CN1245745C - 夹具驱动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种夹持物体的装置和方法，该装置包括夹持机构和驱动系统，该驱动系统驱动夹持机构的夹持和释放，其中该驱动系统包括两个有效连接的驱动器装置，借以向夹持机构提供驱动力。更进一步而言，所述的驱动器装置包含有相互连接的可变吸附驱动器和线性感应驱动器，用以共同向夹持机构提供驱动力。

Description

夹具驱动机构
技术领域
本发明涉及一种驱动装置，该驱动装置驱动夹持机构夹紧物体，如半导体衬底。本发明可用于导线键合机(wire bonding machine)的定位系统(an indexing system)，尤其是用于在半导体芯片和引线框之间形成电气连接的金线键合机(gold wire bonding machine)，其也可以广泛应用于其它领域。
背景技术
在半导体封装处理的后端(back-end)，迄今为止热音波球形键合(thermosonic ball bonding)的要求是最高的。为了在半导体装置(一般称为“芯片”)和它的衬底(“引线框”)之间产生相互连接，很细的导线，一般是直径在20-75微米的金线(gold wire)首先被键合在芯片的焊盘(pad)上，其次是在引线框相应的引线(lead)上，该引线框上安装有芯片。这个过程将持续直到所有的焊盘和相应的引线被连接。一个引线框可以容置从少于10个到几十个的芯片。为了将芯片顺序移入键合区，常常使用一种线性定位系统(an linear indexing system)-定位机(”indexer”))来对该引线框作高精度的定位。该定位机必须包含有一个控制进程的水平线性马达驱动伺服系统，其上安装有两个定位夹具，每个用于定位引线框的定位夹具分别位于导线键合机的输入区和输出区，每个定位夹具有驱动器(actuator)来控制引线框的夹紧和释放。
当导线键合对高速度和高精度的需求变得越迫切，导线键合机的所有关键子系统(critical subsystems)，包括定位机和定位夹具相应地需要变得更加强大、可靠、精确。这对定位夹具而言，在夹具没有充分完善时，就转换成了需要更强的夹持力。在夹具需要40N的夹紧力时，其所需的时间周期是在2-60秒间变化，这取决于芯片尺寸，该芯片尺寸接着决定被键合导线的数目和长度，其运行周期相应地从10-80％大幅变化。这正是因为定位夹具有时需要在靠近已经键合的半导体封装件处保持夹紧，就象该键合发生在同一引线框中上游的另一个芯片上。这样有助于防止在键合过程中，由于工作中的固定器强烈振动而引起已经键合的半导体任何可能的损坏。
定位夹具的另一个需求是，其上夹紧件和下夹紧件在夹紧和释放过程中应能被更好地驱动。在早期的导线键合机中，就在引线框经过工作夹持槽体时，该引线框总放置在定位夹具的下夹紧件上。只有上夹紧件保持移动以完成夹紧动作，由于该夹具只能驱动单个夹紧件而导致出现问题，下面结合现有技术详细描述。
传统的电磁驱动夹具通常如图1所示，其包含有一固定的电磁线圈14和安装在控制杆16上的电磁板15，该控制杆围绕枢轴17自由转动。当电磁线圈14被电流激活时，其吸引电磁板15，控制杆16会如箭头C所示围绕枢轴17转动，这样，安装在控制杆16上的夹紧件18如箭头D所示转动，并夹持住固定的下夹紧件20上的衬底19。关闭电磁线圈14中的电流会实现衬底19的释放，其中在夹持动作中被压缩的复位弹簧21沿着和箭头C相反的方向转动控制杆16，而导致夹紧件18的张开。上述的夹具适宜用于导线键合机的定位系统，然而其也应用于其他机器。在完成夹持衬底19后，通过使用线性马达或旋转马达在垂直于图1所示平面的方向移动该夹具和衬底19，该旋转马达带有诸如球形推进器(ball-screw)或线性推进器(lead-screw)的旋转-线性转换系统(rotary-to-linear transimission system)。
该设计有如下不足。首先，由于电磁线圈14是高度非线性的装置，其电磁力随着电磁板15靠近电磁线圈14而迅速增长，这导致在夹持动作中衬底19上出现不期望的强冲击力；其次，由于电磁力随着电磁线圈14和电磁板15之间距离的增大而快速下降，这会使电磁板有效位移得到限制，而导致可供夹持的衬底厚度的变化范围得到限制。
