CN101052493A - 用于引线接合机接合头的运动控制装置 - Google Patents

用于引线接合机接合头的运动控制装置 Download PDF

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Abstract

一种用于控制旋转运动和线性运动的运动控制装置，包括第一线性致动器(120)，第一线性致动器具有第一固定元件和第一可移动的驱动元件(132)，第一可移动的驱动元件被驱动用于相对于第一固定元件沿着第一纵向轴线移动。该装置还包括第二线性致动器(120)，其具有第二固定元件和第二可移动的驱动元件，第二可移动的驱动元件被驱动用于相对于第二固定元件沿着第二纵向轴线运动。驱动组件被构造成被第一和第二可移动的驱动元件驱动，用于沿着一轴线线性运动，该轴线基本平行于第一和第二纵向轴线，并且围绕旋转轴线旋转。可移动的驱动元件中的每一个的位置被单独控制以控制驱动组件的旋转位置和线性位置。

Description

用于引线接合机接合头的运动控制装置
相关申请
本申请涉及2004年9月22日提交的美国临时申请系列No.60/611,954，并且要求其优先权，该专利在此整体引为参考。
技术领域
本发明大致涉及精确运动控制装置的领域，并且更特别的是，涉及这样的运动控制装置，该装置特别适用于与引线接合机一起使用，从而为接合头提供高速的线性和旋转运动。
背景技术
引线接合机(aka引线接合机，引线邦定机)在现有技术中是公知的。引线接合机用于半导体制造中以将半导体管芯直接连接到电路板基底。已经开发出自动引线接合机，其利用所存储的位置数据来控制接合操作。某些引线接合机，例如Kulicke and SoffaIndustries，Inc.，Willow Grove，PA销售的MaxumTM商标的IC球焊机，使用了可竖直移动的引线接合头以及可水平移动的半导体工作台。在这种传统的引线接合机中，三个高速电动机(与三个空间尺度的每一个中的运动相关的电动机)用于将半导体装置和接合工具定位在适合的位置处。
引线接合机的另一个实例在美国专利6,460,751(Thurlemann)中公开.Thurlemann公开了一种接合头驱动机构，该机构包括两个线性电动机12和14。第一线性电动机12驱动接合头用于提供平移的线性运动，而第二线性电动机14驱动接合头的旋转杆4部分用于旋转运动。因此，接合工具或者毛细管7的运动被线性电动机12和14控制用于平移和旋转。Thurlemann公开了两个线性电动机12、14，所述电动机分别具有可移动的线圈11和15，其沿着彼此垂直的运动轴线移动。
降低与半导体产品的制造相关的成本的一种方法是增大接合机的操作速度，从而增大每小时制造的单元的数目。操作的速度通常受到下列因素的组合的影响：移动部件的重量和重量分布，以及用于使移动部件迅速地加速和减速的力的相对应的大小。
因此，适合的是提供一种改进的运动控制装置，其具有良好平衡的、紧凑的设计，适用于用在引线接合机中，并且提供高速接合。
发明内容
根据本发明的一个典型实施例，提供一种用于控制旋转运动和线性运动的运动控制装置。该运动控制装置包括第一线性致动器，所述第一线性致动器具有第一固定元件和第一可移动的驱动元件，第一可移动的驱动元件被驱动用于相对于第一固定元件沿着第一纵向轴线移动。运动控制装置还包括第二线性致动器，其具有第二固定元件和第二可移动的驱动元件，第二可移动的驱动元件被驱动用于相对于第二固定元件沿着第二纵向轴线移动。运动控制装置还包括驱动组件，驱动组件被构造成由第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件驱动，用于：(a)沿着第一轴线线性移动，所述第一轴线基本平行于第一纵向轴线和第二纵向轴线，和(b)围绕旋转轴线旋转。第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件中的每一个的位置被单独控制以控制驱动组件的旋转位置和线性位置。
