CN110931387B - 用于半导体设备的Y-θ平台 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体设备的Y‑θ平台例如用于引线键合器的定位平台具有第一臂和第二臂、以及与第一臂和第二臂接合的载台，所述第一臂和第二臂中的每一个能够沿着第一轴线被线性地独立驱动。所述载台经由相应的接合机构与第一臂和第二臂中的每一个接合，使得载台能够沿着第一轴线进行线性运动，并且能够围绕与载台的中心点重合的旋转轴线进行旋转，所述旋转轴线与第一轴线正交。每个接合机构被配置成允许载台的中心点与第一臂和第二臂中的每一个的端部之间的相应距离在臂沿着第一轴线运动期间发生变化。

Description

用于半导体设备的Y-θ平台

技术领域

本发明涉及一种用于半导体设备的定位平台，以及引线键合器。

背景技术

目前的引线键合器通常具有包括摇臂的键合头，所述摇臂使键合工具以较小的角行程围绕水平轴线上下旋转。摇臂的角行程将键合工具沿竖直Z轴线定位。键合头安装在XY平台的相互正交的X和Y运动载台上，以便将键合工具定位在水平面上的X轴和Y轴线上。作为具体的示例，目前的引线键合器可以具有安装在XY平台上的键合头壳体，该键合头壳体包括用于沿着X轴线线性地驱动键合头主体的X-载台和用于沿着Y轴线线性地驱动键合头主体的Y-载台。XY平台可以由交叉滚子轴承引导，所述交叉滚子轴承可以通过分离（decoupled）的线性致动器致动，所述分离的线性致动器通常具有其自身的线性轴承。然而，这种类型的布置导致XY载台非常重，需要巨大的致动力来实现较高的加速度。

引线键合机的速度逐年提高，使得直驱电机对力（和功率）的要求更高。由于一个载台（通常是X-载台）承载另一个载台（通常是Y-载台），而另一个载台又承载包括Z-载台的键合头，所以X-载台必须使最大质量体以较高的加速度运动。这使得X电机成为最大的部件，并且还导致引线键合操作期间X电机散发大量的热。由于线性电机的最大加速度受到限制，因此增加键合头和Y-载台的质量将限制可实现的加速度，从而限制输出。

由于XY平台的速度较高，进而需要更高的加速度，因此通过运动的质量体的运动产生的振动也显著增加。这些振动传递到夹持被键合的基板或载体的工件夹持器上，从而还不利地影响了其上的键合剂放置精度。由于X-载台必须使最大质量体运动，所以由X-载台产生的振动具有最高的振幅。

另一个观察结果是，由于对高刚度的较高预载并且由于较高的力矩载荷（其是由致动X-力与承载在沿Y-方向运动的质量体上的质量体的移动重心之间的偏移所导致的），所以X-载台的线性轴承承受最大应力。

为了克服上述一些问题，题为“用于引线键合器的键合头（Bondhead for a WireBonder）”且专利号为6,460,751的美国专利描述了一种引线键合装置，该引线键合装置完全消除了线性X-载台。作为代替，摇臂旋转载台安装在竖直轴线旋转载台上。所述旋转载台使用空气轴承，并且由直驱电机驱动。具有竖直旋转轴线的旋转载台安装在线性Y-载台上。这种旋转载台实际上取代了X-载台，但无法使键合工具在X-方向上进行纯粹的线性运动。由于键合工具的运动是旋转的，所以键合工具具有X-方向分量以及Y-方向分量。Y-方向分量可以通过Y-载台赋予的线性Y-运动进行补偿。

虽然这种设计旨在解决与常规X-载台相关的上述问题，但它有其自身的局限性。首先，由于总的角行程范围相对较大（±15度），所以直驱电机所需的扭矩很大，致使无法将直驱电机制造得非常小和紧凑。此外，使用空气轴承对制造出来的部件的精度及其组装有极高的要求，还占用了相当大的空间。由于相对较重，增加了Y-载台的负荷，因而可能开始面临类似于上述常规X-载台的问题。即使当键合器没有在进行键合，空气轴承也会消耗大量的压缩空气，从而增加了运行成本。

