结合测试机和包括多个测试工具的结合测试机的夹头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及结合测试机和包括多个测试工具的结合测试机的夹头。适合在结合测试机中使用的夹头包括：多个不同的测试工具组件；旋转机构；驱动单元；和空气接口。结合测试机接收关于哪个工具处于使用位置的反馈，并且作为响应接通或关断压缩空气供给，以适应使用中的测试工具。夹头包括改进的日内瓦机构。夹头包括用于测试工具的安装板，安装板具有相同的测试工具连接区域，以便任一测试工具能连接至任一工具连接区域。在单个夹头中提供能够被选择性地移动至使用位置的多个测试工具允许操作者更换工具，而不必在需要不同测试工具时拆下和再安装不同的测试工具夹头。这改进了操作的简易性，并且节省了操作者时间。另外描述了使用夹头的新颖方法。
【专利说明】结合测试机和包括多个测试工具的结合测试机的夹头
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测试半导体器件上的电结点强度的装置。具体地，本发明涉及一种能够在电结点上执行不同类型测试的装置，测试诸如为剪切测试、拉力测试和推力测试。
【背景技术】
[0002]半导体器件非常小,通常为5mm x5mm的正方形至50mm x50mm的正方形,并且通常包括用于将电导体结合至半导体衬底的许多点。每个结点都由焊料球/或隆起或铜柱或金属线组成。
[0003]必须测试结点的结合强度，以便确定具体的结合方法是足够的。由于结点的尺寸非常小，所以用于测试这些结点的结合强度的工具必须能够精确地测量非常小的力和偏转。
[0004]存在许多种类型的用于测试结点强度的结点测试。例如，剪切测试通过向结点的侧方施加剪切力并且将结点从衬底剪切掉来测试结点的剪切强度。拉力测试通过将结点从衬底拉开来测试结点的拉力强度。在推力测试中，力或载荷沿竖直平面直接向下施加到结点上。
[0005]执行这些测试的机器通常包括结合测试工具，其为剪切测试工具、推力测试工具或拉力测试工具，该结合测试工具在测试时能够相对于结点定位，并且然后结点或工具被移动以便执行测试，该测试包括测量破坏结点所需的力。每个结合测试工具都被安装至载荷传感器，该载荷传感器设有力换能器和相关的电子装置。
[0006]虽然存在多种不同的测试工具，但是对于每种测试工具，用于在测试期间定位测试工具并且移动测试工具和结点的机器部分可以是相同的。因此，测试工具已经被设计成从机器的其余部分可移除，以便它们能够用不同类型的测试工具或者适合不同的测量范围或不同类型的结点或测试的测试工具代替。可能期望在测试时在单个衬底上使用多种不同的测试工具，所以可能需要操作者频繁地执行测试工具的替换。
[0007]能够精确地测量微小力的要求导致对每种测试工具性能的特定要求。剪切测试工具被用以将结点从衬底剪脱，并且记录剪切结点所需的力。力换能器被联接至剪切测试工具以测量该力。为了确保剪切测量的可重复性，重要的是测试工具的尖端必需在高于衬底表面的预定高度处与结点的侧方接合。该距离小但是关键，因为结点通常为圆顶形。离表面的预定间距消除了测试工具在衬底上的滑动摩擦，并且确保了剪切载荷被施加在相对于结点界面的精确位置处。因此，在实践中，测试工具首先被移动以接触衬底表面，然后在执行剪切测试之前缩回预定距离，通常为0.05mm或更小。
[0008]存在多种困难。装置本身的机构内的摩擦和粘附可导致难以感测与衬底表面的接触。不精确的表面感测将不可避免地影响测试工具缩回的距离，并且由此影响剪切结点的高度。所涉及的距离非常小，并且需要仔细感测表面接触的确切运动，而不压缩衬底。还必须仔细地防止测试工具在剪切测试之前或期间在测试高度处的不受控运动。这种运动可能严重地影响结果的准确性，并且测试工具在测试高度处的明显运动可能损伤相邻的结点或电线。
[0009]难以解决下列两个目标，即在感测衬底的表面时的低接触力以及关于测试高度的精确控制。
[0010]US6，078，387公开了一种用于感测测试工具的测试头与衬底的接触的装置，该装置适于在感测到接触时立即停止对测试头的向下驱动。测试工具被支撑在一对平行弯曲部的自由端上，该对平行弯曲部在它们的相对端处固定至基板，并且偏斜以允许测试头关于基板的一些竖直运动。为了防止测试头在剪切测试期间的竖直运动，测试工具被弯曲部弹簧偏压于基板。测试头能够通过空气轴承从基板移开，以允许测试头以基本无摩擦的方式竖直运动，用于开始接触感测。因而，当测试头首先触碰衬底表面时，其被弯曲部上的衬底表面向后推。测试头相对于基板的运动或者弯曲部的运动能够通过光学检测器检测，并且空气轴承然后被关断以确保测试头通过弯曲部抵靠基板的弹簧偏压而被相对于基板固定。一旦测试头相对于基板固定，基板就被升高预定量，以在测试工具的下端和衬底之间形成具有期望“步测距离”的间隙。
[0011]一种替换系统是使平行弯曲部将测试工具偏压离开基板，以允许在初始定位期间测试头相对于基板的基本无摩擦的运动，但是然后在测试程序期间，使用由压缩空气驱动的活塞按压测试工作使接触基板，以在测试工具上产生抵靠底板的夹紧力。在EP2363701A中描述的另一替换例是使弯曲部将测试工具偏压离开基板，以允许在初始定位期间测试头相对于基板的基本无摩擦的运动，但是然后使用由压缩空气驱动的活塞将测试工具夹紧抵靠于固定至基板的支撑座。该支撑座可以由另一支撑座补充，该另一支撑座设置为在剪切测试期间提供额外的夹紧力。
