CN202479992U

CN202479992U - 用于引线键合的微夹持器

Info

Publication number: CN202479992U
Application number: CN2011205300466U
Authority: CN
Inventors: 李泽湘; 隆志力; 刘谋洋; 王煜
Original assignee: DG-HUST MANUFACTURING ENGINEERING INSTITUTE
Current assignee: DG-HUST MANUFACTURING ENGINEERING INSTITUTE
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2021-12-16

Abstract

本实用新型的用于引线键合的微夹持器包括压电陶瓷夹持器，以及固定于所述压电陶瓷夹持器中部的压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷夹持器上延伸出一对夹持臂，所述夹持臂的一端为夹持端，夹持臂的另一端通过一柔性铰链连接在一起。工作时，所述压电陶瓷驱动器变长，使夹持臂夹紧，以夹持器件进行操作或搬运；当压电陶瓷驱动器断电后，压电陶瓷驱动器变回原长，微夹持器打开，恢复初始状态，准备进行下一次夹持。本实用新型体积小、无间隙、无机械摩擦、无润滑避免污染、运动灵敏度和分辨率高、无磨损使用寿命高。

Description

用于引线键合的微夹持器

技术领域

本实用新型涉及电子封装领域的导线夹持装置。

背景技术

键合技术是指不利用任何黏合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。最常用的是在LED芯片超声键合行业与IC芯片超声键合行业。

最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。作为键合技术中的重要部分：微夹持器，我国也做过多方面的研究，微夹持器中常见的驱动原理有静电驱动、压电驱动、热驱动、电磁驱动等，目前，国内研制出一些微夹持器，它们在动作原理、驱动方式、机构等方面各有特色，但也存在一些问题，表现在：夹持范围小，一般在几百微米以下；如果夹持范围大，夹持精度和夹持器的开合分辨率就较低，存在夹持范围与夹持精度、分辨率的矛盾；控制方面一直是固化的控制参数而没有可调性，更不用说数字化；或者说是原理上存在一些不可避免的缺陷。

国内目前的平均水平为每秒开关动作达到40次，打开时间3ms，关闭时间4ms。上海大学研制的斜栔式电磁力微夹持器，采用电磁驱动，应用到微小机器人中；清华大学研制的静电驱动微夹持器，采用压电驱动，应用到微操作系统；清华大学研制的复合结构微夹持器，采用静电驱动，应用到微器件装配系统；中科院长春光机所研制的叉指式静电力微夹持器，采用静电驱动，应用到微机器人、微操作系统。

静电驱动有其缺点：静电力公式为：

在该公式中ε₀为真空介电常数；ε_r为相对介电常数；S为极板的面积；d为两极板间隙；U为极板间施加的电压。

图1为静电力与电压的关系图，表明了静电力驱动具有非线性；对其进行运动分析，平行板电极驱动存在失稳现象；由于平行板电容器电场的特征，静电力驱动存在边沿效应。

热驱动是带有很多的理想前提的：第一，将双金属片视为等温体；第二，不计膨胀系数随温度的变化；第三，不计片宽方向的弯曲；第四，同均质梁弯曲一样，双金属片弯曲变形前后各截面均垂直于双金属片的中心轴线。而现实中，这些条件很难达到。

电磁式夹持器包括一个可移动的一只胳膊和一条固定臂，朝向由弹簧固定臂和可移动的手臂组成的动产手臂。动产手臂由电磁控制开启和关闭。当电磁驱动电磁投射杆推动动产手臂，克服弹簧的推动力时，动产手臂打开；当电磁阀关闭时，动产手臂在弹簧的作用下被封闭，夹持金线进行焊接。

在此技术背景下，动产手臂是通过杠杆原理实现功能的，因此，夹持器的整体重量大，钳的反应往往依赖缓慢的电磁操作。同时，焊线时负载提供了大约40至50克的弹簧力。因此，快速移动时粘接头安装的夹持，夹持器容易脆裂，造成不稳定夹紧负载。此外，夹紧负荷量取决于弹簧。因此，要改变夹紧负荷时，必需更换弹簧。然而，又很难通过改变弹簧来满足夹紧所需的负载，负载的调整需要相当长的时间。

