JP4842354B2 - クランプ機構及びこれを具備したワイヤボンディング装置 - Google Patents

クランプ機構及びこれを具備したワイヤボンディング装置 Download PDF

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Description

本発明は、対象物を把持するためのクランプ機構であって、特にワイヤで半導体チップ上のパッドとパッケージのリード間の接続を行うワイヤボンディング装置におけるワイヤの供給、切断を行うのに好適なクランプ機構に関する。
従来のクランプ機構が特許文献１に開示されている。図８は、特許文献１に開示されたクランプ機構の斜視図である。図８に示すように、特許文献１に開示されたクランプ機構６０は、圧電素子６２が、力点としての第２ヒンジ６３、６４の平坦面に接続されている。第２ヒンジ６３、６４はレバーアーム６６、６７に接続されており、それぞれのレバーアーム６６、６７は支点としての第１ヒンジ６９、７０に接続されている。又、第１ヒンジ６９、７０は、取付け基板７２の両側面に接続された構成となっている。作用点としてのレバーアーム６６、６７の先端間に湾曲形成された梁７４が接続されている。梁７４は、中央に平坦部７４ａを有し、傾斜部７４ｂ、７４ｃに触手７７、７８を取り付けた構造となっている。
上記構成から成るクランプ機構の圧電素子６２に駆動電圧を加えてひずみを生じさせ変位させると、変位は第２ヒンジ６３、６４を介して、各レバーアーム６６、６７に伝達されて、レバーアーム６６、６７の先端で変位が拡大される。レバーアーム６６、６７先端で拡大された変位が梁７４にその長手方向の変位として伝えられ、梁７４はその両端から長手方向に圧縮荷重を受け、座屈して梁７４中央の平坦部７４ａで変位として拡大される。更に、上記梁７４中央の平坦部７４ａの動きに応じて、梁７４の傾斜部７４ｂ、７４ｃに固着された触手７７、７８の先端が、矢印で示すように互いに拡がるように変位する。このとき、各触手７７、７８それぞれの変位量は、梁７４中央の平坦部７４ａ分の変位量を拡大したものになる。このように、特許文献１に開示されたクランプ機構は、触手７７、７８自体が、梁７４中央の平坦部７４ａの変位に対して変位拡大機能を持たせたものである。
図９は、特許文献１における梁と触手の動きを示す図である。図９に示す実線は圧電素子６２への印加電圧を０Ｖにしてその変位を復帰させたときの状態を示し、破線が圧電素子６２に電圧を与えて触手７７、７８を開かせたときの状態を示す。図９において、圧電素子６２に駆動電圧を与えると、梁７４の両端は梁の長手方向（Ｘ方向）で圧縮され、傾斜部７４ｂ、７４ｃはＹ方向に座屈して、中央の平坦部７４ａがその長さを保ったままＹ方向にＤｙ分移動する。また、触手７７、７８の先端は、それぞれＸ方向にＤｘ分移動して広がるようになる。このように、触手７７、７８によって、梁７４の変位量を更に増幅することができる。
その後、圧電素子６２への印加電圧を降下させると圧電素子６２は変位が元へ復帰するように変位量を減らすので、レバーアーム６６、６７および梁７４がこれまで述べたとは反対方向に変位し、触手７７、７８は先端が閉じるように移動する。このような動作に基づき、圧電素子６２に電圧を印加して２つの触手７７、７８の先端を拡げ、それらの間に試料を置いてから電圧を降下させることにより、試料をクランプすることができる。
また、ワイヤボンディング装置におけるワイヤクランプ機構が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されたワイヤクランプ機構は、ワイヤ把持動作時の衝撃力を緩和すべく、一対のクランプ部材のうちいずれか一方の揺動速度を他方よりも遅くし、ワイヤを把持する際の衝突エネルギーを小として衝撃を緩和するようにしたものである。
特許第２６３０３０１号 特開平９−５１０１３
特許文献１に開示されたクランプ機構は、力の発生源である圧電素子に対して図８に示す１箇所の取付け基板７２で保持している。圧電素子に電圧を印加して圧電素子が動作するときに、レバーアーム６６が支点としての第１ヒンジ６９を中心にして回転する際に第１ヒンジ６９を中心とした回転のモーメントが発生する。このモーメントによる衝撃が１箇所のみで固定している取付け基板７２に伝わり、取付け基板７２が矢印で示す前後方向に振動を引き起こす恐れがある。
また、特許文献２に開示されたワイヤクランプ機構は、圧電素子の両端が変位する方向のなす軸である変位軸が一対のクランプ部材、ベース及び取付ブロックのなす形状の対称軸と同一となるように配置されているため、圧電素子が発生する駆動力は、２面の変位面のうち片面のみが駆動力として伝達され、もう一方はワイヤクランプ機構のベースに振動として伝わりボンディング性に悪影響を与える可能性がある。
また、特許文献１に開示されたクランプ機構は、図９に示すように、先端のＸ方向片側開き量Ｄｘは、梁の変位量Ｄｙによって決まるため、圧電素子に電圧を印加して圧電素子が動作するときには、クランプ機構の先端は、斜め方向に上昇しながら左右に開く動きとなる。また、圧電素子の印加電圧を遮断したときには、クランプ機構の先端は、下降しながら閉じる。このため、例えばワイヤボンディング装置に特許文献１に開示されたクランプ機構をワイヤのクランプ機構として使用した場合には、先端のＸ方向の開き量に対してＹ方向の移動量が大きいためワイヤの把持位置がばらつきループの安定性が保たれない可能性がある。
そこで本発明は、圧電素子の変位に伴う振動の影響を受けることなしに、対象物の把持を行うことが可能であり、また、周囲の温度変化の影響を受けことなしに、安定した動作が可能なクランプ機構を提供することを目的とするものである。