[0012]在所有这些替换方式中，弯曲部的使用使得能够不损伤衬底地感测衬底的表面。然后，通过气动操作的夹具防止测试工具相对于基板运动。
[0013]拉力和推力测试通常使用钩或爪工具，并且需要不同构造的载荷传感器。然而，这些工具也可采用一对平行弯曲部，其中一个或更多个应变计设置在弯曲部上，以检测沿竖直方向施加的力。弯曲部必须高度顺应以便控制结点上的加载率并且最小化因衬底意外接触而导致的损伤。在US6301971B1中描述了这种类型的拉力测试工具的实例。
[0014]虽然所述机器提供了对破坏结点所需力的优秀测量，但是将期望改进机器的易用性。在实践中，将期望提高在不同测试工具之间转换的能力，同时保持测量的高精确性。另外期望能够对现有机器做出可能的改进。
【发明内容】
[0015]在本发明的第一方面，提供一种构造成与结合测试机的移动组件可移除地相联的夹头，该夹头包括:
[0016]多个不同的测试工具组件；
[0017]旋转机构，多个不同的测试工具组件中的各测试工具组件被彼此沿角向间隔地安装至该旋转机构；
[0018]驱动单元，其被联接至旋转机构，驱动单元被构造成使旋转机构旋转以将多个不同的测试工具组件中的每个都移动至使用位置以及从使用位置移出；和
[0019]空气接口，用于从结合测试机的移动组件上的相应空气接口接收压缩空气。
[0020]在单个夹头内提供能够选择性地移动至使用位置的多个测试工具组件允许操作者在每次需要不同的测试工具时改变工具，而不需要卸下和再安装不同的测试工具夹头。这提高了操作的简单性，并且节省操作者时间。测试工具组件被旋转机构旋转，以便每个测试工具都能够被移动至使用位置以及从使移动位置移出。测试工具组件可相对于彼此固定，以便所有的测试工具组件都同时旋转，其中任一时刻最多仅有单个测试工具组件处于使用位置。
[0021]在夹头中提供旋转机构和驱动单元允许可互换测试工具布置被翻新设置到现有的结合测试机。空气接口允许使用气动夹紧机构用于高精度的定位和测量，特别是对于剪切测试工具。
[0022]夹头被构造成可移除地联接至结合测试机，优选地以简单方式进行，该简单方式能够手动执行，而不需要专用设备。这允许根据需要由其它多工具或单工具夹头替换该夹头。
[0023]如本文使用的，术语“测试工具组件”是指这样的组件，该组件包括构造成执行具体测试、诸如拉力测试、推力测试或剪切测试的工具以及用于在测试期间测量所施加的力的载荷传感器。
[0024]有利地，旋转机构包括改进的日内瓦(Geneva)驱动机构。日内瓦机构是这样一种机构，其典型地使用销和狭槽布置，将驱动轮的连续旋转运动转化为从动轮的间歇旋转运动。本文公开的日内瓦机构被认为是优于现有日内瓦机构的改进，其将从动轮锁定在期望位置。日内瓦驱动机构可包括:从动轮，其可在多个使用位置之间移动；和驱动轮，其被构造成移动从动轮。日内瓦驱动机构允许每个测试工具组件都被精确地驱动至使用位置，从而基本消除旋转定位误差的可能性。从动轮和驱动轮可被构造成彼此接合，以在驱动轮固定时，限制或防止从动轮移出使用位置。从动轮可有利地包括至少一个并且有利地至少两个弹性元件，该弹性元件摩擦接合驱动轮以防止驱动轮在任一方向上的不期望旋转。每个弹性元件都可包括弯曲部或叶簧。
[0025]该夹头还可包括被连接至驱动单元的控制电路，其中控制电路被构造成控制驱动单元以在每个测试工具组件接近使用位置时使驱动轮在旋转机构中的旋转减速。随着测试工具被移动至使用位置，驱动轮的这种减速降低了测试工具的振动。这特别有利于结合日内瓦驱动机构使用，因为对于驱动轮的大部分旋转，从动轮都不旋转。有利地，尽可能快速地完成驱动轮的这部分旋转。当驱动轮接合从动轮中的狭槽以旋转从动轮时，有利地逐渐降低从动轮的旋转速度，直到达到一个测试工具组件的使用位置。
[0026]该夹头还可包括定向检测器，定向检测器被构造成检测从动轮的定向且因此测试工具的定向。这允许当测试工具(以及该测试工具)处于使用位置时建立控制电路。定向检测器可包括被安装至从动轮的MEMS (微电子机械系统)加速计，并且可被固定在安装于从动轮的电路板上。
[0027]该夹头还可包括位置检测器，位置检测器被构造成检测一个或更多个测试工具组件的位置。位置检测器可包括光断续器。
[0028]多个不同测试工具组件可包括测试工具组件的任何组件。在一些实施例中，该夹头可包括剪切测试工具组件与拉力测试工具组件。多个不同测试工具组件可包括多个剪切测试工具，并且还可以包括活塞和气缸，活塞和气缸被构造成操作每个剪切测试工具组件中的夹紧机构。夹紧机构可能是EP2363701A中所述的类型，其公开内容在此通过引用以其整体并入。作为替换方式，活塞和气缸可被设置在夹头外部在结合测试机中。一个或更多个测试工具组件可包括使用压缩空气的空气轴承。在US6，078，387中描述了合适的空气轴承，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
[0029]每个测试工具组件都可被有利地可移除地安装至夹头主体。不同的测试工具组件可被替换到夹头中，以满足具体的操作者要求。夹头主体可包括安装板，该安装板具有两个相同的测试工具联接区域，其中两个不同的测试工具组件可被安装在这两个相同的测试工具联接区域的任一处。
