CN113539906B - 键合头系统及键合机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种键合头系统及键合机，涉及键合设备领域，键合头系统包括劈刀，劈刀被设置为沿着竖直方向延伸；下连杆；上连杆，与下连杆间隔设置，并被设置为与超声波发生构件同步运动；第一侧连杆和第二侧连杆，第一侧连杆和第二侧连杆二者中任一者的两端分别与上连杆和下连杆铰接；驱动构件，用于驱动超声波发生构件下降。在劈刀竖直设置的基础上，利用铰接设置的上连杆、下连杆、第一侧连杆和第二侧连杆，将劈刀靠近键合面的过程以及劈刀抵接于键合面的过程中可能出现的劈刀滑移转移到下连杆，从而有效地避免滑移对键合过程的诸多不良影响，同时还避免了滑移使劈刀与垂直方向产生的偏角，因此有效地提高了键合质量。

Description

键合头系统及键合机

技术领域

本申请涉及键合设备领域，尤其是涉及一种键合头系统及键合机。

背景技术

键合设备例如引线键合机是利用超声波、压力和温度将金属丝电气连接半导体芯片和管脚的一种设备。在键合过程中，引线在超声能量、压力和热量的共同作用下，与焊盘金属接触并发生原子间扩散而达到键合的目的。键合头是键合机上用于实施压焊功能的一种装置，键合过程中的超声和压力都由键合头提供，是压焊机的核心部件。为了实现良好的键合质量，键合头上的劈刀要始终保持与键合面的垂直。

现有的键合头通常采用轴向旋转的结构来驱动劈刀，即劈刀是绕着一旋转轴枢转的。这种驱动结构使得劈刀在向下运动的过程中走过弧形或者近似弧形的轨迹，进而倒在劈刀在前后方向上产生一定的滑移，这种滑移会对键合点形状及键合强度造成破坏。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供的一种键合头系统及键合机，以解决以上技术问题。

第一方面，本申请提供一种键合头系统，所述键合头系统包括超声波发生构件和连接于所述超声波发生构件的输出端的劈刀，所述劈刀被设置为沿着竖直方向延伸，所述键合头系统还包括：

下连杆；

上连杆，与所述下连杆间隔设置，并被设置为与所述超声波发生构件同步运动；

第一侧连杆和第二侧连杆，所述第一侧连杆和所述第二侧连杆二者中任一者的两端分别与所述上连杆和所述下连杆铰接；

驱动构件，用于驱动所述超声波发生构件下降。

优选地，所述上连杆、所述下连杆、所述第一侧连杆和所述第二侧连杆共同围设成平行四边形；所述键合头系统还包括：

键合头动座，与所述超声波发生构件和所述上连杆连接；

键合头定座，与所述驱动构件和所述下连杆连接；

弹性构件，包括与所述键合头动座连接的第一部分和与所述键合头定座连接的第二部分。

以上各连杆围设成平行四边形，尤其能够确保的是上连杆和下连杆是平行的，因此，转移到下连杆的滑移也是水平地进行的，这种水平的滑移有利于进行直接度量，从而便于键合头系统针对不同的工况进行适应性地部件位置调整或者部件更换。在以上方案的另一个方面中，弹性构件首先起到了保持作用，这种保持作用主要在于利用自身的弹性回复力平衡键合头动座、超声波发生构件和劈刀的重力，从而使得上、下连杆保持间隔设置；接着，弹性构件还起到了利用自身的弹性回复力令超声波发生构件和劈刀复位的作用。

优选地，所述键合头动座形成有第一缺欠部，所述弹性构件包括在所述第一部分和所述第二部分之间延伸的第三部分，所述第三部分贯穿所述第一缺欠部，所述第二部分连接于所述键合头动座的上端面。

优选地，所述键合头定座形成有第二缺欠部，所述第二部分的部分悬设于所述第二缺欠部的上方或者所述第二缺欠部内。

优选地，所述键合头定座还包括：

横向构件，所述驱动构件设置于所述横向构件；

支撑构件，可拆卸地安装于所述横向构件，所述第二部分的部分被限定于所述横向构件和所述支撑构件之间。

优选地，所述键合头定座还包括与所述横向构件连接的纵向构件，所述键合头系统还包括设置于所述纵向构件的第一触点构件以及设置于所述键合头动座的第二触点构件；

在所述键合头系统未工作的状态下，定义所述第一触点构件和所述第二触点构件二者的相对位置状态为第一相对位置状态；

所述第一触点构件和所述第二触点构件二者被设置为自所述第一相对位置状态转换为不同于所述第一相对位置状态的第二相对位置状态，以使所述驱动构件和所述超声波发生构件二者工作。