可以提及的另一个类似的现有技术是题为“包括旋转定位载台的引线键合装置（Wire Bonding Apparatus Comprising Rotary Positioning Stage）”，专利号为8,256,658的美国专利。

发明内容

本发明试图克服上述问题，并且提供一种用于半导体设备，特别是用于引线键合器的Y-θ平台。

根据本发明，使用相应的挠曲枢轴将Yθ载台连接到驱动臂以实现该目的。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于半导体设备的定位平台，包括。

第一臂和第二臂，所述第一臂和第二臂中的每一个能够通过运动部件沿着平行于第一轴线的方向被独立地驱动；以及。

载台，其与第一臂和第二臂接合。

其中，所述载台经由相应的接合机构与第一臂和第二臂中的每一个接合，使得载台能够在平行于第一轴线的方向上进行线性运动，并且能够围绕与第一轴线大致正交的旋转轴线进行旋转运动。

根据本发明的第二方面，提供了一种引线键合器，其包括第一方面所述的平台，以及安装在平台的载台上的键合头。

根据本发明的第三方面，提供了一种引线键合器，其包括。

第一臂和第二臂，所述第一臂和第二臂中的每一个能够沿着平行于第一轴线的方向被独立地驱动；以及。

载台，其与第一臂和第二臂接合。

其中，所述载台经由相应的接合机构与所述第一臂和第二臂中的每一个接合，使得载台能够平行于第一轴线进行线性运动，并且能够围绕与第一轴线大致正交的旋转轴线进行旋转运动，每个接合机构被配置成允许载台与第一臂和第二臂中的每一个的端部之间的相应距离在沿着平行于第一轴线的方向驱动臂期间发生变化。

可以优选地包括铰链的接合机构在所有六个自由度上完全确定载台的位置，并且被配置成允许载台相对于臂或者相对于驱动臂的线性电机以如下方式进行旋转：旋转（Z）轴穿过的载台的点A将按照Y_A=θ*R沿着第一（Y）轴线运动，其中R是接合机构的中心与点A之间的距离，θ（以弧度计量）=(Y₁-Y₂)/2R，其中Y₁和Y₂是两个臂在平行于Y轴线的方向上的相应运动。

在所附权利要求书中阐述了本发明的其他具体方面和特征。

附图说明

现在将参考附图（未按比例绘制）描述本发明，其中。

图1示意性地示出了从上方看的根据本发明的实施例的Yθ平台。

图2示意性地示出了图1处于旋转位置的Yθ平台。

图3示意性地示出了从上方看的根据本发明的第二实施例的Yθ平台。

图4示意性地示出了从上方看的根据本发明的第三实施例的Yθ平台。

图5示意性地示出了图3的交叉枢轴挠曲件的剖视图。

图6示意性地示出了根据本发明的实施例的引线键合器的透视图。

图7示意性地示出了从上方看的根据本发明的另一个实施例的Yθ平台。

图8示意性地示出了从上方看的根据本发明的又一个实施例的Yθ平台。

图9示意性地示出了从上方看的根据本发明的再一个实施例的Yθ平台。

图号说明：

10-引线键合器平台

11-键合头

12-载台

13、14-臂

15、16-轴承

17、18-铰链

19、20-梁

21、22-枢轴

23、24-板簧

25-加强元件

26-交叉枢轴挠曲件

27-底座

28-安装元件

30-引线键合器

40、50、60-载台

41、42、51、52、61、62-臂

43、44-圆角边缘

45、55、65-键合头

53-带齿边缘

54-齿条

66、67-弹性条带

A-载台上的任意点

L1-旋转轴线与臂之间的最短距离

L2、L3-旋转轴线与臂的端部之间的距离。

具体实施方式

图1示意性地示出了本发明的第一实施例。示出了从上方看（即沿着与X-Y平面正交的Z轴线向下看）的引线键合器平台10。细长的键合头11安装在Yθ载台12上，所述Yθ载台12连接到第一臂13和第二臂14，在该实施例中，所述Yθ载台12在载台的径向相对的区段处连接到第一臂13和第二臂14。在该实施例中，载台12被示出为大致呈矩形，但是在可选实施例中可以为各种形状。任意点A被示出为与旋转Z轴线重合。第一臂13和第二臂14中的每一个可通过相应的第一致动器和第二致动器（未示出）沿着Y轴线被独立地驱动，所述第一致动器和第二致动器例如为线性致动器，或者作用在相应的臂的齿条（未示出）上的旋转致动器。轴承15、16分别引导臂13、14。

