一文詳解自動(dòng)真空探針臺(tái)構(gòu)造設(shè)計(jì)

一，自動(dòng)真空探針臺(tái)構(gòu)造設(shè)計(jì)

自動(dòng)真空探針臺(tái)主要由工控機(jī)、真空腔體、測(cè) 試儀接口電路、傳感器系統(tǒng)、環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)、人機(jī) 界面、XYZ 工作臺(tái)等幾部分組成。

1.1 真空腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及密封技術(shù)

1.1.1 真空腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空腔體設(shè)計(jì)的合理性直接影響整個(gè)探針臺(tái)的性能，需要有足夠的空間將XY 工作臺(tái)、承片臺(tái)、測(cè)試探頭等部件容納其中，同時(shí)結(jié)構(gòu)還需 盡量緊湊，因此它的優(yōu)化性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)需要提前考慮的方面有：腔體和外部管件的接口 預(yù)留位置和接口大小、與外部接線端子的預(yù)留位 置和數(shù)量、整個(gè)腔體端蓋的鎖緊形式、觀察窗口和照明系統(tǒng)的位置和數(shù)量、液氮管道的接口形 式、取放片窗口位置和大小，主要包括以下幾方 面的設(shè)計(jì)。

(1)真空腔體密封性設(shè)計(jì);

(2)腔體內(nèi)對(duì)特種氣體的防腐蝕性、防毒性設(shè)計(jì); (3)腔體的電磁屏蔽設(shè)計(jì);

(4)電氣接插頭的防潮、防水設(shè)計(jì);

(5)操作區(qū)的安全設(shè)計(jì);

(6)維修、維護(hù)的方便性設(shè)計(jì)。

1.1.2 真空腔體密封技術(shù)

真空腔體密封技術(shù)是真空探針的關(guān)鍵部分， 真空腔體密封一旦在設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)計(jì) 缺陷、密封效果不好等問(wèn)題，就會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏， 對(duì)操作人員造成人身傷害、甚至對(duì)大氣環(huán)境造成 污染，這些問(wèn)題在后期將無(wú)法彌補(bǔ)，在腔體裝配前 要進(jìn)行預(yù)裝試驗(yàn)，防止類(lèi)似事件發(fā)生。

真空腔體采用圓形桶狀，下端面與工作平臺(tái) 緊密結(jié)合，上端面端蓋可拆卸。選用不銹鋼材料鍛 造后一體加工。加工過(guò)程中合理進(jìn)行材料熱處理，減少加工變形。

焊接各接口時(shí)保證焊接可靠性與密封性，腔體所有零部件連接部位均要考慮密封結(jié)構(gòu)，目前 國(guó)內(nèi)比較普遍應(yīng)用的密封形式分為KF、CF 和 ISO 密封形式，密封圈材料有丁腈橡膠和氟橡膠 兩種。在探針臺(tái)測(cè)試領(lǐng)域一般選擇KF 密封形式 和氟橡膠材料密封圈，主要特點(diǎn)是裝配方便，氟橡 膠耐真空、耐高溫、耐腐蝕性好。

腔體加工完成后要進(jìn)行真空檢漏試驗(yàn)，對(duì)腔 體整體真空度漏率要求小于10～8 Pa·L/s。

1.2 真空探針臺(tái)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

工作臺(tái)結(jié)構(gòu)是真空探針臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵部件之 一，在探針測(cè)試過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。工作臺(tái) 部分完全置于真空腔體內(nèi)，主要包括XY 工作臺(tái)和承片臺(tái)兩部分。

1.2.1 XY 精密工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于XY 工作臺(tái)需要放置于真空腔體內(nèi)，XY 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)越緊湊，真空腔體就越小，設(shè)備尺寸也 就相應(yīng)減小。結(jié)構(gòu)緊湊合理的XY 工作臺(tái)有利于 降低真空腔體加工難度、減少能源浪費(fèi)。

XY 工作臺(tái)整體處于真空腔體中，要求零部件結(jié)構(gòu)密致性好，零部件材料不能逸出空氣，材料表 面不能有揮發(fā)性油脂。XY 工作臺(tái)完全暴露在特 種環(huán)境中，所有零部件均需要通過(guò)耐腐蝕、耐低溫 性等試驗(yàn)，對(duì)于電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌等外購(gòu)件，如果沒(méi) 有合適的型號(hào)滿(mǎn)足上述要求，需要對(duì)相應(yīng)外購(gòu)件 加裝特制密封裝置，使外購(gòu)件與腔體內(nèi)環(huán)境有效 隔絕。

