專利名稱：具有非線性施力構件的夾持件的制作方法
具有非線性施力構件的夾持件
背景技術：
在許多制造處理中，新制造的部件需要經過測試，以確保新部件已經根據(jù)設計規(guī) 格制成，并確保新部件在特定測試條件下如所預期地執(zhí)行工作。大量測試設備和儀器被用 于測試這些新制造的部件。在測試這些部件時，經常需要在較短的測試時段期間將新制造的部件可靠地保持 或夾持于測試設備。例如，在電子工業(yè)中，電子器件將需要被夾持于測試器，使得測試器可 以測試電子器件。該夾持操作必須以允許測試器上的各種探頭可靠地接觸設置于電子器件 上的各種電路節(jié)點和觸點的方式來實現(xiàn)。可以通過能夠迅速并精確地夾持和釋放要被測試 的電子器件的夾持系統(tǒng)來增強測試操作。

發(fā)明內容
在一實施例中，提供了一種夾持件，包括殼體；從所述殼體內延伸出的搭扣構 件，并且所述搭扣構件可沿著位移軸線平移；致動器，其安裝至所述殼體并可與所述搭扣構 件相關地進行動作以使所述搭扣構件沿著所述位移軸線平移；以及非線性施力構件，其可 與所述搭扣構件和所述殼體相關地進行動作，并且所述非線性施力構件被布置為對所述的 搭扣構件朝向退回位置施力。在另一實施例中，提供了一種夾持件，包括殼體；從所述殼體內延伸出的搭扣構 件，并且所述搭扣構件可沿著位移軸線平移；致動器，其安裝至所述殼體并可與所述搭扣構 件相關地進行動作以使所述搭扣構件沿著所述位移軸線平移；施力構件，其可與所述搭扣 構件和所述殼體相關地進行動作，并且所述施力構件被布置為對所述的搭扣構件朝向退回 位置施力；以及與所述搭扣構件相鄰的第一導引件和第二導引件，并且所述第一導引件和 所述第二導引件被布置為維持所述搭扣構件沿著位移軸線的直線平移并禁止所述搭扣構 件在所述位移軸線外移動。在又一實施例中，提供了一種操作夾持件的方法，包括以下步驟激勵致動器以引 起搭扣構件抵抗由非線性施力構件施加的施力而沿著位移軸線朝向伸出位置平移；將所述 搭扣構件的夾持端部與要夾持的部件配合；并且停止激勵所述致動器以允許所述非線性施 力構件的施力引起搭扣構件沿著位移路徑朝向退回位置平移。還提供了其他實施例。


本發(fā)明的解釋性實施例被圖示在附圖中，其中圖1圖示了插入物互連；圖2圖示了雙向動作氣動缸，其在凸緣的一側具有第一入口，并在凸緣的另一側 具有第二入口；圖3圖示了氣動激勵的夾持件，其具有被配置為促使搭扣的凸緣端遠離缸的夾持 端的預加載構件；
圖4圖示了氣動夾持件；圖5圖示了對于線性施力構件和非線性施力構件的力對偏移圖線；圖6圖示了貝氏墊圈的示例性實施例；圖7圖示了針對貝氏線圈的對于各種高度/厚度比率的力對偏移曲線；圖8圖示了針對三葉彈簧的力對偏移曲線；圖9圖示了具有非線性軟化施力構件的夾持件；圖10圖示了如圖9所示的夾持件的分解視圖；并且圖11圖示了如圖9和10所示的夾持件的剖視圖。
具體實施例方式最近幾年，用于存儲器產品(例如，DRAM和閃存產品)的測試器已經結果了顯著 的改變。存儲器速度和密度已經增大了多個數(shù)量級，并且測試器也隨之進行適配。但是，隨 著速度增大，信號路徑長度已經成為嚴峻的問題。為了實現(xiàn)高速而使路徑長度最小化導致 測試器部件在最近的五年內縮小了超過1000倍。與測試器設備相關的設備的總體概要包括以下部件。系統(tǒng)臺是容納用于測試頭的 支撐裝置的豎直支架安裝部。在通常的系統(tǒng)中，系統(tǒng)臺容納冷卻單元、電源和用于測試電子 裝置的控制器。較大束的電纜和冷卻水軟管將此系統(tǒng)臺連接至測試頭。測試頭是容納全部 測試器電子裝置的相對較小的殼體。實際的信號發(fā)生和分析在測試頭內執(zhí)行。