根据本发明的另一个典型实施例，提供一种引线接合机。该引线接合机包括工作台、输送系统、引线接合头组件、和运动控制装置，工作台用于支撑将被引线接合的至少一个半导体装置，输送系统用于使工作台基本沿着水平方向移动，引线接合头组件包括接合工具，运动控制装置用于控制旋转和线性运动。运动控制装置包括第一线性致动器，第一线性致动器具有第一固定元件和第一可移动的驱动元件，第一可移动的驱动元件被驱动用于相对于第一固定元件沿着第一纵向轴线移动。运动控制装置还包括第二线性致动器，第二线性致动器具有第二固定元件和第二可移动的驱动元件，第二可移动的驱动元件被驱动用于相对于第二固定元件沿着第二纵向轴线运动。运动控制装置还包括驱动组件，驱动组件被构造成由第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件所驱动，用于：(a)沿着第一轴线线性运动，所述第一轴线基本平行于第一纵向轴线和第二纵向轴线，和(b)围绕旋转轴线旋转。第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件中的每一个的位置可被单独控制以控制驱动组件的旋转位置和线性位置。
如附图中所示，根据下面详细的描述，本发明的目前优选的实施例的上述和其它特征以及目前优选的实施例的优点将变得显而易见。如同将实现的，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出许多变型。因此，附图和说明书应当认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
为了说明本发明，附图示出了本发明的目前优选的实施例。然而，应当理解，本发明不限于附图所示的准确的设置和手段。
图1是运动控制装置的正面透视图，其中示为结合在根据本发明的典型实施例的引线接合机的一部分中。
图2是图1的运动控制装置、接合头、和工作台的侧面透视图。
图3是图1的运动控制装置、引线接合头和工作台的顶部平面图。
图4是另一种运动控制装置的侧面透视图，其中示为结合在根据本发明的典型实施例的引线接合机的一部分中。
图5A是另一种运动控制装置的侧面透视图，其中示为结合在根据本发明的典型实施例的引线接合机的一部分中。
图5B是图5A的运动控制装置的顶部平面图，其中接合头示为处于对中位置。
图5C是图5A的运动控制装置的顶部平面图，其中接合头示为处于偏移位置。
具体实施方式
本发明涉及运动控制装置，用于控制旋转运动和线性运动。根据本发明的某些典型实施例，运动控制装置包括联结到驱动组件的第一和第二线性致动器。线性致动器设置成沿着基本平行的纵向轴线延伸，并且可单独控制以控制驱动组件的线性运动和旋转运动。例如，线性致动器可以是音圈电动机或者线性伺服电动机。其它典型类型的电动机包括多相的、无铁心的或者磁杆线性电动机。运动控制装置可以结合在引线接合机中。
下面参考附图，其中在全部几幅附图中，相同的附图标记表示相对应或者类似的元件，图1是引线接合机的一部分的透视图，其具有引线接合头组件10和根据本发明的典型实施例的运动控制装置100。引线接合机优选包括引线接合头组件10、支撑工件30的工作台20、输送系统40和料箱处理器(magazine handler)50。引线接合头组件10包括接合工具12(例如毛细管工具12)，用于将引线(未示出)分配和/或引导到工件30。引线接合头组件10被驱动组件140驱动用于平移和旋转。引线接合头组件10的许多详细特征在现有技术中是常见的，并且其细节对于理解本发明不是必须的。同样，本申请中没有提供对它的讨论。类似的是，引线接合机和它的操作的许多方面是常见的，并且因此在此没有描述。本领域的普通技术人员对于这些部件的大致的结构和设置是很熟悉的，并且将能够容易地将此处提供的教导应用到这些设备。
为了有助于描述目前优选的实施例，将坐标系统描述为对于特定空间关系和/或位移的参照点将是有用的。如各个附图所示，X-Y平面对应于“水平”平面，而X-Z和Y-Z平面对应于“竖直”平面。X轴对应于工件30的移动方向。Y轴对应于驱动组件140的移动方向。Z轴对应于“竖直”方向。驱动组件140在X-Y平面中的旋转运动发生角位移φ。
