CN112585485A - 用于使测试基板、探针和检查单元相对彼此定位的方法以及用于实施该方法的试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使测试基板(5)、探针(6)和检查单元(9)相对彼此定位的方法和试验机(1)，其中，测试基板(5)和探针(6)至少在X‑Y‑平面中以期望的相对位置彼此定向并且检查单元(9)以这种Z‑位置在相对位置之上移动，在该相对位置中将检查单元(9)的焦点设定到测试基板(5)的观察点上。为了简化以及加速检查单元(9)的跟随，测试基板(5)和检查单元(9)从该初始位置开始同步地沿Z‑方向运动，使得保持焦点平面。

Description

用于使测试基板、探针和检查单元相对彼此定位的方法以及 用于实施该方法的试验机

技术领域

本发明一般性地涉及一种用于使测试基板、探针和检查单元相对彼此定位的方法，在该方法中使测试基板和探针至少在X-Y平面中以期望的相对位置彼此定向并且检查单元通过相对位置行进到这种Z位置中，在该Z位置中检查单元的焦点设置在测试基板的观察点上。本发明也涉及用于实施该方法的试验机。

背景技术

已知的是，一般称为测试基板的不同性能的电子结构元件就各种特性进行检验或者其经受特殊测试。在此，测试基板处于不同的制造和整合阶段中。由此对半导体芯片、混合动力结构元件、微机械以及微光学的结构元件等进行测试，它们还以晶片复合体的形式存在或者被隔离或者已经集成到更多或更少的复杂电路中。

为了检验和检查测试基板使用检验站，通常称为试验机，检验站包括具有用于接收测试基板的表面的卡盘。卡盘位于测试基板的支架上、测试基板的接触以及检验条件协调一致的接收装置并且大多可借助运动单元沿X-、Y-和Z-方向移动。

试验机还包括多个探针，探针通过探针保持件保持住。根据测试基板和测试情况可使用单个探针或具有多个探针尖端的探针卡、所谓的试验卡作为探针。探针保持件通常包括探针保持板，探针保持板卧式地布置在卡盘之上并且通过探针头保持单个探针或承载探针卡。探针保持板和/或探针头也可具有运动单元，借助运动单元，探针可共同地或单独地至少沿Z-方向移动。

试验机还具有检查单元，检查单元用于图像化地呈现测试基板和探针尖端。检查单元包括显微镜和/或摄像机，借助显微镜和/或摄像机可沿Z-方向看向测试基板的表面。通常检查单元也具有运动单元，以便将镜头沿Z-方向移近测试基板，使得检查单元的焦点设置到测试基板的确定的观察点上，即该观察点可清晰成像，并且例如在更换探针时，能够再次建立足够的间距。

运动单元通常允许试验机的所述部件彼此独立地运动，例如借助检查单元使探针尖端或测试基板或中间位置处于焦点中。运动单元通常也配备有驱动机构，用于驱动卡盘和/或探针保持板或单个探针和/或检查单元运动。所述部件的驱动运动借助为此设置的控制单元实现。

在检验过程中多次重复地进行观察点的聚焦，该检验过程包括测试基板的一个或多个点的重复接触以及为此所需的沿X-、Y-和Z-方向的进给运动。在此基础上通过每次新的进给运动提高了时间消耗。

为了建立点触点，除了在始终定义为卡盘的接收面所在，并且大多通过卡盘的运动单元实现的X-Y-平面中的可移动性之外，还需要沿Z-方向在探针和测试基板之间的进给运动。

首先，探针和测试基板借助其中至少一个运动单元相对彼此在X-Y-平面中定位，使得它们以一定间距彼此上下布置。在接下来沿Z-方向进给运动(下面称为Z-进给运动)中，建立触点。该Z-位置称为接触位置。在完成检验之后通过该方法沿Z-方向脱离触点并且驶向X-Y平面中的下一接触位置。

