專利名稱：用于探測系統中的穩定性改良的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于探測系統的系統，例如晶片探測器，該系統具有多個諸 如探針尖端的觸點，該觸點被設計為與諸如半導體裝置的對象電接觸。
背景技術：
集成電路通常被制造在諸如硅晶片的半導體襯底上。所述硅晶片通常為
直徑150、 200或300毫米且厚大約2毫米的薄圓形硅片。通常地，單個晶 片上具有多個裝置，該裝置為以晶格樣式形成的集成電路。每個裝置包括多 個電路層和集成的外部焊接襯墊(bondingpad)(以及可選擇測試襯墊)。該 焊接襯墊為很小的區域，通常為3平方密耳(mil), —般由鋁制成，該焊接 襯墊最后用作裝置的管腳接頭。
探測包括將所述焊接襯墊與探針尖端相接觸，以使該探針尖端與所述焊 接襯墊或者其他襯墊電(電阻性)連接。所述探針尖端下的襯墊的準確定位 是很必要的，從而避免損壞襯墊，以及保持期望的接觸壓力從而確保良好的 電接觸(實際上所述管腳必須"擦除(scrub)"在普通大氣環境下形成在所 述襯墊上的外部氧化層)。
外部干擾，例如地板振動(通常為10-30赫茲)、對探測器器件的意外 碰撞、或者其他引起振動的來源，會擾亂探針尖端到襯墊的準確定位。假定 探測器系統中的部件之間的接合件和連接件的屬性是固有彎曲的、或者非剛 性的，則可能在所述器件的不同部分產生不同頻率和振幅的振動。連接件的 彎曲變形將導致晶片表面與通常類似插針的探針尖端之間的非補償性相對 位移。
通過增加所述連接件的剛性或者隔離所述地板和器件能減小相對位移。此種方法的缺點在于它們增加了所述系統的重量，從而提高了成本(例如通 過要求在每次安裝時改變隔離屬性)和對所述干擾的頻域靈敏度。現有技術 的系統包括所謂的隔離臺，該隔離臺通常很重并且被很緊地栓在很深的地下 基座上。這些隔離臺會導致反作用力的消除或者反作用隔離(例如，針對晶
片步進電機而被使用)。還存在包括通過專用執行器(actuator)進行振動補 償的主動隔離臺。然而，所有的現有技術的系統都要花費很大一筆錢 ($800,000到一百萬美元)并且導致復雜的安裝過程，該安裝過程妨礙了探 測器件的便攜特性(便攜特性對于諸如在鑄造車間中的非室內生產非常有 利)。另一方面，現有的便攜式探測系統由于其重量較輕，因此沒有結合隔 離臺并且在本質上剛性較差。目前，現有技術不存在結合有主動振動抑制或 者振動補償的便攜式探測系統。非常需要結合有主動干擾補償的便攜式探測 器，因為此種補償可以通過允許系統更快的從晶片上的一個裸片進行到下一 個裸片來提高生產能力。
發明內容
提供改良的方法和設備，該方法和設備用于在存在運動干擾的情況下準 確地保持晶片裝置上的多個襯墊和多個接觸電極(例如，探針板上的插針) 之間的接觸定位。根據本發明的一個方面的一個實施方式，加速度傳感器和 /或速度傳感器被整合到運動反饋控制系統中，從而補償多余的運動干擾(例 如地板振動)。
根據本發明的另一方面的另一個實施方式，使用了基于所述探測器系統 的各部件之間的不同加速度或者速度的補償電路。
根據本發明的另一方面的再一實施方式，使用了基于所述探測器系統的 各部件之間的相對加速度的補償電路。
本發明的進一步的實施方式包括使用晶片校準機構中已有的執行器來施加控制電路所確定的補償力。
因此，本發明的至少某一實施方式所提供的技術電路可以產生第一便攜 式晶片探測器，該探測器通過控制和感測系統來針對所述運動干擾進行主動 抑制或者補償。通過附圖、詳細描述以及后附的權利要求，本發明的這些實 施方式和其他實施方式、特征、情況、以及優點將顯而易見。
通過實施例來說明本發明，且本發明并不限于附圖中的圖示。附圖中， 相同的標記表示相似的元件，其中-
圖1表示了探測器測試系統及其兩個主臺架的可能的實施方式的側視
