具有定位模式和顺应模式的测试头执行系统

摘要

一种用于定位测试头的系统，用于使探测器、处理器或其它外围设备与测试头顺应性地对接，其包括多个可反向驱动的线性致动器。各致动器具有机械连接到测试头上的第一端，和机械连接到操纵器上的第二端。在第一模式中，控制系统向致动器施加输入，用于使致动器可变化地伸长，从而相对于支承体建立需要的测试头位置。在第二模式中，控制系统停止改变向致动器的输入，假如在两方向上对移动仅有很小的阻力，根据外力既可向前也可向后驱动致动器。所公开的用于定位测试头的系统尤其适用于向非常笨重的测试头提供顺应性对接。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及重物的精确定位，更具体地是涉及将电子自动测试系统的测试头精确定位，使测试头与探测器、处理器或其它外围设备相对接以用于测试电子装置。

背景技术

半导体晶片和组件的制造商在将装置运送给客户之前采用自动测试设备(“ATE”)测试装置的性能。ATE系统通常包括“测试头”和“测试本体”。测试头盖住测试系统中优选定位在与受测装置尽可能接近的一部分，并且测试头通过一条或多条电缆连接到测试本体上。为测试电子装置，将外围设备连接到或对接到测试头上。外围设备向ATE系统送入用于测试的一系列装置，ATE系统测试这些装置。

影响半导体测试过程的约束经常不能使外围设备移动到测试头。因此，在大多数生产设备中，送入晶片的外围设备保持不动，将测试头移动到与外围设备对接的位置。

一种叫做“操纵器”的装置将测试头移动到外围设备。图1示出用于支承测试头110的操纵器100的例子。这种类型的操纵器在申请号为No.09/615,292、名称为“具有在测试头内部支撑的自动测试操作器”的美国专利中公开，在此引用该专利作为参考。该操纵器预期与Tiger^TM测试系统一起使用，这种系统目前由马萨诸塞州波士顿的Teradyne公司开发。

如图1所示，操纵器100从测试头110的内部区域支承测试头110。操纵器100通过捻度齿轮114旋转测试头，并通过摆动支座122在水平元件116的一端摆动测试头。操纵器100在线性轴承124上提升并降低测试头。基座120支承操纵器100，并优选包括外伸支架126以防止操纵器倾翻。

操纵器100优选在捻度齿轮114、线性轴承124和摆动支座122上包括致动器，例如马达(未示出)。致动器将测试头移动到外围设备，并为测试头定向以便对接。然后通过精确地调节测试头的位置和定向而将测试头与外围设备对接。

操纵器通常提供一定范围的“顺应性”，其在测试头和外围设备对接时使得测试头围绕一条或更多条轴线旋转。该范围是“顺应性的”是因为测试头完全顺应施加在测试头上的力，这在对接期间会使得测试头的配合表面与外围设备的配合表面共面。没有这种顺应性，操纵器必须通过精确地控制操纵器的致动器从而精确地调节测试头使其相对于外围设备共面定位。作为自动控制其致动器从而实现精确对接的操纵器的例子，可参见名称为“具有主动顺应性的用于自动测试设备的操纵器”的美国专利No.5,949,002。

在外围设备附近，必须非常小心地移动测试头。测试头和外围设备都包括易损的电子组件，它们会由于测试头与外围设备之间的碰撞而损坏。通常，测试头包括用于进入外围设备中定位衬套中的定位销。对接期间，必须使定位销进入对准衬套，而没有使它们弯曲或损坏。