朝接触位置的Z-进给运动可借助探针的运动或借助测试基板的运动实现。探针的进给具有以下优点，使得检查单元和测试基板的相对位置没有改变并且由此将焦点保持到接触面上，使得能够继续观察受观察的探针尖端沿X-Y方向的最小偏离运动，该最小偏离运动通过放置探针尖端实现并且需要建立可连续观察的可靠的电接触。

在不同的情况下已经证实探针尖端沿Z-方向在测试基板之上驶向中间位置是有利的。在该中间位置中探针尖端与测试基板具有足够大的间距，使得例如能够在X-Y平面中校正，而没有损坏探针尖端的风险。但是该中间位置使得能够同时控制X-Y位置并且顺利地手动进给到接触位置中。

通常通过卡盘沿Z-方向进给是优选的或者基于探针保持件的设计是可能的。但是这导致，必须增加检查单元，以便例如识别出测试基板的接触面。如果也需要驶向中间位置，为此所需的时间由于在两个构件，卡盘和检查单元处所需的中间校准而相加总计，总计时间在始终追求成本效益和部分自动化或全自动化检验方面不再可接受。

因此需要简化检查单元沿Z-方向的进给运动并使其加速。

在此也应保持在X-Y平面中的进给精确性。

此外也应能够借助手动操作至少从中间位置开始最终进给至接触位置。

发明内容

本发明的目的是，借助卡盘和检查单元模拟如下效果，该效果在为了建立和实现在测试基板和探针尖端之间的接触，将具有探针的探针保持板升起和降下并且测试基板和检查单元没有运动时实现。这通过以下方式实现，即，从初始位置开始使得测试基板和检查单元同步地沿Z-方向运动，使得相对于探针尖端设定测试基板的期望的终端位置，例如接触位置，在该初始位置中将检查单元的焦点设置到测试基板的观察点上，例如测试基板的表面上的接触面。

同步运动如下地进行，即，至少在Z-进给运动期间、必要时也在接触分开期间保持该焦点平面，使得在测试基板上的观察点保持清晰地成像，如现有技术中已知的探针的运动。这种过程可看作是探针保持板的虚拟运动并且也可应用在探针保持板不可运动或其运动过度地干预到检验过程中的情况。

沿Z-方向的术语“一个”运动包括整个运动过程，该运动过程被实施以便越过Z-方向所需的间距，例如直至探针尖端在测试基板上的触点的间距，以及其各个区段。这种区段例如可为从上述中间位置或至上述中间位置的进给量，这涉及至测试基板或从测试基板离开。

下面描述用于实现该方案的特征。技术人员在不同实施方式中将这些特征彼此不同地组合，只要技术人员认为这对于应用情况是有利且合适的。

方向说明X、Y、Z相应于在本专业领域中对水平的X-和Y-方向以及竖直的Z-方向的常见应用。

在保持焦点平面的情况下的同步运动包括沿Z-方向的运动长度以及时间部分。

术语“同步”在此也表示时间相同的运动并且包括由控制单元决定和/或在借助常见算法自动化地识别出焦点的移动并且触发相应的补偿运动时可借助当前常见的计算技术实现的延迟。

研究发现，借助当前的试验机技术，在触发的实际进行的，例如卡盘的运动的开始和紧随卡盘运动的，例如检查单元的实际运动的开始之间的等待时间、即延迟时间为300ms是足够的，以便能够及时地识别出焦点平面的移动。

“及时的”例如表示，通过使探针尖端放置在测试基板上触发的偏移运动在探针尖端还位于接触区上和/或还没有损害或实现另一不利的相对位置的时间点被感知。优选地，等待时间应小于200ms、优选小于100ms、更为优选小于50ms、更为优选小于40ms、更为优选小于30ms、更为优选小于20ms、更为优选小于10ms、更为优选小于5ms。随着电子结构元件的规模和计算技术的效率的提高可进一步降低允许的偏移运动以及可实现的等待时间。

