毕业论文---手动探针台的设计及应用

1、邢台职业技术学院毕业论文引 言手动探针台的主要用途是为半导体芯片的电参数测试提供一个测试平台，探针台可吸附多种规格的芯片，并提供多个可调测试针及探卡测试针台座,配合测量仪器可完成集成电路的电压、电流、电阻以及电容电压特性曲线等参数检测,。适用于对芯片进行科研分析，抽查测试等用途。第1章 手动探针台的组成 1.1 运动部分 运动部分采用精密级直线导轨及滚珠丝杠控制xy向运动,滚珠丝杠具有驱动力矩小,精度高,运动可逆性,以及高效率的特点,在类似于集成电路,芯片等微小部件的检测设备上具有很强的实用性。利用千分尺,梯形丝杠,控制z向升降,以及精密级的角度旋转台来控制向的旋转。 图1.1 滚珠丝杠副 1

2、.2 检测部分 检测部分主要包括双筒体式显微镜,三位探针座,钨钢探针,打点器,测试仪,吸片盘等。在这里介绍一下体视显微镜。 体视显微镜又称“实体显微镜” 、“立体显微镜”或称“操作和解剖显微镜”，是一种具有正像立体感地目视仪器，被广泛地应用于生物学、医学、农林、工业及海洋生物各部门。它具有如下地特点： 1.双目镜筒中的左右两光束不是平行，而是具有一定的夹角体视角（一般为12度-15度），因此成像具有三维立体感。 2.像是直立的，便于操作和解剖，这是由于在目镜下方的棱镜把像倒转过来的缘故。 图1.2 体式显微镜 3.虽然放大率不如常规显微镜，但其工作距离很长。4.焦深大，便于观察被检物体的全层。

3、 5.视场直径大。 目前体视镜的光学结构是：由一个共用的初级物镜，对物体成像后的两光束被两组中间物镜变焦镜分开，并成一体视角再经各自的目镜成像，它的倍率变化是由改变中间镜组之间的距离而获得的，因此又称为“连续变倍体视显微镜”（zoomstereo microscope）。随着应用的要求，目前体视镜可选配丰富的选购附件，如荧光、照相、摄像、冷光源等等。三位探针座体(如图1.3)可进行x,y,z三个方向的运动,将钨钢探针装在其针臂上,再配合工作台的移动,即可对硅片进行检测。吸片盘采用真空吸附方式,吸附压力100kpa左右,可吸附 3、4、6吋的硅片进行检测,真空吸附可使硅片与吸片盘紧密连接,导电性

4、 图1.3 三位探针座体较好，有利于检测。打点器与测试仪相配合使用,测试仪主要检测芯片的各项参数,不合格者均用打点器做上标记。1.3 机械支撑部分机械支撑部分包括底座, kastn30-310支柱,直线轴承、支撑台板、显微镜支撑架,机械支撑部分构成了设备的主要框架,起到了支撑,固定,导向的作用。探针台的z向运动是直线轴承是与淬火直线传动轴配合使用。直线轴承的负荷滚珠与导向轴之间是点接触,所以容许载荷较小， 但在直线运动时摩擦阻力最小，精度高，运动快捷,所以在精密仪器中或负载不是很大时还是采用较多的。1.4 外壳 外壳材料选用q235,加工过程采用数控激光切割机进行下料，激光切割是将激光束照射到

5、材料表面，使材料融化并蒸发。由于激光切割能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。激光切割的明显优点就是切口小，精度高，速度快！图1.4和表1.1为探针台的三维模型外观图及主要技术参数。 图1.4 手动探针台外形图 表1.1 手动探针台技术参数项 目性能指标备注可测圆片尺寸3、4、6工作台行程160mm160mm结构精密直线导轨，滚珠丝杠操作方式手轮z向升降行程0.5mm1.0mm可选粗调范围20mm百分表调节升降方式右侧手柄向粗调范围360 手柄微调范围10 微调丝杠吸片盘吸片方式