上記目標達成にため、本発明のクランプ機構は、双方共に揺動自在にして対象物を把持するためのクランプ機構であって、対象物を把持する一対のクランプ部と、該クランプ部に駆動力を付与する変位拡大部と、押圧して前記変位拡大部に変位を発生させる変位手段とを備え、前記変位拡大部は、左右対称に一体で形成され、クランプ機構を固定するための第１の固定部を有し前記変位手段からの変位を拡大する第１の変位拡大部と、クランプ機構を固定するための第２の固定部を有し前記第１の変位拡大部からの変位を拡大する第２の変位拡大部と、前記第１の変位拡大部の変位を前記第２の変位拡大部に伝達する結合部とからなり、前記変位手段は、その変位軸が前記変位拡大部のなす対称軸に対して垂直となるように配置され、前記第１の変位拡大部と前記第２の変位拡大部との間に位置し、前記第１の固定部と前記第２の固定部との間に配置されているものである。
また、本発明のクランプ機構の前記変位拡大部の第１の変位拡大部は、略Ｌ字形状を有する一対のアーム部材と前記第１の固定部を有する略コの字形状を成し、前記第１の変位拡大部の対称軸と略コの字形状との交差する点に前記第１の固定部を配し、該第１の固定部の両端に第１の支点部と、略コの字形状の両端に第１の作用点部と、略コの字形状内部に配した前記変位手段からの変位が作用する第１の力点部とを有し、前記第１の支点部からの前記第１の力点部及び前記第１の作用点部の各々の距離に応じて前記第１の力点部の変位を拡大するものである。
また、本発明のクランプ機構の前記変位拡大部の第２の変位拡大部は、先端に前記クランプ部を有する一対のクランプ部材と前記第２の固定部を有する略Ｕの字形状を成し、前記第２の変位拡大部の対称軸と略Ｕの字形状との交差する点に前記第２の固定部を配し、該第２の固定部の両端に第２の支点部と、略Ｕの字形状の両端に第２の作用点部と、前記第２の支点部と前記第２の作用点部間の略Ｕの字形状の両外側に、前記結合部を介して前記第１の変位拡大部からの変位が作用する第２の力点部とを有し、前記第２の支点部からの前記第２の力点部及び前記第２の作用点部の各々の距離に応じて前記第２の力点部の変位を拡大するものである。
また、本発明のクランプ機構は、前記第１の固定部及び前記第２の固定部は、前記変位拡大部のなす対称軸上に設けたものである。
また、本発明のクランプ機構は、前記変位拡大部は、チタンで形成されているものである。
また、本発明のクランプ機構の前記変位手段は、圧電素子からなるものである。
また、本発明のクランプ機構は、前記変位拡大部と前記変位手段との間に前記変位拡大部と前記変位手段との線膨張係数の違いを吸収する温度補償手段を設けたものである。
また、本発明のクランプ機構の前記温度補償手段は、前記変位手段と前記第１の変位拡大部の第１の作用点部の当接部間に設けられているものである。
また、本発明のクランプ機構の前記温度補償手段は、アルミニウムで形成されているものである。
また、本発明のクランプ機構は、前記一対のクランプ部が交換可能に構成されているものである。
また、本発明のワイヤボンディング装置は、双方共に揺動自在にしてワイヤを把持するためのクランプ機構を具備したワイヤボンディング装置であって、前記クランプ機構は、ワイヤを把持する一対のクランプ部と、クランプ機構を固定するための固定部を有し、該クランプ部に駆動力を付与する変位拡大部と、押圧して前記変位拡大部に変位を発生させる変位手段とを備え、前記変位拡大部は、左右対称に一体で形成され、前記変位手段からの変位を拡大する第１の変位拡大部と、前記第１の変位拡大部からの変位を拡大する第２の変位拡大部と、前記第１の変位拡大部の変位を前記第２の変位拡大部に伝達する結合部とからなり、前記変位手段は、その変位軸が前記変位拡大部の成す対称軸に対して垂直となるように配置され、前記変位拡大部と前記変位手段との間に前記変位拡大部と前記変位手段との線膨張係数の違いを吸収する温度補償手段を設けたものである。
本発明のクランプ機構によれば、圧電素子が第１の変位拡大部と第２の変位拡大部との間に位置し、第１の固定部と第２の固定部との間に配置されているため、圧電素子の変位により発生するモーメントを左右対称に構成した変位拡大部で相殺することで、各固定部に開閉動作の振動を伝えない。更に、第１の変位拡大部と第２の変位拡大部の各支点部は、
各固定部の左右に位置して、支点部と固定部が接近しているため、支点部からのモーメントが小さくなり、各固定部での振動の発生を抑えることができる。
また、本発明のクランプ機構は、従来のクランプ機構のように、圧電素子の駆動によってクランプ部材の開閉を行う梁の移動及び変形がないため、これによる振動の影響を受けない。このため、本発明のクランプ機構を具備したワイヤボンディング装置では、固定部に振動を伝えないため、ボンディング位置の精度、品質に影響を与えることがない。
また、本発明のクランプ機構は、圧電素子の変位量を、左右対称に一体で形成され、第１の変位拡大部と第２の変位拡大部とからなる変位拡大部で変位を拡大することにより、変位の拡大率が増加するため、クランプ機構の小型化が可能となる。また、クランプ機構の質量も小さくすることができる。更に、変位拡大部を一体で形成しているため構成が単純となり、部品点数も減らすことができる。
また、従来のワイヤクランプ機構では、圧電素子と変位拡大機構部はそれぞれ異なる線膨張係数を持っているため、ワイヤボンディング装置のヒータからの放熱等で外気温度が変化する。これにより、変位拡大機構部が膨張して寸法変化が起こり、クランプ部の開き量、ワイヤの把持荷重が変化することがある。本発明のクランプ機構は、温度変化に伴う先端の開き量と対象物（ワイヤ）の把持荷重の変化を防ぐべく、変位拡大部と圧電素子との線膨張係数の違いを吸収する温度補償手段を変位拡大部と圧電素子との間に設けたことにより、温度変化による先端の開き量とワイヤの把持荷重の変化を防ぐことができる。このため、本発明のクランプ機構を用いたワイヤボンディング装置は、安定したボンディングが可能となる。
ワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図である。 ワイヤボンディング装置のキャピラリ、クランプ機構、スパークロッドの位置関係を示す説明図である。 クランプ機構の平面図である。 クランプ機構の斜視図である。 クランプ機構による変位拡大を説明する図である。 ワイヤボンディング装置の動作の工程を示す図である。 クランプ部を交換可能にしたクランプ機構を示す平面図である。 従来のクランプ機構の斜視図である。 従来のクランプ機構における梁と触手の動きを示す図である。
以下図面を参照して、本発明によるクランプ機構及びこれを具備したワイヤボンディング装置を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、圧電素子の変位に伴う振動の影響を受けることなしに、対象物の把持を行うことが可能であり、また、周囲の温度変化の影響を受けることなしに、安定した動作が可能なクランプ機構を提供するものである。また、本発明のワイヤボンディング装置は、このクランプ機構をワイヤの把持に用いたものである。
以下の説明では、クランプ機構をワイヤボンディング装置に用いた場合について説明する。
［装置構成の概要］
最初に図１及び図２を参照してワイヤボンディング装置の構成を説明する。図１は、ワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図、図２は、図１に示すワイヤボンディング装置のキャピラリ、クランプ機構、スパークロッド（放電電極）の位置関係を示す説明図である。
図１に示すように、ワイヤボンディング装置１は、ボンディングツールとしてのキャピラリ３が先端に装着された超音波ホーンからなるボンディングアーム２と、ボンディングアーム２を上下方向、すなわちＺ方向に駆動する駆動手段としてのリニアモータ８を有するボンディングヘッド６と、ボンディングアーム２及びボンディングヘッド６からなるボンディング手段を搭載してＸ方向及びＹ方向に二次元的に相対移動させて位置決めするＸＹ位置決め手段としてのＸＹテーブル４０と、半導体チップ５０を搭載しキャピラリ３、ボンディングアーム２及びボンディングヘッド６によるボンディング作業が行なわれ架台上にヒータプレートを有するヒータ部４１と、ワイヤボンディング装置１全体の制御を行うマイクロコンピュータを有する制御装置４３と、この制御装置４３からの指令信号に応じてボンディングヘッド６及びＸＹテーブル４０への駆動信号を発する駆動装置４２とを備えている。キーボード４７は、制御装置４３のマイクロコンピュータに接続されており、データの入力、実行指示等を行うものである。制御装置４３のマイクロコンピュータの記憶装置には、プログラムが記憶されており、ワイヤボンディング等の動作は、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより行われる。なお、半導体チップ５０をマウントしたリードフレーム５２は、ヒータ部４１のヒータプレート上に搭載されて、ヒータ部４１のヒータにより加熱されるようになっている。
［主要な装置の働き等］
ボンディングアーム２をＺ方向の上下に駆動するボンディングヘッド６には、ボンディングアーム２の位置を検出する位置検出用センサ７を備えており、位置検出用センサ７は、ボンディングアーム２の予め設定した原点位置及びボンディングアーム２先端に装着されたキャピラリ３の移動量を制御装置４３に出力するようになっている。これにより、制御装置４３は、位置検出用センサ７からの移動量を計数することによりキャピラリ３の位置を管理することができる。また、ボンディングヘッド６のリニアモータ８は、制御装置４３によってボンディングアーム２を上下に駆動する他に、ボンディング時にキャピラリ３に対して荷重の大きさ、荷重の印加時間の制御がなされる。
また、このワイヤボンディング装置１は、超音波発振器４５を備えており、超音波発振器４５は制御装置４３からの制御信号を受けて、超音波ホーン２に組み込まれた振動子に電圧を印加して、超音波ホーン２の先端に位置するキャピラリ３に振動を発生させて、キャピラリ３に超音波振動を印加できるように構成されている。
また、キャピラリ３先端のボール形成は、ボール形成装置４６を制御して行われる。ボール形成装置４６は、制御装置４３からの制御信号を受けて、キャピラリ３から送り出されたワイヤ５４の先端とスパークロッドとの間に高電圧を印加することにより放電を起こさせ、その放電エネルギーによりワイヤ５４の先端部を溶融してキャピラリ３内に挿通されたワイヤ５４の先端にボール５５を形成するものである。
クランプ機構１０は、ボンディングアーム２の上下動作と連動し、ワイヤ５４を挟んだり、解放するものである。ワイヤボンディング装置１は、クランプ駆動回路４４を備えており、クランプ駆動回路４４は制御装置４３からの制御信号を受けて、クランプ機構１０の圧電素子３３（図３に示す）に電圧を印加することにより、クランプ部の開閉動作を行うようになっている。
図２に示すように、ワイヤ５４は、クランプ機構１０の把持部３０ｂ、３１ｂ（図３に示す）を通り、キャピラリ３の内部（ホール）を通り、キャピラリ３の先端から繰り出されている。また、キャピラリ３の下側には、スパークロッド５が設けられている。放電によりキャピラリ３の先端から繰り出されるワイヤ５４の先端にボール５５を形成するようになっている。
