CN117612982A - 位移放大机构、键合设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及芯片制造领域，提供一种位移放大机构、键合设备。该键合设备包括该位移放大机构，该位移放大机构包括基座、四连杆机构、压电陶瓷、调节件，四连杆机构包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆，第一杆固定在基座上，压电陶瓷的两端分别通过第二铰链连接于第一杆和第三杆，压电陶瓷用于在与第一杆的延伸方向呈夹角的方向上产生变形，调节件具有第一位置、第二位置和第三位置，调节件和基座转动连接于第一位置处，调节件和第三杆连接于第二位置处，第三位置处用于设置运动部，使运动部和第三杆形成以第一位置为支点的杠杆结构，从而将压电陶瓷的变形量放大得到运动部的位移，提高运动部的运动范围。

Description

位移放大机构、键合设备

技术领域

本发明涉及芯片制造领域，特别涉及一种位移放大机构、键合设备。

背景技术

键合设备，一般指全自动引线键合机，是利用超声波，热和压力使用金属丝实现半导体芯片和管脚电连接的一种设备。它利用换能器和瓷嘴，将超声振动施加在键合点上，在与金属丝接触的芯片或管脚上面形成熔合，从而实现牢固的电连接，一般包括两个焊点。键合设备的线夹具有送丝部，用于向劈刀送金属丝，在一次键合工作结束进行下一次键合时，需要将金属丝在劈刀的瓷嘴处留下一段用以下一次键合。这个过程，目前有两种方式，主动送丝和被动送丝。被动送丝，是在键合完成后需要断丝时，预先留出一部分合适长度的金属丝，再将其扯断，此时线夹只进行打开、关闭动作。对于主动送丝，它是在键合完成后直接断丝，不预留金属丝，断丝完成后，再由线夹将合适长度的金属丝送出线夹，此时线夹不仅需要进行打开、关闭动作，还需要进行上下摆动以调整位置。被动送丝的断丝位置不确定，存在精度差的缺点；主动送丝的送丝长度有限，适用性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中线夹送丝精度差或适用性差的缺陷，提供一种位移放大机构、键合设备。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种位移放大机构，其包括：

基座；

四连杆机构，呈平行四边形，所述四连杆机构包括通过第一铰链依次连接的刚性的四根连杆，分别为第一杆、第二杆、第三杆、第四杆，所述第一杆固定在所述基座上；

压电陶瓷，两端分别通过第二铰链连接于所述第一杆和所述第三杆，所述压电陶瓷用于在与所述第一杆的延伸方向呈夹角的方向上产生变形；

调节件，具有第一位置、第二位置和第三位置，所述调节件和所述基座转动连接于所述第一位置处，所述第三杆和所述调节件接触于所述第二位置处并用于带动所述调节件运动，所述第三位置处用于设置运动部，使所述运动部和所述第三杆形成以所述第一位置为支点的杠杆结构，从而使所述运动部的位移大于所述压电陶瓷的变形量。

在本方案中，在压电陶瓷产生变形，且变形方向与第一杆延伸方向呈夹角时，因为第一杆固定在基座上不会相对基座产生位移，且在四连杆机构的约束下第三杆要和第一杆保持平行，因此第三杆会相对基座沿第三杆的延伸方向移动。压电陶瓷的变形为微小变形，可以达到微米级，通过压电陶瓷的变形使得第三杆产生沿自身延伸方向的位移，精度高。可以通过调整夹角，具体为压电陶瓷变形的方向和第一杆、第三杆延伸方向的夹角，使得第三杆的位移量相对压电陶瓷的变形量被成比例放大，提高第三杆的位移，以提高位移放大机构的最大调节范围。

运动部和第三杆形成以第一位置为支点的杠杆结构；当第三杆相对基座产生位移时，因第三杆和调节件接触于第二位置处，第三杆会带动调节件运动；因调节件和基座连接于第一位置处，所以第三杆相对基座移动时带动调节件相对基座绕第一位置转动，从而使得调节件上第三位置处的运动部产生位移。可以通过设置第二位置、第三位置到第一位置的距离，以调节杠杆的力臂长度，使得运动部的位移相对第三杆的位移进行放大，进一步提高位移放大机构的调节范围。当位移放大机构应用在键合装置中，用于调节线夹的送丝部的位置以主动送丝时，可以通过四连杆机构和杠杆结构放大送丝部的位移，使得送丝长度增加，以提高键合装置的通用性。