接口安裝至 測試頭。這是機電組件，其基本上是非常大的連接器，并允許各種探頭板安裝至測試器。實 際接觸晶片并與晶片表面上的金屬墊盤進行電接觸的是探頭板。隨著對于ATE工業(yè)發(fā)展出了新的更經濟的方案，出現(xiàn)了更大的設備(即，更多并 發(fā))。在下一代的測試器中，將可以一次測試超過1000個器件。隨著同時測試更多的器件， 測試系統(tǒng)的物理尺寸通常成為問題。雖然總體尺寸可以一定程度地增大，但是器件與測試 器之間的互連密度顯著更大地增大。由于信號路徑和路線方面的考量限制了電系統(tǒng)的縮 小，所以這導致必須在密度增大的情況下使機械形狀縮小。這在接口(即，測試器的形成 互連至探頭板的部分)方面成為最大的問題。在下一代的機器中，需要通知制造并切出約 74000個互連。實際互連可以使用插入物來實現(xiàn)，插入物包括位于塑料殼體內的非常小的彈 簧。當機械力施加至PCB-插入物-探頭板的夾層結構時，此彈簧提供了低阻抗路徑。彈簧 通常以相對精細的間距(通常為Imm)布置為二維陣列。在一個實施例中，可以在單個塑料 殼體中形成約500個連接器彈簧。這種互連是較理想的，這是因為在任一側的PCB均相對 堅固，并且如果插入物被損壞可以容易地更換。圖1圖示了來自Verigy 5500 Matrix測試 器的插入物互連。插入物互連和其他類似系統(tǒng)可以包括相似的夾持和其他的機械力的應用 方式。諸如WISI-2之類的一些應用可以包括更少的自由空間，并可以包括徑向構造，其通 常非常難以進行施力。施力的方法可以包括氣動夾持件。每個夾持單元可以非常小，并可以提供有限的 力。但是，通過設置足夠的這種單元(其應該被適當?shù)胤植?，可以實現(xiàn)所需的夾持力。在 一實施例中，夾持件可以包括兩個重要特征。特征之一是相對較小的橫截面，以允許夾持件 裝配在插入物之間。由于夾持裝置將會把探頭板夾持于測試器裝置，所以另一個特征是夾 持裝置必須被配置為不會意外地打開。為測試處理所需的復雜的探頭板是非常昂貴和精密的。探頭板的成本會超過$250，000。在探頭板上，具有通常好幾萬個向外延伸以與晶片接 觸的針狀觸點。任何非豎直的力將很容易損毀觸點。此外，過度地驅動觸點僅千分之幾個 英寸也可能損毀觸點。因此必要的是，用于將探頭板保持于接口的夾持件在操作時必須精 確，并且不會具有可能導致其意外打開的缺陷。這樣的打開會導致探頭板掉落，并引起探測 器(其是將晶片定位于探頭卡的機械)損傷探頭板。在許多工業(yè)中共同的任務是使用氣動致動的夾持件。隨著自動化在制造業(yè)的普 及，可獲得的夾持裝置已經增多。這些夾持件中的許多包括簡單的雙向作用氣動缸200(見 圖2)。如圖2所示，這些裝置使用一側的氣壓以沿著朝向入口 202的的一個方向致動，并接 著使連接反向以沿著朝向入口 204的方向致動。這種最簡單類型的致動器不適于我們的使 用，這是因為氣壓故障使得夾持件打開。具有預加載彈簧302的夾持件致動器300 (圖3)最適于許多ATE應用。夾持件致 動器單向致動氣動缸304被預壓縮的線性彈簧302保持在一個位置。這些類型的夾持件致 動器300也是通用的工業(yè)裝置，并也已經在ATE工業(yè)中得到長期應用。由授權給Chiu的美國專利號7，213，803和授權給Uher等的美國專利號 6，340，895提供了一些示例。裝置300的動作使得在完全關閉位置，彈簧302提供了夾持 力。為了克服該力，將氣壓通過入口 306供應至缸。當由空氣提供的力超過彈簧力時，夾持 件300開始打開。這種類型的裝置的問題正在于此。應該可以理解的是，壓縮彈簧的力是距 離的線性函數(shù)。