CN1285108C - 夹持器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种夹持器件，其用于夹持如引线接合机中的接合引线等物体。该器件包含：一对绕轴点相互共轴排列的夹持臂，其具有在张开和关闭位置之间移动的夹持端；吸引器件，其用于提供夹持臂之间绕轴点的吸引力。该器件还包含有偏置装置，其用于提供绕轴点的与该吸引力方向相反的偏置力，从而向关闭位置偏置夹持端。在一个较佳实施例中，该偏置装置包含一个弯曲轴承、阻尼装置，该阻尼装置包含黏弹性材料，其在远离该夹持臂的夹持端位置处和一个夹持臂相连接，以用来弱化该夹持臂的振动。

Description

夹持器件

技术领域

本发明涉及一种夹持(clamping)器件，其更具体但不限于，在半导体封装工业中普遍用于引线接合机器(wire bonding machines)或引线接合机(wire bonder)中以引线夹具(wire clamp)形式出现的夹持器件。

背景技术

在引线接合工艺中，导电引线被接合在半导体芯片(semiconductor die)上的电接触焊盘(electrical contact pads)和放置芯片的衬底(substrate)，通常为半导体引线框(leadframe)，上面的引脚(leads)之间。在工艺中，这些引线需要被牢固的夹持并送往接合位置(bonding site)，然后在适当的位置被剥离(stripped off)。这通常使用引线夹具来完成。近几年来，引线接合机器的运行速度得到了极大的提高，因此要求引线夹具也进行高速运行。与此同时，还必须保证在不损坏引线的情况下，尽力控制作用在被夹持引线上的力度。

目前用于制作所谓“球焊(ball-bonds)”的引线接合机被设计成一个载有接合工具的接合体(bond-body)进行摇摆(rocking)运动，该接合工具位于一个合适位置的轴(pivot)附近。由于引线夹具一般位于摇摆的接合体上面，因此夹具必须做得尽量的轻。它相对于接合体的轴线(pivot axis)的惯性(inertia)必须尽量小，以便能够进行高速接合操作，而不需要过大的激励器(actuator)或马达以激励接合体的运动。即便如此，引线夹具还需要具有高的静态和动态硬度(stiffness)，以产生较高的共振频率(resonant frequencies ofvibration)。这保证了在接合体每次动作的最后，引线夹具的任何残余振动都是低振幅(low amplitude)和高频率的，同时能足够快的稳定下来，因此能够实现在不对接合质量产生有害影响的条件下进行高速接合。

过去，多种激励方法被用于引线接合机中用以激励引线夹具，其中包括音圈马达(voice coil motors)，螺线管(solenoids)，压电(piezo-electric)激励器，磁致伸缩(magnetostrictive)激励器以及其他方法。

美国专利3,672,556和4,142,714公开了一种螺线管激励的引线夹具的相似变种(similar variations)。这些设计是一种“常开(normallyopen)”型方法，也就是说，如果螺线管的电源被切断的话，夹具保持在张开的位置，因此不夹紧引线。目前的引线接合器需要一种“常闭(normally close)”型的引线夹具。同时，在上述专利的设计中需要大量的部件来传递从螺线管到夹持位置的激励作用力。在目前的高速引线接合中，夹具可能需要每秒进行约20或更多次的引线夹持操作，因此上述设计显得较为笨拙。同时，在如此高的运行速度下，夹具的长期可靠性也是一个问题，因为该夹具包含多个相互滑动的部分，会导致摩擦(friction)和磨损(wear)。

一些压电型引线夹具设计也被授予了专利，例如美国专利5,901,896,5,388,751和5,314,175。这些设计包含昂贵的压电激励器部件和由昂贵的金属丝放电加工(“EDM”：Electro Discharge Machining)而制成的适应结构。压电激励器的工作电压位于100-200伏之间，远远高于电磁激励器(如螺线管和音圈马达)的电压。