図１に示すワイヤボンディング装置１は、リードフレーム５２を加熱しつつ、半導体チップ５０上のパッドとリードフレーム５２等のリード５３（図６に示す）間をワイヤ５４で接続するものである。パッド又はリード５３でのワイヤ５４の接続は、ボンディングツールとしてのキャピラリ３に超音波振動及び荷重を印加して行うものである。
なお、ＸＹテーブル４０に搭載されたボンディングヘッド６のボンディングアーム２の先端に位置するキャピラリ３は、ＸＹテーブル４０によるＸＹ軸上及びボンディングヘッド６によるＺ軸上の位置に移動可能に構成されているが、ボンディングヘッド６を筐体に固定して、被ボンディング部品を搭載するヒータ部４１をＸＹテーブル４０に搭載して、ボンディングヘッドはＺ軸方向の上下移動のみを行い、被ボンディング部品をＸＹテーブル上に搭載して、被ボンディング部品をキャピラリ３に対してＸＹ軸の２次元の相対移動を行う構成にしてもよい。
なお、図１及び図２に示すワイヤボンディング装置の構成は、一般的な構成を示したものであり、本発明は、これに限定されるものではない。
［クランプ機構の構成］
次に、図３及び図４を用いてクランプ機構について詳述する。クランプ機構は、クランプ部開閉により対象物を把持するものである。
図３は、クランプ機構の平面図であり、図４は、クランプ機構の斜視図である。図３及び図４に示すように、クランプ機構１０は、一体に形成された変位拡大部１３と変位手段としての圧電素子（アクチュエータ）３３から構成される。変位拡大部１３は、圧電素子３３の変位量を増大させて、クランプ機構１０のクランプ部３０、３１に駆動力を付与して、クランプ部３０、３１開き量を増大させるものである。
以下クランプ機構１０の変位拡大部１３について詳述する。変位拡大部１３は一体に形成され、第１の変位拡大部１５と第２の変位拡大部２５と、第１の変位拡大部１５と第２の変位拡大部２５とを結合する結合部２３、２４とから構成されている。
図３に示すように、第１の変位拡大部１５は、略Ｌ字型の形状を有する一対のアーム部材１７、１８と第１の固定部１９とを備え、一対のアーム部材１７、１８には、それぞれ第１の力点部１７ａ、１８ａ、第１の支点部１７ｃ、１８ｃ及び第１の作用点部１７ｄ、１８ｄを有している。第１の力点部１７ａ、１８ａは、くびれ形状に形成されており、第１の力点部１７ａ、１８ａの一方はアーム部材１７、１８に一体に形成されている。また、第１の力点部１７ａ、１８ａの他方は、圧電素子３３の変位面又は温度補償用部材３４と接する当接部１７ｂ、１８ｂを有している。第１の力点部１７ａ、１８ａは可撓性を有している。
第１の支点部１７ｃ、１８ｃは、くびれ形状に形成されており、第１の支点部１７ｃ、１８ｃの一方はアーム部材１７、１８に一体形成されている。また、第１の支点部１７ｃ、１８ｃの他方は、クランプ機構１０を例えばボンディングヘッドに固定するための第１の固定部１９に一体に形成されている。第１の支点部１７ｃ、１８ｃは、可撓性を有している。
第１の作用点部１７ｄ、１８ｄは、略Ｌ字型の第１の変位拡大部１５の端部に位置し、結合部２３、２４にそれぞれ繋がっている。結合部２３、２４は、第１の変位拡大部１５と第２の変位拡大部２５とを結合するものであり、第１の変位拡大部１５で拡大した変位を第２の変位拡大部２５に伝達するためのものである。
第１の変位拡大部１５は、第１の固定部１９を介してアーム部材１７、１８を左右対称に配した構成となっている。
このように、変位拡大部１３の第１の変位拡大部１５は、それぞれが略Ｌ字型の形状を有する一対のアーム部材１７、１８と第１の固定部１９から成り、全体として略コの字形状を成し、第１の変位拡大部１５の対称軸と略コの字形状との交差する点に第１の固定部１９を配し、第１の固定部１９の両端に各第１の支点部１７ｃ、１８ｃを有し、略コの字形状の両端に各第１の作用点部１７ｄ、１８ｄを有し、略コの字形状内部に配した変位手段としての圧電素子からの変位が作用する第１の力点部１７ａ、１８ａを有するものである。
また、図３に示すように、変位拡大部１３の第２の変位拡大部２５は、先端にクランプ部３０、３１を有する一対のクランプ部材２８、２９と第２の固定部３２とを備えている。クランプ部３０、３１の先端には対象物（ワイヤ５４）を把持する把持部３０ｂ、３１ｂを有している。クランプ部材２８、２９には、第２の力点部２８ａ、２９ａ、第２の支点部２８ｂ、２９ｂ及び第２の作用点部３０ａ、３１ａを有している。第２の力点部２８ａ、２９ａは、くびれ形状に形成されており、第２の力点部２８ａ、２９ａの一方はクランプ部材２８、２９に一体形成されている。また、第２の力点部２８ａ、２９ａの他方は、結合部２３、２４に結合されている。第２の力点部２８ａ、２９ａは可撓性を有している。
第２の支点部２８ｂ、２９ｂは、可撓性を有し、一方はクランプ部材２８、２９に一体形成されている。また、第２の支点部２８ｂ、２９ｂの他方は、クランプ機構１０をボンディングヘッドに固定するための第２の固定部３２に一体形成されている。第２の作用点部３０ａ、３１ａは、把持部３０ｂ、３１ｂを有するアーム部材１７、１８の先端に位置している。
このように変位拡大部１３の第２の変位拡大部２５は、一対のクランプ部材２８、２９と第２の固定部３２とからなり、全体として略Ｕの字形状を成しており、第２の変位拡大部２５の対称軸と略Ｕの字形状との交差する点に第２の固定部３２を配したものである。また、第２の固定部３２の両端に第２の支点部２８ｂ、２９ｂを有し、略Ｕの字形状の両端に各第２の作用点部３０ａ、３１ａを有している。また、第２の支点部２８ｂ、２９ｂと第２の作用点部３０ａ、３１ａ間の略Ｕの字形状の外部側に、結合部２３、２４を介して第１の作用点部１７ｄ、１８ｄからの変位が作用する各第２の力点部２８ａ、２９ａを有している。