由此，通過入口 306提供的空氣必須施加越來越大的力來進一步打開夾持 件300。在許多情況下，必須施加夾持力的兩倍以使夾持件300完全打開。這在夾持件300 的幾何形狀較短并具有較小直徑的情況下更成為問題。對于較短的夾持件300，彈簧302必 須壓縮其長度的更大部分，從而增大了用于壓縮彈簧302的力。同時，隨著直徑減小，因為 活塞304的末端308處的面積減小，所以可獲得的力減小。因此，隨著這種類型的夾持件變 得更小，其幾乎無效。這些因素限制了夾持件300在ATE工業(yè)中的實用性?，F(xiàn)在參照圖4，夾持件400基于相對較大的盤簧402，夾持件400被大體構造為將 最終測試接口 (Final Test Interface)保持于型號V5500的Matrix單元。夾持件400可 以包括5. 25"高和4"直徑的總體尺寸。這對于許多教新的測試應用而言太大了。用于此 夾持件的彈簧402具有3. 5〃的自由長度，1.94"的0D，0.25"的線徑，并具有1981b/in的 彈簧系數(shù)。對應于該應用，夾持力是1101b，因此彈簧402在進行了 0.55"的彈簧壓縮的情 況下被壓縮至2.94"。在一實施例中，夾持件1100從閉合位置到打開位置行進0.25英寸。 在完全打開位置，用于為抵消彈簧以停止所需的力是約0. 8*198 = 1581b。這是為打開夾持 件400而必須由氣動致動器404產生的力?？傮w而言，這是可接受的，因為夾持件可以包括 2"直徑的活塞。這個尺寸的活塞可以在約85psi的氣壓下產生約2671b的力。當使得夾持件400的尺寸更小時，用于打開的力相較于可從相似彈簧直徑的活塞 獲得的力而言變得過大。如果夾持件400的長度減小至1. 5英寸，并且彈簧1102的直徑 成為1.4英寸，則可接受的彈簧選擇是Century Spring 72767。此彈簧具有1.4"直徑， 2.5〃自由長度，0.162〃線徑、以及1031b/英寸的彈簧系數(shù)。當彈簧402被壓縮至1. 43 〃 時，夾持件400具有IlOlb的夾持力。對于行進了同樣0.25"的夾持件，彈簧402的長度變 為1.18〃，并且用于打開的力為1351b。注意，1.4〃直徑的活塞將僅產生1301b的力，因此 此夾持件將不能完全打開。
基本的缺點是普通彈簧的屬性，其在于如圖5所示，偏離力與偏移成正比。較小的 彈簧必須具有較小的線徑。因此，較小的彈簧具有較低的彈簧系數(shù)。為了使較小的彈簧提 供足夠的力，其必須被壓縮其自由長度的較大部分。由夾持件打開所需的額外彈簧偏移以 按比例地增大力，并且在許多情況下，超過了可以通過匹配尺寸的氣缸所供應的力。在一實施例中，可以通過使用具有更好地適應任務的特性的彈簧裝置來克服困 難。如先前所述，通用的壓縮盤簧具有在圖500上由圖線502所示的與便宜直接成正比的 力，并通常被公知為線性彈簧。還存在其他類型的隨其偏移非線性的彈簧。一種類型的偏 移成為非線性剛化，其可以由非線性剛化彈簧引起，并如圖線504所示。非線性剛化彈簧可 以具有被設計為隨著彈簧被壓縮而進行接觸的線圈。這種構造引起彈簧常數(shù)隨著偏移而增 大。這種行為也在圖5中示出。另一個種類型的彈簧被成為非線性軟化彈簧，如圖5中圖 線506所示。這種非線性軟化類型的一個示例是箭術所用的復合弓。隨著其被往回拉，彈 簧力隨著偏移而減小，使得容易將弓保持在待發(fā)位置。注意，在此情況下，這種類型的動作 是通過帶輪和線纜的復雜系統(tǒng)獲得的，這不是在小區(qū)域中使用的夾持件的選項。另一種非線性軟化彈簧已經被記載為利用由合適調節(jié)的材料制成并具有合適調 節(jié)的內部特征的聚合物缸。