6、真空吸附镀金盘分档3、4、6三档可选探针安装方式探卡和分离式探针兼容卡盘探卡使用可调宽度4.5-5.5观察装置显微镜双目体视显微镜，配10倍目镜，放大倍数7.5x45x20倍目镜可选照明灯环形荧光灯管led灯可选相关配件打点器线包dc24v测试探针高弹性钨针三维调节座可调范围：x: 6.5mm, y: 6.5mm，z: 6.5mm外形尺寸（长宽高）420mm460mm500mm重量：约25第2章 手动探针台主要零部件的工艺及装配2.1 底座 1.底座技术要求底座是手动探针台的基础零件，它将探针台中的x向，y向，z向的运动零件连接成一个整体，使之能发挥正常的作用，并保证各个零件的相对正确位置，以

7、保证探针台在新片检测中能发挥其正常的作用，所以底座的加工质量直接影响探针台的性能，精度和寿命！底座的技术主要包括以下几方面:安装面的表面粗糙度。各螺纹孔的位置精度以及与表面的位置精度。上下表面的平行度以及上表面的平面度。各尺寸的精度。底座的主要加工内容有各个台阶面，圆孔，螺纹孔，上下表面，需保证的精度主要有上下表面平行度，各尺寸链精度，螺纹孔位置精度等，由于此零件结构较复杂，加工精度要求较高，表面粗糙度要求较高，不适宜进行多次装夹，且批量较小，所以选用数控加工中心进行加工。2.毛坯 毛坯采用铸造成型。底座毛坯选用2024合金,国内名称为ly12.,俗称硬铝, 该材料强度高,重量轻，有一定的耐热

8、性，可用作150c以下的工作零件。温度高于125c，2024合金的强度比7075合金的还高。热状态、退火和新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，但热处理工艺要求严格。抗蚀性较差，但用纯铝包覆可以得到有效保护;焊接时易产生裂纹，但采用特殊工艺可以焊接，也可以铆接。广泛用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他各种结构件。3.夹具分两次装夹，选用虎钳装夹。4.加工刀具的选择底座上下表面加工面积较大，表面粗糙度要求ra1.6，选用直径160mm的高速钢盘铣刀，此外还需相应直径的麻花钻。5.工艺路线铸造毛坯-时效处理-粗铣-热处理(调质处理)-钻孔-精铣-攻丝-喷塑-氧化黑。 图2.1

9、 底座图纸2.2 支撑台板 图2.2 支撑台板图纸1.支撑台板为探针台的主要零件，支撑台板是体现z向运动的零件，在支撑台板上需固定探卡压盘，三维探针座，打点器，打点器开关，千分尺，直线轴承等零件。支撑台板的技术要求有以下几点：孔径的精度。支撑台板需安装直线轴承，与导向轴配合组成无限直线运动副，以完成z向运动，因此对孔的尺寸精度要求较高，公差等级为it6，孔的形状精度控制在尺寸范围公差范围内即可。轴承安装孔位置精度。轴承孔德位置安装精度要求it6，若两轴承安装孔间的位置偏差较大，会造成z向移动不顺畅，轴承磨损加快，导向轴磨损加快。轴承安装孔的表面粗糙度要求控制在ra1.6以下。各圆周表面的位置精

10、度，以及各螺纹孔的位置精度。平面的表面粗糙度ra3.2以上。2.支撑台板的毛坯与底座相同，均选用2024铝合金，铸造成型。3.支撑台板具有多个台阶面、沉孔，各个表面要求较高的表面粗糙度及位置精度，特别是轴承安装孔位置精度以及尺寸精度要求均较高，所以应选用加工中心加工。4.支撑台板进行加工时应进行两次装夹，选用虎钳和压板。5.工艺路线铸造毛坯-时效处理-粗铣上下表面-热处理-精铣上下表面-铣台阶面-钻削直线轴承安装孔-钻削螺纹底孔-攻丝-喷塑。喷塑是一种将塑料粉末喷涂在零件上的一种表面处理方法。喷塑涂层外观质量优异，附着力及机械强度强；喷涂施工固化时间短，涂层耐腐耐磨能力高出很多，且不会出现喷漆