载台12经由相应的铰链17、18连接到每个臂13、14。每个铰链17、18形成为四连杆机构，具有第一梁19和第二梁20，第一梁19和第二梁20中的每一个的第一端连接到臂13、14上，第二远端连接到载台12上。每个铰链17、18的第一梁19和第二梁20以交叉结构布置，使得第一梁19和第二梁20不平行且具有相邻的重叠部分，如图所示，所述相邻的重叠部分靠近每个梁19、20的中心。这些部分彼此不接触，以避免梁19、20自身之间的摩擦。

每个梁19、20包括非柔性的刚性杆，并且经由其端部处的分离的相应枢轴21、22连接在相应的臂13、14与载台12之间。各个连杆的长度和连杆之间的角度限定了Z轴线在载台12的旋转期间的运动，所以需要仔细选择以确保最佳性能。枢轴21、22可以以多种方式形成，例如挠曲交叉枢轴、滚珠轴承、弹性/橡胶材料，或者诸如板簧的金属挠曲件。

这种形式的铰链的优点在于：连杆沿着Y驱动方向和Z方向都具有相对高的刚度，因此能够支撑和驱动相对较重的载台12。

在图1所示的位置中，这里与旋转（Z）轴线重合的点A与每个臂13、14之间的最短距离为L1，L1为垂直于臂13、14的长度，使得载台大致等距离地位于两个臂13、14之间，这种布置可以通过使铰链17、18相同来实现。另外，点A与臂（在本实施例中为臂13）的端部之间的距离被示出为长度L2。

在操作期间，当第一臂13和第二臂14被驱动以使臂沿着Y轴线进行净运动时，例如，如果第一臂13和第二臂14都沿着Y轴线在相同的方向上被驱动，则载台12沿Y轴线运动。当臂13、14沿着Y轴线以不同的速度被驱动时，载台12围绕与Y轴线大致正交的Z轴线旋转。这些线性运动和旋转运动可以叠加，例如，如果臂13、14都在正Y方向上被驱动，但是一个臂14比另一个臂13行进得更快，则载台12将在正Y方向上运动并且顺时针旋转角度θ。当然，在这种情况下，应该注意的是，点A以及旋转轴线将沿着Y方向平移。

图2示出了处于旋转位置的图1的平台10。为了简单起见，在这种情况下，臂13、14各自被驱动相同的距离，但是沿着Y轴线在相反的方向上被驱动。这使得载台12仅围绕Z轴线旋转角度θ，没有平移运动。首先，可以注意到的是，Z轴线与每个臂13、14之间的最短距离仍然为L1，L1为垂直于臂13、14的长度，使得载台仍然大致等距离地位于两个臂13、14之间。其次，可以注意到的是，Z轴线与臂（在本实施例中为臂13）的端部之间的距离现在为长度L3，其中L3大于L2。可以看出，这种延伸避免了在旋转期间对臂13、14施加不可接受的应力。

图3和图4示意性地示出了本发明的可选实施例，与图1的视图类似，在这些可选实施例中，采用了包括交叉枢轴挠曲件的铰链。在可能的情况下，图1中采用的编号系统将予以保留用于相同的部件。在所有这些实施例中，铰链执行与前述实施例类似的功能。