[0030]优选地，夹头包括外壳，其中，外壳覆盖不处于使用位置的每个测试工具组件。这保护了不处于使用位置的测试工具组件。夹头可被构造成使得在一个位置中，外壳覆盖所有的测试工具组件。这样在夹头不使用时对所有的测试工具都提供保护，并且在夹头储存和运输期间特别有利。
[0031]一个或更多个测试工具组件可包括通过一个或更多个弯曲部安装至基板的测试工具。在推力或拉力测试工具的情况下，弯曲部可包括力测量换能器。在一个实施例中，弯曲部上的应变计被用以测量弯曲部上因拉力或推力测试引起的应变。在剪切测试工具的情况下，测试工具可包括力测量换能器。剪切测试工具组件中的弯曲部被提供以确保在测试时在衬底上的触碰力低。
[0032]夹头主体可包括用于测试工具的安装板，该安装板包括电力和数据连接部。电力和数据连接部可被连接至柔性电导体，该柔性电导体允许安装板旋转，同时通过柔性电导体保持电连接。
[0033]夹头还可包括光断续器，设置该光断续器以感测旋转驱动机构的从动轮到达与一个测试工具的使用位置相对应的锁定位置的时刻。可设置由光断续器检测的标记特征。
[0034]夹头可被构造成向结合测试机发送关于哪个工具处于使用位置的反馈，以便结合测试机作为响应能够根据需要接通或关断压缩空气供给，以适应使用中的测试工具。
[0035]在本发明的第二方面，提供一种适合在结合测试机中使用的夹头，该夹头包括:
[0036]多个不同的测试工具组件，其适合在结合测试机中使用，至少两个测试工具组件每个都包括被可移动地安装至基板的测试工具并且包括气动或液压夹紧机构，该夹紧机构可操作以将测试工具夹紧至基板或可操作以从基板释放测试工具；和
[0037]活塞和气缸，活塞和气缸被构造成操作测试工具组件中的每个夹紧机构。
[0038]在第三方面，提供一种适合在结合测试机中使用的夹头，该夹头包括:
[0039]多个不同的测试工具组件；
[0040]日内瓦(Geneva)驱动机构，多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件都被安装至该日内瓦机构，并且彼此沿角向间隔；
[0041]驱动单元，其被联接至该日内瓦驱动机构，该驱动单元被构造成使日内瓦机构旋转，以将多个不同测试工具组件中的每个移动至使用位置以及从使用位置移出。
[0042]在第四方面，提供一种结合测试工具，包括:
[0043]根据本发明的第一至第四方面中任一方面所述的夹头；
[0044]平台，其被构造成接收要测试的物体；和
[0045]移动组件，其被联接至平台，夹头被安装至移动组件；其中移动组件可操作以将夹头相对平台定位和移动。
[0046]优选地，夹头被安装至移动组件，以便在使用时，夹头的从动轮被驱动以绕水平的旋转轴线旋转。然后，每个测试工具都能够被旋转至平台上的衬底之上的相同使用位置。有利地，夹头被可移除地安装至移动组件。移动组件可包括压缩空气供给，该压缩空气供给被构造成将压缩空气供给至夹头以操作夹头中的一个或更多个夹紧机构。
[0047]在本发明的第五方面，提供一种日内瓦驱动机构，其包括:从动轮，其可在多个使用位置之间移动；和驱动轮，其被构造成移动从动轮，其中从动轮包括至少一个弹性元件，该至少一个弹性元件与驱动轮摩擦接合并且被构造成当驱动轮固定时限制从动轮从分度位置移开。
[0048]有利地，从动轮包括与驱动轮摩擦接合的至少两个弹性元件。每个弹性元件都可包括从该从动轮延伸的顺应梁，该顺应梁被构造成在其自由端处而被施压接触驱动轮的表面。弹性臂在驱动轮上施加的力可被引导作用于驱动轮上的轴承表面，并且有利地沿着驱动轮的径向方向施加。通过这种方式，可以对从动轮加载使其抵靠驱动轮以在每个位置中都获得零游隙，这意味着当驱动轮停止时，从动轮能够被锁定在关于驱动轮的期望位置。
[0049]驱动轮可包括接合销，该接合销被构造成接合从动轮中的一个或更多个狭槽以便使从动轮在多个分度位置之间移动。轴承表面可被构造成当接合销接合从动轮中的狭槽时，脱离与弹性臂的接合。
[0050]虽然在本文中参考结合测试机描述了本发明该方面的日内瓦驱动机构，但是应清楚该机构同样可用在其它机器中以执行其它功能，并且在现有方案受到游隙影响的情形中可以是特别有益的。
[0051]在本发明的第六方面，提供一种结合测试系统，该系统包括:
[0052]多个不同的测试工具组件；
[0053]旋转机构，多个不同的测试工具组件中的每个都被彼此沿角向间隔地安装至该旋转机构；
[0054]驱动单元，其被联接至旋转机构，驱动单元被构造成使旋转机构旋转，以将多个不同的测试工具组件中的每个都移动至使用位置以及从使用位置移出；和
[0055]定向检测器，其被构造成检测一个或更多个测试工具组件的定向以确定测试工具处于使用位置的时刻，其中该定向检测器是被联接至测试工具组件的加速计或者被联接至旋转机构的光断续器，或者是被联接至测试工具组件的加速计和被联接至旋转机构的光断续器的组合。
[0056]在本发明的第七方面，提供一种操作结合测试系统的方法，该系统包括:多个不同的测试工具组件；旋转机构，多个不同的测试工具组件中的每个都被彼此沿角向间隔地安装至该旋转机构；和驱动单元，其被联接至旋转机构，驱动单元被构造成使旋转机构旋转以将多个不同的测试工具组件中的每个都移动至使用位置以及从使用位置移出，该方法包括:
[0057]操作该旋转机构，以移动所述多个测试工具组件；和
[0058]基于来自传感器的信号，确定所选择的测试工具组件处于使用位置。
[0059]传感器可能为被联接至测试工具组件的加速计，或者被联接至旋转机构的光断续器。
[0060]测试工具组件每个都能够被安装在位于旋转机构上的测试工具支架上的多个位置，并且该方法还可包括:基于被存储在与测试工具支架相联的存储器存储装置上的信息，确定每个测试工具组件在测试工具支架上的位置。
[0061]在本发明的第八方面，提供一种操作结合测试夹头的方法，该夹头包括多个不同的测试工具组件并且适合在结合测试机中使用，测试工具组件中的至少两个均包括被可移动地安装至基板的测试工具，并且包括:气动或液压夹紧机构，其可操作以将测试工具夹紧至基板或可操作以从基板释放测试工具；以及活塞和气缸，活塞和气缸被构造成操作测试工具组件中的每个夹紧机构，该方法包括:
[0062]接收关于哪个测试工具组件处于使用位置的反馈；和
[0063]依据该反馈来操作活塞和气缸，以适应处于使用位置的测试工具组件。
[0064]在本发明的第九方面，提供一种操作结合测试机的方法，包括:通过将夹头滑动为接合结合测试机上的相应接口，将具有第一测试工具和第二测试工具的多工具夹头安装至结合测试机，以便夹头的电子接口和压缩空气接口配合结合测试机上的相应接口 ；
[0065]选择要由结合测试机执行的第一种测试；
[0066]通过从存储测试工具在夹头中的位置的存储器装置读取信息，确定测试工具在夹头内的位置；
[0067]基于从存储器装置读取的信息，将第一测试工具从夹头外壳内的非使用位置旋转至使用位置，以执行第一种测试；
[0068]使用第一测试工具执行第一种测试；
[0069]选择要用结合测试机执行的第二种测试；
[0070]基于从存储器装置读取的信息，将第一测试工具从使用位置旋转至外壳内的非使用位置，同时将第二测试工具从外壳内的非使用位置旋转至使用位置，以执行第二种测试；和
[0071]使用第二测试工具执行第二种测试。
[0072]可使用来自光断续器或加速计的信号来确定第一和第二测试工具处于使用位置的时刻。
[0073]该方法还包括下列步骤:从结合测试机拆下夹头，并且将单个工具夹头安装至结合测试机，以使用单个工具夹头执行测试。
[0074]参考本发明的一个方面所述的特征可等同地应用于本发明的其它方面。具体地，应清楚，关于本发明的第一方面所述的特征可应用于本发明的第二、第三和第六方面，并且关于本发明第八和第九方面所述的特征可应用于本发明的第七方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0075]现在将参考附图，仅举例详细描述本发明的实施例，其中:
[0076]图1是根据本发明的结合测试机的侧视图；
[0077]图2a是根据本发明的夹头的下侧透视图；
[0078]图2b是图2a的夹头的侧视图；
[0079]图2c是非使用构造的图2a的夹头的下侧视图；
[0080]图3a是外壳被移除的图2a的夹头的前透视图；
[0081]图3b是图3a的夹头的后视图；
[0082]图4示出图3a中的夹头，其中测试工具组件的一部分被剖切以揭示旋转机构；
[0083]图5例示了图4的夹头的旋转机构；和
[0084]图6示出测试工具被移除的图2a的夹头。
【具体实施方式】
[0085]图1是根据本发明的结合测试机的视图。该结合测试机包括夹头10，夹头10包括多个测试工具组件100 (在图1中多个测试工具组件100中的仅一个测试工具组件可见)并且被安装至装置的移动组件14。测试工具组件100下方是机动平台12，要测试的样品能够安装在平台12上。样品通常是衬底，在衬底上形成有焊料球沉积和金属线结点以连接衬底上的电子组件。
[0086]夹头10可通过移动组件14在样品的法向方向上移动，该方向在下文称为Z方向或轴向方向。这允许测试工具组件相对于样品定位，并且提供拉力测试必需的运动，或者定位工具用于剪切测试。支撑夹头10的移动组件14被安装至滚珠螺杆，或导螺杆和螺母(未示出)，并且能够由轴向驱动机构驱动，诸如伺服马达或步进马达(未示出)，或者如在本领域众所周知的任何合适的可控驱动布置。例如，参见英国白金汉郡艾尔斯伯里25FaradayRoad, Rabans Lane Industrial Area的Dage Precis1n Industries Ltd市售的4000PlusBond Tester。
[0087]平台12在测试时sk平行于样品的平面移动，下文中称为X-Y平面。这允许在剪切测试程序期间，球沉积在测试方向上沿着测试方向轴线朝着剪切测试工具移动并且经过剪切测试工具。平台12的移动使用适当的伺服马达或步进马达实现，所述伺服马达或步进马达通由经导螺杆和螺母、滚珠螺杆和螺母或者适当的皮带驱动机构与平台相联，如在现有技术中也为人熟知的，诸如上述的Dage4000Plus Multipurpose Bond Tester。
[0088]在图1中还示出了用于控制平台12的运动的操纵杆控制器16，以及键盘15。还示出了用于辅助测试工具的精确定位的显示器17和显微镜18。这些部件在现有技术中也为人熟知，诸如 Dage Precis1n Industries Limited 市售的 4000Plus Multipurpose BondTester。