第三，现有技术除了必须依靠复位弹簧21之外，在释放过程中没有提供灵活的控制。为了使释放动作能够快速，该复位弹簧的弹力必须相当高，这消耗了部分电磁力，而导致夹持力比没有复位弹簧21时小，因此，为了实现期望水平的夹持力，电磁线圈14的尺寸必须更大些。
第四，由于在夹持过程中仅仅上夹紧件18移动，下夹紧件20必须准确固定，所以衬底19定位于下夹紧件20之上，恰好被固定槽体33支撑。完成夹持衬底19后，该衬底沿着垂直于图1所示平面的方向通过一特定距离准确定位，其次，上夹紧件18向上运动，然后释放衬底19。这样，定位驱动器和夹具一起回复到初始位置以进行下一次定位动作。然而，在复位动作中，衬底19和其定位的下夹紧件20之间的碰撞，可能干扰衬底19预先准确设定的位置。为了防止这种情形的发生，有必要使用另一个固定夹具(图中未示)，该夹具恰好在定位夹具复位至初始位置时进行下一次定位动作时，夹持衬底19至预先设定的位置，然而，这增加了系统的复杂性，浪费了更多的资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的夹持装置，以克服现有技术的不足。
本发明一方面提供一种夹持物体的装置，包括夹持机构和驱动系统，该驱动系统驱动夹持机构的夹持和释放，其中该驱动系统包括两个有效连接的驱动器装置，借以向夹持机构提供驱动力。
本发明另一方面提供一种夹持物体的方法，包括提供夹持机构，提供驱动夹持机构夹持和释放的驱动系统，其中，提供驱动系统的步骤包括提供两个有效连接的驱动器装置，借以向夹持机构提供驱动力。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
图1所示为现有技术夹持装置的结构示意图；
图2所示为本发明最佳实施例夹持装置的结构示意图；
图3a、3b、3c所示分别为夹持驱动器的壳体和磁体的分解、立视和仰视剖面图；以及
图4a、4b所示分别为驱动器在夹持和释放过程中的磁通量方向示意图。
具体实施方式
请参照图2所示为本发明最佳实施例夹持装置的结构示意图，该装置中夹持机构的夹持动作通过驱动系统来实现，该驱动系统呈两个有效连接的驱动器装置的形式，该驱动装置包含相互并列连接的可变吸附驱动器(variable reluctance actuator)如电磁感应驱动34和线性感应驱动器如圆柱形音频驱动(voice-coil motor：″VCM″)35，典型电磁线圈的磁力-间距特性高度非线性，随着固定铁芯和移动柱体(movable plunger)之间间距的增加，电磁力快速下降，快速的磁力弱化限制了夹具能处理的引线框厚度的变化。在夹具装置中包含有VCM35和电磁感应驱动34的协助，使柱体的移动容易，而不考虑电磁间距，换句话说，真正的夹持力基本上由电磁感应驱动34(提供主要的贡献)和VCM35来完成时，塞体的动作基本上由VCM35完成，
如图1所示，现有的夹持装置需要使用相当硬的复位弹簧21，以实现迅速的、被动的释放，于是，电磁力相当大的一部分被浪费在克服弹簧阻力，在本发明的夹持机构中，理想的是，在夹持和释放过程中，不采用复位弹簧21，而相应的设计有VCM35以用于快速回应。
按照本较佳实施例，夹持装置的电磁回路还包含一个特征，其激活电流方向-电磁力特性不对称，当提供一个特定的强夹持力时，这种使用VCM35的设计理念使主动释放更加轻易完成。
现参照图2、3、4来描述所述驱动系统的结构和功能，壳体1通常由软性电磁材料组成，容置有驱动系统，而形成有部分电磁回路。首先讨论典型的线性感应驱动器的一种实施例，多个永磁体2，每个永磁体可弯曲成环绕的弧状，安装在壳体1的内部圆柱体表面上；在壳体1的内部圆柱体表面和磁体2之间形成有一环状空腔10，内有径向磁场，在空腔10中布置有圆筒形音频线圈3-3`，该音频线圈3-3`安装在线圈支撑座4上，接着，该线圈支撑座4固定在中心转轴5上，该转轴5在轴向可自由移动一定的距离，共由一个紧靠的、适度自我调节的轴承6(Snugly fitting self-lubricating bush bearing)所引导；该轴承固定于壳体1；当音频线圈3-3`被电流激活时，由于音频线圈3-3`和磁体2之间的电磁感应，转轴5上出现轴向力，其中电磁感应量和音频线圈3-3`中流经的电流成比例，线圈电流的反向使得电磁力改变方向。