また、結合部２３、２４は、第１の変位拡大部１５の第１の作用点部１７ｄ、１８ｄと第２の変位拡大部２５の第２の力点部２８ａ、２９ａとを結合するためのものであり、第１の変位拡大部１５による変位を第２の変位拡大部２５に伝達するものである。このように、変位拡大部１３は、第１の変位拡大部１５、第２の変位拡大部２５及び第１の変位拡大部１５と第２の変位拡大部２５とを結合する結合部２３、２４から構成されており、これらはチタンにより一体に形成されている。また、変位拡大部１３は、左右対称に形成されている。なお、変位拡大部１３の材質は、チタンに限らず、他の材質を用いてもよい。
変位手段としての圧電素子３３は、一対のアーム部材１７、１８の当接部１７ｂ、１８ｂ間に位置しており、圧電素子３３の両端が変位する方向のなす軸である変位軸と変位拡大部１３がなす形状の対称軸とが、垂直を成すように配置されている。なお、圧電素子３３は、積層ピエゾが用いられている。
圧電素子３３は、これに電圧を印加するとその電圧に比例して伸縮を行い、一対のアーム部材１７、１８に対して駆動力を付与する。圧電素子３３に対する給電は、クランプ駆動回路４４（図１に示す）を通じて行われる。
なお、変位手段としての圧電素子３３は、積層ピエゾに限らず、変位を発生する他のものでも使用可能である。
温度補償用部材３４は、変位拡大部１３と圧電素子３３との熱膨張係数の差を相殺するためのものであり、圧電素子３３の一方の変位面と一方のアーム部材１７の当接部１７ｂ間に設けられている。温度補償用部材３４は、図４に示すように２個のくさび３４ａ、３４ｂとして打ち込まれている。くさび３４ａ、３４ｂを打ち込むことにより、圧電素子３３の変位面とアーム部材１７、１８の当接部１７ｂ、１８に圧力が加えられて、圧電素子３３の変位を確実に変位拡大部１３に伝達できる。このように、温度補償用部材３４として２個のくさび３４ａ、３４ｂを使用することにより、取付が容易となり、また、圧電素子３３の一方の変位面と一方のアーム部材１７の当接部１７ｂに圧力を均等に加えることができる。
第１の固定部１９及び第２の固定部３２は、クランプ機構１０をワイヤボンディング装置のボンディングヘッドに固定するためのねじ穴を有し、第１の固定部１９は、第１の変位拡大部１５のくびれ形状に形成されたそれぞれの第１の支点部１７ｃ、１８ｃ間に位置している。また、第２の固定部３２は、第２の変位拡大部２５のそれぞれの第２の支点部２８ｂ、２９ｂ間に位置している。また、第１の固定部１９及び第２の固定部３２は、変位拡大部１３の成す対称軸上に設けられている。
［クランプ機構による変位拡大］
以下に、クランプ機構の圧電素子３３によって発生した変位を拡大する変位拡大について図３及び図５を用いて説明する。図５は、クランプ機構による変位拡大を説明する図である。図５に示すように、第１の変位拡大部１５に於けるアーム部材１７、１８上の第１の支点部１７ｃ、１８ｃから第１の力点部１７ａ、１８ａまでの距離をａとし、第１の支点部１７ｃ、１８ｃから第１の作用点部１７ｄ、１８ｄまでの距離をｂとする。
圧電素子３３に電圧を印加したときには、圧電素子３３が延びることにより、変位が発生する。圧電素子３３の変位により、第１の力点部１７ａ、１８ａが変位した量をＡとすると、アーム部材１７、１８上に設けられた第１の作用点部１７ｄ、１８ｄも変位し、作用点部１７ｄ、１８ｄの変位量は第１の力点部１７ａ、１８ａの変位量Ａのｂ／ａ倍となる。なお、第１の力点部１７ａ、１８ａ及び第１の作用点部１７ｄ、１８ｄは、第１の支点部１７ｃ、１８ｃを中心とした円弧上に沿って変位する。
第１の作用点部１７ｄ、１８ｄでの変位は、第２の変位拡大部２５により更に拡大される。以下に第２の変位拡大部２５による変位拡大について説明する。
図５に示すように、第２の変位拡大部２５に於けるクランプ部材２８、２９上の第２の支点部２８ｂ、２９ｂから第２の力点部２８ａ、２９ａまでの距離をｃとし、第２の支点部２８ｂ、２９ｂから第２の作用点部３０ａ、３１ａまでの距離をｄとする。第１の作用点部１７ｄ、１８ｄの変位は結合部２３、２４により第２の力点部２８ａ、２９ａにも作用して、第２の力点部２８ａ、２９ａは第１の作用点部１７ｄ、１８ｄと同じ量の変位が発生する。第２の作用点部３０ａ、３１ａの変位量は、第２の力点部２８ａ、２９ａの変位量のｄ／ｃ倍となる。なお、第２の力点部２８ａ、２９ａ及び第２の作用点部３０ａ、３１ａは、第２の支点部２８ｂ、２９ｂを中心とした円弧上に沿って変位する。
これにより、圧電素子３３で発生した変位は、第１の変位拡大部１５の第１の力点部１７ａ、１８ａに作用して、第１の変位拡大部１５及び第２の変位拡大部２５により（ｂ／ａ）×（ｄ／ｃ）倍されて、第２の作用点部３０ａ、３１ａの変位量となる。即ち、第２の作用点部３０ａ、３１ａが位置するクランプ部３０、３１の把持部３０ｂ、３１ｂの変位量（開き量）となる。これによりクランプ部３０、３１の把持部３０ｂ、３１ｂは、図５に示す矢印の方向に開く。
このように、圧電素子３３によって発生した変位量は、結合部２３、２４を介して第１の変位拡大部１５及び第２の変位拡大部２５の２段の拡大機構によって拡大され、クランプ部３０、３１の開き量が最大となる。