测试基板和检查单元的同步运动，例如可借助用于实施卡盘和检查单元的运动的同步的控制信号实现，其中对于控制信号的时间间隔可使用上述等待时间。

在下面描述卡盘的运动时，该运动与测试基板的运动相同，因为卡盘在其水平的接收面上承载测试基板。

根据该方法的一种设计方案，测试基板和检查单元沿Z-方向的运动可通过机械手主体执行，机械手主体是使用的试验机的机械手的一部分。机械手主体运动，确切地说该运动通过运动方向和运动程度、例如长度或角度确定。机械手主体的运动的方向和程度在测量技术方面通过合适的运动测量值传感器检测，使得针对卡盘和/或检查单元需要沿Z-方向实施运动，可从中得出机械手主体的运动方向的取向和机械手主体运动量的运动长度。

基于该测量值和由此生成的控制信号使得卡盘或检查单元运动，并且由于两个运动单元借助控制单元的计算技术耦合，使得相应另一试验机构件同步地跟随该初始运动。根据检验装置的配置也可考虑用于连接两个运动的允许同步运动的其他方法。初始运动例如可通过卡盘实施，检查单元跟随卡盘。两个构件的其他顺序或两个构件基于由测量值生成的控制信号的运动也是可能的。

为了实现测试基板和检查单元的同步运动，机械手可与两个运动单元耦合，使得在驱动运动中机械手控制两个运动单元的驱动机构，其中，基于机械手的运动值传感器的测量值生成控制信号，该控制信号用于控制运动单元。

替代地，机械手可与两个运动单元中的仅其中一个直接共同作用。在该设计方案中，第二运动单元实施沿Z-方向的补偿运动。

根据另一实施方式，手动地使机械手主体运动。替代地，机械手主体的借助合适的机械手控制装置实施的运动也是可能的。

机械手主体的运动可为机械手主体围绕旋转轴线的旋转。在此，顺时针或逆时针的转动方向规定沿Z-方向向上或向下的方向以及转动角度规定正或负升程的值，即沿Z-方向运动的长度。

根据该方法的另一设计方案，可一个止挡或多个止挡限制机械手主体的运动。止挡限制运动的程度并且可通过接触位置限定。对于常见的应用，可借助止挡限定有利的起始、中间和终端位置，例如最小的间隔位置。

已经发现，卡盘和检查单元沿Z-方向的运动轴线不是始终精确地彼此平行。根据该方法的一种设计方案，为了补偿从中得出的在测试基板的观察点和检查单元的焦点之间的X-Y-相对位置的改变，求出基于Z-运动的偏移并且借助其运动单元进行补偿。为此也可使用上面对同步运动描述的等待时间。

对X-Y-偏移的补偿(在此称为线性补偿)可根据沿Z-方向实施运动期间或之后的偏移的运动方向和程度，通过两个构件中的至少一个的附加运动在X-Y-方向上进行。例如在测试基板在X-Y-方向上运动时，在运动期间并且在探针尖端放置在测试基板上之前补偿是优选的，从而避免由于后续补偿而损坏接触面。

替代地，紧接Z-运动可进行补偿。就此而言使得检查单元运动，而测试基板和探针保持件之间的相对位置未受影响。

基于在Z-运动期间产生的在两个接触副之间的间距求出偏移，该间距在Z-运动未平行伸延的情况下使得图像区相对于测试基板移动。这种偏移可在俯视图中看出。该偏移可如同步的Z-运动中的偏移一样借助已知的方法、例如模型识别方法或现场监控两个构件的空间位置或其他的合适措施得出。

替代地，Z-轴线的方位可为已知的，例如由先前的进给运动或试验机的分析中得出。在所有的情况下可在Z-运动期间或之后通过逆向控制的运动均衡线性补偿。

可用于实施该方法的试验机除了这种类型的构件，即卡盘、探针及其相应的保持件和检查单元以外，还具有定位装置，定位装置包括运动单元，其中至少一个用于卡盘并且其中一个用于检查单元以便使卡盘和检查单元至少沿Z-方向实施运动。此外，至少一个用于控制两个运动单元的控制单元配置成，使得卡盘和检查单元的运动能根据上面描述同步地实施。替代地，其中每个运动单元都可具有自身的控制单元，控制单元为了实施同步运动彼此通信连接。