图1所示为一种常用的由音圈马达激励的引线夹具。引线1被夹持在被分别固定在移动臂(movable arm)4和固定臂(fixed arm)5末端的钳板(clamper plates)2和3之间。引线夹具通过位于固定臂5上的装配孔(mount hole)6被装配在接合体上面。音圈马达7被用来激励相对于固定臂5移动的移动臂4。移动臂4使用光滑和坚硬的钢球轴承(pivot ball bearing)8可旋转地装配在固定臂5上面，其中轴承8由无磨损(wear-free)材料如红宝石等制成。拉伸弹簧(extension spring)9提供一个位于移动臂4和固定臂5之间的很小的初始偏置力(biasforce)(也称为“预载力(preload force)”)。拉伸弹簧9和钳板1，2位于钢球轴承8的同一侧，由此保证夹具是常关的。当音圈马达7的线圈在某个方向上通入电流后，一个作用力被施加到移动臂4上面，使得移动臂4绕着钢球轴承8沿如箭头F所示的方向旋转，从而打开引线夹具。当线圈断电时，弹簧9的弹性力使得移动臂4绕着钢球轴承8沿箭头F所示的反方向旋转，从而关闭引线夹具。当线圈被加上反方向的电流时，马达产生的作用力倾向于增加作用在位于钳板2和3之间的引线1上的夹持力(clamping force)。夹具通过包含一个坚硬的制动球(stopper ball)10限制了夹具打开移动臂4的操作，该球在夹具位于全开位置时与固定臂5的硬化表面(hardened surface)11相接触。

从上述描述中可以看出，这样一个引线夹具具有很多的部件，同时还使用了装有弹簧的钢球轴承8。因为钢球轴承8本身并不对关闭引线夹具贡献作用力，所以在音圈马达7产生力的基础上还需要弹簧9来贡献夹持力。音圈马达7的使用包含了更加笨重的器件，并使得引线夹具的操作相对更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种夹持器件的设计，其用于减少夹持器件的部件数目和简化器件的装配。

因此，本发明提供一种用于夹持物体的夹持器件，其包含：一对绕轴点相互共轴排列的夹持臂，其具有在张开和关闭位置之间移动的夹持端；吸引器件，其用于可选择地提供该夹持臂之间绕轴点的吸引力，以向张开位置移动该夹持臂的夹持端；偏置装置，其用于提供绕轴点的与该吸引力相反的偏置力，以向关闭位置偏置该夹持臂的夹持端；以及阻尼装置，该装置包含黏弹性材料，其在远离该夹持臂的夹持端位置处和一个夹持臂相连接，以用来弱化该夹持臂的振动。

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

根据本发明所述夹持器件的较佳实施例现将参考附图加以描述，其中：

图1所示为现有技术中一种使用音圈马达的引线夹具；

图2所示为本发明第一较佳实施例的引线夹具；

图3所示为图2中夹具的工作情况；

图4所示为本发明第二较佳实施例的引线夹具；

图5所示为本发明第三较佳实施例的引线夹具；

图6所示为本发明包含阻尼特性(damping feature)的另一较佳实施例；

图7所示为可与本发明较佳实施例一起使用的弯曲轴承的不同设计。

具体实施方式

现在介绍本发明较佳实施例所述的夹持器件的结构和功能。图2所示为根据本发明的第一较佳实施例描述的用于夹持物体的夹持器件，其以用于夹持接合引线21的引线夹具20的形式出现。引线夹具20包含一对夹持臂，其中一个可能是通过装配孔26装配在接合器主体(bonder body)(未示)的固定臂25上面。另外一个夹持臂可能是移动臂24，其与固定臂25通过共轴关系围绕轴点布置。移动臂24通过弯曲轴承29装配在固定臂25上面，弯曲轴承29被设计成用来限制移动臂24的除了相对于固定臂25之外的各个自由度。移动臂24的所有三个平移自由度和除箭头G所示方向之外两个转动自由度实质上都被限制了。也就是说，弯曲轴承29只允许移动臂24沿箭头G所示的方向及其反方向绕着位于弯曲轴承29内的轴点向夹持臂24，25的夹持端的打开和关闭位置旋转。

弯曲轴承29能够绕着轴点弯曲，并且能够向夹持器件20提供预载力。如图2中所描述的弯曲轴承29的外形仅仅是象征性的，熟知此技术的人能够构想出多种可能的同样的设计。弯曲轴承29的制成材料的较佳选择是具有高强度系数(high specific strength)的金属，也就是说，具有高的强度/密度比值，例如钛合金(Titanium alloy)。

吸引器件，如被连接到固定臂25的螺线管27，通过这种方式被放置，以便与固定在移动臂24上的由软铁(soft iron)制成的螺线管板(solenoid plate)28并置。螺线管用于提供夹持臂24和25之间绕着位于弯曲轴承29中的轴点的吸引力。在锁定或者粘结螺线管27到相应位置之前，通过沿朝向或者背离软铁板28的方向移动螺线管27来精确调节螺线管板28和螺线管27之间的间隙是有可能的。