引线接合头组件10被定位在分度输送系统40的上方，如所示的实施例，系统40可包括普通的成组的导轨42和电动机驱动装置(未示出)，用于使工件30(例如半导体装置)相对于接合工具12移动。任何普通的引线接合输送系统可用在本发明中。更特别的是，工件30安装在工作台20上，工作台20保持一个或多个工件30。工作台20(或者料箱)可由料箱处理器50提供给分度输送系统40。
引线接合头组件10可以通过普通的连接装置安装到接合机，所述连接装置允许接合工具12相对于工件30竖直地(即沿着Z方向)移动。美国专利No.4,266,710描述了一种类型的安装设置，该设置可用在本发明中，该专利在此整体引为参考。所述安装设置可包括枢转或者绞接安装装置，所述安装装置允许接合工具12沿着Z方向上下移动(朝着和远离工件30)，从而允许在不同的竖直位置将引线接合到半导体装置。本领域的普通技术人员对于这种安装设置以及其它的用于使接合工具竖直定位的机构是熟悉的，并且因此不进行进一步讨论。本发明可以容易地结合到许多普通的引线接合机中，例如Kulicke and Soffa’s 8028球焊机或者Maxium商标的IC球焊机。
下面参考图1-3，运动控制装置100包括第一和第二线性致动器，所述致动器均具有固定元件(或者定子)和可移动的驱动元件。典型的线性致动器组件110包括第一和第二线性音圈致动器120和音圈132。技术人员将认为，为了可操作，线性音圈致动器120通常与各种另外的部件连接，例如包括控制器(未示出)、电源(未示出)、位置传感器(未示出)等。每个线性音圈致动器120包括固定元件磁路组件(例如磁轭(yoke)122)，其构造成具有可移动的驱动元件(例如可动音圈132)。每个可动音圈132的运动能够被单独控制。磁轭122包括上部124、中部126和下部128，产生用于音圈电动机120的永久磁场。开口130分别限定在下部和中部之间以及上部和中部之间。可动线圈132在开口130内移动。通常，每个可移动的驱动元件被驱动用于相对于固定元件沿着运动的纵向轴线移动。更特别的是，相对于线性致动器组件110，每个可动线圈132相对于相应的磁轭元件122沿着运动的纵向轴线134移动。运动的所示典型的纵向轴线134彼此基本平行。
每个可动线圈132被联结到驱动组件140的驱动头部分142。驱动组件140包括驱动头142，驱动头142与平台146可旋转地联结。驱动头142围绕旋转轴线144旋转。引线接合头组件10优选设置在平台146的下面，与驱动头142相反。驱动头142联结到引线接合头组件10，从而引线接合头组件10与驱动头142一起旋转。平台146与驱动头142和引线接合头组件10一起沿着第一轴线148在导轨136上移动，导轨136形成在磁轭122中。第一轴线148例如可以基本平行于运动的纵向轴线134。另外，第一轴线148例如可以基本垂直于旋转轴线144。
可动线圈132的移动被选择成允许接合工具12的线性运动范围至少穿过工件30的整个宽度W。相对于磁轭122的中间部分126，可动线圈132的尺寸被选择成：在接合工具12沿着Y轴的线性移动的整个范围上，允许可动线圈132围绕旋转轴线144被旋转例如大约正或者负30度。当然，线性运动和旋转运动的不同范围(例如更大的运动范围，更小的运动范围)也可以考虑。
在操作中，驱动头142被可动线圈132驱动，用于沿着第一轴线148移动，并且用于围绕旋转轴线144旋转。例如，通过控制两个可动线圈132以相同的大小并且朝着相同的方向沿着运动的纵向轴线134移动，驱动头142、平台146和引线接合头组件10都被朝着Y方向沿着第一轴线148移动。然而，如果可动线圈132沿着运动的纵向轴线134朝着不同的方向移动，或者沿着相同的方向移动不同的距离，那么驱动头142和引线接合头组件10被相对于平台146旋转。