圖2表示了圖1的探測器系統的俯視圖3表示了增加了多個部件之間的柔性的圖1的探測器系統；
圖4表示了具有柔性連接件的探測器測試系統的加速度感測的實施方
式；
圖5表示了結合有相對加速度補償的反饋控制電路的框圖6顯示了基于相對加速度測量的加速度補償電路的框圖詳情；
圖7顯示了通過基于補償增大加速度的圖6中的等效加速度回路的框
圖8表示了顯示測試系統的示例性操作的流程圖，所述測試系統通過結 合運動干擾感測和補償來準確地保持所期望的探針到襯墊的接觸位置。
具體實施例方式
公開了方法和設備，該方法和設備用于在存在干擾的情況下準確地保持 測試系統中探針尖端和焊接襯墊之間所期望的接觸位置。在下面的描述中，出于解釋的目的，提出了大量具體細節以提供對本發明的透徹理解。但是， 對本領域技術人員來說很顯然的是，可以在沒有所述具體細節的情況下實施 本發明。另一方面，公知的結構和裝置以框圖形式被顯示，以避免多余地使 本發明模糊。
探測包括將晶片的襯墊表面與探針尖端相接觸，以使探針尖端在高壓力 的條件下"擦除"焊接襯墊或者在焊接襯墊上滑行。在本發明的一個可能的 實施方式中，探測器系統包括兩個主要的部件或者臺架， 一個用于固定晶片， 而另一個用于固定探針板。所述兩個臺架相互相對移動并且被放到一起以在
襯墊和探針之間產生高壓力接觸。圖1顯示了探測系統100的一個該可能的 實施方式的示意圖。該探測系統100包括兩個主臺架114和115。所顯示的 系統的兩個主臺架被稱為晶片固定器組件(WHA) 114和探針板固定器組件 (PHA) 115。在該示例性的實施例中，所述WHA臺架114能夠沿著X、 Y、 Z以及0g方向113運動，而PHA臺架115被保持靜止。另外，晶片104自 身可以沿著0w方向相對于WHA臺架中該晶片的固定卡盤103旋轉。通過這 種方式，由所述WHA臺架支撐的晶片104可以相對于由所述PHA臺架支 撐的探針板插針107而被移動，從而能夠使得所述插針與晶片104上的任何 給定襯墊105相接觸。
所述WHA臺架依次包括多個部件花崗巖基座IOI、該基座位于地板 112上，并且該基座包括X和Y托臺系統，該系統允許Z臺架102以很低的 摩擦力在軌道(圖中未顯示)上沿著X和Y方向移動；以及卡盤103，該卡 盤的用途是固定晶片104以呈現用于測試的大量裸片襯墊(die pad) 105。 所述卡盤103被連接到所述托臺系統的Z臺架102并且由此可以通過被連接 到所述托臺系統的致動系統108而沿著X、 Y、 Z和9方向113移動。所述 托架還安裝有下述使用傳感器信息的運動控制系統。
所述PHA臺架包括探針板卡盤106，該卡盤的用途是呈現用于與晶片襯墊105接觸的探針板插針107。所述探針板卡盤由直接連接到花崗巖基座101 的結構116支撐。在此示例性的實施例中，所述PHA臺架不具有運動機構 并且是固定靜止的。
所述探測系統IOO可以通過輪子而被移動，例如輪子110和111。所述 輪子可以為可被縮進的一組輪子(例如4個輪子)，以使得所述花崗巖基座 擱在地板上(例如，直接位于地板上或者是在可縮進支柱上)，并且該組輪 子還可以被伸出，從而所述探測系統IOO可以通過該組輪子而四處滾動。所 述輪子110和111在圖1中被顯示為縮進位置。該組輪子使所述探測系統100 為便攜式的。
圖2為圖1所示的系統的俯視圖。在該示例性的實施方式中，所述花崗 巖基座101被顯示為具有一連串均勻分布的氣孔206，該氣孔向上吹氣并吹 向Z臺架102以幫助該Z臺架102在所述花崗巖基座101上平滑地移動，并 且由此減少所述Z臺架102和所述花崗巖基座101之間的一些接觸摩擦力。 通過此種方式，所述Z臺架102可以被稱為在所述花崗巖基座101上"漂移"。 所述花崗巖基座101上的兩條軌道207引導所述Z臺架102沿著X方向208 的運動。橋架202擱在所述花崗巖基座101的頂部，并且支撐用于依次固定 晶片104及其接觸襯墊105的Z臺架102和卡盤203。