图3所示为图2中夹具的工作情况。偏置装置(Biasing means)，如被设计成提供预载或偏置力的弯曲轴承29，是为了向关闭位置有效偏置夹持臂的夹持端，从而确保“常关”设计。当螺线管27没有通电时，如图3a所示，包含钳板22，23的夹持端由于前述的弯曲轴承29的设计而相互轻轻接触。可以假设钳板22，23之间初始的预载力是可以小到忽略不计的。在这种情况下，弯曲轴承29中没有显著的形变(deformation)和应力(strain)存在。

去夹持(de-clamping)作用

当螺线管27通电时，一个作用力被施加在固定在移动臂24上的螺线管板28上面。由此导致的绕弯曲轴承29的激励力矩(actuatingmoment)Ms(方向沿箭头G)使移动臂24沿箭头G所示的方向旋转一个小角度，从而使得移动钳板22从固定钳板23上面移开，因此打开了夹具，如图3b所示。同时，移动臂24的旋转减小了螺线管27和螺线管板28之间的间隙。此间隙的减小增加了作用在移动臂24上的电磁力。移动臂24的旋转被弯曲轴承29通过一个恢复力矩(restoring moment)Mfo(与箭头G方向相反)阻挡，其中动量Mfo是弯曲轴承29的旋转硬度Kt与移动臂24的旋转角度θs的乘积。

Mfo＝Kt×θs    (1)因此，随着旋转角度的增加，作用在移动臂上的激励力矩Ms(沿箭头G方向)和恢复力矩Mfo(与箭头G方向相反)强度均会增加。弯曲轴承29最好设计成这样的形式，即随着移动臂24的旋转角度逐渐的增加，弯曲轴承29的旋转硬度必须足够强，以使得恢复力矩Mfo能比由螺线管产生的激励力矩Ms增加得更快。这将实现一种稳定平衡状态，而在移动臂24的一个给定角度位置，两个力矩会相互精确平衡。不仅如此，即使在微小的扰动下，这种平衡位置仍将保持。所以，在稳定平衡位置，

Ms＝Mfo

Fs×L2＝Kt×θs    (2)其中L2为从由弯曲轴承29提供的等效旋转轴到电磁力动作的等效线之间的距离。

从上述方程(2)可以看出，移动臂24的旋转角度以及钳板22和23之间的夹具张开间隙均与电磁力成正比，其中电磁力能够通过供给螺线管27的电流强度来控制。

在去夹持作用中，如图3b所示，螺线管中的电流被保持足够高，以使钳板22，23之间的夹具张开间隙足够大，从而使得接合引线21在引入间隙中时不受任何夹持力。

夹持作用

在完成螺线管27的断电操作后，如图3c所示，螺线管板28上的作用力被减小到零。因此由形变的弯曲轴承29产生的弹性应力而导致的非平衡的恢复力矩Mfo使得移动臂24沿箭头G所示的相反方向旋转。在钳板22，23之间没有接合引线21的情况下，移动臂24将完全旋转回来，直到移动钳板22与固定钳板23相接触，从而关闭夹具，如图3a所示，并导致弯曲轴承29中弹性应力的完全释放和几乎没有残余形变(residual deformation)。然而，如果钳板22，23之间存在接合引线21，则会导致在弯曲轴承29中所有弹性应力完全释放之前移动臂24的运动中断。这个应变可表示为一个被反作用力矩Mr平衡的夹持力矩Mc。该反作用力矩由钳板22，23上的正常(normal)反作用力Fc在弯曲轴承上的等效轴点的名义距离L1上(nominal distance)而导致。根据牛顿第三运动定律，反作用力Fc与夹持力相等。

在这种情况下，代表此位置力矩的方程可以写成：

Mc＝Mfc

Fc×L1＝Kt×θc    (3)其中θc是在钳板22，23之间存在引线(如图3a所示)时移动臂24的方向以及在钳板之间没有引线(如图3c所示)时其方向之间的夹角。

现在，角度θc与引线直径dw成正比。

θc＝dw/L1    (4)

从方程(3)和(4)可以推导出夹持力Fc与被夹持的引线21的直径dw成正比。这与夹持力随着引线直径dw的增加而增加是一致的。

夹持力的控制

从上述描述可以看出，本发明中的夹持作用是被动提供的，这就意味着没有主动激励器来提供夹持力。夹持作用是通过形变的弯曲轴承29的弹性应变来影响的。然而去夹持作用是通过螺线管27提供的实际的激励来实现的。