其次，讨论典型的可变吸附驱动器，在壳体1的底部附着有另一个环形线圈，称之为电磁感应线圈7-7`，音频线圈3-3`和电磁感应线圈7-7`反向串联。当音频线圈3-3`流过顺时针电流时(从图2顶部观察)；感应线圈7-7`会流过同样的逆时针电流(从图2顶部观察)；然后夹紧(vice visa)，电磁板8通常由软性磁体材料组成，固定在转轴5的底端，这样，当感应线圈7-7`电流激活时其向壳体1的下表面方向吸引电磁板8；
图3a、3b、3c所示分别为夹持驱动器的壳体1和永磁体2的分解、立视和仰视剖面图，其表明壳体1有一磁通量中继部1*，分别将容置音频线圈3-3`和电磁线圈7-7`的腔室分开。音频线圈3-3`和壳体1之间设有环形空腔10，而空间11用以供电磁线圈7-7`容置。
图4a表明了在夹持过程中VCM的磁体2和电磁线圈7-7’二者的磁通量12、13的方向。图4b表明了在释放过程中磁通量12、13的方向。基于永磁体2的磁通量12的方向是固定的，而基于电磁线圈7-7’的磁通量13的方向是随着激活电流是否反向而改变。在夹持过程中，电磁线圈7-7’的电流流向如图4a所示，这样，在壳体1的部件1*中，基于电磁线圈7-7’的磁通量13的方向与基于永磁体2的磁通量12的方向相反。现在壳体1的部件1*的设计，使得仅仅由于基于永磁体2的磁通量12就导致部件1*接近饱和。电磁线圈7-7’中的电流形成的磁通量13部分抵消了磁通量12，这样减少了部件1*中最终的磁通量密度，消除了磁通量饱和状态。按照如图4a所示的电流流向，音频线圈3-3’在转轴5上产生一个如箭头A所示的向上的轴向力。当转轴5连同电磁板8一起向上运动时，由于电磁板8被位于壳体1下表面的磁通量13强烈吸引，因此电磁板8愈靠近壳体1，一个愈加强大的力被进一步施加于转轴5。最终的电磁力完全高于VCM35的电磁力。在夹持动作中，虽然两个电磁力共同作用，但是电磁感应驱动34对合力的贡献实质上要大于VCM35。
如图4b所示，当激活电流的方向相反时，电磁线圈7-7’的磁通量13也会反向，这样其便然后穿越部件1*，此时磁通量13和永磁体2的磁通量12的方向相同。但是，如前所述，壳体1的部件1*仅仅因为永磁体2的磁通量12就非常接近饱和，这样其实际上不再能中继因电磁线圈7-7’产生的磁通量，因此在这种情形下，由电磁线圈7-7’施加于电磁板8上的吸引力很小，而主要的力是由音频线圈3-3’产生，其方向向下，如箭头B所示，如此可用来进行释放动作。
现在结合图2来描述整个夹具的结构和功能，该图显示了整个夹具装置的结构。在未夹持的状态时，物体如衬底26由槽体33支撑。在本实施例中，夹持机构可包括上夹紧件25(安装在控制杆22上)和下夹紧件27(安装在控制杆28上)，由该夹持机构对衬底26的夹持，是通过向力传输机构产生驱动力来实现，以将该驱动力从驱动系统传递到夹持机构。该力传输机构可通过分别围绕枢轴23、31沿着如图2中箭头G、H所示的方向旋转驱动控制杆22、28，来完成传递驱动力。
控制杆22通过弹性方式和夹持转轴5相连，该弹性方式可包含有一螺旋弹簧9，该弹簧9确保自控制杆22围绕枢轴23的旋转动作到转轴的线性动作的弱化，该弹簧9也确保忽略被夹持衬底的厚度，该电磁板8向电磁壳体1运行全程后，使得电磁线圈7-7’可能的最大电磁力施加于该电磁板8上。实际上，夹持装置通过弹簧9将电磁力施加于控制杆22上，弹簧9的设计还确保了对较厚的衬底而言电磁力是强的，对较薄的而言电磁力是弱的。
如上所述，在夹持过程中，音频线圈3-3’启动转轴5沿着箭头A(图4a)的方向动作，接着，电磁驱动34也在同一方向产生愈加强大的电磁力于转轴5上。当转轴5向方向A移动时，围绕枢轴23转动控制杆22，诸如凸轮柱体30的凸轮结构经过弹簧29预先靠在控制杆22上，该凸轮结构沿穿越支撑轴承32的方向F移动。这样，凸轮柱体30的斜面30’围绕枢轴31沿着箭头H所指方向推动控制杆28转动，直到控制杆28停止在凸轮柱体30的水平面30”上。当控制杆28如此转动时，下夹紧件27从下面和衬底接触，在其支撑槽体33处顶起该衬底一短的距离。控制杆22沿着箭头G的方向围绕枢轴23旋转，引起上夹紧件25从上面和衬底26接触，这样，在夹紧件25和27之间将衬底26夹起。完成夹持后，在垂直于图2所示平面的方向，将衬底26通过一预定距离准确定位，然后通过改变音频线圈3-3’和电磁线圈7-7’中电流方向实现释放。如前所述，在反向电流作用下，由于电磁饱和影响，所以电磁驱动34效率很低。这样，VCM35的电磁力使控制杆22沿着和箭头E相反的方向转动，并沿着和箭头G相反的方向升起上夹紧件25。同时，控制杆22的转动也沿着和F相反的方向推动凸轮柱体30，控制杆28在轻型弹簧24的帮助下沿着和H相反的方向旋转，而当其在凸轮柱体30的表面30’滑下时，衬底26被释放。