[0089]图2a示出夹头10的下侧透视图。该夹头具有外壳26，外壳26覆盖了保持有三个测试工具组件的测试工具支架110。一个测试工具组件100示出为处于使用位置，延伸出外壳26。如更详细描述地，测试工具组件能够在外壳26内旋转，以使测试工具在非使用位置和使用位置之间移动。
[0090]图2b是图2a的夹头的侧视图。能够从图2b看出，夹头包括在外壳26的安装部分24中形成的电气接口 20和压缩空气接口 22。外壳的安装部分24被构造成被安装至机器的移动组件14。可使用任何适当的安装接口。在该实施例中，安装部分24被构造成滑动以与结合测试机上的相应接口接合，以便电气接口 20和压缩空气接口 22配合结合测试机上的相应接口。一旦夹头完全接合结合测试机，则其通过手动拧紧螺钉19而被夹紧到位。期望的是，夹头构造成可安装到至现有结合测试机的定位组件，也称为移动组件，以作为翻新结合测试机组件。
[0091]图2c是处于非使用构造的图2a的夹头的下侧视图。测试工具支架110已经在外壳26内旋转至储存位置，在该位置，测试工具100均不处于使用位置，并且所有的测试工具组件都被外壳26覆盖。这在运输和储存期间有用。
[0092]图3a是图2a的夹头的前透视图，其中移除了外壳。安装部分24将测试工具支架支撑在日内瓦驱动机构上。能够清晰地看出三个单独的测试工具。拉力工具组件102、第一剪切工具组件104和第二剪切工具组件106每个都被固定至安装板112。每个测试工具组件都包括从测试工具支架的旋转方向径向向外延伸的测试工具103、105、107。每个测试工具都被支撑在一对弯曲部的自由端上，该弯曲部被固定至基板。测试工具通常被拴接至弯曲部的自由端。弯曲部通常由单个零件加工成并且包括开口，螺栓能够穿过该开口以固定测试工具。弯曲部偏斜，以允许测试头相对于基板的一些竖直运动。拉力测试工具组件具有US6301971中描述的类型。剪切测试工具组件具有US6078387和EP2363701中描述的类型。但是应明白，在夹头中可以使用测试工具组件的任何组合。电子电路120被固定至测试工具支架110。电子电路120被构造成接收并处理来自测试头103、105、107的信号，并且输出信号至电子接口 20。电子电路还包括MEMS加速计122，其用于确定支架的定向且因此测试工具的定向。这允许确立测试工具处于使用位置的时刻以及哪个测试工具处于使用位置。这一信息通过电子接口 20提供给定位组件中的控制电路，以便能够适当地控制压缩空气的供给并且以便能够适当地解释测量数据。
[0093]从夹头的安装部分24至测试工具支架110的电力和数据连接部由柔性电子连接部124和连接部128通过中间连接器板126提供。图3b是图3a的夹头的后视图。如图3b中所示，电路板120被连接至电子接口 20。连接部128在一端固定至电路板120，并且在另一端固定至中间连接器板126。柔性连接部124在一端固定至中间连接器板126，并且在另一端固定至电路板122。连接部128成形为提供用于测试工具旋转的间距。柔性连接部124允许工具支架110相对于安装部分24旋转，同时保持电连接。
[0094]压缩空气接口 22连接至空气输入管150。空气输入管150连接至绕测试工具支架110的旋转轴线的旋转接头152。电功率从电气接口 20通过安装部分电路板121并且然后通过电线125被供给至马达132。用于测试工具组件的旋转驱动机构是日内瓦驱动机构。这在图4和5中最清晰示出。图4示出图3a的夹头，其中测试工具组件的一部分被剖切以展示旋转机构。图5例示了图4的夹头的旋转机构，其中测试工具组件和测试工具支架被完全移除。
[0095]参考图5，日内瓦驱动机构包括驱动蜗齿轮134 (在图4中部分剖切地示出)的马达132。蜗齿轮接合安装有正齿轮136的蜗轮138。正齿轮136接合日内瓦驱动机构的驱动轮130。驱动轮130包括销131，销131被构造成接合日内瓦驱动机构的从动轮140。从动轮140包括多个等间距地隔开的狭槽142，销131能够进入狭槽142。当销131进入狭槽142时，销121接合从动轮140，并且随着驱动轮旋转，从动轮也旋转。在90度旋转之后，销131离开狭槽142，之后驱动轮的旋转不导致从动轮的任何进一步旋转，直到销131进入下一狭槽142。驱动轮130的每一整转都导致从动轮140的四分之一转。马达132被控制，以使在其中销131与从动轮不接合的旋转时间段，驱动轮较快地旋转，并且然后在其中销131与从动轮接合的旋转时间段，驱动轮的旋转减慢。从动轮的缓慢旋转是有利的，因为其降低了与从动轮相连的测试工具的振动，该振动能够影响测量精度。对马达的控制由安装部分电路板121提供，该安装部分电路板121也从加速计122和光断续器123接收定向数据。
[0096]在该实施例中，在从动轮中设有四个狭槽142，以向从动轮提供四个分离的锁定位置。这提供了:三个使用位置，即为每个测试工具提供一个使用位置；和一个储存位置，在该位置中，所有的测试工具都被保持在外壳26内。然而，应明白，可选择任何数目的狭槽。类似地，可在驱动轮130上设置超过一个销131，以便对于驱动轮的每一整转，从动轮都被多次移动至新位置。