通过以下方式进行同步运动，使得保持焦点平面，从而使得观察点在测试基板上保持清晰成像。

根据一种设计方案，试验机的定位装置包括机械手，机械手用于使卡盘和检查单元运动。

机械手包括机械手主体、用于使机械手主体和运动值传感器运动的操作元件。以下物体考虑作为机械手主体，其能够运动使得从其运动中能够通过测量技术明确地获得运动方向和运动程度。

根据机械手的设计方案，在机械手的运动具有刚好一个自由度时，此时确保明确的运动方向。

根据机械手的另一设计方案，机械手主体可为旋转体，旋转体可围绕其转动轴线转动地布置。

借助合适的操作元件操作机械手，操作元件以对机械手主体进行手动或机动的操作方式并且以例如转动或移动的运动方式调节。

借助机械手的运动值传感器得出运动方向和运动程度，为此相应地设置运动值传感器。根据运动值传感器的类型以及可借此得出的运动相对于机械手主体布置运动值传感器。在旋转体的示例中，运动值传感器是转动值传感器，其检测转动方向和转角并且例如相对于旋转体轴向地布置。替代地，也可使用多于一个的运动值传感器，以便得出所需的测量值。必要时预先处理测量值，传递给至少一个控制单元。

基于测量值生成控制信号，根据上面描述，控制信号用于控制卡盘或检查单元或二者沿Z-方向的运动。为此，运动值传感器与控制单元通信连接。

根据试验机的另一设计方案，机械手具有至少一个止挡，其用于限制机械手主体的运动。有利的是，该止挡沿Z-方向可变地和/或对于限定的间距能调节。通过使止挡移动，也可手动地精确地驶向不同的终端或中间位置。至少一个止挡可在硬件端在机械手上实现或在软件端，例如借助控制单元实现。

根据方法描述可为必须的是，在X-Y-方向上对卡盘和检查单元的相对位置进行线性补偿，以便始终提供期望的图像局部。为此，为线性补偿设置的试验机包括至少一个能接触到卡盘或检查单元的这种运动单元，该运动单元配置成，除了Z-运动之外也实施所述构件沿X-、Y-方向的运动。可选地，也可使两个构件与这种运动单元连接。此外也可使控制单元在硬件端和软件端设置成，沿X-、Y-和Z-方向控制至少一个相应的运动单元。

附图说明

下面应根据实施例详细描述本发明。附图示出：

图1示出了具有对于本发明重要的组成部件的试验机；

图2A和图2B示出了机械手的一种实施方式的细节的立体图和剖面图；以及

图3示出了具有可调节的止挡的机械手主体。

具体实施方式

附图仅示意性地在阐述本发明所需的范围内示出了装置。附图没有要求完整性或是比例正确性。

根据图1的试验机1包括卡盘2和卡盘的运动单元3。卡盘2可在X-、Y-和Z-方向上运动。这些方向通过坐标系示出。在上部的水平的接收面4上布置有测试基板5，例如晶片。通过由探针头7保持的探针6接触晶片。探针头布置在探针保持板8上。

检查单元9、例如摄像机从上方沿着Z-方向看到测试基板5上，确切的说看到接触点上，使得接触点可清晰成像。检查单元9也具有运动单元10，例如检查单元9借助该运动单元也可在X-、Y-和Z-方向上、但是至少在Z-方向上运动。

为了清楚可运动的构件以及所属的运动单元或保持件的运动确定性，在此是卡盘2和检查单元9及其运动单元3、10以及探针头7及其探针保持板8，它们示出为固定在底座上并且静止地确定成一个共同的基准***(阴影形式的水平线)。

两个运动单元3、10在其运行时与共同的控制单元11通信连接，例如但限制性的，该控制单元为此配置在硬件端和软件端。

在示意图中，通过将卡盘2驶入卡盘的接触位置K_C中，探针6与试验基板5接触。检查单元9也处于其检查单元的接触位置K_I中。在该接触位置中，检查单元9的焦点设置到晶片5的表面上以及探针6的位于晶片上的尖端上。