然后，定位驱动器(图中未示)将张开的夹持机构回复到初始位置以便进行下一次定位动作。在释放后，位于支撑槽体33上的衬底26和夹紧件25和27没有任何接触，这样，在定位驱动器的回复动作中，夹紧件25和27不会干扰衬底26的位置。因此，衬底仅仅由支撑槽体33支撑，当定位夹具回复到初始位置以便进行下一次定位动作时，衬底26的位置得以保持，而不需要使用任何其他固定夹具来保持衬底26的准确位置。
这样，值得注意的是本发明实施例在夹持动作中采用电磁线圈和音频线圈驱动(VCM)，这种混合驱动能够更好地控制夹持过程中的冲击力，其也导致该夹具通过合并两种驱动方式而具有可达到的延展范围和适宜的夹持力，其能处理更多种的衬底厚度。
更进一步说，在驱动电流的帮助下音频线圈驱动35使得夹持装置具有更大的灵活性，其使得导致夹紧件渐进、平滑动作的电流得以逐步增长，而使得以最小的冲击力夹持衬底26成为可能，其也印证了由于电磁力-电磁空隙高度非线性变化而导致的少数优点，即使现有技术中单个电磁夹具也可能产生。
本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (34)

1、一种夹持物体的装置，包括夹持机构和驱动系统，该驱动系统驱动夹持机构的夹持和释放，其中该驱动系统包括两个有效连接的驱动器装置，借以向夹持机构提供驱动力；所述的两个驱动器装置分别包含有相互连接的可变吸附驱动器和线性感应驱动器，用以共同向夹持机构提供驱动力。
2、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中所述的可变吸附驱动器用来产生相对更强的驱动力，而所述的线性感应驱动器用来产生相对更一致的驱动力。
3、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中所述的驱动系统被容置在软性磁体材料制成的壳体内。
4、如权利要求3所述的夹持物体的装置，其中所述的可变吸附驱动器包含有电磁线圈，该电磁线圈安装于壳体的腔室中，以便该壳体中继来自该电磁线圈的磁通量。
5、如权利要求3所述的夹持物体的装置，其中所述的壳体包含有设计为磁通量饱和状态的磁通量中继部，该磁通量中继部在夹持机构释放时实际上不适于中继所述电磁线圈的磁通量。
6、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中所述的线性感应驱动器包含有一个或多个用以载流的线圈，该线圈是由邻接于永磁体的空气间隙中的电磁感应所操作和移动。
7、如权利要求6所述的夹持物体的装置，其中所述装置还包含有力传输机构，在线圈移动时该力传输机构有效驱动夹持机构运动。
8、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中所述的可变吸附驱动器和线性感应驱动器为反向串联电气连接。
9、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中所述的夹持机构包含有两个夹紧件。
10、如权利要求9所述的夹持物体的装置，其中所述的两个夹紧件用以在夹持和释放时被驱动。
11、如权利要求9所述的夹持物体的装置，其中该装置还包含有力传输装置，该力传输装置通过控制杆机构来连接驱动系统和夹持机构的至少一个夹紧件。
12、如权利要求9所述的夹持物体的装置，其中该装置还包含有力传输装置，该力传输装置通过凸轮机构来连接驱动系统和夹持机构的至少一个夹紧件，该凸轮机构对来自驱动系统的驱动力敏感。
13、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中该装置还包含有支撑槽体，在物体被夹持或夹持机构重新定位时，该支撑槽体单独支撑物体。