[0097]为了在销131不被接合在狭槽142中并且驱动轮固定时防止或最小化从动轮的任何运动，从动轮包括多个弓形弹性梁144，弹性梁144被成形为接合驱动轮130上的轴承表面135。弹性梁144和轴承表面135成形为防止从动轮运动，直到销131接合狭槽142。具体地，轴承表面旋转延伸大约270°。弹性梁是柔性的以确保与轴承表面135摩擦接合，从而将从动轮锁定在适当位置并且消除可能允许从动轮摇晃的任何间隙。具体地，弹性梁144被构造成在它们的自由端处接合轴承表面，其中在轴承表面和弹性臂的固定端之间存在间隙。通过小心地设置驱动轮和从动轮的旋转轴线的位置，可以对从动轮预加载荷，以在从动轮的每个位置都获得零游隙。这确保了被附接至驱动轮的测试工具在被转位至使用位置时将始终被定位在同一期望位置。
[0098]图3b中所示的光断续器123被设置成感测旋转驱动机构的从动轮抵达锁定位置的时刻。由光断续器123检测的标记特征被设置在驱动轮的背面上。该标记特征为突脊133，突脊133延伸过驱动轮的180度，该延伸对应于与驱动轮接触的两个弹性梁的接合。光断续器123被布置成使得突脊中断光束。来自光断续器的信息以及来自加速计122的信息被用以确定测试程序能够开始。
[0099]旋转机构被设置在夹头中而非安装有夹头的机器中允许该机器与多工具夹头以及不需要旋转的单工具夹头一起使用，并且保持机器的成本低，对于那些不需要多工具夹头的消费者尤其如此。此外，将旋转机构容纳在夹头中简化了机器和夹头之间的接口。仅需要电气接口和压缩空气接口。
[0100]图4示出图3a的夹头，其中测试工具支架的一部分被切去。能够看出，支架110被简单地紧固至日内瓦驱动机构的从动轮。压缩空气通过旋转支架152被输送至连接管156和活塞154，连接管156用于那些具有空气轴承机构的测试工具组件，活塞154用于那些具有气动夹紧机构的测试工具组件。
[0101]剪切工具组件106具有EP2363701A中所述类型的夹紧机构。活塞和气缸154被设置成操作测试工具组件106中的夹紧杆，以在剪切测试期间将测试工具107保持在相对于基板的固定位置。设置辅助杆158，以放大活塞154施加的力并且降低在夹紧点处的冲击。辅助杆具有作用于夹紧杆的第一端和受活塞154作用的第二端。辅助杆绕销159枢轴旋转，销159在任一端附接至基板。销被设置成与距离辅助杆的第一端相比更靠近辅助杆的第二端，因此杆的第二端比第一端移过更短的路径。这缩短了活塞154产生夹紧杆到测试工具107上的给定运动所需的冲程长度。活塞和气缸154能够用以操作不同的测试工具组件中的多个夹具。
[0102]用于活塞和气缸的以及用于剪切测试工具组件104中的空气轴承的空气是受控的并且从结合测试机的定位组件转接。不同类型的夹紧布置需要不同的控制。US6, 078, 387A中所述类型的空气轴承式组件使用空气ON来以释放夹紧，使用空气OFF以夹紧。EP2363701A中所述类型的夹紧式组件使用空气ON以夹紧，而使用空气OFF以释放夹紧。结合测试机从测试工具支架并且特别是从加速计122接收关于哪个工具处于使用位置的反馈。因此，定位组件中的控制器能够将空气供给接通或关断，以适应使用中的测试工具。
[0103]图6示出图2a的夹头，其中移除测试工具组件。从图6能够看出，测试工具组件仅用机械紧固件114锚固至安装板110。每个测试工具和安装板之间的电连接通过接口 116完成。每个换能器组件都具有在公共位置的连接。
[0104]公共连接器位置允许测试工具组件的互换性。每个测试工具组件还共享公共安装固定孔和定位暗榫。因而，安装板110包括中央套筒，该中央套筒由三个相同的测试工具连接区域A、B、C和一个电子电路区域120围绕。从连接区域A开始并且沿图6的逆时针方向移动，每个工具连接区域都关于彼此旋转90°。每个工具连接区域都具有被设置在相同位置的连接接口 116、机械紧固元件114、固定孔115和定位暗榫117。这意味着，任何测试工具都能够被安装至任何工具连接区域。夹头能够以测试工具组件的特定组合组装，以适应特定的消费者需求。在夹头装配和安装期间，典型地在制造工厂中，在夹头中的电路板120上的非易失性存储器装置被编程有安装板110上的每个工具的类型以及校准值。存储器装置中的存储器位置被分配给安装板110上的每个安装位置，以便能够参考内存位置来确定每个测试工具的位置。
[0105]已经描述了夹头的结构，其操作如下:通过将安装部分24滑动为接合结合测试机上的相应接口，将夹头安装至结合测试机，以便电子接口 20和压缩空气接口 22配合结合测试机上的相应接口。一旦夹头与结合测试机完全接合，则其就通过手动拧紧螺钉19被夹紧到位。最初，全部三个测试工具都处于位于夹头的外壳26内的“停放”位置，即非使用位置。当用户想要开始测试时，要测试的物体首先被布置且固定至平台12。然后，用户用键盘15和显示屏17选择要执行的测试类型。测试工具在安装板上的位置由结合测试机读取夹头上的存储器装置来确定。然后，所需的测试工具被旋转至使用位置，随着其接近使用位置测试工具减速，以最小化振动。例如，对于拉力测试，日内瓦机构操作以旋转安装板110，而将拉力测试工具103旋转至使用位置。来自光断续器123和加速计122的信号被用以确定拉力测试工具处于使用位置的时刻。然后执行拉力测试。使用操纵杆控制器16使平台移动，以便要测试的具体结点被定位在测试工具下方。然后使用移动组件14执行拉力测试。弯曲部上的应变计被用以测量将结点从下层衬底拉离所需的力。