以上提到的“键合头系统未工作的状态”应理解为包括键合头系统的劈刀未接触到键合面的状态。

优选地，所述第一相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件二者彼此分离，所述第一触点构件位于所述第二触点构件的上方，所述第二相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件彼此接触；或者

所述第一相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件二者彼此接触，所述第一触点构件位于所述第二触点构件的下方，所述第二相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件彼此分离。

优选地，所述键合头系统还包括：

送线机构和劈刀加热机构，二者均与所述键合头动座连接，在所述第一触点构件和所述第二触点构件二者自所述第一相对位置状态转换为所述第二相对位置状态时，所述送线机构和所述劈刀加热机构工作。

优选地，所述键合头系统还包括：

手柄和导向构件，所述导向构件沿着竖直方向延伸并与所述纵向构件配合，所述手柄与所述纵向构件连接；

感应构件和检测构件，二者分别设置于所述键合头动座和所述横向构件二者中的第一者和第二者，在所述键合头系统未工作的状态下，所述感应构件和检测构件二者彼此交错设置，在所述超声波发生构件下降的状态下，所述检测构件被设置为被所述感应构件所感应；

彼此电连接的提示构件和控制机构，所述控制机构与所述感应构件彼此电连接。

第二方面，本申请提供一种键合机，所述键合机包括如上所述的键合头系统。

本申请提供的键合头系统中，在劈刀竖直设置的基础上，利用铰接设置的上连杆、下连杆、第一侧连杆和第二侧连杆，将劈刀靠近键合面的过程以及劈刀抵接于键合面的过程中可能出现的劈刀滑移转移到下连杆，从而有效地避免滑移对键合过程的诸多不良影响，同时还避免了滑移使劈刀与垂直方向产生的偏角，因此有效地提高了键合质量。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了键合头系统的轴测图的示意图；

图2示出了键合头系统省略部分部件的一示意图；

图3示出了键合头系统省略部分部件的又一的示意图；

图4示出了键合头系统省略部分部件的另一示意图；

图5示出了连杆机构及其余部分部件的示意图；

图6示出了在图1基础上进一步标注的键合头系统的轴测图的示意图。

附图标记：

1-座机构；101-键合头定座；102-键合头动座；103-检测板；104-焊接转动臂；105-键合头摆动座；106-下层支撑板；

2-键合机构；201-超声波换能器；202-劈刀；

3-连杆机构；301-上连杆；302-侧连杆；303-挠性簧片；

4-压力控制机构；401-球触点安装座；402-球触点；403-平触点；404-光电传感器；405-音圈电机；

5-送线机构；501-步进电机；502-凸轮拉簧；503-转动凸轮；504-线轴支撑臂；505-小线轴；506-转接臂；507-过线管架；508-线夹装配体；

6-劈刀加热机构；601-加热管支架；602-加热丝。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1至图6所示，本实施例提供的键合头系统包括座机构1、键合机构2、连杆机构3、压力控制机构4和送线机构5和劈刀加热机构6，以下将具体描述前述机构的结构和工作原理。

首先参见图1，其中，座机构1用于安装上述其余机构，键合机构2用于实现键合头系统的键合功能，连杆机构3用于消除键合机构2中的劈刀202的滑移，压力控制机构4用于控制键合压力，送线机构5和劈刀加热机构6分别用于送线和加热劈刀202。基于在此的总述，以下将更为详细地对这些机构进行说明。

首先结合图2和图3并尤其参见图3，在实施例中，键合机构2包括超声波换能器201和劈刀202，其中，超声波换能器201可以为杆状，劈刀202可以例如利用螺钉或者螺栓设置于超声波换能器201的一端，超声波换能器201的另一端被保持于键合头动座102。具体而言，键合头动座102可以包括形成有凹部的主体和同样形成有凹部的压板，主体的凹部容纳有超声波换能器201的一端的部分，压盖盖设于主体，也就是盖设于超声波换能器201的一端的外侧，由此压盖的凹部也容纳有超声波换能器201的一端的部分，这进而使得超声波换能器201被保持于键合头动座102。