在图3中，使用挠曲枢轴，其中每个梁包括诸如板簧23、24的挠曲元件。板簧23、24可以由具有较高的拉伸应力或疲劳应力的材料，例如钛或钢（例如Stavax/Tool钢）形成，或者由超弹性材料或纤维增强复合材料（如碳纤维塑料）形成。该实施例的优点在于：板簧精确（即重现性好、无摩擦）、无磨损、重量轻且成本低。板簧23、24的薄且柔韧的特性意味着不需要分离的枢轴（与图1所示的实施例相反）。

图4示出了图3的实施例的改进形式，其中每个板簧23、24包括位于相应板簧23、24中部的加强元件25。合适的加强元件25可以包括由柔性材料制成的套筒或支撑件，该柔性材料可以具有比板簧23、24的材料更高的刚性，从而提高了相应的板簧23、24的刚性。可选地，加强元件可以包括板簧23、24本身的较厚部分。与图3所示的实施例相比，这种改进的优点在于：在Y、X、Z、Rx和Ry方向上的刚度明显更高，而Rz刚度仅略微提高，并且在所述机构旋转期间刚度的变化较小。

图5示意性地示出了图3的交叉枢轴挠曲件26的剖视图。板簧23、24通过底座27连接；在使用中，底座27附接到臂上。板簧23、24的远端设有安装元件28，用于附接到载台12上。应该注意的是，靠近板簧23、24的中心的交叉部没有连接。

图6示意性地示出了根据本发明的实施例的引线键合器30的透视图。在该实施例中，每个铰链包括三个板簧23、24、23'，其中这些板簧的一部分可见，并且可以看出，板簧23、24、23'的高度在铰链的竖直范围内均等分布，其中最下面的板簧23的高度占铰链总高度的25％，中间的板簧24的高度占铰链总高度的50％，最上面的板簧23'的高度占铰链总高度的25％。这种类型的布置在铰链的范围内提供了平衡力。键合头11安装在平台上，与载台一起运动。

图7示意性地示出了从上方看的根据本发明的另一个实施例的Yθ平台，其中键合头45由载台40承载。这里，载台40与两个臂41、42中的每一个摩擦接合。当臂41、42沿着Y轴线以不同的速度运动时，与臂41、42接合的载台40的边缘43、44径向弯曲，以允许载台40旋转。因此，为了使载台40可以完全由臂41、42支撑，载台40与臂41、42之间需要较高的摩擦，使得摩擦力足以克服作用在载台40上的向下力。因此，载台40将被牢固地压在或夹在臂41、42之间。载台40与臂41、42之间的摩擦用于将驱动力传递到载台40。如果需要，可以包括导轨（未示出）以约束其他自由度。在该实施例中，臂之间的约束确保旋转轴线在整个可能的运动范围内与第一臂41和第二臂42保持等距。

在相关的实施例（未示出）中，载台40可以由轮子承载，并且轮子被压在臂41、42之间以实现臂41、42的摩擦驱动。

图8示意性地示出了从上方看的根据本发明的又一个实施例的Yθ平台，其中键合头55由载台50承载。这里，臂51、52各自包括齿条54，所述齿条54与载台50的带齿的圆角端53接合，所述载台50的带齿的圆角端53充当了小齿轮。除此之外，该实施例的装置以与图7所示的装置类似的方式运行。

任选地，图8的齿条齿轮系统可以包括分离齿轮，用于将驱动力从每个齿条54传递到载台50。

如果需要，可以包括导轨（未示出）来约束其他自由度。

在相关的实施例（未示出）中，载台40可以由轮子承载，并且轮子包括用于与齿条54接合的小齿轮传动装置。

图9示意性地示出了从上方看的根据本发明的再一个实施例的Yθ平台，其中键合头65由载台60承载。在该实施例中，在载台60的圆角端与相邻的臂61、62之间连接有相应的弹性条带66、67，以将运动从臂61、62传递到载台60。在载台60的旋转期间，即当臂61、62沿着Y轴线以不同的速度运动时，弹性条带66、67伸展并且压在载台60与相应的臂61、62之间。

在相关的实施例（未示出）中，载台60可以由轮子承载，并且弹性条带将轮子连接到相应的臂61、62。

上述实施例仅是示例性的，并且本发明范围内的其他可能和替代方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，虽然载台优选地由铰链单独支撑，但是也可以通过单独的轴承（例如位于载台下方）或通过其组合来提供支撑。