這種構造對于ATE系統(tǒng)的小區(qū)域使用而言也太復雜。軟化非線性彈簧的最后一個示例是被選擇用于ATE系統(tǒng)的小區(qū)域中使用的一種。 某些類型的貝氏墊圈(Belleville washer)展現(xiàn)了這種行為類型。貝氏彈簧或墊圈600 (圖 6)是一種盤式彈簧。通常為高碳鋼的薄片彈簧材料被沖壓以制造具有較大外徑(0D)602和 較小內徑(ID)604的的墊圈。此墊圈可以接著被壓制使其具有拱形而成為截錐形狀。在硬 化之后，這形成了貝氏彈簧600。圖6以橫截面視示了貝氏彈簧600?？傮w而言，這些 類型的彈簧具有非常大的剛性(即，非常小的偏移產生非常大的力)。貝氏彈簧的一種通常 的用途是在結構應用中布置在較大的螺栓下方以即使由于振動或熱效應導致螺栓略微松 動時也提供按壓力。貝氏彈簧的一種重要特性在于對于一些墊圈幾何結構而言力-偏移曲線可以是 非線性的。如圖7的圖線700所示，當高度比材料厚度變?yōu)榇笥?. 4時，曲線展現(xiàn)了軟化非 線性彈簧的行為。隨著該比率變?yōu)榇笥?.5，該行為非常明顯。在所圖示的最大比率(例 如，2.0或更大)的情況下，墊圈實際上在加載時逆轉。此軟化非線性行為允許氣動夾持件的小型化。圖8圖示了對于三葉彈簧(clover spring) BC-1070-020S貝氏墊圈的力-偏移曲線。該三葉彈簧是貝氏墊圈的一種，其具有沿 著內外周的切除部分，以相比標準貝氏彈簧允許在更低的加載情況下更大的偏移。此墊圈 具有1.069"的OD和0.4〃的ID。其未加載情況下的高度是0. 101 “，并且盤材料的厚度 是0.02"。其高度與厚度的比率大于4，因此其具有明顯的軟化行為。通常公知的是，貝氏 彈簧不應該被壓縮超過其總偏移的75%。否則，過度壓縮會引起在較少次數(shù)的循環(huán)時發(fā)生 疲勞失效。貝氏墊圈還具有普通盤簧所不具有的非常易于處理的特性。這是因為可以將墊圈 以特定方式堆疊來一定程度地調節(jié)其偏移和加載。對于單個墊圈，可以查詢或測量在給定 偏移情況下的力。如果需要更大的力，則可以將墊圈沿著相同方向堆疊以增大通過墊圈的 偏移產生的合力。另一方面，如果在給定力的情況下需要更大的偏移，則可以將多個墊圈沿 著相反方向堆疊來實現(xiàn)。
在一個實施例中，墊圈可以在0. 038"的偏移情況下371b的標稱力的狀況下使 用。夾持件可以使用3個墊圈的組以在0.038"的偏移情況下產生Illlb的總載荷。這樣 的3個墊圈的組在被加載時的高度是0. 103"。夾持件可以使用15組按照成對相反方式布 置的3個墊圈的組，以實現(xiàn)0.25"的所需總偏移。這產生了 1.54"的總高度，每組對于總 偏移而言偏移了 0. 0167"的增量。根據(jù)載荷對偏移曲線，此偏移在每個墊圈401b的載荷情 況下(即，對于堆疊而言1201b的總載荷)發(fā)生。相比用線性線圈彈簧可以實現(xiàn)的情況而 言，這是在最大偏移情況下小得多的載荷。夾持件直徑與使該堆疊完全偏移所需的力相關。 對于1201b的力，在85psi的壓力下，所需活塞直徑為1.35"，可以得到非常緊湊的設計。在圖9-11中示出了夾持件900的示例性實施例。在圖中額外的視圖示出了夾持 件900A、900B和900C，并且圖10中以分解視圖示出了夾持件900D?，F(xiàn)在參照圖11，示出了 夾持件900E的剖視圖。在一實施例中，活塞桿902形成了從殼體906 (或缸906)內延伸出 的搭扣構件904。與課題906配合的活塞頭910包括0環(huán)密封件908。諸如貝氏彈簧600 或三葉彈簧600之類的非線性施力構件600的墊圈堆疊912位于上述活塞頭902以上，在 未施加氣壓時對搭扣構件904的端部914向最低可能位置促使。