此外，作为一种示例，杆状的超声波换能器201可以进一步形成为回转体形状，例如图3中示出的包括彼此连接的圆台部和圆柱部，其中劈刀202可以设置于圆台部的小径端，并且劈刀202可以垂直于超声波换能器201的轴线设置，在本实施例中，劈刀202被进一步设置为沿着竖直方向延伸。此外，焊接转动臂104和键合头摆动座105二者也与键合头动座102的主体连接，二者可以被布置为具有与超声波换能器201的轴向相同或者大致相同的延伸方向，从而用于安装下述送线机构5，这将在后续的描述中提及。

仍然结合图2和图3，键合头动座102经由连杆机构3与下层支撑板106连接，也就是说，下层支撑板106借由连杆机构3对键合头动座102形成支撑，图2和图3示出的是连杆机构3被省略的情况下键合头动座102与下层支撑板106之间的位置关系。在此基础上进一步参见图5，连杆机构3包括两组平行四边形连杆，这两组平行四边形连杆分别设置于下层支撑板106的彼此相对的两侧部，由这两个侧部共同确定的方向与上述超声波换能器201的轴向垂直，图5给出了位于一侧部的平行四边形连杆的视图，以下将具体描述这组平行四边形连杆的结构和设置方式。

如图5所示，平行四边形连杆包括四根依次铰接的杆件，因此，平行四边形连杆形成为实质上的平行四边形框架。四根杆件中包括彼此相对的上连杆301和下连杆(下连杆图中未作标注)，二者均水平地设置，四根杆件中还包括两根彼此相对的侧连杆302。进一步地，上连杆301与两个侧连杆302可以采用销轴进行铰接，下连杆与两个侧连杆302也可以采用销轴进行铰接。在实施例中，位于上方的两个销轴嵌设于键合头动座102，位于下方的两个销轴嵌设于下层支撑板106的上述两个侧部中的一者，因此，上连杆301与键合头动座102的运动状态是相同的，下连杆与下层支撑板106的运动状态是相同的。

此外，与图5中示出的这组平行四边形连杆相对的位于下层支撑板106的另一侧的那组未示出的平行四边形连杆的结构和设置方式与以上描述中提到的结构和设置方式是相同的，这里不再赘述。

仍然参见图5，连杆机构3进一步包括挠性簧片303，挠性簧片303可以例如形成为连续的折弯结构，并包括大致呈“C”形的部分，该部分中包括两个彼此面对的板部和与二者均连接的延伸部。其中延伸部贯穿预开设于键合头动座102通孔(图2中示出了该通孔)，如此两个彼此面对的板部中的位于上方的板部可以连接于键合头动座102的上端面。进一步地，两个彼此面对的板部中的位于下方的板部可以被压装于下层支撑板106与键合头定座101之间，这在图4中进一步给出，也就是说，下层支撑板106可以例如利用两个螺栓安装于键合头定座101，并将两个彼此面对的板部中的位于下方的板部压紧于键合头定座101。

如此，挠性簧片303的设置，使得超声波换能器201、劈刀202以及键合头动座102等部件的重力被平衡，也就是说，与上连杆301的运动状态相同的各个部件的重力被挠性簧片303的弹力所平衡，这使得两组平行四边形连杆中的任一者包括的上连杆301和下连杆能够保持一定间隔，这种间隔确保上连杆301可以有进一步下降的空间，从而令劈刀202对键合面施加压力，这一过程将在后续的描述中说明。

参见图4，正如以上提及的，下层支撑板106安装于键合头定座101，具体而言，键合头定座101可以包括水平布置的水平板部和与该水平板部连接的竖直板部，上述下层支撑板106连接于水平板部的远离竖直板部的侧部。水平板部形成有通孔，该通孔和挠性簧片303的位置关系被设置为使得挠性簧片303的上述位于下方的板部的未被压装的部分悬空，从而为挠性簧片303留出形变的空间，有效提高挠性簧片303的利用率。

进一步地，在实施例中，压力控制系统可以包括球触点安装座401、球触点402、平触点403、光电传感器404和音圈电机405。其中，音圈电机405设置于的水平板部，对照图2，水平板部的上端面可以形成有例如呈圆柱形状的槽部，音圈电机405可以安装于该槽部内。进一步地，光电传感器404设置于水平板部，例如两个光电传感器404彼此相邻地在超声波换能器201的轴向上设置，光电传感器404的作用同样将在后续的描述中予以说明。