较佳的，所述第三杆和所述调节件沿所述第三杆的延伸方向抵接。

在本方案中，第三杆和调节件沿第三杆的延伸方向抵接，使得第三杆的位移最大化的传递至调节件的第二位置处。

较佳的，所述压电陶瓷的变形量小于所述第三杆的位移量；

所述第一位置和所述第二位置的距离小于所述第一位置和所述第三位置的距离。

在本方案中，压电陶瓷的变形量小于第三杆的位移量，形成第一级位移放大；第一位置和第二位置的距离小于第一位置和第三位置的距离，使得第三杆的位移小于运动部的位移，形成第二级位移放大。压电陶瓷变形时，经第一级位移放大得到第三杆的位移，第三杆的位移再经杠杆结构进行第二级位移放大，得到运动部的位移，使得压电陶瓷的变形经两级放大得到运动部的位移，提高运动部的位移范围。应用于键合设备时，可以提高送丝长度。

较佳的，所述四连杆机构通过呈四边形的框架结构获得并一体成型，所述框架结构包括四个端部和四个基部，四个所述端部分别设于所述框架结构的四个端角处，所述基部的厚度和长度分别大于所述端部的厚度和长度，所述基部用于形成所述连杆，所述端部用于形成所述第一铰链。

在本方案中，通过将端部的厚度设置得小于基部的厚度，且设置端部的长度小于基部的长度，使得端部呈柔性可产生变形以作为第一铰链，基部呈刚性以作为连杆。框架结构一体成型，使得四根连杆和四个第一铰链一体成型，从而使得四连杆机构结构简单；相对于其他的铰链形式，通过和连杆一体成型获得的第一铰链，可以避免铰链游隙，进一步提高精度。

较佳的，所述框架结构包括依次设置并分别和所述第一杆、所述第二杆、所述第三杆、所述第四杆对应的第一边、第二边、第三边、第四边，所述第二边的两端形成两个所述端部，所述第四边的两端形成两个所述端部。

较佳的，所述位移放大机构还包括两个安装部，分别通过所述第二铰链和所述第一杆、所述第三杆连接，所述压电陶瓷设在两个所述安装部之间，并和四根所述连杆形成间隙。

在本方案中，压电陶瓷设在两个安装部之间，和四根连杆形成间隙，为第二铰链提供了变形空间，避免压电陶瓷、安装部与第一杆、第三杆产生干涉。

较佳的，所述安装部和所述第二铰链通过安装块获得并一体成型，所述安装块上第一部分的厚度大于第二部分的厚度，使得所述第一部分形成所述安装部，所述第二部分形成所述第二铰链；

或，所述第一杆、所述第三杆分别和其自身对应的所述第二铰链、所述安装部一体成型。

在本技术方案中，安装部的第二铰链一体成型，或，第一杆、第三杆和其自身对应的第二铰链、安装部一体成型，均能使得结构简单；相对于其他的铰链形式，通过和安装部一体成型获得的第二铰链可以避免铰链游隙，进一步提高精度。

较佳的，所述安装部的安装面朝向所述压电陶瓷设置并和所述压电陶瓷抵接，两个所述安装面均为平面，且平行设置，所述安装面和所述第三杆呈夹角设置。

在本技术方案中，两个安装面平行并和第三杆呈夹角设置，压电陶瓷抵接在两个安装面之间，便于压电陶瓷的变形方向和第三杆呈夹角。

较佳的，所述压电陶瓷的长度方向与所述安装面相垂直，通过向所述压电陶瓷施加电压，以使得所述压电陶瓷的长度发生变化；

所述第二铰链的延伸方向与所述安装面相垂直。

一种键合设备，其包括劈刀和上述任一技术方案的位移放大机构，所述劈刀安装在所述基座上，所述键合设备的线夹为所述调节件，所述线夹的送丝部为所述运动部；

或，所述键合设备还包括线夹，所述线夹为所述运动部。

本发明的积极进步效果在于：

通过压电陶瓷变形带动第三杆移动，使得第三杆的移动精度高；再通过第三杆带动运动部运动，相应使得运动部的运动精度高。通过设置第三杆和运动部形成以第一位置为支点的杠杆结构，使得运动部的位移相对第三杆的位移进行了放大，提高位移放大机构的调节范围，使得运动部运动范围变大。