為了允許盡可能緊湊的設 計，活塞頭910是薄餅形狀，即相對于其直徑而言其高度較小。通常，活塞僅可以在高度與 寬度相當?shù)那闆r下在腔孔中自對中。因此，在這種類型的夾持件上通常不會看到較薄的活 塞頭910。為了允許相對于寬度916而言較小的活塞頭910的使用，第一和第二導引件918 和920可以與活塞桿902相鄰地設置頂部922和底部924。第一導引件918圍繞活塞桿924 或延續(xù)部924，而第二導引件920可以被配置為圍繞活塞桿924的在缸906的凹部826內延 伸的延伸部924?？諝馊肟?928可以設置為對活塞頭910進行致動的致動器。也可以設置 螺栓或其他安裝構件930以將夾持件900保持在一起。在一個實施例中，夾持件900的搭扣構件904可以被配置為可選擇性地繞偏移軸 旋轉。可以提供此旋轉以允許與搭扣構件904的端部配合并夾緊。例如，可以設置外部旋 轉致動器935以與搭扣構件進行可動作的鏈接。在另一實施例中，搭扣構件904可以在不 旋轉的情況下沿著位移軸線伸出，并可以被配置為用于其他類型的非旋轉配合。在一實施例中，非線性施力構件600可以包括被配置為提供隨著偏移而減小的彈 簧力的軟化非線性彈簧600。此配置基本允許搭扣構件904隨著添加力的按比例減小而移 動遠離殼體600附近的退回位置。在示例性實施例中，提供了一種操作夾持件的方法。此方法可以包括以下步驟激 勵致動器以引起搭扣構件抵抗由非線性施力構件施加的施力而沿著位移軸線朝向伸出位 置平移。該方法還可以包括以下步驟將搭扣構件的夾持端部與要夾持的部件配合。該方 法還可以包括以下步驟停止激勵所述致動器以允許非線性施力構件的施力引起搭扣構件 沿著位移路徑朝向退回位置平移。在一個實施例中，當非線性施力構件可以包括提供隨著 偏移而使添加力減小的軟化非線性彈簧時，激勵致動器以引起搭扣構件抵抗由非線性施力 構件施加的施力而沿著位移軸線朝向伸出位置平移的步驟可以需要將來自致動器的添加 力按比例地減小以允許搭扣構件遠離退回位置的移動。
權利要求
1.一種夾持件，包括 殼體；從所述殼體內延伸出的搭扣構件，并且所述搭扣構件可沿著位移軸線平移； 致動器，其安裝至所述殼體并可與所述搭扣構件相關地進行動作以使所述搭扣構件沿 著所述位移軸線平移；以及非線性施力構件，其可與所述搭扣構件和所述殼體相關地進行動作，并且所述非線性 施力構件被布置為對所述的搭扣構件朝向退回位置施力。
2.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，其中，所述非線性施力構件包括一組貝氏彈簧。
3.根據(jù)權利要求2所述的夾持件，其中，所述貝氏彈簧相對于彼此沿著單一方向堆疊。
4.根據(jù)權利要求2所述的夾持件，其中，所述貝氏彈簧中的相鄰貝氏彈簧相對于彼此 沿著相反方向堆疊。
5.根據(jù)權利要求2所述的夾持件，其中，所述非線性施力構件包括一組三葉彈簧。
6.根據(jù)權利要求5所述的夾持件，其中，所述三葉彈簧相對于彼此沿著單一方向堆疊。
7.根據(jù)權利要求5所述的夾持件，其中，所述三葉彈簧中的相鄰三葉彈簧相對于彼此 沿著相反方向堆疊。
8.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，其中，所述致動器包括氣動致動器。
9.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，還包括與所述搭扣構件相鄰的導引件，并且所述導 引件被布置為維持所述搭扣構件沿著位移軸線的直線平移并禁止所述搭扣構件在所述位 移軸線外移動。