根據(jù)探針測(cè)試需要，XY 精密工作臺(tái)的技術(shù)要 求為：XY 向行程160 mm;精度±0.008 mm;重復(fù) 定位精度±0.003 mm;分辨率0.001 mm。在結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)，為達(dá)到上述精密控制要求選用伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)，全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制;整個(gè)工作臺(tái)需要放置于真 空腔體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊合理的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)可以有效 地減小真空腔體設(shè)計(jì)尺寸，XY 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)采用 絲杠、交叉滾子導(dǎo)軌組合形式。其中Y 向絲杠采 用偏置方式;X 向絲杠采用對(duì)稱(chēng)方式。

對(duì)于電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌等外購(gòu)件，選型號(hào)時(shí)，需 要考慮溫度、濕度、腐蝕性等特種環(huán)境下運(yùn)行情 況，要求在高真空狀態(tài)下材料不能逸出空氣，外購(gòu) 件內(nèi)部、外部不能有揮發(fā)性油脂。如果沒(méi)有合適的 型號(hào)滿(mǎn)足上述要求，需要對(duì)相應(yīng)外購(gòu)件加裝特制 密封罩。

1.2.2 承片臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，承片臺(tái)在繼承現(xiàn)有抬升機(jī)構(gòu) 穩(wěn)定性、可靠性的同時(shí)，還應(yīng)具有高低溫控特性、低電磁吸收率、抗酸堿腐蝕等特性。設(shè)備要求溫度 范圍為-65～+200 ℃，這就要求承片盤(pán)溫度在此范圍內(nèi)程控可調(diào)。制冷機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)必須和承 片盤(pán)非常接近，能夠更大限度地減少能量浪費(fèi)，以 快速達(dá)到所需測(cè)試溫度。制冷機(jī)構(gòu)和制熱機(jī)構(gòu)的 合理設(shè)計(jì)，可以更好地避免由于溫度傳導(dǎo)作用引 起其它零部件的溫度大幅的變化。腔體內(nèi)填充一 定濃度的特種氣體進(jìn)行測(cè)試，承片臺(tái)的承片盤(pán)及 其他機(jī)械構(gòu)件必須具有耐腐蝕，在承片臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)時(shí)，需要在特種環(huán)境下對(duì)選用的加工件材料和 外購(gòu)件進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，保證長(zhǎng)時(shí)間在特種環(huán)境 下的有效性。

承片臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要具有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的茲 向 旋轉(zhuǎn)，茲 向旋轉(zhuǎn)的分度精度要求非常高，在150 mm (6 英寸)晶圓上的分度精度要臆0.05° ;為了實(shí)現(xiàn)與探針的緊密接觸穩(wěn)定地抬升、有效地達(dá)到接觸 位置的精度，抬升機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度要高，同時(shí)承片 臺(tái)要具備極高的剛性，而且在150 mm 的臺(tái)面上 剛度一致是非常重要的。通過(guò)在Z 軸方向的往復(fù) 移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高剛性、穩(wěn)定的探針接觸。

承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上采用THK 超精密 交叉滾柱軸環(huán)RB 型(外圈分隔，內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn))支撐 旋轉(zhuǎn)。在交叉滾柱軸環(huán)中，因圓柱形滾柱在呈 90° 的V 形溝槽滾動(dòng)面上通過(guò)間隔保持器被相互垂直排列。使得單個(gè)軸承就可承受徑向、軸向及 力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷，具有很高的剛性。又 由于內(nèi)圈或外圈是分隔的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整。

即使被施加預(yù)壓，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)。承片臺(tái) 通過(guò)軸承座的連接，使承片臺(tái)與承片盤(pán)成為一體， 并通過(guò)交叉滾柱軸環(huán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

承片臺(tái)的升降結(jié)構(gòu)主要是靠滾珠絲杠帶動(dòng)兩 個(gè)對(duì)稱(chēng)的線性導(dǎo)軌進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探針 接觸檢測(cè)。

審核編輯：湯梓紅