如果需要解除接触，卡盘2将向下行驶(通过箭头示出)。与此同时，检查单元9也以相等的间距沿Z-方向(通过相同的箭头长度示出)向下运动。这些运动可分别直至卡盘的中间位置Z_C、检查单元的中间位置Z_I(对于卡盘2的接收面4和检查单元9的下棱边分别通过虚线示出)或分别直至卡盘的终端位置E_C、检查单元的终端位置E_I(对于卡盘2的接收面4和检查单元9的下棱边分别通过点划线示出)。由于卡盘2和检查单元9同步运动，设置的观察点12保留在测试基板5上，在该实施例中晶片的通过探针尖端接触的其中一个接触面在卡盘2朝其中一个更深的位置运动期间始终清晰可见。

在卡盘的中间位置Z_C或卡盘的终端位置E_C中，卡盘2可沿X-和/或Y-方向运动，由此驶向晶片的另一电子结构元件并且然后借助探针6接触。

为了接触下一电子结构元件，借助卡盘2例如将晶片5提升到卡盘的中间位置Z_C中。该卡盘的中间位置Z_C在其Z坐标中可与先前的卡盘的中间位置Z_C以及晶片5的任何另一电子结构元件的卡盘的中间位置Z_C一致。然后使卡盘2运动到卡盘的接触位置K_C中。

在控制单元11中，与用于使卡盘2运动的控制信号同步地生成用于首先使检查单元10运动到对于检查单元类似的中间位置Z_I中，以及后续的检查单元的接触位置K_I中的控制信号。

图2A和图2B示例性地且不应受限地示出了机械手13的一种实施方式。在两个附图中使用的相同附图标记分别表示机械手的同一构件。

机械手13本身手动地操作并且控制卡盘2的驱动运动。

机械手13包括机械手主体20，机械手主体构造成圆柱形的旋转体。机械手主体20能转动地支承在壳体21中。

借助合适的连接器22(图2B)在机械手主体20上安装操作元件23，操作元件在该实施例中实施成杠杆23，使得借助操作元件能手动地使机械手主体20顺时针以及逆时针转动。这种杠杆23也可用于机械手主体的替代实施方式的其他运动。杠杆23在框架25中被引导，其中杠杆的轮廓与框架25的轮廓一致。

此外，机械手主体20的操作力和操作力矩及其灵敏度可借助制动器24改变。在该实施例中布置有两个制动器24，制动器以可设定的力按压到圆柱形的机械手主体20的外表面上。

与机械手主体20相邻并且相对于机械手主体轴向地布置有运动值传感器26，在该实施例中为转动值传感器26，运动值传感器测量转动方向和转动的角度。可选地在预先处理之后，经由信号导体28将测量值传递到控制单元11(图1)上。

借助内衬27保护机械手主体20和转动值传感器26以防外部影响并且可安装在试验机上(图1)。

在图3中示出了替代的机械手主体30的一种实施方式，其中机械手主体30构造成旋钮31并且可锁定在限定的角位置中。旋钮31可围绕其轴线32转动。在分圆周上在其外表面33中布置三个径向的凹口34，在凹口中可***销35。销35通过关于旋钮31居中布置的引导板36的引导槽37被引入其中一个凹口34中并且以这种方式将旋钮31的可实施的转动运动限制在引导槽37的长度上。如果使用另一凹口34，可实施另一转动运动，由此使得可借助运动单元3、10实施的运动长度改变。

机械手或止挡的替代实施方式是可能的。如果试验机具有多个不同功能的机械手，可通过该设计支持触觉差异。

附图标记

1 试验机

2 卡盘

3 卡盘的运动方向

4 接收面

5 试验基板、晶片

6 探针

7 探针头

8 探针保持板

9 检查单元

10 检查单元的运动方向

11 控制单元

12 观察点

13 机械手

20 机械手主体

21 壳体

22 连接器

23 操作元件、杠杆

24 制动器

25 框架

26 运动值传感器、转动值传感器

27 内衬

28 信号导体

30 机械手主体

31 旋钮

32 轴线

33 外表面

34 凹口

35 销

36 引导板

37 引导槽

K_C 卡盘的接触位置

Z_C 卡盘的中间位置

E_C 卡盘的终端位置

K_I 检查单元的接触位置

Z_I 检查单元的中间位置

E_I 检查单元的终端位置

Claims (13)