实用新型内容

本实用新型提出一种用于引线键合的微夹持器，该微夹持器解决了上述问题，能够通过电致应变效应或压电元件的磁致应变效应来实现夹持器的打开和关闭。本实用新型的用于引线键合的微夹持器包括压电陶瓷夹持器，以及固定于所述压电陶瓷夹持器中部的压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷夹持器上延伸出一对夹持臂，所述夹持臂的一端为夹持端，另一端通过一柔性铰链连接在一起。

工作时，所述压电陶瓷驱动器通过电压驱动所述压电陶瓷夹持器向平行于电场的方向极化，使所述压电陶瓷夹持器变长，变长的距离与极化的电压大小有一定的比例关系。所述压电陶瓷夹持器变形后，微夹持器打开；一部分能量以弹性势能的形式储存在所述压电陶瓷夹持器中。当压电陶瓷驱动器断电后，压电陶瓷夹持器变回原长，储存在所述压电陶瓷夹持器的能量释放，夹紧需要夹持的微小物体，进行操作或搬运。

优选地，所述压电陶瓷夹持器包括基体部分，所述夹持臂自所述基体部分延伸出；夹持器基体部分中部开设有两个孔，所述两个孔被为横梁隔开，所述压电陶瓷驱动器装配在其中一个孔内，所述的一对夹持臂通过一圆弧型柔性铰链连接在一起。

压电驱动有很多优点：第一，具有很高的响应速度和较大的输出应力；第二，控制简单，精确度高，由于采用压电陶瓷作为动力组件，因此可以通过对压电陶瓷施加电压的精确调节来控制柔性铰链夹持机构张合量的大小，从而完成对被夹持对象的操作；第三，易于实现计算机和数字控制，由于压电陶瓷使用的是专用电源，有专用的接口和软件与计算机连接，因此很容易实现计算机控制；第四，稳定性好，压电陶瓷的伸宿量与其所加的电压有关，而受环境温度、湿度、电磁场、气流等因素的影响较小。

本实用新型采用压电陶瓷驱动矩形柔性铰链的结构，柔性机构具有以下特点：体积小、无间隙、无机械摩擦、无润滑避免污染、运动灵敏度和分辨率高、无磨损使用寿命高。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案结构非常简单。基本突破了静电驱动的非线性，突破了热驱动的苛刻要求，突破了电磁驱动的加工难的问题，综合了压电陶瓷的优点与柔性铰链的优点。

附图说明

附图1为现有的静电力微夹持器的静电力与电压的关系曲线图；

附图2为压电陶瓷的伸长量与电压的关系曲线图；

附图3为本实用新型优选实施例的正视结构图；

附图4为本实用新型优选实施例的俯视结构图；

标号说明：11第一夹持臂，12第二夹持臂，13平移运动部位，14、17圆弧柔性铰链，15、16混合型柔性铰链，2压电陶瓷驱动器，3蓝宝石，4可调柔性梁，5装配预留孔，6初始位置螺母，基座9，定位孔91。

具体实施方式

下面结合附图3所示的优选实施例对本实用新型做进一步的说明，该微夹持器包括压电陶瓷夹持器，以及固定于所述压电陶瓷夹持器中部的压电陶瓷驱动器2。该压电陶瓷夹持器的具体形状如图4所示，其上延伸出一对夹持臂11、12，夹持臂11、12的一端为夹持端，另一端通过中间的混合型柔性铰链16连接在一起。混合型柔性铰链16作为夹持臂11、12的支点，使夹持臂11、12构成杠杆，实现两级放大。第一级放大的实现是通过柔性铰链13的在图示的左右方向平移运动，以圆弧柔性铰链17的外侧支点为旋转中心，使柔性铰链15向外拉伸；第二级放大是以两夹持臂11、12的连接点，即混合型柔性铰链16的内柔性铰链为旋转中心，输入臂长小于输出臂长而实现放大位移。

在本优选实施例中，夹持臂11、12的夹持端上设置有宝石装配槽，在该宝石装配槽内分别设置有蓝宝石3。当夹紧微小物体时，夹持端上蓝宝石相互接触，以减少表面张力，在焊接金线时，可实现金线的准确定位。

如图3所示，压电陶瓷夹持器包括基体部分，夹持臂11、12自所述的基体部分延伸出。该基体部分中部开设有两个近似或类似的中空矩形孔，两个孔之间为柔性铰链13。压电陶瓷驱动器2设置在左边的中空矩形内。一对夹持臂11、12通过柔性铰链16连接在一起。在本优选实施例中，夹持臂11、12与所述基体部分通过一混合型柔性铰链16连接在一起，夹持臂11、12与基体部分连接的一端为其圆弧柔性铰链14。