また、積層ピエゾの圧電素子３３に電圧を印加しないとクランプ部３０、３１は閉じた状態にある。クランプ部３０、３１で把持して挟み込んだ対象物の径分、クランプ機構１０の変位拡大部１３が変形するが、そのときの復元力が対象物の把持荷重となる。クランプ部３０、３１先端の変形量と対象物の把持荷重とは比例関係にある。例えば、径の大きいワイヤ５４を把持したときには、把持荷重が増加する。ワイヤ５４の切断を行うためには、一般にはワイヤ３８μｍでは、把持荷重は４０ｇ以上、ワイヤ７０μｍでは把持荷重は８０ｇ以上が必要であるが、本発明のクランプ機構は、ワイヤ径に応じた把持荷重を維持することができるため、安定したワイヤボンディング動作が可能である。
［クランプ機構の温度補償］
以下に、クランプ機構における温度補償手段について説明する。 クランプ機構は、周囲温度の上昇により、変位拡大部１３の寸法変化が起こり、先端の開き量と対象物（ワイヤ）の把持荷重が変化する。これは、変位拡大部１３と圧電素子３３との熱膨張係数の違いにより発生するものである。温度補償手段は、先端の開き量、対象物（ワイヤ）の把持荷重の変化を防ぐべく、温度補償用部材３４を用いて、変位拡大部１３と圧電素子３３との熱膨張係数の差を相殺するためのものである。
温度補償用部材３４は、圧電素子３３の一方の変位面と一方のアーム部材１７、１８の当接部１７ｂ、１８ｂ間に設けられている。変位拡大部１３は、チタン等の金属が用いられている。チタンの熱膨張係数は、８ｐｐｍ／°Ｃであり、圧電素子３３としての積層ピエゾの熱膨張係数は、０．７ｐｐｍ／°Ｃである。このため、周囲温度の上昇により、変位拡大部１３の寸法変化が起こり、先端の開き量と対象物（ワイヤ）の把持荷重が変化する。これにより、ワイヤ５４の保持、切断動作がばらついて、正常にワイヤボンディングが行えない恐れがある。このため、周囲の温度変化による先端の開き量、把持荷重のばらつきを吸収するために、材質と寸法を最適化した温度補償用部材３４をくさび３４ａ、３４ｂ（図４に示す）として圧電素子３３と第１の変位部の当接部１７ｂの間に挟みこむようにする。これにより温度変化による先端の開き量と対象物（ワイヤ）の把持荷重の変化を防ぐことができる。
例えば、変位拡大部１３がチタンで形成されている場合には、チタンと圧電素子３３との熱膨張係数の差を吸収するのに、熱膨張係数の大きき金属、例えば、アルミニウムを使用する。アルミニウムの熱膨張係数は、２４ｐｐｍ／°Ｃであるため、くさびとして必要な長さが短くなり、また、くさびとして加工することも容易である。チタンで形成された変位拡大部１３に長さが１０ｍｍの圧電素子３３を使用した場合には、くさびの長さは、約３ｍｍである。なお、温度補償用部材３４は、アルミニウムに限らず、他の材質を用いてもよい。また、温度補償用部材３４としてくさび３４ａ、３４ｂを用いているが、更に、スペーサーを使用して圧電素子３３と第１の変位部の当接部１７ｂの間の隙間を埋めるようにしてもよい。
このように、温度補償用部材３４を使用することにより、クランプ機構１０の先端の開き量と対象物（ワイヤ）の把持荷重の変化を防ぐことができ、安定した動作が可能となる。
［クランプ機構の無反動動作］
圧電素子３３は、電圧を印加することにより変位して、 第１の変位拡大部１５の一方の当接部１７ｂを押し広げる力が発生する。このとき、第１の力点部１７ａに力が掛かる。また、第１の変位拡大部１５の他方の当接部１８ｂにも押し広げる力が発生する。このとき、第１の力点部１８ａにも力が掛かる。
クランプ機構１０は左右対称に形成されており、また、圧電素子３３はその変位軸が変位拡大部１３の形状のなす対称軸に対して垂直となるように配置され、圧電素子３３の両端は、第１の変位拡大部１５の当接部１７ｂ、１８ｂに接しているため、圧電素子３３の変位による力は、当接部１７ｂ、１８ｂに均等に印加される。このため、第１の力点部１７ａ、１８ａにおける力の方向は、反対方向であり、力の大きさは同等であるため、第１の力点部１７ａ、１８ａ間を結んだ線の中心位置では力が打ち消し合う。このため、圧電素子３３が変位したときに、当接部１７ｂ、１８ｂから反動を受けることがないため、クランプ機構１０に振動が発生することがない。また、第１の力点部１７ａ、１８ａ以外の把持部３０ｂ、３１ｂについても、同様に左右対称に形成されているため、中心位置では力が打ち消し合い、振動が発生しない。即ち、本発明のクランプ機構１０は無反動動作が可能である。また、第１の固定部１９及び第２の固定部３２は、変位各大部１３の対称軸上に位置し、圧電素子３３を第１の固定部１９と第２の固定部３２との間に配置しているため、ボンディングヘッドに取り付けても、クランプ機構１０の動作による振動が発生しないため、ボンディングに影響を及ぼさない。このように、クランプ機構１０は、圧電素子３３を第１の固定部１９と第２の固定部３２との間に配置した構成により、圧電素子３３の前後２箇所でボンディング装置等に固定して取り付けるため、回転のモーメントが前後方向ではなく左右方向に発生し、左右方向のモーメントを左右対称の構造で打ち消し合うことで振動の影響を受けない。
また、圧電素子３３の電圧を遮断して変位を基に戻す際にも、クランプ機構１０は、左右対称に形成されているため、各部で発生した力は打ち消し合ってクランプ機構１０に振動が発生しない。
このように、本発明のクランプ機構は、クランプ部を開閉する圧電素子の駆動による振動をクランプ機構の固定部に伝えないため、ボンディング位置の精度、品質に影響を与えることがない。
［ワイヤボンディング動作］
次に、上記クランプ機構を具備したワイヤボンディング装置の動作について図１、図２及び図６を用いて簡単に説明する。