下面特别参考图4，另一个典型实施例包括线性致动器组件110’，其中线性致动器是线性伺服电动机160。特别的是，线性伺服电动机160例如可以是稀土磁体、无电刷的线性伺服电动机，可以从许多来源购买，例如Aerotech，Inc.，Pittsburgh，PA。第一和第二线性伺服电动机160被设置，并且均包括固定元件，特别是具有U形通道的壳体164，壳体164安装到框架元件162。本领域的普通技术人员将认为，线性伺服电动机160与另外的部件可操作地联结，所述部件例如包括控制器(未示出)、电源(未示出)和位置传感器(未示出)。每个线性伺服电动机160还包括可移动的驱动元件(在图4中不能清楚看到)，所述驱动元件沿着运动的纵向轴线170在磁轨166内移动。运动的纵向轴线170例如可基本彼此平行。每个驱动元件联结到传动杆168。在第一端处，传动杆168均枢转地连接到驱动头142’。在第二端处，传动杆168均连接到枢转杆172。
驱动头142’以与上述参考图1-3所示和所述的驱动头142类似的方式发挥作用。也就是说，驱动头142’与平台146可旋转地联结，并且围绕旋转轴线144旋转。如同线性致动器组件110(图1-3中所示)，线性致动器组件110’被构造成具有引线接合头组件10，组件10设置在平台146的下面，用于与驱动头142’一起旋转。平台146被导轨支撑用于沿着Y轴移动，所述导轨由框架元件162的内边缘形成。
传动杆168的移动被选择成允许接合工具12的线性运动范围至少穿过工件30的整个宽度W，并且另外允许在整个线性运动的范围中旋转运动的范围例如大约为正或者负30度。当然，不同范围的线性运动和旋转运动(例如更大的运动范围，更小的运动范围)也可以考虑。
在操作中，每个传动杆168的运动能够被单独地控制。驱动头142’被传动杆168驱动用于沿着第一轴线148移动，并且用于围绕旋转轴线144旋转。例如，通过控制两个传动杆168以相同的大小并且朝着相同的方向沿着运动的纵向轴线170移动，驱动头142’、平台146和引线接合头组件10都朝着Y方向沿着第一轴线148移动。然而，如果传动杆168沿着运动的纵向轴线170朝着不同的方向移动，或者朝着相同的方向移动不同的大小，那么驱动头142’和引线接合头组件10被相对于平台146旋转。
下面特别参考图5A-5C，其中示出了典型的线性致动器组件110”，其中线性致动器是线性伺服电动机160，电动机160与成对的齿条182a和182b可操作地联结，成对的齿条182a和182b通常称为齿条182。与驱动元件168类似，齿条182均沿着运动的纵向轴线184在磁轨166内移动。运动的纵向轴线184例如可以基本彼此平行。齿条182可操作地接合驱动头142”。特别的是，驱动头142”设置有小齿轮(pinion gear)180，小齿轮180的齿与齿条182上的齿啮合。
驱动头142”发挥作用的方式与上面分别参考图1-3和图4描述的驱动头142和142’类似。也就是说，驱动头142”与平台146可旋转地联结，并且围绕旋转轴线144旋转。与线性致动器组件110和110’相同，线性致动器组件110”构造成具有引线接合头组件10，组件10设置在平台146的下面，用于与驱动头142”一起旋转。平台146被导轨支撑用于沿着Y轴移动，所述导轨由框架元件162的内边缘形成。
齿条182的移动被选择成允许接合工具12的线性运动范围至少穿过工件30的整个宽度W，并且进一步允许在整个线性运动范围中旋转运动的范围大约为正或者负30度。当然，不同范围的线性运动和旋转运动(例如更大范围的运动，更小范围的运动)也是可以考虑的。
下面特别参考图5B和5C，在操作中，每个齿条182的运动能够被单独地控制。驱动头142”被齿条182驱动，用于沿着第一轴线148移动，并且用于围绕旋转轴线144旋转。例如，通过控制两个齿条182以相同的大小并且朝着相同的方向沿着运动的纵向轴线184移动，驱动头142”、平台146和引线接合头组件10都被朝着Y方向沿着第一轴线148移动。然而，如果齿条182沿着运动的纵向轴线184朝着不同的方向移动，或者沿着相同的方向移动不同的大小，那么驱动头142”和引线接合头组件10被相对于平台146旋转。