[0106]如果随后执行剪切测试，用户就使用键盘15和显示屏17选择要执行的剪切测试类型。然后通过安装板110，将所需的剪切测试工具旋转至使用位置。来自光断续器123和加速计122的信号被用以确定剪切测试工具处于使用位置的时刻。用户可使用操纵杆控制器来移动平台并且把要测试的结点正确地定位在剪切测试工具下方。然后执行剪切测试。移动组件114将工具沿竖向定位，使用弯曲部来感测工具与衬底的接触。然后，如US6, 078，387A和EP2363701A中所述的，使用空气轴承和气动夹具将测试工具锁定至基板。结合测试机从被存储在存储器装置中的数据知悉测试工具上是哪种夹紧布置，并且根据需要将压缩空气到空气接口的供给接通或关断。然后，移动组件将测试工具的尖端定位在衬底之上的预定位置。然后，平台相对于剪切测试工具移动，以执行结点从衬底的剪。随着从下方衬底剪下结点，测试工具上的应变计测量施加到工具的力。
[0107]如果需要未在夹头中的不同的测试工具，则能够将夹头从结合测试机拆下，并且将具有不同的所需工具的不同夹头安装在适当位置。为了拆下夹头，螺钉19被松开，并且使夹头滑出与结合测试机的移动组件上的电气接口和空气接口的接合。然后，能够以相同方式将新夹头安装至移动组件。新夹头可以是具有日内瓦机构的多工具夹头，如所述的，或者可以为不具有旋转机构的单工具夹头。新夹头以相同方式与结合测试机的移动组件上的电气接口和空气接口接合，并且也具有用以存储夹头上的工具类型以及相关校准数据的存储器装置。
[0108]通过这种布置，在需要时互换夹头是非常简单的，但是可使用具有多个工具的夹头，以允许在不更换夹头的情况下执行不同的测试。
【权利要求】
1.一种夹头，所述夹头被构造成可移除地联接到结合测试机的移动组件，所述夹头包括: 多个不同的测试工具组件； 旋转机构，所述多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件彼此沿角向间隔地安装到所述旋转机构； 驱动单元，所述驱动单元被联接至所述旋转机构，所述驱动单元被构造成使所述旋转机构旋转，以将所述多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件移动到使用位置以及从所述使用位置移出；和 空气接口，所述空气接口用于从所述结合测试机的所述移动组件上的相应空气接口接收压缩空气。
2.根据权利要求1所述的夹头，其中所述旋转机构包括日内瓦驱动机构，该日内瓦驱动机构具有驱动轮和从动轮，其中所述驱动轮的恒定旋转导致所述从动轮的间歇旋转。
3.根据权利要求2所述的夹头，其中所述从动轮能够在多个使用位置之间移动，并且所述驱动轮被构造成使所述从动轮移动，其中至少一个弹性元件在所述从动轮和所述驱动轮之间摩擦接合，并且其中所述弹性元件被构造成当所述驱动轮固定时抑制所述从动轮从所述多个使用位置中的一个使用位置移出。
4.根据上述权利要求任一项所述的夹头，还包括连接至所述驱动单元的控制电路，其中所述控制电路被构造成控制所述驱动单元，以在各测试工具接近使用位置时使所述旋转机构中的驱动轮的旋转减速。
5.根据上述权利要求任一项所述的夹头，还包括定向检测器，所述定向检测器被构造成检测一个或更多个所述测试工具组件的定向。
6.根据权利要求5所述的夹头，其中所述定向检测器包括MEMS加速计。
7.根据上述权利要求任一项所述的夹头，还包括位置检测器，所述位置检测器被构造成检测一个或更多个所述测试工具组件的位置。
8.根据上述权利要求任一项所述的夹头，其中所述多个不同的测试工具组件包括剪切测试工具组件和拉力测试工具组件。
9.根据上述权利要求任一项所述的夹头，其中至少一个所述测试工具组件包括使用压缩空气的空气轴承。
10.根据上述权利要求任一项所述的夹头，其中每个所述测试工具组件都被可移除地安装至夹头主体。
11.根据权利要求10所述的夹头，其中所述夹头主体包括安装板，所述安装板具有两个相同的测试工具连接区域，并且其中两个不同的测试工具组件能够安装在所述两个相同的测试工具连接区域中的任一个处。
12.根据上述权利要求任一项所述的夹头，还包括外壳，其中所述外壳覆盖每个未处于使用位置的测试工具组件。
13.根据权利要求11所述的夹头，所述夹头被构造成使得在一个位置中，所述外壳覆盖所有的所述测试工具组件。
14.根据上述权利要求任一项所述的夹头，其中所述夹头主体包括用于所述测试工具的安装板，所述安装板包括与柔性电导体相连的电力和数据连接部，所述柔性电导体允许所述安装板在通过所述柔性电导体保持电连接的同时旋转。
15.根据上述权利要求任一项所述的夹头，还包括光断续器，所述光断续器被设置成感测所述旋转驱动机构的所述从动轮何时到达锁定位置。
16.根据权利要求15所述的夹头，其中设置由所述光断续器检测的标记特征。
17.根据上述权利要求任一项所述的夹头，所述夹头被构造成发送关于哪个工具处于所述使用位置的反馈，使得所述结合测试机作为响应能够适当地接通或关断压缩空气供给以适应使用中的所述测试工具。