附图说明

图1为本发明一实施例的键合设备的结构示意图；

图2为本发明一实施例的键合设备的结构示意图；

图3为本发明一实施例的位移放大机构的结构示意图；

图4为本发明一实施例的位移放大机构的部分结构示意图；

图5为本发明一实施例的四连杆机构、安装部、第二铰链的结构示意图；

图6为本发明一实施例的线夹、钢柱的结构示意图；

图7为本发明一实施例的压电陶瓷的变形方向示意图；

图8为本发明一实施例的第三杆移动原理图；

图9为本发明一实施例的送丝部移动原理图。

附图标记说明：

键合设备1000；

位移放大机构100；

基座1；

四连杆机构2、第一杆21、第二杆22、第三杆23、第四杆24、第一铰链25；

第一边31、第二边32、第三边33、第四边34、端部35、基部36；

压电陶瓷4；

线夹5、静臂51、动臂52、第一连接轴53、第一位置54、第二位置55、第三位置56；

安装块6、安装部61、安装面62、第二铰链63；

钢珠71、钢柱72、螺钉73、第二连接轴74；

劈刀200、换能器300、夹持器400。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

图1-图9为本发明一实施例提供的示意图，其中图1-图6为结构示意图，图7-图9为原理分析图。

如图1-图7所示，键合设备1000包括位移放大机构100，位移放大机构100包括：

基座1；

四连杆机构2，呈平行四边形，包括通过第一铰链25依次连接的刚性的四根连杆，分别为第一杆21、第二杆22、第三杆23、第四杆24，第一杆21通过螺钉73固定在基座1上；

压电陶瓷4，两端分别通过第二铰链63连接于第一杆21和第三杆23，压电陶瓷4用于在与第一杆21的延伸方向呈夹角的方向上产生变形；

调节件，即线夹5，如图3、图6所示，包括静臂51和动臂52，静臂51和动臂52通过第一连接轴53连接，通过动臂52相对静臂51转动以使线夹5张开以送丝；用于送丝的送丝部，即运动部，位于线夹5的第三位置56处，第三位置56参加图9；静臂51上具有第一位置54，第一位置54处设有孔，基座1上的第二连接轴74连接于第一位置54处的孔；静臂51上具有第二位置55，如图6所示，线夹5和第三杆23接触于第二位置55处并通过第三杆23带动线夹5运动；送丝部和第三杆23形成以第一位置54为支点的杠杆结构；线夹5的静臂51、动臂52、送丝部如何配合实现送丝的，详情可以参照现有技术。

如图1-图2所示键合设备1000还包括劈刀200、换能器300、夹持器400，夹持器400安装在位移放大机构100的基座1上，换能器300安装在夹持器上，劈刀200设置在换能器300上。

在压电陶瓷4产生变形时，因变形方向与第一杆21延伸方向呈夹角，因为第一杆21固定在基座1上不会相对基座1产生位移，且在四连杆机构2的约束下第三杆23要和第一杆21保持平行，因此第三杆23会相对基座1沿第三杆23的延伸方向移动。送丝部、第三杆23形成以第一位置54为支点的杠杆结构；当第三杆23相对基座1产生位移时，因第三杆23和线夹5接触于第二位置55处，第三杆23用于带动线夹5运动，且因线夹5和基座1连接于第一位置54处，所以第三杆23相对基座1移动时带动线夹5相对基座1绕第一位置54转动，从而使得线夹5上第三位置56处的送丝部产生位移。

压电陶瓷4的变形为微小变形，可以达到微米级，通过压电陶瓷4的变形使得第三杆23产生沿自身延伸方向的位移，精度高。

在本实施例中，通过设置压电陶瓷4变形的方向和第一杆21、第三杆23延伸方向的夹角，使得第三杆23的位移量X相对压电陶瓷4的变形量ΔX被成比例放大M1倍，即X=ΔX•M1；通过设置第二位置55到第一位置54的距离L1，设置第三位置56到第一位置54的距离L2，使得送丝部的位移相对第三杆23的位移进行放大M2倍，M2=L2/L1，使得送丝部的位移Y=ΔX•M1•M2，从而使得送丝部的送丝长度增加，以提高键合装置的通用性。

在本实施例中，位移放大机构100的调节件即线夹5，运动部即线夹5的送丝部，将压电陶瓷4的变形经四连杆机构2第一次放大、经杠杆结构第二次放大后带动送丝部运动以送丝，提高送丝长度。在其他实施例中，可以将线夹5作为运动部，安装在调节件的第三位置56处。在其他实施例中，运动部可以属于调节件的一部分，也可以不属于调节件。在其他实施例中，位移放大机构100可以用于其他场合，通过压电陶瓷4变形以调节运动部的位置。在其他实施例中，可以通过设置压电陶瓷4变形的方向和第一杆21、第三杆23延伸方向的夹角，使得压电陶瓷4的变形被放大得到第三杆23的位移；可以通过设置第二位置55、第三位置56到第一位置54的距离，以调节杠杆的力臂长度，使得第三杆23的位移被放大得到运动部的位移。当运动部的位移相对压电陶瓷4的变形被放大时，可以提高运动部的最大运动范围。