所述卡盤103通過兩 個電機(未顯示)沿關于所述花崗巖基座101的X方向208 (在軌道207上) 移動，并且還通過安裝在托臺系統中的其他運動機構(未顯示)沿關于所述 托臺202的Y、 Z和theta (0)方向209運動，所述托臺系統包括橋架202 和軌道207。這使得晶片卡204上的接觸襯墊205被有效地沿著三個可能的 方向X、 Y和Z 210直線移動以及沿著偏航軸(沿著Z軸或者e方向210) 轉動。所述Z臺架102通過沿著所述橋架202上下移動來沿著Y軸移動。 所述橋架202被連接到所述軌道207并且沿著該軌道207在X方向上移動。
在一般的探測系統中，連接不同部件的連接件可能呈現出柔性。因為部件之間的連接件并非完全為剛性的(例如一個極端的實施例，托臺被圖2中 所示的氣臺托起，從而在所述花崗巖基座上漂移)。當系統的部分受到干擾 時，將會存在振動或者該系統的不同部件之間的彎曲的相對位移。而彎曲變 形可能會使晶片襯墊與探針板插針之間的非補償性錯位，從而降低性能。
圖3描繪了探測系統的可能實施方式，該探測系統顯示了多種部件中的 某些部件之間的彎曲的連接件。圖3中顯示了某些部件之間的大量示例性的 非剛性連接件。這樣，Z臺架302和花崗巖基座301之間的接合件310被表 示為彈簧符號310以表示該接合件的彎曲(和振動)特性。類似地，PHA臺 架315和WHA臺架314的花崗巖基座301之間的連接件309以及花崗巖基 座301和地板312之間的接合件311也被表示為彈簧符號。可以理解的是， 雖然并沒有顯示實際的物理彈簧，但是所述接合件可以通過這些彈簧來作為 模型或者被描述。
可以通過增加所述連接件的抗撓剛度、或者通過隔離地板和系統來減少 多余的相對位移。所述方法具有的缺點在于需要增加所述系統的重量(從而 提高對運動干擾的頻域靈敏度)，并且需要在安裝探測系統時改變隔離屬性。 可以減小多余振動的影響的低成本且復雜程度低的解決方案可以通過感測 和控制系統來有效地抑制或者補償運動干擾。
在本發明另一方面的可能實施方式中，可以在所述探測系統的多個位置 添加干擾測量裝置。例如， 一個傳感器可以被置于花崗巖基座上，另一個傳 感器可以被置于托臺系統上的XYZ運動機構上，且第三個傳感器可以被置 于探針定位界面上。可以在所有三個位置并沿著不同的方向(X、 Y和Z) 不斷地測量擾動振幅和相位信息。所述感測信息可以通過用于消除信號中的 高頻噪聲的低通濾波器而被輸入到運動控制器。然后控制器可以處理相關的 振幅和相位信息以通過運動機構的已有的致動驅動器向所述系統在X、 Y、 Z或者e方向上施加補償校正。所合成的運動避免了晶片襯底和探針之間的未受控制的相對位移。另外，所述校正可以使所述系統更快地從晶片上的一 個裸片進行到下一個裸片，因為加速計還可以被用來消除晶片卡盤從探測一 個裸片移動到探測下一個裸片的位置時的反作用力(內部干擾)。
圖4顯示了圖3中所示的示例性探測系統的相同側的側視圖，所述探測 系統在系統上的三個不同位置附加有加速計。所述方框A, 412、 A2 413和 A3 414表示所加的三個加速計，分別用于測量所述花崗巖基座301、橋架/ 卡盤/晶片組件402 (可以假定為被剛性連接，從而被視為單個振動元件)以 及所述PHA臺架315。
所附加的這三個傳感器允許量化振動加速度和/或速度的幅度和相位， 所述振動加速度和/或速度通過外部干擾或者內部干擾在所述三個位置的每 一個被引起。類似地，所述測量可以被用來獲取被測部件之間的相對加速度、 速度、幅度和相位。單獨類型的測量和相對類型的測量都可被用于不同的控 制電路中以補償多余的位移。