本实用新型的压电陶瓷夹持器为一体成型，是在整块的压电陶瓷材料上加工而成的，其结构是利用薄弱环节的弹性变形来完成类似的铰链功能，驱动能量来源于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷在电压的作用下向平行于电场方向极化(压电陶瓷的TE模)，压电材料在该方向上变长，变长的机理为现有技术，再此不再赘述。参见图3所示，变长的距离随电压的大小有一定的比例关系，由于电压可以实现数字化控制，所以本实用新型的压电陶瓷夹持器也同样能实现数字化，并且可以产生很大的驱动力，使本结构中的柔性结构发生弹性变形。

通电时，所述压电陶瓷驱动器2向平行于电场的方向极化(压电陶瓷的TE模)，压电陶瓷驱动器2在电场方向的长度变长。变长后，推动柔性铰链13向右平移，柔性铰链13即是两级放大的输入端，导致圆弧柔性铰链17也向右平移，而圆弧柔性铰链14固定，所以柔性铰链15就向外拉伸；由于微夹持器是对称结构，所以两夹持臂11、12的连接点，即混合型柔性铰链16在横向上基本是静止的，通过杠杆放大使夹持端获得很大的位移。夹持臂11、12的夹持端是相对运动的，将放入或插入的微小器件夹紧，进行操作或搬运。此时，一部分能量以弹性势能的形式储存在圆弧柔性铰链14、17与混合型柔性铰链15、16中。断电时，储存在圆弧柔性铰链14、17与混合型柔性铰链15、16中的能量释放，夹持臂11、12的夹持端分离，而处于打开状态；完成循环。打开状态时两夹持臂的距离可以通过初始位置螺母6调节。调节好初始位置后，可循环动作。

其压电驱动方程为：

其中D表示伸长量，ε_i表示压电常数，E_i表示电场强度；如图2所示，为电感式测微仪(LVDT)测量的压电陶瓷伸长量与电压的关系，此图说明了压电陶瓷的伸长量与所施加的电压具有很好的线性关系，可以很好的解决其他驱动方式的非线性问题。

本实用新型的微夹持器采用压电陶瓷驱动，柔性铰链结构作为弹性结构，可实现压电陶瓷变形的数字化控制，控制电压的范围为0-150V。

为了减轻本实用新型微夹持器的质量，又满足较高的拉伸强度和屈服强度，微夹持器的柔性铰链部分与基体部分做成一体，选用铝7075-T651材料制作，易于加工，耐磨性好，铝7075是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢。

在图3所示的优选实施例中，压电陶瓷驱动器2与微夹持器基体的配合采用间隙配合，通过初始位置螺母6迫使可调柔性梁4变形以消除间隙，压电陶瓷驱动器2的伸长位移全部传递给横梁13。

本实用新型优选实施例的微夹持器可实现较大的打开距离，同时还可对打开距离实现数字化控制，其控制的反应时间为1ms，大大缩短了目前微夹持器的打开时间，提高了微操作的效率，实现明显的经济效益。

本实用新型的微夹持器具有可数字化控制、初始点可调、夹持力大、反应时间快的特点，是一种新型的夹持机构，可集成于微型机械电子系统(MEMS)的微型转配系统，并可广泛应用于机械、生物、化工、环保制药等各种领域，具有广阔的发展前途和应用前景。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照优选实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种用于引线键合的微夹持器，其特征在于：所述微夹持器包括压电陶瓷夹持器，以及固定于所述压电陶瓷夹持器中部的压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷夹持器上延伸出一对夹持臂，所述夹持臂的一端为夹持端，另一端通过一柔性铰链连接在一起。

2.如权利要求1所述的微夹持器，其特征在于：所述压电陶瓷夹持器包括基体部分，所述夹持臂自所述基体部分延伸出；夹持器基体部分中部开设有两个孔，所述两个孔被为横梁隔开，所述压电陶瓷驱动器装配在其中一个孔内，所述的一对夹持臂通过一圆弧型柔性铰链连接在一起。

3.如权利要求1所述的微夹持器，其特征在于：所述夹持臂的夹持端上设置有宝石装配槽。

4.如权利要求3所述的微夹持器，其特征在于：所述宝石装配槽内设置有蓝宝石。

5.如权利要求1-4任一所述的微夹持器，其特征在于：所述压电陶瓷夹持器基体为一体成型。