当該ワイヤボンディング装置１（図１に示す）においては、複数のＩＣチップ５０が長手方向に並べて粘着されたリードフレーム５２が扱われる。ボンディング作業開始に際し、ヒータ部４１によって加熱されているボンディングステージ上に該リードフレーム５２が開示しない搬送手段によって搬入され、且つ、最先のＩＣチップ５０がボンディング作業位置に位置決めされる。この状態で、図１に示すボンディングヘッド６が作動し、ＩＣチップ５０上のパッド（図示せず）を第１ボンディング点とし、該ＩＣチップ５０が粘着されているリードフレーム５２に形成されたリードを第２ボンディング点として、該両ボンディング点間を金等を素材とするワイヤ５４により接続する。なお、当該ボンディングヘッド６はＸＹテーブル４０（図１に示す）上に搭載されており、適宜二次元的に移動され、位置決めされる。このボンディング工程を図６を用いて説明する。図６は、ワイヤボンディング装置の動作の工程を示す図である。なお、以下のボンディング工程は、制御装置６３（図１に示す）のマイクロコンピュータの記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより行われる。
まず、上記ＩＣチップ５０上のパッドにワイヤボンディングするときには、まず、先端にボール５５が形成されたワイヤ５４が挿通されたキャピラリ３（図１、図２に示す）を、上記ＸＹテーブル４０の作動によりパッドの直上に位置決めする。その後、ボンディングアーム２（図１に示す）を下方に揺動させ、キャピラリ３を図６（ａ）乃至図６（ｃ）に示すように下降させてＩＣチップ５０上のパッドにボール５５を押しつぶして熱圧着ボンディングを行う。この時、超音波ホーン２を以てキャピラリ３を励振させることを行う。
なお、この工程で図６（ａ）から図６（ｂ）の間では上記ボンディングアーム２を高速で下降移動させ、図６（ｂ）から図６（ｃ）の間では低速で移動させる。図６において参照符号３０ｂ、３１ｂは前述の両クランプ部３０、３１が具備する把持部を示すものであるが、この時各把持部３０ｂ、３１ｂは開となっている。次に、この第１ボンディング点への接続が終わると、図６（ｃ）から図６（ｄ）の間では把持部３０ｂ、３１ｂが開状態のまま上記ボンディングアーム２が図６に示す上方向、即ちＺ軸方向に上昇し、所定のループコントロールにしたがって図６（ｅ）に示すように把持部３０ｂ、３１ｂが開の状態でワイヤ５４が引き出され、図６（ｆ）に示す第２ボンディング点となるリード５３に接続される。
この接続後、キャピラリ３の先端部にワイヤ５４を図６（ｇ）に示すように所定のフィード量だけ引き出した状態で把持部３０ｂ、３１ｂを閉じる。この状態で更にボンディングアーム２を所定の高さまで上昇させる過程で図６（ｈ）に示すようにワイヤ５４がカットされて、再びワイヤ５４先端部にスパークロッド５（図２に示す）を用いてボール５５を形成し、把持部３０ｂ、３１ｂを開状態にさせて図６（ａ）の状態に復帰する。このような一連の工程によりワイヤボンディングがなされる。
以降、ＩＣチップ５０に複数設けられたパッドとこれらに対応して配設された各リード５３について上記一連の動作が繰り返され、この最先のＩＣチップ５０に関するボンディングを完了する。
この後、リードフレーム５２（図１に示す）がＩＣチップ５０の配設ピッチの１ピッチ分だけ移送されて次のＩＣチップ５０についてのボンディング作業が行われ、順次同様に続行され、全てのＩＣチップ５０のボンディング接続を終了する。
以上述べたワイヤボンディング装置は、ＩＣチップ上のパッドを第１ボンディング点とし、ＩＣチップが貼着されているリードフレームに形成された外部リードを第２ボンディング点として、両ボンディング点間を導電性を有するワイヤを用いて接続するものであるが、本発明のクランプ機構を具備したワイヤボンディング装置は、ワイヤ５４で半導体チップ５０上のパッドに突起電極（バンプ）の形成を行うバンプボンダに対しても適用することができる。
以上、ワイヤボンディング装置におけるワイヤの供給、切断のためのクランプ機構について述べたが、本発明のクランプ機構は、ワイヤボンディング装置以外の他のものに対しても適用可能である。例えば、微少物を取り扱うマイクロマニュピュレータ、ロボットの先端アームの物の把持に好適である。また、本発明のクランプ機構は、温度変化による変位各大部の変形に対応する温度補償手段を有しているため、外気の温度が変化する環境においても使用することが可能である。
図３及び図４に示すクランプ機構１０は、クランプ部材２８、２９のクランプ部３０、３１とが一体に形成されているが、クランプ部材２８、２９のクランプ部３０、３１を脱着可能な構成したクランプ機構について述べる。
なお、前述したクランプ機構１０の構成部分と同一のものについては、同じ符号を用い
て、説明は省略する。図７は、クランプ部を交換可能にしたクランプ機構を示す平面図である。図７に示すように、クランプ機構３７は、把持部３０ｂ、３１ｂを備え、対象物を把持する一対のクランプアーム部３８、３９と一対の変位拡大部材３６、３７とクランプアーム部３８、３９を連結する一対の連結部３６ａ、３７ａを有している。変位拡大部材３６、３７は、図３及び図４に示すクランプ機構１０のクランプ部材２８、２９のクランプ部３０、３１を有しない構造となっている。変位拡大部材３６、３７の先端には連結部３６ａ、３７ａを備えている。また、クランプアーム部３８、３９の把持部３０ｂ、３１ｂと反対の端面に変位拡大部材３６、３７の連結部３６ａ、３７ａと連結する突起部３８ａ、３９ａを備えている。クランプ機構３７は、変位拡大部材３６、３７にクランプアーム部３８、３９の突起部３８ａ、３９ａを連結部３６ａ、３７ａを介して連結することにより、クランプ機構１０のクランプ部材２８、２９と同一の作用、動作を行うことができる。
これにより、把持する対象物の形状が変更になった場合には、対象物の形状に合わせて、クランプアーム部３８、３９を交換して対応することができる。また、クランプアーム部３８、３９の長さによって第２の変位拡大部の変位の拡大率を可変することができるため、クランプアーム部の把持部の必要とする開き量によって、クランプアーム部の長さを決めるようにすることも可能である。