在此基础上，仍然参见图4，以下将进一步描述球触点安装座401、球触点402和平触点403三者的设置方式。在实施例中，球触点安装座401安装于键合头定座101的竖直板部，作为一种示例球触点安装座401可以形成为板件，并形成有腰形孔，例如两个腰形孔。与之相对应的是，竖直板部可以形成有分别与两个腰形孔对应的螺纹孔，如此可以通过螺栓将球触点安装座401安装于竖直板部，并且球触点安装座401的高度还可以借由腰形孔进行调整。进一步地，球触点402可以安装于球触点安装座401。

进一步地，如图4所示，图4中还示出了键合头动座102的部分，在实施例中，平触点403就设置于图4中示出的键合头动座102的这部分，例如设置于这部分的上端面，在竖直方向上，平触点403的位置和球触点402位置彼此对应，从而在键合头动座102和键合头定座101二者在竖直方向上发生相对运动时，平触点403和球触点402能够彼此接触以及彼此脱离，在键合头系统未进行键合操作的状态下，球触点402和平触点403二者处于彼此脱离状态。

参见图6，在实施例中，送线机构5可以采用现有结构，图6中示意性地给出了一种现有送线机构5，该送线机构5包括步进电机501、凸轮拉簧502、转动凸轮503、线轴支撑臂504、小线轴505、转接臂506、过线管架507以及线夹装配体508。作为现有结构，以下将简要说明送线机构5的各部件的连接关系。在实施例中，凸轮可以由步进电机501进行驱动，凸轮与上述焊接转动臂104配合，上述焊接转动臂104铰接于键合头动座102的主体，如此凸轮可以在旋转过程中间歇性地与焊接转动臂104抵接，从而使焊接转动臂104摆动。键合头摆动座105可以与键合头动座102的主体固定连接，键合头摆动座105可以用于安装线轴支撑臂504，线轴支撑臂504的末端安装有小线轴505，小线轴505用于容纳键合过程所需的金线。在此基础上，转接臂506设置于焊接转动臂104的末端，线夹装配体508安装于转接臂506，过线管架507设置于键合头摆动座105的末端。

仍然参见图5，类似地，在实施例中，劈刀加热机构6也可以采用现有结构，其可以进一步包括加热管支架601和加热丝602，加热管支架601可以设置于键合头动座102的主体，从而为加热丝602提供支撑，加热丝602的末端可以环绕地设置于劈刀202的外侧，以对劈刀202进行加热。

在以上所描述的特征的基础上，键合头系统还包括图中并未示出的与键合头定座101(例如键合头定座101的竖直板部)连接的驱动部，驱动部可以是自动化的驱动设备例如较为精密的滚珠丝杠机构，也可以是供人工施力操作的手柄，以下将以手柄为例具体描述键合头系统的工作过程。

在劈刀202未接触到键合面(键合面例如为芯片上的焊盘平面)的阶段，由人工驱动手柄使键合头系统整体图6中示出的整体结构整体进行下降，这可以利用例如设置于键合头定座101的竖直板部的外侧的导轨(图中未示出)来实现。由于劈刀202是沿着竖直方向设置的，劈刀202在未接触到键合面的阶段始终是竖直向下的。接着，劈刀202将接触到键合面，随着手柄继续下降，劈刀202会对键合面施加一定压力，由于键合头定座101和键合头动座102之间实质上经由挠性簧片303连接，此时挠性簧片303会发生形变，从而允许键合头定座101继续向下运动，进而使得平触点403和球触点402彼此接触，将电路导通。这里所说的电路包括音圈电机405的工作回路、超声波换能器201的工作回路、步进电机501的工作回路以及加热丝602的工作回路。

在此基础上，音圈电机405因工作回路被导通而开始工作，其对键合头动座102施加竖直向下的力，使得键合头动座102下降，进而劈刀202下压键合面，同时超声波换能器201和加热丝602二者也进行工作，完成键合，再由送线机构5继续送线。在这一过程中，键合头动座102连同劈刀202等可能产生的水平方向上的滑移经由连杆机构3的两组平行四边形连杆转移到键合头定座101，也就是说，任一组平行四边形连杆中，上连杆301进行下降运动，而原本可能出现在键合头动座102的所有可能的滑移都会转移到下连杆，也就是键合头定座101，同样因为上面挠性簧片303的设置，这样的滑移是被允许发生于键合头定座101的。图1至图6的示例中，以图6为例，键合头定座101可以理解为向左滑移。因此，无论是在劈刀202向键合面运动的过程，还是进行键合的过程，劈刀202始终都能够确保是竖直向下的，并且在键合的过程中不会出现横向的滑移，这保证了键合质量。