可以在本發明相同方面的另一實施方式中可替換地在不同位置使用速 度傳感器、或者速度傳感器和加速度傳感器的組合、或者不同數量的傳感器。 還應當理解所述傳感器可以被用來補償晶片探測系統中的運動位移，該晶片 探測系統使用索亞(sawyer)電機(而非托臺系統)來使所述晶片卡盤和探 針板平臺中的一者或者兩者相互相對移動。
圖5顯示了結合來自兩個傳感器501和502的加速信息的控制系統的可 能實施方式的框圖，所述傳感器501和502分別位于花崗巖基座和托臺上。 該特定實施方式用于表示本發明的另一方面，也就是被設計以消除工作期間 的接觸位置干擾的控制電路。在圖5所示的特定示例性實施方式中，控制器 包括兩個回路具有其自身的位置控制器508的位置控制回路513以及具有 自身的振動控制器509的加速度控制回路514。
如上所述，Z臺架被連接到所述托臺系統的橋架上并且在花崗巖基座上漂移。所述托臺在此被假定為包括圖4中的橋架/卡盤/晶片組件402。當致 動電機驅動所述托臺前進時，相同大小的牽引力將會以相反的方向作用在所 述花崗巖基座上(根據牛頓第三運動定律)。這可以被視為內部干擾。類似 地，由于托臺和花崗巖基座之間的牽引力，任何作用在所述基座上的外部干 擾(例如來自地板震動)也會在托臺中出現。由于所述托臺和基座之間的非 剛性連接，所述干擾將會引起振動的相對位移。
圖5中所示的補償電路的設計目標是確保托臺和花崗巖基座都具有相同 的振幅和相位，也就是，控制系統補償(或者消除)所述托臺和基座之間的 相對振動。
針對本發明該方面的所述特定示例性實施方式的目的，假定所述花崗巖
基座和地板之間存在剛性連接件，并且兩者可以被視為具有質量ii^e和倔強
系數/^e的單個彈性體(spring-mass)系統。所述倔強系數/^2與圖4中所 示的基座和托臺之間的彈簧310相對應。
地板/基座結構可以相對于托臺主體移動，針對該示例性實施例，所述
托臺主體可以被假定為線性系統，該線性系統具有質量i^C^try并且沒有其自
身的倔強系數。基于上述假設，所述托臺相對于花崗巖基座的動態特性 (dynamics)被稱為(該動態特性將產生基座和托臺之間的相 對運動，圖5中的控制器被設計以抑制該相對運動)且在頻域中可以被寫為 以下傳遞函數
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，
^^,。,^^是基座和托臺之間的相對加速度503，該加速度通過使所述 基座511和托臺512的加速計的讀數相減而獲得；
F^^W是施加到所述基座和托臺的控制力504，該控制力由補償力510 和期望的控制力505的復合作用而產生；
Gt^^^是所述托臺的動態特性的傳遞函數；
Go。^e ^是所述地板/基座的動態特性的傳遞函數；
W-V^^是所述地板/基座結構的共振頻率；以及
2 =#￡e/(M￡e+Mea,)是被組合的所述托臺和地板/基座主體的共振頻率。
假定方程(1)的共振(或者極點，該極點通過計算所述分母的根所獲 得)，該方程為co,和(02的組合，伺服控制器(在圖5中是位置控制器508 和振動控制器509的組合)很難獲得指定位置(commanded position) 506的 精確跟蹤(即，零點位置誤差507)。因此，期望設計一種補償510，該補償 還可以線性化圖5中的期望的控制505和相對加速度503的信號之間的動態 特性。在該情況下，所述伺服系統控制器可以具有理想的(零點)誤差控制。 在本發明的另一方面中，所述控制電路的實施方式可以包括這樣的線性化。
圖6顯示了補償控制601的可能實施方式的框圖，該補償控制601被稱 為/^。m，^.。
(等同于圖5中的振動控制器509)且被設計為線性化所述基座 602和托臺603之間的相對動態特性604并由此消除共振。最終的補償605 可以被設計如下
<formula>formula see original document page 13</formula> (2)
其中^""^為花崗巖基座的加速度。