对于高质量接合工艺，存在一个较窄的容差带(tolerance band)，用以定义可容忍的高于或低于每一个引线直径所要求的合适的夹持力的偏差。如果夹持力太大，就可能导致不希望出现的由于塑性形变(plastic deformation)造成的引线扁平化(flattening)。如果夹持力太小也是不可取的，因为引线在接合工艺中的某个时间需要被牢固夹持并且拉紧以便剥落，此时夹持力太小的话引线将会滑动。

设计和制作能够对每一根引线都让合适夹持力恰好落在预定的较窄的作用力容差带内的弯曲轴承29是很困难的。为了解决这个问题，可采用下面的方法。从方程(3)可以看出，对于给定引线直径(dw)，夹持力是正比于弯曲轴承29的旋转硬度Kt的。需要牢记的是，弯曲轴承29是经过特殊设计以具有比合适夹持力所需硬度更高的硬度。额外的夹持力则通过螺线管27来抵消。所以在这种方法中，去夹持动作通过如前所述(图3b)的相同方式实现，即螺线管27被通入足够高的电流以克服弯曲轴承29的作用，由此在钳板之间产生一个大于引线直径dw的间隙。但是，当引线需要被夹持的时候，螺线管27的电流并没有完全切断，而只是减小到一个足够低的值，以使得电磁力产生的激励力矩(Ms＝Fs×L2)部分抵消弯曲力矩(Kt×θc)从而获得夹持力矩(Fc×L1)。

Fc×L1＝(Kt×θc)-(Fs×L2)    (5)

如果螺线管27完全不通电(Fs＝0)，则此方程简化为方程(3)。

所以我们看到，夹持力可以通过相对应于偏置力改变吸力或电磁力Fs来调整，该偏置力与弯曲轴承29的弹性应变导致的。对于给定的弯曲轴承29和夹具尺寸(L1，L2)，对每一个引线直径的夹持力Fc可以通过调节电磁力Fs到一个合适的值来控制，其中电磁力的调节是通过调节螺线管27所需要的电流大小来实现的。

图4所示为本发明第二较佳实施例所述的引线夹具。本实施例使用一个传统的钢球轴承8和一个伸展弹簧9来取代弯曲轴承29以便在螺线管27不通电时提供夹持力。因此偏置装置可能是弹簧9而不是弯曲轴承29。另外，这个引线夹具功能上与第一个实施例相似，如具有“常关”的设计。在这里，当螺线管27通电时，移动臂24的夹持张开动作能够通过包含坚硬的制动球10接触固定臂25上的硬化表面11被限制，此时引线夹具处于全开的位置。

图5所示为本发明第三较佳实施例所述的引线夹具。此实施例相对于第一实施例的变化是偏置装置包含另一个吸引器件如螺线管27b，并且移动臂24可以在第一螺线管27b和第二螺线管27a之间移动。因此有两个螺线管器件27a，27b激励移动臂24。螺线管板28a，28b被分别固定在移动臂24与螺线管27a，27b相邻的面上。

在此实施例中，夹持力可能主要由附加螺线管27a而不仅仅是弯曲轴承29提供。所以，两个螺线管27a，27b相互配合来控制移动臂以使引线夹具打开或关闭。在这个设计中，弯曲轴承29的主要功能是提供一个轴点以及沿G的反方向提供一些偏置力，以便即使在螺线管27a，27b均断电时仍然保持引线夹具处于“常关”位置。作为另外一种选择，关闭力也可以由附加螺线管27a单独提供。应该注意的是，钢球轴承也可能被用来取代弯曲轴承29以提供轴点。

阻尼(damping)

当使用弯曲轴承29时，弯曲部分的阻尼大小非常低是其固有的困难，这将导致基于弯曲部分的运动器件在其振幅衰减到操作中特定物体可接受的水平之前仍保持振动一段不期望的较长的时间。这不仅仅大大降低了整个工艺的速度，而且也可能对其他临近子系统(sub-system)产生有害影响，这些子系统的运行对由目前正在讨论的器件传递来的振动非常敏感。为了极大的加速不需要的振动的衰减，系统中引入某种类型的阻尼是更加可取的。