优选的，如图2、图3所示，第三杆23和线夹5抵接，使得传动精度高。具体的，第三杆23上设有钢珠71，线夹5上设有钢柱72，钢珠71和钢柱72相抵接实现第三杆23和线夹5的抵接，第二位置55即钢珠71和钢柱72的抵接点。进一步的，第三杆23和线夹5沿第三杆23的延伸方向抵接，使得第三杆23的位移最大化的传递至给线夹5的第二位置55处。

优选的，如图4所示，四连杆机构2通过呈四边形的框架结构获得并一体成型，框架结构包括四个端部35和四个基部36，四个端部35分别设于框架结构的四个端角处，基部36的厚度大于端部35的厚度，且基部36的长度大于端部35的长度，使得端部35呈柔性可产生变形以作为第一铰链25，基部36呈刚性以作为连杆。框架结构一体成型，使得四根连杆和四个第一铰链25一体成型，从而使得四连杆机构2结构简单，且相比于通过连杆和第一铰链25组装得到四连杆机构2，通过加工得到一体成型的四连杆机构2，使得第一杆21和第三杆23、第二杆22和第四杆24平行度高，从而使得位移放大机构100调节的位置精度高；相比于其他的铰链形式，通过和连杆一体成型获得的第一铰链，可以避免铰链游隙，进一步提高精度。具体的，本实施例中，基部36的厚度是端部35厚度的5倍，基部36的长度是端部35长度的6倍。在其他实施例中，可以根据四连杆机构2的材料、整体尺寸等灵活适应性调整基部36和端部35的厚度、长度比值，使得基部36呈刚性可以作为连杆，端部35呈柔性可产生变形以作为第一铰链25即可。

具体的，如图4所示，框架结构包括依次设置并分别和第一杆21、第二杆22、第三杆23、第四杆24对应的第一边31、第二边32、第三边33、第四边34，第二边32的两端形成两个端部35，第四边34的两端形成两个端部35，使得四个第一铰链25的延伸方向平行于第二杆22、第四杆24，保证第三杆23的位移方向沿自身延伸方向。

优选的，如图5所示，位移放大机构100还包括两个安装部61，分别通过第二铰链63和第一杆21、第三杆23连接，压电陶瓷4设在两个安装部61之间，并和四根连杆形成间隙，为第二铰链63提供了变形空间，避免安装部61、压电陶瓷4与第一杆21、第三杆23产生干涉。

进一步的，安装部61和第二铰链63通过安装块6获得并一体成型，安装块6上第一部分的厚度大于第二部分的厚度，使得第一部分形成安装部61，第二部分形成第二铰链63，第一部分即为安装部61，第二部分即为第二铰链63，使得压电陶瓷4和四连杆机构2的连接结构简单。更进一步的，四连杆机构2、第二铰链63、安装部61一体成型，进一步使得压电陶瓷4和四连杆机构2的连接结构简单。且相比于通过组装得到安装部61和四连杆机构2形成的组合体，通过加工得到一体成型的组合体，使得安装部61和四连杆机构2之间的位置精度高，从而使得位移放大机构100调节的位置精度高。相比于其他的铰链形式，通过与安装部61一体成型的第二铰链，可以避免和安装部61之间的铰链游隙，进一步提高精度；相比于其他的铰链形式，通过与第一杆21、第三杆23一体成型获得的第二铰链，可以避免和第一杆21、第三杆23之间的铰链游隙，进一步提高精度。

优选的，安装部61的安装面62朝向压电陶瓷4设置并和压电陶瓷4抵接，两个安装面62均为平面，且平行设置，安装面62和第三杆23呈夹角设置，便于实现压电陶瓷4的变形方向和第三杆23呈夹角。具体的，图7中用虚线示出了第三杆23的平行线，安装面62和第三杆23的夹角即为α，本实施例中，α=5°。

优选的，如图5所示，第二铰链63的延伸方向与安装面62相垂直，当压电陶瓷4的变形方向垂直于两个安装面62时，便于第二铰链63变形。

如图2所示，压电陶瓷4的长度方向与安装面62相垂直。压电陶瓷4的变形方向沿自身长度方向，即与安装面62相垂直的方向；安装面62和第三杆23的夹角α=5°，将压电陶瓷4的变形方向、第三杆的延伸方向，这两个方向的夹角定义为第一夹角，则第一夹角为90°-α=85°。在其他实施例中，可以根据压电陶瓷4的强度、最大变形量、杠杆结构对应的结构强度等性能参数，调整第一夹角的具体数值，只要能实现将压电陶瓷4的变形量放大为运动部的位移即可。