进一步地，键合头动座102上还设置有检测板103，在键合头定座101未滑移的状态下，检测板103的位置被设置为不对上述两个光电传感器404中的任一者遮挡，而当键合头定座101滑移后，键合头定座101会对两个光电传感器404中的一者产生遮挡。在此基础上，键合头系统还可以包括控制机构和报警器，光电传感器404和报警器可以均与控制机构电连接，每当光电传感器404被检测板103遮挡时，报警器会发出提示，从而提示键合完成。由于设置有两个光电传感器404，使得光电传感器404的检测范围更广，从而有利于提高对不同的键合场景的适应能力。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种键合头系统，所述键合头系统包括超声波发生构件和连接于所述超声波发生构件的输出端的劈刀，其特征在于，所述劈刀被设置为沿着竖直方向延伸，所述键合头系统还包括：

下连杆；

上连杆，与所述下连杆间隔设置，被设置为与所述超声波发生构件同步运动；

第一侧连杆和第二侧连杆，所述第一侧连杆和所述第二侧连杆二者中任一者的两端分别与所述上连杆和所述下连杆铰接；

驱动构件，用于驱动所述超声波发生构件下降；

所述上连杆、所述下连杆、所述第一侧连杆和所述第二侧连杆共同围设成平行四边形；所述键合头系统还包括：

键合头动座，与所述超声波发生构件和所述上连杆连接；

键合头定座，与所述驱动构件和所述下连杆连接；

弹性构件，包括与所述键合头动座连接的第一部分和与所述键合头定座连接的第二部分；

所述键合头动座形成有第一缺欠部，所述弹性构件包括在所述第一部分和所述第二部分之间延伸的第三部分，所述第三部分贯穿所述第一缺欠部，所述第二部分连接于所述键合头动座的上端面；

其中，所述键合头动座与所述劈刀被所述驱动构件驱动下降时，所述上连杆进行下降运动，所述键合头动座的水平滑移转移到所述下连杆和所述键合头定座，所述弹性构件被配置为允许所述键合头定座水平滑移。

2.根据权利要求1所述的键合头系统，其特征在于，

所述键合头定座形成有第二缺欠部，所述第二部分的部分悬设于所述第二缺欠部的上方或者所述第二缺欠部内。

3.根据权利要求1所述的键合头系统，其特征在于，所述键合头定座还包括：

横向构件，所述驱动构件设置于所述横向构件；

支撑构件，可拆卸地安装于所述横向构件，所述第二部分的部分被限定于所述横向构件和所述支撑构件之间。

4.根据权利要求3所述的键合头系统，其特征在于，

所述键合头定座还包括与所述横向构件连接的纵向构件，所述键合头系统还包括设置于所述纵向构件的第一触点构件以及设置于所述键合头动座的第二触点构件；

在所述键合头系统未工作的状态下，定义所述第一触点构件和所述第二触点构件二者的相对位置状态为第一相对位置状态；

所述第一触点构件和所述第二触点构件二者被设置为自所述第一相对位置状态转换为不同于所述第一相对位置状态的第二相对位置状态，以使所述驱动构件和所述超声波发生构件二者工作。

5.根据权利要求4所述的键合头系统，其特征在于，

所述第一相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件二者彼此分离，所述第一触点构件位于所述第二触点构件的上方，所述第二相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件彼此接触；或者

所述第一相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件二者彼此接触，所述第一触点构件位于所述第二触点构件的下方，所述第二相对位置状态被设置为所述第一触点构件和所述第二触点构件彼此分离。

6.根据权利要求4所述的键合头系统，其特征在于，所述键合头系统还包括：

送线机构和劈刀加热机构，二者均与所述键合头动座连接，在所述第一触点构件和所述第二触点构件二者自所述第一相对位置状态转换为所述第二相对位置状态时，所述送线机构和所述劈刀加热机构工作。

7.根据权利要求4所述的键合头系统，其特征在于，所述键合头系统还包括：

手柄和导向构件，所述导向构件沿着竖直方向延伸并与所述纵向构件配合，所述手柄与所述纵向构件连接；

感应构件和检测构件，二者分别设置于所述键合头动座和所述横向构件二者中的第一者和第二者，在所述键合头系统未工作的状态下，所述感应构件和检测构件二者彼此交错设置，在所述超声波发生构件下降的状态下，所述检测构件被设置为被所述感应构件所感应；

彼此电连接的提示构件和控制机构，所述控制机构与所述感应构件彼此电连接。

8.一种键合机，其特征在于，所述键合机包括如权利要求1至7中任一项所述的键合头系统。