本领域的普通技术人员将认为，引线接合头组件10的沿着Y方向的线性运动以及沿着φ方向的旋转运动可以与其它范围的运动相结合，所述线性运动与旋转运动通过典型的线性致动器组件110、110’和110”提供，上述其它范围的运动例如由输送系统40提供的沿着X方向的线性运动，和接合工具12的主要沿着Z方向的运动，以提供接合工具12的适合的运动范围，以成功地完成工件30的处理。
另外应当认为，接合工具12围绕旋转的Z向轴线144的角度运动除了提供沿着X方向的位置变化以外，还提供了沿着Y方向的位置变化。因此，用于下列用途的程序可以考虑接合工具12的平移运动和旋转运动，该程序控制可动线圈132或者传动杆168或者齿条182的运动以使接合工具12精确定位用于接合。
可以设置摄像机(在所示的每一个典型实施例中都没有示出)，用于获得与工件30相关的图像数据。摄像机可以用于获得位置数据，例如工件30的X-Y位置和方向，和/或工件30上的接合位置。来自摄像机的数据可以反馈给微处理器或者类似的控制器，用于控制引线接合头组件10和接合工具12。例如，可以使用固定行扫描摄像机。这种摄像机和定位系统在本领域中是公知的，并且因此不需要进行进一步讨论。
另一种选择是引线接合机可设置多个工作台，例如两个工作台20，它们沿着平行的通道(lane)(未示出)在单独的成组的导轨42上运行。这种“双通道”设置将允许待移动到接合位置的工件30例如在通道1中进行阶段运动，同时接合头正在将引线连接到通道2中的工件30上。通过使部件并行地移动进出可接合的区域，这种设置可以加快生产过程，同时不会使连接引线的过程停止。
应当认为，除了此处公开的所示的线性音圈致动器130和线性伺服电动机160，其它类型的装置例如多相铁心的、无铁心的或者磁杆线性电动机可以结合在运动控制装置(例如运动控制装置100)中。
根据本公开，技术人员将认为，目前优选的实施例是一种非常紧凑的、相对轻型的、并且平衡良好的设计。应当认为，当结合在引线接合机中时，运动控制装置100和典型的线性致动器组件110、110’和110”将特别有用，因为组件110、110’、和110”被认为允许这些设备的更高的操作速度。
在不脱离本发明的实质或者基本的属性的情况下，本发明可以体现为其它具体的形式，并且因此，应当参考所附的权利要求，而不是前述的说明，来说明本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于控制旋转运动和线性运动的运动控制装置，所述运动控制装置包括：
第一线性致动器，具有第一固定元件和第一可移动的驱动元件，第一可移动的驱动元件被驱动用于相对于第一固定元件沿着第一纵向轴线运动；
第二线性致动器，具有第二固定元件和第二可移动的驱动元件，第二可移动的驱动元件被驱动用于相对于第二固定元件沿着第二纵向轴线移动；和
驱动组件，驱动组件被构造成被第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件驱动，用于：(a)沿着第一轴线线性运动，所述第一轴线基本平行于第一纵向轴线和第二纵向轴线，和(b)围绕旋转轴线旋转，
第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件中的每一个的位置被单独地控制以控制驱动组件的旋转位置和线性位置。
2.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：所述旋转轴线基本垂直于第一轴线。
3.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：驱动组件还包括平台元件，所述平台元件与第一和第二固定元件滑动地连接。
4.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：第一和第二线性致动器包括各自的音圈电动机。
