，与所述第一过渡板连接，且位于所述导向机构的轴向的一侧，所述固定座远离所述第一过渡板的一端连接所述第二夹爪头；

电动执行机构，设置于所述固定座上，并对所述活动臂提供驱动力使所述活动臂沿所述导向机构移动。

4.根据权利要求3所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述导向机构的轴向的另一侧设置有限位挡块，所述限位挡块对所述活动臂的移动进行限位。

5.根据权利要求3所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述导向机构包括导轨和沿所述导轨滑动的滑块，所述导轨与所述第一过渡板连接，所述滑块与所述活动臂连接。

6.根据权利要求3所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述电子陀螺仪内嵌于所述第一过渡板上，所述电子陀螺仪的水平双方向的偏摆角分辨率小于等于0.01°。

7.根据权利要求1所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述三向偏转调节组件包括从上到下依次连接的水平Y方向偏转角转动件、水平X方向偏转角转动件和垂直轴自旋转件。

8.根据权利要求1所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述垂直运动轴、正交偏移调节组件、三向偏转调节组件和所述驱动夹爪采用全电动伺服光栅反馈。

9.根据权利要求1所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述探针图像获取部件包括第一工业相机和第二工业相机，所述第一工业相机和所述第二工业相机在水平正交方向进行布局。

10.根据权利要求1所述的用于植针的自动纠偏系统，其特征在于，所述核心纠偏机构还包括固定板，所述固定板的下方连接所述正交偏移调节组件，所述核心纠偏机构通过所述固定板与所述垂直运动轴连接，所述垂直运动轴带动所述核心纠偏机构进行上下移动。

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