如所期望地，方程(2)與共振頻率無關。通過將所述托臺和基座之間的相對動態特性GG加wG扁.,e引入方程(2)，所述補償控制//函w。"601 則可被推出如下
<formula>formula see original document page 14</formula>
被稱為'Gc。,。w,.,e的具有上述補償的等效系統的動態特性則為<formula>formula see original document page 14</formula>
因此，具有補償的合成的系統動態特性(將方程(2)和(3)代入方程 (4)中)為
<formula>formula see original document page 14</formula>
比較方程(5)中的具有補償的相對動態特性'^。一.。 .",76與方程(1)
中的沒有補償的動態特性GG。一魯G畫,e，很明顯可以通過上述補償//函，融.。" 來消除牽引力和外部干擾所引起的共振。在實際中，即使在探針接觸焊接襯 墊時的工作期間不斷地存在干擾的情況下，//e。^e 。 被希望產生理想的線 性系統并由此產生改進的位置跟蹤。
圖7顯示了當基于圖6中的補償控制601的加速度被結合701到圖5中
的整個控制電路中時的完整的控制框圖。
本發明還包括了控制系統的其他實施方式，該實施方式結合了多個相同 或者其他類型的傳感器的讀數以在任何方向上且存在運動干擾的情況下實 現晶片襯墊相對于探針的準確并連續的定位。類似地，本發明還包括了其他 控制電路，該控制電路以不同方式補償系統中不同部件的單獨(非相對)或 者相對加速度，從而產生對探測系統中運動干擾的主動抑制。
\圖8為顯示測試系統所包括的步驟的可能實施方式的流程圖，所述測試 系統利用傳感器和控制系統來補償WHA臺架上的運動干擾。在第一操作 801，使WHA臺架和PHA臺架相接觸直到達到所期望的接觸位置和力。為 了保持所述期望的接觸位置，托臺和基座之間的任何振動(幅度和相位)被 不斷地測量802以檢測由于例如地板振動或者托臺致動的運動干擾所導致的 所述期望的接觸位置的改變。然后控制系統基于傳感器信息來確定所需的校 正動作803。校正力然后通過結合到所述WHA臺架的執行器而被施加到托 臺，以消除任何多余的位置干擾并跟蹤所期望的位置804。在至少某些實施 方式中，操作802-804被不斷地重復(例如每50毫秒)，以確保對期望位置 的任何干擾都可以被及時校正。所述操作(802-804)還在所述WHA臺架和 PHA臺架彼此相對移動時被重復執行(例如每50毫秒)，從而在探測過程中 從一個襯墊進行到下一個襯墊以將探針尖端定位到新的一組焊接襯墊上。監 視并控制系統的其他參數和部件的其他實施方式也是有可能的。
在此描述的方法可以通過諸如通用計算機或者專用計算機的數據處理 系統在軟件控制的操作下而被執行，所述軟件可被存儲在多種計算機可讀介 質中。
本發明的多種實施方式可以被用在具有固定完整的晶片的晶片卡盤的 晶片探測器上，或者其他類型的探測系統，例如探測膜框(film frame)(為 柔性)或者揭膜片(film strip)(可以為剛性)上的襯墊或者裸片的系統。
因此，提供了設備和方法，該設備和方法用于在存在干擾的情況下實現 并保持測試系統中襯墊到探針的準確接觸定位。雖然已經參考具體示例性實 施方式描述了本發明，但很顯然在不背離權利要求書所提出的本發明的更為 廣泛的實質和范圍的前提下，可以對所述實施方式做出各種修改和變動。因 此，說明書和附圖被視為示例性的方式，而非限制性的方式。
權利要求
1、一種用于保持多個接觸電極和多個電觸點之間的相對位置的測試系統，該測試系統包括至少一個傳感器，該傳感器被連接到第一部件的至少一個位置，該第一部件被配置以固定具有所述多個電觸點的裝置，其中所述至少一個傳感器被配置以測量沿著三維坐標系統的至少一個軸的至少一個參數；以及控制系統，該控制系統被連接到所述第一部件，該控制系統被配置為從所述至少一個傳感器中接收信息并且基于所述信息來確定致動力，以及其中所述致動力作用在所述第一部件上以補償對所述系統的運動干擾。