1.一种用于使测试基板(5)、探针(6)和检查单元(9)相对彼此定位的方法，其中，所述测试基板(5)和所述探针(6)至少在X-Y-平面中以期望的相对位置彼此定向，并且所述检查单元(9)以这种Z位置在所述相对位置之上移动，在所述相对位置中将所述检查单元(9)的焦点设定到所述测试基板(5)的观察点(12)上，其特征在于，所述测试基板(5)和所述检查单元(9)从初始位置开始同步地沿Z-方向运动，使得保持焦点平面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测试基板(5)和检查单元(9)沿Z-方向的运动通过机械手主体(20、30)进行，所述机械手主体手动地运动，其中，所述机械手主体(20、30)的运动方向和运动程度在测量技术方面被检测，并且从中得出沿Z-方向的运动方向和沿Z-方向的运动长度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测试基板(5)和检查单元(9)沿Z-方向的运动通过机械手主体(20、30)进行，所述机械手主体实施旋转，其中，所述机械手主体(20、30)的转动方向和转角在测量技术方面被检测，并且从中确定沿Z-方向的运动方向和沿Z方向的运动长度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述机械手主体(20、30)的运动通过至少一个可选地能变化的止挡限定。

5.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个止挡设定用于需要阻挡的距离。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在测试基板(5)和检查单元(9)的Z运动期间或紧接Z运动地对测试基板(5)和检查单元(9)之间在X-Y-方向上的相对位置中的偏移进行线性补偿。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，现场监控焦点平面是否维持和/或测试基板(5)和检查单元(9)之间在X-Y-方向上的相对位置并且补偿确定的偏移。

8.用于检验测试基板的试验机，该试验机包括用于接收和保持测试基板(5)的卡盘(2)、用于接触所述测试基板(5)的探针(6)、用于在检验过程中使所述测试基板(5)的观察点聚焦成像的检查单元(9)和用于使所述卡盘(2)和所述检查单元(9)运动的定位装置，其特征在于，所述定位装置具有运动单元(3、10)，所述运动装置配置成，使得至少在Z-方向上实施所述卡盘(2)和所述检查单元(9)的运动，以及该试验机包括至少一个控制单元(11)，该控制单元用于控制所述运动单元(3、10)，以便所述卡盘(2)和所述检查单元(9)沿Z-方向同步地进行运动，使得维持所述焦点平面。

9.根据权利要求8所述的试验机，其特征在于，所述定位装置包括具有机械手主体(20、30)的机械手(13)、用于使所述机械手主体(20、30)运动的操作元件(23)和运动值传感器，所述运动值传感器(26)以如下方式配置并且相对于所述机械手主体(20、30)布置，使得其通过测量技术检测所述机械手主体(20、30)的运动方式和运动程度，并且机械手(13)与所述控制单元(11)通信连接，以便基于测量值产生使得所述卡盘(2)和/或所述检查单元(9)沿Z-方向的运动。

10.根据权利要求9所述的试验机，其特征在于，所述机械手主体(20、30)具有刚好一个运动自由度。

11.根据权利要求9或10所述的试验机，其特征在于，所述机械手主体(20、30)是旋转体并且所述运动值传感器(26)是转动值传感器。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的试验机，其特征在于，所述机械手(13)具有至少一个止挡，其用于限制所述机械手主体(20、30)的运动。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的试验机，其特征在于，所述试验机具有至少一个运动单元(3、10)，所述运动单元配置成使得所述卡盘(2)和/或所述检查单元(9)沿X-、Y-方向实施运动，并且所述控制单元(11)配置成求出所述测试基板(5)的观察点(12)和所述检查单元(9)的焦点之间的设定的X-Y-相对位置和/或设定的Z-相对位置的偏移。

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