10.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，還包括與所述搭扣構件相鄰的第一導引件和第二 導引件，并且所述第一導引件和所述第二導引件被布置為維持所述搭扣構件沿著位移軸線 的直線平移并禁止所述搭扣構件在所述位移軸線外移動。
11.根據(jù)權利要求10所述的夾持件，其中，所述第一導引件和所述第二導引件被布置 在從活塞的相對兩側向外延伸的桿部上。
12.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，其中，所述殼體是缸。
13.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，其中，所述搭扣構件可繞所述位移軸線旋轉。
14.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，還包括可與所述搭扣構件相關地進行動作的外部 旋轉致動器。
15.根據(jù)權利要求1所述的夾持件，其中，所述非線性施力構件是軟化非線性彈簧，所 述軟化非線性彈簧提供了隨著偏移減小的彈性力以允許所述搭扣構件隨著按比例減小來 自所述致動器的添加力而遠離所述退回位置的移動。
16.一種夾持件，包括 殼體；從所述殼體內延伸出的搭扣構件，并且所述搭扣構件可沿著位移軸線平移； 致動器，其安裝至所述殼體并可與所述搭扣構件相關地進行動作以使所述搭扣構件沿 著所述位移軸線平移；施力構件，其可與所述搭扣構件和所述殼體相關地進行動作，并且所述施力構件被布 置為對所述的搭扣構件朝向退回位置施力；以及與所述搭扣構件相鄰的第一導引件和第二導引件，并且所述第一導引件和所述第二導引件被布置為維持所述搭扣構件沿著位移軸線的直線平移并禁止所述搭扣構件在所述位 移軸線外移動。
17.根據(jù)權利要求16所述的夾持件，其中，所述第一導引件和所述第二導引件被布置 在從活塞的相對兩側向外延伸的桿部上。
18.根據(jù)權利要求16所述的夾持件，其中，所述致動器包括氣動致動器。
19.根據(jù)權利要求16所述的夾持件，其中，所述殼體是缸。
20.一種操作夾持件的方法，包括以下步驟激勵致動器以引起搭扣構件抵抗由非線性施力構件施加的施力而沿著位移軸線朝向 伸出位置平移；將所述搭扣構件的夾持端部與要夾持的部件配合；并且停止激勵所述致動器以允許所述非線性施力構件的施力引起搭扣構件沿著位移路徑 朝向退回位置平移。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，當所述非線性施力構件是提供隨著偏移而使 添加力減小的軟化非線性彈簧時，激勵所述致動器以引起所述搭扣構件抵抗由所述非線性 施力構件施加的施力而沿著所述位移軸線朝向伸出位置平移的步驟需要將來自所述致動 器的添加力按比例地減小以允許搭扣構件遠離退回位置的移動。
全文摘要
在一實施例中，提供了一種夾持件，包括殼體；從所述殼體內延伸出的搭扣構件，并且所述搭扣構件可沿著位移軸線平移；致動器，其安裝至所述殼體并可與所述搭扣構件相關地進行動作以使所述搭扣構件沿著所述位移軸線平移；以及非線性施力構件，其可與所述搭扣構件和所述殼體相關地進行動作，并且所述非線性施力構件被布置為對所述的搭扣構件朝向退回位置施力。還揭示了其他實施例。
文檔編號G01R31/01GK102124353SQ200980122195
公開日2011年7月13日 申請日期2009年4月13日 優(yōu)先權日2008年4月11日
發(fā)明者唐納德·偉-仲·邱, 約翰·威廉·安德勃格 申請人:惠瑞捷(新加坡)私人有限公司