图2是图1中测试头110的分解视图，说明Tiger^TM测试系统中所采用的测试头110的顺应性运动是如何实现的。如图2所示，测试头110包括两部分110a和110b，其分别固定在C形刚性元件112的一侧上。中心托板210从操纵器100伸入到C形刚性元件112中，在那里它被球面轴承228所支承。球面轴承228通过过渡插入块224将中心托板210机械地连接到测试头110上，并使得测试头110相对于中心托板210转动。过渡插入块224相对于测试头具有固定位置(尽管其能够通过旋转导向螺杆226而在轨道上前后移动从而使测试头中心定位)。过渡插入块224具有完全包围中心托板210的间隙区域。该间隙区域使得测试头110能够围绕球面轴承228在有限的角度范围内旋转。更具体地，测试头110在θ、翻滚和扭转的各个常规方向上能够旋转大约5度。这些方向分别用箭头230、232和236示出。

在测试头移动到对接位置期间，通常理想的情况是，测试头朝向其顺应范围的中心关于提供顺应性的各轴线定向。使测试头的各轴线在其适应范围内中心定位就确保测试头总是具有一定的用于提供顺应性对接的旋转范围。

过去，操纵器采用弹簧朝向其顺应范围的中心偏压各轴线。图3说明这种用于弹簧偏压常规叉杆操纵器的方法。操纵器的叉杆316a和316b支承测试头310。在各叉杆中，弹簧320a和320b沿叉杆长度方向朝向顺应范围中心偏压支撑测试头的轴318。

当操纵器大致对准测试头310并且将测试头推压到外围设备推上时，弹簧320a和320b顺应施加的力进行调节(一个压缩，另一个伸长)从而使得测试头与外围设备的配合表面连在一起。当测试头与外围设备解除对接时，弹簧320a和320b将测试头310的定位恢复到顺应范围的中心。

在Tiger^TM测试系统中，为测试头提供顺应性对接的要求引起新的难题。Tiger^TM测试头非常重，其重量约为1,270千克(2,800磅)。我们知道测试头重心从球面轴承位置的稍微的错位就会引起较大的测试头转矩。另外，当测试头移动或旋转时，连接到测试头上的电缆会移位，从而使测试头的平衡偏置。如果用弹簧使测试头在其顺应范围内进行偏压，则弹簧需要非常大的刚度来抵抗测试头较大的转矩和来自于电缆的偏置力。但是我们知道，刚度非常大的弹簧使得测试头的移动僵硬，因而是非顺应性的。因此需要另一方案来满足和缓、顺应对接的要求。

发明内容

基于前述的背景技术，本发明的目的在于将沉重的测试头顺应地对接到外围设备中，而不受较大转矩或偏置力的影响。

为实现以上目的以及其它目的和优点，提供一种用于定位测试头的系统，其包括多个线性致动器。各致动器具有机械地连接到测试头上的第一端和机械地连接到测试头支承体如操纵器上的第二端。在第一模式中，控制系统向致动器施加输入，用于可变地控制各致动器的伸长，从而相对于支承体来控制需要的测试头位置，需要的位置可以是，例如，测试头顺应范围中的中心位置。其也可为非中心的位置，其使测试头与外围设备对准。在第二模式中，控制系统停止改变向致动器的输入。致动器维持其伸长，但顺应施加到测试头上的外力。致动器根据外力既可向前也可向后驱动，在两方向上仅提供很小的阻力。

附图说明

参照以下的描述和附图，本发明的其它目的、优点和新颖性特征就会变得明显，其中：    

图1是根据现有技术，采用内部万向接头、用于支撑测试头的操纵器的透视图；

图2是图1测试头110的分解视图；

图3是常规操纵器叉杆的简化示意图，其示出在采用弹簧的常规操纵器中如何实现顺应性；

图4是根据本发明的测试头执行系统的顶视图，其与图1和2的操纵器和测试头一起使用；

图5是图4中测试头执行系统的等角视图；

图6是图4和5中的测试头执行系统的侧视图；

图7是图4-6测试头执行系统的后视图，其示出用于定位测试头的致动器的相对定位；及

图8是流程图，示出了根据本发明将测试头对接到外围设备过程中所涉及的步骤。

具体实施方式结构

图4-7从不同角度说明根据本发明用于定位测试头110的执行系统400，其与图1和2的内部万向接头操纵器100一起使用。参照图4所示的顶视图，执行系统400包括多个线性致动器，例如，气压缸414、416、418和420。气压缸在各自的第一端机械连接到支承板410上，在第二端机械连接到气压缸安装托架412上。支承板410固定地安装到操纵器100的捻度齿轮114上，气压缸安装托架412固定地安装到测试头110上。从操纵器100伸出的中心托板210支承测试头110的重量。通过诸如改变气压缸414-420的气压等办法将气压缸启动，可产生在测试头110的顺应范围内改变测试头110相对于操纵器100的相对位置的效果。