为简单起见，上述装置使用在平行方向上被驱动的臂，但这不是必需的，仅需通过运动部件沿着平行于第一（Y）轴线的方向驱动所述臂即可。臂本身也不需要彼此平行。

虽然所述平台已被描述为用于引线键合器，但它同样可用于其他半导体设备。

Claims (14)

1.一种用于半导体设备的定位平台，包括：

第一臂和第二臂，所述第一臂和所述第二臂中的每一个能够通过运动部件沿着平行于第一轴线的方向被独立地驱动；以及

载台，其与所述第一臂和所述第二臂接合；

其中，所述载台经由相应的接合机构连接至所述第一臂和所述第二臂中的每一个，使得所述载台能够在平行于所述第一轴线的方向上进行线性运动，并且能够围绕与所述第一轴线大致正交的旋转轴线进行旋转运动，以及

其中每个接合机构包括一个相应的铰链，并且其中每个铰链包括第一梁和第二梁，所述第一梁和所述第二梁中的每一个的第一端连接到相应的臂上，第二远端连接到所述载台上。

2.根据权利要求1所述的定位平台，还包括：

第一线性电机和第二线性电机，其分别用于线性驱动所述第一臂和所述第二臂；

其中，每个接合机构被配置成允许所述载台相对于相应的线性电机以如下方式旋转：所述载台的点A将按照Y_A=θ*R沿着所述第一轴线（Y）运动，其中θ是以弧度计量的所述载台围绕所述旋转轴线旋转的角度，R是所述接合机构的中心与点A之间的距离。

3.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于，每个接合机构被配置成允许所述旋转轴线与所述第一臂和所述第二臂中的每一个的端部之间的相应距离在沿着平行于所述第一轴线的方向驱动臂期间发生变化。

4.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于，当所述第一臂和第二臂沿着所述第一轴线在相同的方向上被驱动时，所述载台能够沿着所述第一轴线进行线性运动。

5.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于，当所述第一臂和第二臂沿着所述第一轴线以不同的速度被驱动时，所述载台能够围绕所述旋转轴线进行旋转运动。

6.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于，所述载台在所述载台的径向相对的区段处连接到所述第一臂和第二臂。

7.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于，每个铰链的所述第一梁和所述第二梁以交叉结构布置，使得所述第一梁和所述第二梁不平行且具有相邻的重叠部分。

8.根据权利要求7所述的定位平台，其特征在于，每个梁是非柔性的并且在每个端部处具有分离的枢轴，使得所述铰链包括四连杆机构。

9.根据权利要求7所述的定位平台，其特征在于，每个梁包括挠曲元件，使得所述铰链包括交叉枢轴挠曲件。

10.根据权利要求9所述的定位平台，其特征在于，每个挠曲元件包括板簧。

11.根据权利要求10所述的定位平台，其特征在于，每个板簧包括位于相应板簧中部的加强元件，用于提高所述相应板簧的刚性。

12.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于，包括第一致动器和第二致动器，用于分别沿着所述第一轴线驱动所述第一臂和所述第二臂。

13.一种引线键合器，包括根据权利要求1所述的定位平台，以及安装在所述平台的载台上的键合头。

14. 一种引线键合器，包括：

第一臂和第二臂，所述第一臂和所述第二臂中的每一个能够通过运动部件沿着平行于第一轴线的方向被独立地驱动；以及

载台，其与所述第一臂和所述第二臂接合；

其中，所述载台经由相应的接合机构连接至所述第一臂和所述第二臂中的每一个，使得所述载台能够在平行于所述第一轴线的方向上进行线性运动，并且能够围绕与所述第一轴线大致正交的旋转轴线进行旋转运动，以及

其中每个接合机构包括一个相应的铰链，并且其中每个铰链包括第一梁和第二梁，所述第一梁和所述第二梁中的每一个的第一端连接到相应的臂上，第二远端连接到所述载台上。