2、 根據權利要求1所述的系統，該系統進一步包括探針板平臺，該平臺被配置以支撐所述多個接觸電極，并且其中所述至 少一個參數為速度和加速度中的一者，以及其中所述致動力在所述第一部件 和所述探針板平臺相對于彼此被移動時而被施加。
3、 根據權利要求2所述的系統，其中所述至少一個傳感器測量振幅和 相位，以及其中所述多個電觸點為半導體晶片上的集成電路上的焊接襯墊。
4、 根據權利要求1所述的系統，其中所述控制系統基于相對加速度和 相對速度中的一者來確定所述致動力。
5、 根據權利要求1所述的系統，其中所述致動力顯著地減小了所述系 統的各部分之間的相對運動。
6、 根據權利要求1所述的系統，其中所述致動力顯著地減小了所述系 統中的絕對運動。
7、 一種用于保持多個接觸電極相對于多個襯墊的定位的方法，該方法 包括使用至少一個連接到第一部件的傳感器來測量沿著三維坐標系統中的 至少一個軸的至少一個參數，所述第一部件被配置以固定將被連接到所述多 個接觸電極的裝置；以及使用連接到所述第一部件的控制系統來確定致動力，其中所述控制系統 被配置以從所述至少一個傳感器中接收信息并且基于該信息來確定致動力， 以及其中所述致動力作用在所述第一部件上以補償對系統的運動干擾。
8、 根據權利要求7所述的方法，其中所述至少一個參數為速度和加速 度中的一者。
9、 根據權利要求8所述的方法，其中所述至少一個傳感器測量振幅和 相位。
10、 根據權利要求7所述的方法，其中所述控制系統基于相對加速度和 相對速度中的一者來確定所述致動力。
11、 根據權利要求7所述的方法，其中所述致動力顯著地減小了所述系 統的各部分之間的相對運動。
12、 根據權利要求7所述的方法，其中所述致動力顯著地減小了所述系 統中的絕對運動。
13、 一種提供可執行的計算機指令的機器可讀介質，所述指令當被數據 處理系統執行時使該系統執行用于保持多個接觸電極相對于多個襯墊的定位的方法，該方法包括使用至少一個連接到第一部件的傳感器來測量沿著三維坐標系統中的 至少一個軸的至少一個參數，所述第一部件被配置以固定將被連接到所述多 個接觸電極的裝置；以及使用連接到所述第一部件的控制系統來確定致動力，其中所述控制系統 被配置以從所述至少一個傳感器中接收信息并且基于該信息來確定致動力， 以及其中所述致動力作用在所述第一部件上以補償對系統的運動干擾。
14、 根據權利要求13所述的介質，其中所述至少一個參數為速度和加 速度中的一者。
15、 根據權利要求14所述的介質，其中所述至少一個傳感器測量振幅 和相位。
16、 根據權利要求13所述的介質，其中所述控制系統基于相對加速度 和相對速度中的一者來確定所述致動力。
17、 根據權利要求13所述的介質，其中所述致動力顯著地減小了所述 系統的各部分之間的相對運動。
18、 根據權利要求13所述的介質，其中所述致動力顯著地減小了所述 系統中的絕對運動。
全文摘要
提供了一種改進的方法和設備，該方法和設備用于在存在運動干擾的情況下，自動并準確地保持晶片探測器到半導體裝置上的焊接襯墊的對準。在本發明一個方面的一個實施方式中，結合了來自多個加速度傳感器和/或速度傳感器的信息的反饋控制系統被用來在存在運動干擾的情況下保持所期望的接觸位置。
文檔編號G01R31/28GK101297205SQ200680039546
公開日2008年10月29日 申請日期2006年10月30日 優先權日2006年1月18日
發明者M·杰達, N·烏黛, R·J·小卡斯勒 申請人:伊智科技公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