11、中常有的流淌现象。对环境无破坏，是一中新型的环保型着色工艺。2.3 真空吸片盘 真空吸片盘（如图2.3所示）是工作台的重要组成部分，负责承载被检测的硅片，并通过真空泵将硅片吸附在吸片盘上，吸片盘内部需要有真空通气孔，表面则有相应的沟槽，与硅片一起构成一个真空环境！真空吸附具有一定的吸附力，可以减少硅片与吸片盘之间的电阻。图2.3 真空吸片盘图纸1.真空吸片盘的工艺分析真空吸片盘为盘零件，直径较大，厚度较薄，检测表面的表面粗糙度要求较高，内部真空孔复杂。吸片盘的技术要求主要有以下几点：材料的耐磨性，耐腐蚀性应较高。上下表面的表面粗糙度应在ra1.6以上。保证与旋转台对应固定的螺纹孔的位置精度要高

12、。保证上下表面的平行度。2.毛坯真空吸片盘采用不锈钢锻件毛坯。不锈钢具有良好的耐腐蚀性，耐磨性，所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造。在工厂的实际生产中，硅片的检测数量是非常大的，所以对真空吸片盘的磨损是非常严重的，所以吸片盘的材料必须具有较高的耐磨性。为了增加吸片盘的导电性，需在吸片盘上镀金。3.吸片盘选用数控加工中心加工。吸片盘的工序较集中，一次装夹可完成大部分工序，且能保证加工精度与技术要求。4.吸片盘为圆形薄盘类零件且需要在加工中心上铣出外圆，应采用电磁强力吸盘作为夹具。5.工艺流程锻造毛坯-粗铣-热处理（调质处理）-

13、精铣-铣削真空槽-钻削螺纹底孔-攻丝-镀金。2.4 滚珠丝杠副手动探针台测试的集成电路体积微小，最大为2.5mm2.5mm，所以选用的运动部件必须精度高，驱动力矩较小，滚珠丝杠副无疑是最佳选择。1.滚珠丝杠副的工艺分析滚珠丝杠既有轴类零件的加工特点，又具有一定的特殊性，滚珠丝杠是通过丝杠螺母副将旋转运动转换成执行原件的直线运动的，它不仅需要一定的转矩而且需要准确的传递运动。滚珠丝杠副具有传动效率高、定位精度高、传动可逆性、 使用寿命长、同步性能好等诸多优点，适用于需要精密传动的仪器设备，所以制造滚珠丝杠副的过程中以及对滚珠丝杠毛坯材料的选择都有较高的要求。 图2.4 滚珠丝杠副2.滚珠丝杠副的

14、精度滚珠丝杠副的精度等级分为六级，精密仪器一般选用五级精度的滚珠丝杠副。3.滚珠丝杠副的材料丝杆属于细而长的挠性轴，其长径比（l/d）很大，一般为2030，刚性差，加工中容易出现变形。因此，在选择丝杠选择材料时，因该注意以下几点：丝杠材料要有足够的强度，以保证传递一定的动力。金相组织要有较高的稳定性，以保证丝杠在长期的使用中不散失原有的精度。具有良好的热处理工艺行（淬透性好、热处理变形小、不易产生裂纹、）并能获得较高的硬度、良好的耐磨性。应有良好的加工性，易切削，不易发生粘刀或啃刀。综合上述条件，选择9mn2v。4.丝杠加工工艺特点分析丝杠加工中，中心孔是定位基准，但由于丝杠是柔性件，刚性很差

15、，加工时还需要增加辅助支撑，将外圆表面与跟刀架相接处，防止因切削力造成的工件弯曲变形。为了消除残余应力，整个工艺过程应安排多次热处理，还应注意机械加工和热处理后，不准进行冷校直，以防止产生残余应力。为了消除加工过程中的变形，每次加工后，工件应垂直吊放，并采用留加工余量分层加工的方法，经过多道工序逐渐消除加工过程中引起的变形。为了保证质量，还应进行磁性探伤。探针台上的滚珠丝杠为精密淬硬丝杠，应采用全磨的加工方案，即光杠经热处理后不进行车削螺纹，螺纹全部磨削而成。考虑到加工中产生的弯曲和残余应力，磨削螺纹分为粗磨、半粗磨、和精磨多道工序完成，每道工序去除很少的余量，同时切削用量逐渐减少，这样不但可

