陈威 贾月明
中国电子科技集团公司第四十五研究所 北京100176
摘要：半导体产业的迅速发展对芯片测试系统及其直线工作台提出了更高的要求，其性能直接影响测试数据的准确性。本文介绍了芯片测试系统直线工作台的结构组成，利用有限元软件ANSYS对直线工作台的关键部件滚珠丝杠进行了模态分析，为芯片测试系统直线工作台的结构优化设计和动态性能研究提供了重要的参考数据和方法。
关键词：芯片测试系统；直线工作台；动态性能
Abstract: The rapid development of semiconductor industry puts forward higher requirements to chip test system and its linear working table, and their performance have a direct impact on the accuracy of testing data. This paper introduces the structural composition of the linear working table, uses FEA software ANSYS to do the modal analysis on the ball screw which is the crucial unit of the linear working table, these results could provide important reference data and method to structure optimization design and dynamic characteristic research of the linear working table.
Keywords: Chip test system; Linear working table; Dynamic characteristic
芯片测试是指在集成电路制造工艺流程中封装工序前对晶圆上每一个电路单元进行电性能和电路机能检测的过程。芯片测试系统通常是根据测试工艺要求定制的，一般是将芯片放在承片台上，用探针接触芯片上事先确定的焊盘测试点，由量测单元通过探针施加激励信号给焊盘并获取测试数据。芯片测试系统将电参数特性不合格的晶粒标上记号，在后道的芯片切割工序中及时将其淘汰，有效保证了晶圆制造的良率，确保了进入封装环节的芯片质量稳定可靠。按照工作方式不同，芯片测试系统可分为两大类，即承片台移动探针不动型和探针移动承片台不动型。直线工作台是实现承片台移动和探针移动的执行单元，其定位精度和运行平稳性直接影响芯片测试系统的性能。随着半导体行业的快速发展，晶圆尺寸越来越大，芯片复杂度越来越高，芯片内部模块越来越多，对芯片测试系统及其直线工作台提出了越来越严苛的要求。直线工作台的抗振性、定位精度等动态性能超差，会出现探针接触不良、针痕偏大、扎针位置偏移等缺陷，引起测量数据异常；甚至可能扎坏芯片，造成成本损失。
一、直线工作台结构
纵观国内外芯片测试系统的结构组成，直线工作台结构可分为两种，一种是基于精密滚珠丝杠和直线导轨结构的直线工作台，另一种是平面电机型直线工作台。本文以前者为研究对象，如图1所示。直线工作台由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、支撑单元、直线导轨、基座和溜板等组成。在整个运动过程中，伺服电机驱动滚珠丝杠转动，带动螺母、导轨滑块和溜板沿直线导轨运动，从而实现工作台的直线移动。芯片测试系统直线工作台的功能是根据图像系统自动识别的芯片测试焊盘的位置信息驱动探针精准移动到预定位置。直线工作台的运动组件采用直线滚动导轨、滚珠丝杠，具有摩擦阻力小、传动效率高、定位精确等优点，可以实现芯片测试系统的高精度定位。
精密滚珠丝杠作为进给系统的关键功能部件，对直线工作台的动态性能具有重要影响，并最终决定探针定位运动的精确度，必须具有良好的动态性能。在直线工作台中，滚珠丝杠是一种细长的低刚度元件，当伺服电机的激励频率接近其固有频率时，工作台的振动就会明显增大，滚珠丝杠的结构参数、转速、支撑方式如何与直线工作台动态性能相匹配是设计时需解决的关键问题。针对传统的解析计算方法在滚珠丝杠固有振动特性精确分析方面存在的限制，利用有限元分析软件ANSYS对其固有振动特性进行了动力学分析，求解其在特定约束状态下的固有频率和振型。