18.一种夹头，所述夹头适合于在结合测试机中使用，所述夹头包括: 多个不同的测试工具； 日内瓦机构，所述多个不同的测试工具中的各测试工具被安装至所述日内瓦机构并且彼此沿角向间隔开； 驱动单元，所述驱动单元被联接至所述日内瓦机构，所述驱动单元被构造成使所述日内瓦机构旋转，以将所述多个不同的测试工具中的各测试工具移动到使用位置以及从所述使用位置移出。
19.一种结合测试工具，包括: 根据上述权利要求任一项所述的夹头； 平台，所述平台被构造成接收要测试的物体；和 移动组件，所述移动组件被联接到所述平台，所述夹头被安装到所述移动组件；其中，所述移动组件能够操作以使所述夹头相对于所述平台定位和移动。
20.一种日内瓦驱动机构，包括:能够在多个使用位置之间移动的从动轮；和被构造成使所述从动轮移动的驱动轮，其中，所述从动轮包括与所述驱动轮摩擦接合的至少一个弹性元件，并且所述至少一个弹性元件被构造成当所述驱动轮固定时抑制所述从动轮从分度位置移出。
21.—种结合测试系统，所述系统包括: 多个不同的测试工具组件； 旋转机构，所述多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件被彼此沿角向间隔地安装到所述旋转机构； 驱动单元，所述驱动单元被联接至所述旋转机构，所述驱动单元被构造成使所述旋转机构旋转，以将所述多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件移动到使用位置以及从所述使用位置移出；和 定向检测器，所述定向检测器被构造成检测一个或更多个所述测试工具组件的定向，以确定所述测试工具是否处于所述使用位置，其中，所述定向检测器是与所述测试工具组件相联的加速计，或者与所述旋转机构相联的光断续器，或者是与所述测试工具组件相联的加速计和与所述旋转机构相联的光断续器的组合。
22.—种操作结合测试系统的方法，所述系统包括:多个不同的测试工具组件；旋转机构，所述多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件被彼此沿角向间隔地安装到所述旋转机构；和驱动单元，所述驱动单元被联接至所述旋转机构，所述驱动单元构造成使所述旋转机构旋转，以将所述多个不同的测试工具组件中的每个测试工具组件移动到使用位置以及从所述使用位置移出，所述方法包括: 操作所述旋转机构，以移动所述多个测试工具组件；和 基于来自传感器的信号，确定选择的测试工具组件处于所述使用位置。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述测试工具组件均能够安装在位于所述旋转机构上的测试工具支架上的多个位置中，所述方法包括:基于被存储在与所述测试工具支架相联的存储器存储装置上的信息，来确定每个所述测试工具组件在所述测试工具支架上的位置。
24.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述传感器是与所述测试工具组件相联的加速计，或者是与所述旋转机构相联的光断续器。
25.一种操作结合测试夹头的方法，所述夹头包括多个不同的测试工具组件，其适合于在结合测试机中使用，所述测试工具组件中的至少两个均包括被可移动地安装至基板的测试工具并且包括:气动或液压夹紧机构，所述气动或液压夹紧机构能够操作以将所述测试工具夹紧至所述基板，或者能够操作以将所述测试工具从所述基板释放；以及活塞和气缸，所述活塞和气缸被构造成操作所述测试工具组件中的各夹紧机构，所述方法包括: 接收关于哪个测试工具组件处于使用位置的反馈；和 依据所述反馈来操作所述活塞和气缸，以适应在所述使用位置中的所述测试工具组件。
26.一种操作结合测试机的方法，包括: 通过将夹头滑动成为接合所述结合测试机上的相应接口，将具有第一测试工具和第二测试工具的多工具夹头安装至所述结合测试机，使得所述夹头的电子接口和压缩空气接口与所述结合测试机上的相应接口配合； 选择要由所述结合测试机执行的第一种测试； 通过从存储所述测试工具在夹头内的位置的存储器装置读取信息，确定所述测试工具在所述夹头内的位置； 基于从所述存储器装置读取的信息，将所述第一测试工具从在所述夹头的外壳内的非使用位置旋转至使用位置，以执行第一种测试； 使用所述第一测试工具执行所述第一种测试； 选择要用所述结合测试机执行的第二种测试； 基于从所述存储器装置读取的信息，将所述第一测试工具从所述使用位置旋转至在所述外壳内的非使用位置，同时将所述第二测试工具从所述外壳内的非使用位置旋转至使用位置以执行第二种测试；和 使用所述第二测试工具执行所述第二种测试。
27.根据权利要求26所述的方法，其中使用来自光断续器或加速计的信号来确定所述第一测试工具和第二测试工具何时处于使用位置。
28.根据权利要求26或27所述的方法，还包括下列步骤:从所述结合测试机拆下所述夹头，并且将单个工具夹头安装到所述结合测试机，以使用所述单个工具夹头执行测试。
【文档编号】G01N19/04GK104280336SQ201410315463
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2013年7月3日
【发明者】伊恩·克里斯多佛·梅斯, 大卫·T·利利, 马丁·巴格, 罗伯特·布赖恩·迪尔德斯 申请人:诺信公司