各个气压缸414-420具有本体422，本体422用诸如U形钩430和U形夹销等装置可转动地连接到捻转支承板410上。轴424从各个气压缸的本体422延伸出可变长度，并终止于尖端杆426。各个尖端杆通过U形钩428和U形夹销可转动地连接到气压缸安装支架412上。允许旋转运动的其它类型的机械连接也可被采用。

气压缸可从德国埃斯林根的Festo AG&Company购得，具有40mm内径和约90mm(3.5”)的冲程。气压缸414-420优选各自具有两个气压输入装置。相对于第二气压输入装置在第一气压输入装置施加正压可使气压缸的轴424从本体422伸出。相对于第一气压输入装置在第二气压输入装置施加正压可使轴424收回到气压缸的本体422中。气压缸优选在约80p.s.i下操作。各气压缸优选包括一个制动器(未示出)，用于将气压缸的伸长锁定在一个固定位置。

向各个气压缸的输入优选通过阀组436从压缩空气或其它流体源驱动。阀组包括不同的区段用于向各个不同气压缸414-420可控地施加压力。各个阀区段可优选设定至少三个阀构型。在第一构型中，该区段相对于各自的气压缸的第二气压输入装置向第一气压输入装置施加正压。这通常需要将压缩气体引导到第一气压输入装置，并且使得排出气体引导到第二气压输入装置，并导致轴424从气压缸的本体422进一步伸出。在第二构型中，与相应气压缸的第一和第二气压输入装置的连接颠倒，引起歧管相对于第一输入装置加压第二输入装置。在这种模式中，轴424收回到气压缸本体422中。在第三构型中，阀组阻塞施加到相应气压缸的两气压输入装置的气压，因此第一和第二气压输入装置既不压缩也不排气。在这种模式中，相应气压缸无限维持其以前建立的状态。

通过控制地施加压力，可启动气压缸414-420从而在测试头110的顺应范围内将测试头110中心定位，或者在其顺应范围内将测试头定向在任意需要的角度。一旦建立起需要的定位，就可通过控制歧管以便阻塞施加到气压缸的气压(即，第三模式)，来使气压缸的状态保持不变。    

通过阻塞气压，气压缸起到气垫的作用，它们的轴根据施加到测试头上的外力而伸长和收缩。但是，气压缸不一定能够提供“软的”顺应性，即它们不一定能够能被轻易地移动。因为它们仅容纳有相对较小量的空气，因此使气压缸轴伸长或收缩预定量所需的施加力相对较高。通过使用气压蓄能器432，本优选实施例解决了这个问题。具体地说，一个不同的气压蓄能器432与各个气压缸414-420的各个气压输入装置串连设置。因为共有四个气压缸414-420，因此执行系统400共包括八个气压蓄能器432。各蓄能器432具有增加各气压缸相应部分(伸长或收缩)容积的作用。随着容积的增加，移动各轴所需的力与蓄能器的容积成比例地降低。因蓄能器可制作得任意大，因此实现测试头顺应性运动所需的力就可任意小。

图7说明执行系统的后视图，即，从操纵器的有利位置看过去的后视图。为提供说明气压缸414-420安排的清楚的视图，将捻转支承板410从视图中省略。气压缸414-420的这种安排是经过精心设计的，从而简化对测试头110相对于操纵器100的运动的控制。