16、以逐渐减小切削力好残余应力，还可以减小加工的误差复映，提高加工精度，且最后磨削应在恒温中进行，加强冷却措施（如采用均匀喷淋冷却液装置），加工后的测量也要用相应的精密测量仪器。 5.滚珠丝杠的加工工艺过程备料-热处理（球化退火）-粗车外圆-热处理（调质处理，调制后硬度250hbs，）-校直-精车外圆-检验-粗磨螺纹-热处理（淬硬，中温回火，冰冷处理，要求全长弯曲小于0.5mm两端中心孔硬度达到50556hrc，不得冷校直）-检验（检验硬度，磁性探伤，去磁）-研磨（研磨两端中心孔表面粗糙度ra=1.25微米）-热处理（低温回火除应力，不得冷校直）-半精磨-热处理（低温回火除应力，不得冷校直）-静磨

17、至图纸要求- 终磨并涂防锈油。 6.检验检验丝杠各项参数是否符合要求。2.5 导向轴导向轴是轴类零件的一种，属光轴。导向轴与直线轴承配合使用，组成直线运动副。1.导向轴的主要技术要求尺寸精度，导向轴的外圆表面与直线轴承配合，是导向轴的主要表面，此表面的尺寸精度影响直线轴承的运动，对其要求较高。图2.5 导向轴形状精度，导向轴的形状精度主要是指轴的圆度，圆柱度，一般应将其限制在尺寸精度范围内。表面粗糙度，导向轴的外圆表面的粗糙度应在ra1.6以下。2.材料毛坯选用圆棒料。轴类零件的材料因根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料和不同的热处理，已获得一定的强度，韧性和耐磨性。探针台中的导向轴承受

18、的负载较小，工作环境稳定，但精度较高，综上选用gcr15即可满足要求。3.机床选择导向轴为旋转体零件，尺寸精度，形状精度要求均较高，选用数控车床进行加工。夹具选用三抓卡盘和顶针。4.工艺流程备料-精锻-热处理（正火）-粗车-热处理（调质处理）-半精车-热处理（高频感应加热淬火）-精车-磨削。2.6 显微镜支架显微镜支架的主要作用是支撑显微镜，并固定导向轴的上端。显微镜支架的毛坯与底座和支撑台板相同均选用2024合金，采用铸造成型，其导向轴的安装孔的精度要求较高，选用加工中心加工，最后进行喷塑上色。2.7外壳手动探针台的外壳主要起到美观的作用，材料选用1mm厚的q235钢板采用数控激光切割机进行

19、下料，数控折弯机进行折弯，在加工中要注意因焊接而产生的变形，加工成型后，喷塑上色，即可安装。2.8 手动探针台的装配按规定的技术要求，将零件、组件和部件进行配额和连接，使之成为半成品火成品的工艺过程即为装配。装配是机械制造过程中的最后一个阶段。为了是产品达到规定的技术要求装配不仅是零件，组件，部件的的配合过程和连接过程，还应包括调整，检验、试验、油漆、和包装等工作。设备的质量是以机器的工作性能、使用效果、可靠性、和寿命等综合指标来来评定的，这些指标除了和产品的结构设计、材质选择有关外，还和零件的制造质量以及机器的装配质量有关。 机器的质量最终是通过装配质量保证的，若装配不当，及时零件的制造质量