在图6所示的本发明另一个较佳实施例中，请记住由于要求结构紧凑和非常低的重量，因此黏弹性阻尼(visco-elastic damping)是最适用的。

一个包含由小质量的合适的黏弹性材料制成的阻尼器30(damper)的阻尼装置被结合到移动臂24中。一个可能以带有平滑曲线形状(如球状)末端的小螺钉31形式出现的制动器(stopper)被放置在固定臂25中。当夹持器件的夹持端处于张开位置时，螺钉31的平滑末端与阻尼器30咬合(engage)并使之轻微形变而不使其损坏。通过合理选择阻尼器30的材料，尺寸和位置，能够确保移动臂24上面产生的作用力和阻尼器30的弹性导致的有效弹性作用的硬度大小足够低，以便不在钳板22，23上引入显著的预载力，同时在激励中也不会显著增加螺线管27的作用力需求。由于具有阻尼器30和螺钉31(其位置如图6所示)，移动臂24在夹持和去夹持操作最后的残余振动能量被很快的吸收。振动振幅的这种快速衰减使得系统在不影响工艺质量的情况下运行得更快。

请记住图中弯曲轴承29，螺线管27和阻尼器30的表现形式本质上只是普遍意义上的，熟知此项技术的人是很容易制作出这些部件的多种布局形式的。

图7所示为可能在较佳实施例中使用的弯曲轴承29的不同设计形式。图中的O-O’所示为制造所述弯曲部分时较佳的轴承轴线。弯曲部分装配孔40指出了弯头可能被装配到引线夹具20的臂24，25上的位置。然而，如前所述，这些图示的设计形式只是一个例子，其他弯曲轴承设计也是可能的。

本发明的实施例所述的夹持器件具有非常紧凑和轻量的设计是可取的。这可以大大减小接合体围绕其轴承轴线的惯性力矩，从而在不相应增加激励器尺寸的情况下实现更快的运行速度，同时也能够大大节约成本。

此处描述的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/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (15)

1、一种用于夹持物体的夹持器件，其包含有：

一对绕轴点相互共轴排列的夹持臂，其具有在张开和关闭位置之间移动的夹持端；

吸引器件，其用于可选择地提供该夹持臂之间绕轴点的吸引力，以向张开位置移动该夹持臂的夹持端；

偏置装置，其用于提供绕轴点的与该吸引力相反的偏置力，以向关闭位置偏置该夹持臂的夹持端；以及

阻尼装置，该装置包含黏弹性材料，其在远离该夹持臂的夹持端位置处和一个夹持臂相连接，以用来弱化该夹持臂的振动。

2、如权利要求1所述的夹持器件，其中该偏置装置包含有弯曲轴承。

3、如权利要求2所述的夹持器件，其中该轴点位于该弯曲轴承上，并且该弯曲轴承能够绕该轴点弯曲。

4、如权利要求3所述的夹持器件，其中该弯曲轴承主要用来限制该夹持臂的夹持端之间的所有相对运动，但朝向和离开张开和关闭位置的一定的相对运动除外。

5、如权利要求2所述的夹持器件，其中该弯曲轴承由具有高强度系数的金属制成。

6、如权利要求5所述的夹持器件，其中该金属是钛合金。

7、如权利要求1所述的夹持器件，其中该吸引器件是螺线管。

8、如权利要求1所述的夹持器件，其中该夹持器件包含移动的夹持臂和固定的夹持臂，该移动的夹持臂绕轴点和该固定的夹持臂相互共轴布置，该吸引器件和该固定的夹持臂相连接。

9、如权利要求8所述的夹持器件，其中该偏置装置包含有第二吸引器件，位置与该吸引器件相对，该移动的夹持臂在该吸引器件和第二吸引器件之间移动。

10、如权利要求1所述的夹持器件，其中该偏置装置包含有弹簧。

11、如权利要求1所述的夹持器件，其中该偏置装置被构造来在该夹持臂的夹持端之间提供夹持力，以在此之间夹持该物体。

12、如权利要求11所述的夹持器件，其中该夹持力可以通过改变该由吸引器件所提供的吸引力和由偏置装置所提供的偏置力之间的相对强度来调节。

13、如权利要求1所述的夹持器件，其还包含有制动器，该制动器在夹持端移动进入张开位置时与该阻尼装置的黏弹性材料咬合并且使之轻微形变。

14、如权利要求13所述的夹持器件，其中该制动器包含具有光滑曲线形状末端的螺钉。

15、如权利要求1所述的夹持器件，其中被夹持物体是引线接合机中的接合引线。

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