具体地说，第一和第二气压缸414和416具有基本上平行布置的纵向轴线。第三和第四气压缸418和420具有这样布置的纵向轴线，即它们在测试头110周界的内部相互交叉。理想的，第三和第四气压缸的纵向轴线在空间中一点相交，这一点恰好相交于测试头中心轴线，所述中心轴线即延伸通过位于测试头110中心的球面轴承228并穿过捻度齿轮114中心的轴线。

气压缸的这种构型具有重要特性。例如，如果沿相反的方向(一个伸长，另一个收缩)同样地启动第一和第二气压缸414和416，就会引起测试头沿扭转方向旋转，而在θ或翻滚方向基本上不转动。如果沿相同的方向以相同的量启动第三和第四气压缸418和420，则测试头沿翻滚方向转动，而在θ或扭转方向基本上不转动。另外，如果沿相反的方向以相同的量启动第三和第四气压缸，则测试头沿θ方向转动，而在扭转或翻滚方向基本上不转动。因此，以上说明和描述的致动器的构型实际上促进了在θ、翻滚和扭转的各个常规方向上测试头运动的独立控制。操作

执行系统400优选在控制器的指示下操作。控制器优选包括手持控制台，其使得操作者能够指定输入，以便将测试头移动到预定位置和方向。响应于使用者的输入，控制器向阀组436的各区段施加控制信号，以便控制地加压气压缸414-420。各气压缸设置有传感器(未示出)，用于测量轴424从相应气压缸的本体422的伸出量。对于各气压缸，该传感器测量气压缸的伸出量并将结果报告到控制器。在闭环模式中，控制器调节阀组436的各区段，从而朝向使用者输入指示的位置控制地引导由传感器报告的气压缸的测得伸长。

控制器优选包括用于使气压缸在其相应的顺应范围内中心定位的命令。响应于该命令，控制器将各气压缸414-420驱动到某位置，其在该位置上相应的传感器指示该位置为范围的中心。

传感器可以为多种形式，其特定形式对本发明是不重要的。有设置有内置磁性传感器的气压缸，其提供表示其伸长的电信号。另外，各种形式的光学编码器可用于测量和报告气压缸的伸长。但是，在优选实施例中，一个简单的“弦线电位计”用来测量各气压缸的伸长。如本领域普通技术人员所熟知的，弦线电位计是一种机电装置，其包括围绕电位计缠绕的弹簧承载弦线，并产生与弹簧伸长成比例的输出电信号。优选地，将弦线电位计本体紧固到相应气压缸的本体422上，将弦线的端部紧固到相应轴424上。轴424的延伸和收缩引起来自于弦线电位计的输出信号按比例地改变。

自动测试设备的操作者熟悉沿θ、翻滚和扭转方向控制测试头的位置。控制器使得测试头110能够以这种方式受控。具体说，控制器监视第一和第二气压缸414与416位置之间的差别从而指示扭转旋转，并在这两位置之间强制产生预定差别从而建立需要的扭转旋转。同样，控制器监视第二和第三气压缸418和420之间的位置差别从而指示θ旋转，并在两位置之间强制产生预定差别从而建立需要的θ旋转。另外，控制器监视第三和第四气压缸418和420位置的总和从而指示翻滚旋转，并在两位置之间强制产生一个总和从而建立需要的翻滚旋转。以这种方式，控制器能够控制测试头110在θ、翻滚和扭转的各个常规方向上的转动。

我们知道气压缸不容易被精确控制。控制的困难主要来自于当将气压缸保持于不变的位置时，气压缸内的内部密封有固定在原处的趋势，以及当气压增加时，密封很快脱开并过度伸长。控制器通过以下方式解决气压缸的该问题，即通过只要气压缸的伸长量落入目标值的允许范围之内，就使得控制器反馈为满意。提供可接受值的允许范围使得气压缸快速定位在接近理想的、需要的位置，而不必反复过冲预定位置。