20、都合格，也不一定能够装配出合格的产品，反之零件的制造质量不是十分良好，通过合适的装配工艺，也能使产品达到规定的技术要求。装配精度是装配工艺的质量指标，可根据机器的工作性能来确定。正确规定机器和部件的装配精度是产品设计的重要环节之一，不仅关系到产品质量也形象产品制造的经济性。归纳起来，装配精度包括零部件间的配合精度和接触精度位置尺寸精度和位置精度，相对运动精度等。手动探针台的装配精度主要有以下几点：导向轴与底座的垂直度。两导向轴之间的位置精度。支撑台板与导向轴的垂直度。在直线平移台板中，滚珠丝杠与直线导轨的平行度。两直线平移台之间的垂直度。显微镜支撑架与导向轴的位置精度。直线轴承与导向轴之间的位

21、置精度。还有就是各个零件的间的配合精度和接触精度。并且建立相应的装配尺寸链。第3章 手动探针台的工作原理手动探针台是广泛应用与半导体行业的综合经济型测试仪器，主要用于半导体芯片的电参数检测。本文针对手动探针台的机械部分工作原理进行阐述，电气部分不做详述。手动探针台是通过两根探针以及吸片盘够成的回路以及相应大型电参数测试仪对芯片中的集成电路进行检测的。首先打开电源开关，使参数测试仪开始工作，旋转z向首轮升高支撑台板后，将硅片平放在吸片盘上，打开真空开关，将硅片吸附于吸片盘上，吸牢后即可开始测试，通过体式显微镜可以清晰的观察到硅片上的集成电路，在显微镜的视野中，移动x，y向滚珠丝杠运动副将探针调节

22、到合适的位置，旋转z向首轮，使支撑台板带动探针下降，当探针接触到硅片上的测试点时即停止下降，此时电测数测试仪会显示硅片上集成电路的电参数，通过观察判断集成电路是否合格，若合格进行下一测试，若不合格即按动打点器开关做上标记，这样就完成了一个芯片的检测。手动探针台所用的探针为微型测试探针（如图3.1所示），表面镀金，内部装有平均寿命在十万次左右的高性能弹簧。镀金是其导电性良好，而高性能瘫痪又使其在测试时具有良好的缓冲性，不会因为支撑台板带动探针下降时产生冲击而损坏集成电路。图3.1 探针第4章 手动探针台的设计流程4.1 计划阶段在计划阶段，通过对半导体器件六厂生产车间的实地考察以及对方提出的技术

23、要求，明确了手动探针台所应具有的基本功能，包括以下几点：基本的集成电路电参数测试功能，包括对二极管，三极管及一些特殊的元件进行测试。标记功能，即对不合格的芯片进行标记。工作台的x、y、z向的移动功能，以保证对硅片上所有的芯片进行检测，且要使硅片的装卸方便。放大，使操作者方便观察硅片。真空吸附，以保证硅片在工作台的相对位置固定，增加导电性。移动定位准确。工作台可旋转。美观。4.2 方案设计阶段在方案设计阶段，针对对方的技术要求，我提出了各项功能的具体解决方以及手动探针台的机械框架。测试功能采用镀金吸片盘，镀金探针以及三位探针座实现，镀金表面具有良好的导电性。标记功能采用带开关的电磁打点器实现，打

24、点器的开关为微动开关，操作方便。工作台的xy移动采用滚珠丝杠驱动的平移台，z向升降采用梯形螺纹丝杠驱动，实现自锁。放大功能采用双目镜体式显微镜实现放大倍数可调 。真空吸附通过真空泵和带真空通气孔的吸片盘实现，真空泵压力在100kpa左右。 工作台的旋转采用高精度旋转台实现，为外购件角度调节范围360，微调范围正负10。设备外壳采用q235进行数控折弯加工，喷塑上色。同时用三维软件进行了设备结构和外形的初步设计并进行了各零件和紧固件的强度计算。图4.1 手动探针台外形图4.3 技术设计阶段技术设计阶段的主要任务是产生总装配草图和部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形尺寸，包括各部件之间的连接，零、部件的外形及基本尺寸。最后绘制零件的图纸和装配图。为了确定主要零件的基本尺寸，必须做以下工作：机器的运动学设计。机器的动力学计算。零件的工作能力设计。部件的装配草图及总装配草图的设计。主要零件的校核。通过上述几项准备工作，最终确定设计方案及各