.png)
二、滚珠丝杠模态分析
模态是滚珠丝杠的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是研究结构动态性能的一种方法，其目的是避免在激励下产生有害共振。
1.建立几何模型及划分网格
本文所研究的精密滚珠丝杠的材料为高碳铬轴承钢，其弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，材料密度为7900kg/m3。建立滚珠丝杠的三维模型时，以不影响仿真结果和准确性为前提，对模型的某些结构做了适当的简化，忽略了螺纹、卡圈槽和倒角等细节信息。由于滚珠丝杠结构的对称性，先建立滚珠丝杠的半剖面结构，如图2所示，对其划分平面网格，如图3所示；然后将已划分平面网格的半剖面绕轴线旋转一周，在生成滚珠丝杠三维模型的同时生成体网格。其中选取的平面单元是4节点四边形单元PLANE42，选择的体单元是SOLID45；SOLID45单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平移的自由度，单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，可以满足滚珠丝杠模态分析的要求。
.png)
2.加载并求解
在指定模态分析类型的基础上根据需要选择模态提取方法。在模态提取方法中选择适用于大型对称特征值求解的Block Lanczos方法，使用稀疏矩阵并通过EQSLV命令来执行。选取Block Lanczos方法进行模态分析时，还要设置求解的模态参数和扩展的模态阶数。通常情况下，对具有多个自由度的结构进行模态分析时，低阶模态可以反映结构的刚度特性，因此在保证精度的情况下，只对系统的低阶振型进行分析。滚珠丝杠模态分析时，通常重点研究低阶振型，本文仅分析滚珠丝杠的前8阶振型。在ANSYS软件中，前处理要按照工作情况对结构施加边界约束条件和载荷来模拟实际环境。滚珠丝杠在直线工作台进给系统中采用固定—支撑式，可以实现较高的刚度和位移精度要求，同时减少滚珠丝杠在工作时因热变形对直线工作台结构产生的影响，适用于工作台行程较长的应用场合。加载时，在第1个轴承位置的节点上施加X、Y、Z三个方向的约束，在第2个轴承位置的节点上施加X和Y方向的约束。
3.后处理
通过后处理器对计算结果进行分析，以此确定结构的行为状态。进入后处理器，显示出滚珠丝杠在约束状态下的前8阶固有频率，如表1所示；查看其前8阶振型，如图4所示。从图4可以看出，滚珠丝杠在约束状态下的振型是水平弯曲振动和垂直弯曲振动；同时，随着模态阶数的增加，滚珠丝杠固有频率值、振动的最大位移量都随之增大。由于模态的振型阶次越高，与该模态频率对应的变形越小，一般情况下工程应用只关注低阶频率的一弯振动。由表1可知，滚珠丝杠的一阶频率远大于伺服电机最大激励频率50Hz，直线工作台在运行过程中不会发生共振现象。
.png)
.png)
三、结论
利用有限元分析软件ANSYS分析了芯片测试系统直线工作台的滚珠丝杠在约束状态下的固有振动特性，包括固有频率和振型，得出了比较直观、精确的结果，验证了直线工作台结构设计的合理性，在某型定制产品芯片测试系统中取得了良好应用成效。计算滚珠丝杠弯曲频率能够校核其最高工作转速，确保直线工作台中滚珠丝杠的正常工作条件，防止滚珠丝杠工作中出现共振现象，该分析方法对于芯片测试系统直线工作台的结构优化设计和动态性能研究具有指导意义。
参考文献:
[1]THK CO,LTD.THK直线运动系统A产品解说[M].2020.
[2]成大先.机械设计手册(第1卷)[M].北京:化学工业出版社,2002.
[3]段进,倪栋.王国业.ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M].北京:兵器工业出版社,2006.
[4]王俊,方燕飞等.大规模芯片测试系统的研究与实现[J].计算机工程，2012,38(16):233-236.
[5]周豪.探针测试台x-y工作台的维护与保养[J].电子工业专用设备,2004(5):79-81.
【作者简介】陈威（1976.04-），男，汉族，江苏徐州市人，硕士研究生学历，中国电子科技集团公司第四十五研究所高级工程师，主要研究方向：半导体专用设备研发设计及项目管理。