5.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：第一和第二线性致动器包括各自的线性伺服电动机，并且第一和第二可移动的驱动元件通过连杆可操作地联结到驱动组件。
6.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：第一和第二线性致动器包括各自的线性伺服电动机，并且第一和第二可移动的驱动元件通过齿条和小齿轮系统可操作地联结到驱动组件。
7.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：驱动组件的质量相对于旋转轴线基本平衡。
8.如权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于：其被构造成用于与引线接合机连接。
9.如权利要求8所述的运动控制装置，其特征在于：驱动组件与包括接合工具的引线接合头组件连接。
10.如权利要求8所述的运动控制装置，其特征在于：引线接合机还包括：
工作台，用于支撑将被引线接合的至少一个半导体装置；和
输送系统，用于使工作台沿着基本水平的方向并且基本垂直于第一轴线移动。
11.如权利要求10所述的运动控制装置，其特征在于：还包括第二工作台和第二输送系统，第二工作台用于支撑将被引线接合的第二半导体装置，第二输送系统用于使第二工作台沿着基本水平的方向并且基本垂直于第一轴线移动。
12.如权利要求10所述的运动控制装置，其特征在于：还包括摄像机，所述摄像机朝着工作台，用于接收工作台的或者至少一个半导体装置的图像。
13.一种引线接合机，包括：
工作台，用于支撑将被引线接合的至少一个半导体装置；
输送系统，用于使工作台沿着基本水平的方向移动；
引线接合头组件，包括接合工具；和
运动控制装置，用于控制引线接合头组件的旋转运动和线性运动，所述运动控制装置包括：
(a)第一线性致动器，具有第一固定元件和第一可移动的驱动元件，第一可移动的驱动元件被驱动用于相对于第一固定元件沿着第一纵向轴线运动；
(b)第二线性致动器，具有第二固定元件和第二可移动的驱动元件，第二可移动的驱动元件被驱动用于相对于第二固定元件沿着第二纵向轴线移动；和
(c)驱动组件，驱动组件被构造成被第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件驱动，用于：(1)沿着第一轴线线性运动，所述第一轴线基本平行于第一纵向轴线和第二纵向轴线，和(2)围绕旋转轴线旋转，
第一可移动的驱动元件和第二可移动的驱动元件中的每一个的位置被单独地控制以控制驱动组件的旋转位置和线性位置。
14.如权利要求13所述的引线接合机，其特征在于：旋转轴线基本垂直于第一轴线。
15.如权利要求13所述的引线接合机，其特征在于：驱动组件还包括平台元件，所述平台元件与第一和第二固定元件滑动地连接。
16.如权利要求13所述的引线接合机，其特征在于：第一和第二线性致动器包括各自的音圈电动机。
17.如权利要求13所述的引线接合机，其特征在于：第一和第二线性致动器包括各自的线性伺服电动机，并且第一和第二可移动的驱动元件通过连杆可操作地联结到驱动组件。
18.如权利要求13所述的引线接合机，其特征在于：第一和第二线性致动器包括各自的线性伺服电动机，并且第一和第二可移动的驱动元件通过齿条和小齿轮系统可操作地联结到驱动组件。
19.如权利要求13所述的引线接合机，其特征在于：驱动组件的质量相对于旋转轴线基本平衡。
20.如权利要求13所述的运动控制装置，其特征在于：还包括第二工作台和第二输送系统，第二工作台用于支撑将被引线接合的第二半导体装置，第二输送系统用于使第二工作台沿着基本水平的方向并且基本垂直于第一轴线移动。
21.如权利要求13所述的运动控制装置，其特征在于：还包括摄像机，摄像机朝着工作台，用于接收工作台的或者至少一个半导体装置的图像。
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