如图7所示，两个安装面62之间的初始距离X0即为压电陶瓷4本身的长度，X0=18mm，通过给压电陶瓷一定的电压使得压电陶瓷4发生形变，由于选用的压电陶瓷4最大变形量ΔX为20um，因此当压电陶瓷4的变形量达到最大变形量时，压电陶瓷长度为X0’=X0+ΔX=18.02mm，如图8所示，由于四连杆结构限制，压电陶瓷中心可近似的看作是沿着水平方向位移，使得第三杆23对应的水平位移X=0.21mm，使得第三杆23的位移量X相对压电陶瓷4的变形量ΔX被成比例放大的倍数M1=X/ΔX=10.5。

如图9所示，第二位置55到第一位置54的距离L1=2.4mm，第三位置56到第一位置54的距离L2=26.5mm，使得送丝部的位移相对第三杆23的位移放大的倍数为M2=L2/L1=11，使得送丝部的位移Y=ΔX•M1•M2=115.5ΔX=2.31mm，即此时送丝长度为2.31mm。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种位移放大机构，其特征在于，其包括：

基座；

四连杆机构，呈平行四边形，所述四连杆机构包括通过第一铰链依次连接的刚性的四根连杆，分别为第一杆、第二杆、第三杆、第四杆，所述第一杆固定在所述基座上；

压电陶瓷，两端分别通过第二铰链连接于所述第一杆和所述第三杆，所述压电陶瓷用于在与所述第一杆的延伸方向呈夹角的方向上产生变形；

调节件，具有第一位置、第二位置和第三位置，所述调节件和所述基座转动连接于所述第一位置处，所述第三杆和所述调节件接触于所述第二位置处并用于带动所述调节件运动，所述第三位置处用于设置运动部，使所述运动部和所述第三杆形成以所述第一位置为支点的杠杆结构，从而使所述运动部的位移大于所述压电陶瓷的变形量。

2.如权利要求1所述的位移放大机构，其特征在于，所述第三杆和所述调节件沿所述第三杆的延伸方向抵接。

3.如权利要求1所述的位移放大机构，其特征在于，所述压电陶瓷的变形量小于所述第三杆的位移量；

所述第一位置和所述第二位置的距离小于所述第一位置和所述第三位置的距离。

4.如权利要求1所述的位移放大机构，其特征在于，所述四连杆机构通过呈四边形的框架结构获得并一体成型，所述框架结构包括四个端部和四个基部，四个所述端部分别设于所述框架结构的四个端角处，所述基部的厚度和长度分别大于所述端部的厚度和长度，所述基部用于形成所述连杆，所述端部用于形成所述第一铰链。

5.如权利要求4所述的位移放大机构，其特征在于，所述框架结构包括依次设置并分别和所述第一杆、所述第二杆、所述第三杆、所述第四杆对应的第一边、第二边、第三边、第四边，所述第二边的两端形成两个所述端部，所述第四边的两端形成两个所述端部。

6.如权利要求1所述的位移放大机构，其特征在于，所述位移放大机构还包括两个安装部，分别通过所述第二铰链和所述第一杆、所述第三杆连接，所述压电陶瓷设在两个所述安装部之间，并和四根所述连杆形成间隙。

7.如权利要求6所述的位移放大机构，其特征在于，所述安装部和所述第二铰链通过安装块获得并一体成型，所述安装块上第一部分的厚度大于第二部分的厚度，使得所述第一部分形成所述安装部，所述第二部分形成所述第二铰链；

或，所述第一杆、所述第三杆分别和其自身对应的所述第二铰链、所述安装部一体成型。

8.如权利要求6所述的位移放大机构，其特征在于，所述安装部的安装面朝向所述压电陶瓷设置并和所述压电陶瓷抵接，两个所述安装面均为平面，且平行设置，所述安装面和所述第三杆呈夹角设置。

9.如权利要求8所述的位移放大机构，其特征在于，所述压电陶瓷的长度方向与所述安装面相垂直，通过给所述压电陶瓷施加电压，以使得所述压电陶瓷的长度发生变化；

所述第二铰链的延伸方向与所述安装面相垂直。

10.一种键合设备，其包括劈刀，其特征在于，所述键合设备还包括如权利要求1-9中任一项所述的位移放大机构，所述劈刀安装在所述基座上；

所述键合设备的线夹为所述调节件，所述线夹的送丝部为所述运动部；

或，所述键合设备还包括线夹，所述线夹为所述运动部。