操作模式

执行系统400具有至少三个操作模式：(1)定位模式；(2)顺应模式；和(3)锁定模式。在定位模式中，响应于使用者的输入和来自于传感器的位置反馈信号，控制器向想要伸长连续调节气压缸的伸长。在该模式中，通过例如一个手持控制盒，使用者可控制测试头的位置和定位，从而朝向外围设备移动测试头以便对接。使用者可实施用于在测试头的顺应范围内使测试头中心定位的命令，或者调节测试头的定位从而消除测试头与外围设备之间的错位，该错位是由于例如在测试头很大重量的作用下操纵器下垂而引起的。

在顺应模式中，控制器使得气压缸固定在其最后修正的位置上。顺应模式优选通过启动阀组从而阻塞气压向各气压缸两个输入装置的流动(即，如上所述的阀组436的第三构型)而建立。在这种模式中，气压缸保持其先前在定位模式中建立起来的位置。但是，封闭的气压缸起到气垫的作用，在施加的外部作用力的作用下使得顺应性运动向前或者向后。由于气压蓄能器432提供增加的空气容积，因此测试头的顺应性足够“软”，从而使得测试头的移动相对容易。

在锁定模式中，气压缸414-420上采用制动器。气压缸在这种模式中不能定位，并且不能顺应地移动。测试头和外围设备对接后，一旦测试头的需要位置建立起来并不需要进一步移动时，执行系统400就优选采取锁定模式。

定位模式与顺应模式之间的过渡优选自动出现。例如，在优选实施例中，各定位销都包括传感器，用于指示什么时候定位销开始插入到定位衬套中。当测试头和外围设备完全分离时，执行系统采取定位模式并维持在该模式，直到这些传感器中的一个解扣。当测试头接近外围设备中并解扣一个传感器时，控制器将执行系统切换到顺应模式。在顺应模式中，操作者调节测试头的位置从而使其它定位销与其相应的定位衬套相对准，并使得测试头与外围设备共面。当上述这些出现时，对接完成，可开始测试。

可替换方案

已描述一个实施例，还可有各种可替换实施例或变体。

如上所述，线性致动器414-418通过气压缸实施。但是，这仅仅是一个例子。可采用其它类型的线性致动器，例如，液压致动器、电子线性马达、快速齿条-小齿轮马达，或任何其它类型的线性、可反向驱动的致动器。如果采用液压缸，系统可以装备可伸长的囊状物或膜盒。该囊状物或膜盒在定位模式中能被阻塞从而进行刚性运动。在顺应模式中，囊状物或膜盒能被抽气从而与液压缸内的压力相匹配，然后在液压缸内打开。囊状物或膜盒的弹性可为顺应性运动提供所需要的弹性。如果采用电子马达，在从定位模式到顺应模式的过渡中，可以将马达的输入电流保持恒定。电子马达将趋向于维持其位置，并能根据施加的力向后驱动或向前驱动。

以上描述的执行系统400与由内部万向接头支承的测试头一起使用。但是，在定位模式和顺应模式中采用线性致动器的原理也适用于其它类型的测试头，例如，采用叉杆支承的测试头。因此，本发明不应被理解为仅限于测试头内部支承的结构。

而且，以上描述的本发明可以与美国专利No.5,949,002(“具有主动顺应性的用于自动测试设备的操纵器”)的现有技术相结合。根据该变体，此处公开的致动器的特定结构可用来主动地向测试头施加力以平衡作用在测试头上的外力，从而有利于对接。

另外，图中画出的执行系统在顶部、底部、右面和左面都具有特定部件。应理解的是，这些定位以常规的方式提供，是可以改变的。例如，执行系统400可上下倒转或左右颠倒，并仍如上面描述的那样操作。因此，执行系统400不应被理解为局限于任一种特定定位。

本发明人已考虑到以上各种可替换方案和变体，以及其它可替换方案和变体，而且其落入到本发明的范围之内。因此，应理解的是，前面的描述仅是举例，本发明应仅被所附权利要求的精神和范围所限制。