14、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中该装置还包含有通过力传输方式影响夹持机构的弹性装置，以增强施于物体上的夹持力。
15、如权利要求1所述的夹持物体的装置，其中该物体为半导体衬底。
16、如权利要求15所述的夹持物体的装置，其中该夹持机构是导线键合机的定位系统的一部分。
17、一种夹持物体的方法，包括：
提供一夹持机构；
提供一驱动系统，该驱动系统驱动夹持机构的夹持和释放；
其中该提供一驱动系统的步骤包括提供两个有效连接的驱动器装置，借以向夹持机构提供驱动力；
其中所述的两个驱动器装置分别包含有相互连接的可变吸附驱动器和线性感应驱动器，用以提供驱动力来驱动夹持机构的夹持和释放。
18、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中所述的可变吸附驱动器用来产生相对更强的驱动力，而所述的线性感应驱动器用来产生相对更一致的驱动力，以驱动夹持机构运动。
19、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中所述的可变吸附驱动器和线性感应驱动器被容置在软性磁体材料制成的壳体内。
20、如权利要求19所述的夹持物体的方法，其中所述的可变吸附驱动器包含有电磁线圈，该电磁线圈安装于壳体的腔室中，以便该壳体中继来自该电磁线圈的磁通量。
21、如权利要求19所述的夹持物体的方法，其中所述的壳体包含有设计为磁通量饱和状态的磁通量中继部，该磁通量中继部在夹持机构释放时实际上不适于中继所述电磁线圈的磁通量。
22、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中所述的线性感应驱动器包含有一个或多个用以载流的线圈，该线圈是由邻接于永磁体的空气间隙中的电磁感应所操作和移动。
23、如权利要求22所述的夹持物体的方法，其中所述线圈的移动驱动夹持机构运动。
24、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中所述的可变吸附驱动器和线性感应驱动器为反向串联电气连接。
25、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中所述的夹持机构包含有两个夹紧件。
26、如权利要求25所述的夹持物体的方法，其中所述的两个夹紧件用以在夹持和释放时被驱动。
27、如权利要求25所述的夹持物体的方法，其中从所述的可变吸附驱动器和线性感应驱动器产生的驱动力通过控制杆机构的方式移动夹持机构的至少一个夹紧件。
28、如权利要求25所述的夹持物体的方法，其中从所述的可变吸附驱动器和线性感应驱动器产生的驱动力通过凸轮机构的方式移动夹持机构的至少一个夹紧件，该凸轮机构对来自驱动系统的驱动力敏感。
29、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中该方法还包含：在物体被夹持或夹持机构重新定位时，通过支撑槽体支撑该物体和保持该物体的位置。
30、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中该方法还包含：提供一通过力传输方式影响夹持机构的弹性装置，以增强施于物体上的夹持力。
31、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中该方法还包含：在夹持动作中产生围绕所述可变吸附驱动器的磁通量和围绕所述线性感应驱动器的磁通量的步骤，这样，该线性感应驱动器开始施加的驱动力大于该可变吸附驱动器的，而当夹持机构向该物体移动时该可变吸附驱动器的驱动力不断增强。
32、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中该方法还包含：在释放动作中产生围绕所述可变吸附驱动器的磁通量和围绕所述线性感应驱动器的磁通量的步骤，这样，由该线性感应驱动器施加主要的驱动力，而由该可变吸附驱动器施加的驱动力是相对小的。
33、如权利要求17所述的夹持物体的方法，其中该物体为半导体衬底。
34、如权利要求33所述的夹持物体的方法，其中该夹持机构是导线键合机的定位系统的一部分。
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