１ ワイヤボンディング装置
２ 超音波ホーン（ボンディングアーム）
３ キャピラリ（ボンディングツール）
５ スパークロッド（放電電極）
６ ボンディングヘッド
７ 位置検出用センサ
８ リニアモータ
１０、３７ クランプ機構
１３ 変位拡大部
１５ 第１の変位拡大部
１７、１８ アーム部材
１７ａ、１８ａ 第１の力点部
１７ｂ、１８ｂ 当接部
１７ｃ、１８ｃ 第１の支点部
１７ｄ、１８ｄ 第１の作用点部
１９ 第１の固定部
２３、２４ 結合部
２５ 第２の変位拡大部
２８、２９ クランプ部材
２８ａ、２９ａ 第２の力点部
２８ｂ、２９ｂ 第２の支点部
３０、３１ クランプ部
３０ａ、３１ａ 第２の作用点部
３０ｂ、３１ｂ 把持部
３２ 第２の固定部
３３ 圧電素子（アクチュエータ）
３４ 温度補償用部材
３４ａ、３４ｂ くさび
３６、３７ 変位拡大部材
３６ａ、３７ａ 連結部
３８、３９ クランプアーム部
３８ａ、３９ａ 突起部
４０ ＸＹテーブル４０
４１ ヒータ部
４２ 駆動装置
４３ 制御装置
４４ クランプ駆動回路
４５ 超音波発振器
４６ ボール形成装置
４７ キーボード
５０ 半導体チップ（ＩＣチップ）
５２ リードフレーム
５３ リード
５４ ワイヤ
５５ ボール
６０ 従来のクランプ機構
６２ 圧電素子
６３、６４ 第２ヒンジ
６６、６７ レバーアーム
６９、７０ 第１ヒンジ
７２ 取付け基板
７４ 梁
７４ａ 平坦部
７４ｂ、７４ｃ 傾斜部
７７、７８ 触手

Claims (11)

  1. 双方共に揺動自在にして対象物を把持するためのクランプ機構であって、
    対象物を把持する一対のクランプ部と、
    該クランプ部に駆動力を付与する変位拡大部と、
    押圧して前記変位拡大部に変位を発生させる変位手段とを備え、
    前記変位拡大部は、左右対称に一体で形成され、クランプ機構を固定するための第１の固定部を有し前記変位手段からの変位を拡大する第１の変位拡大部と、クランプ機構を固定するための第２の固定部を有し前記第１の変位拡大部からの変位を拡大する第２の変位拡大部と、前記第１の変位拡大部の変位を前記第２の変位拡大部に伝達する結合部とからなり、
    前記変位手段は、その変位軸が前記変位拡大部のなす対称軸に対して垂直となるように配置され、前記第１の変位拡大部と前記第２の変位拡大部との間に位置し、前記第１の固定部と前記第２の固定部との間に配置されていることを特徴とするクランプ機構。
  2. 前記変位拡大部の第１の変位拡大部は、略Ｌ字形状を有する一対のアーム部材と前記第１の固定部を有する略コの字形状を成し、前記第１の変位拡大部の対称軸と略コの字形状との交差する点に前記第１の固定部を配し、該第１の固定部の両端に第１の支点部と、略コの字形状の両端に第１の作用点部と、略コの字形状内部に配した前記変位手段からの変位が作用する第１の力点部とを有し、
    前記第１の支点部からの前記第１の力点部及び前記第１の作用点部の各々の距離に応じて前記第１の力点部の変位を拡大することを特徴とする請求項１に記載のクランプ機構。
  3. 前記変位拡大部の第２の変位拡大部は、先端に前記クランプ部を有する一対のクランプ部材と前記第２の固定部を有する略Ｕの字形状を成し、前記第２の変位拡大部の対称軸と略Ｕの字形状との交差する点に前記第２の固定部を配し、該第２の固定部の両端に第２の支点部と、略Ｕの字形状の両端に第２の作用点部と、前記第２の支点部と前記第２の作用点部間の略Ｕの字形状の両外側に、前記結合部を介して前記第１の変位拡大部からの変位が作用する第２の力点部とを有し、
    前記第２の支点部からの前記第２の力点部及び前記第２の作用点部の各々の距離に応じて前記第２の力点部の変位を拡大することを特徴とする請求項１に記載のクランプ機構。
  4. 前記第１の固定部及び前記第２の固定部は、前記変位拡大部のなす対称軸上に設けたことを特徴とする請求項１に記載のクランプ機構。
  5. 前記変位拡大部は、チタンで形成されていることを特徴とする請求項１記載のクランプ機構。
  6. 前記変位手段は、圧電素子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１に記載のクランプ機構。
  7. 前記変位拡大部と前記変位手段との間に前記変位拡大部と前記変位手段との線膨張係数の違いを吸収する温度補償手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のクランプ機構。
  8. 前記温度補償手段は、前記変位手段と前記第１の変位拡大部の第１の作用点部の当接部間に設けられていることを特徴とする請求項７記載のクランプ機構。
  9. 前記温度補償手段は、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のクランプ機構。
  10. 前記一対のクランプ部が交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のうちいずれか１に記載のクランプ機構。
  11. 双方共に揺動自在にしてワイヤを把持するためのクランプ機構を具備したワイヤボンディング装置であって、
    前記クランプ機構は、ワイヤを把持する一対のクランプ部と、
    クランプ機構を固定するための固定部を有し、該クランプ部に駆動力を付与する変位拡大部と、
    押圧して前記変位拡大部に変位を発生させる変位手段とを備え、
    前記変位拡大部は、左右対称に一体で形成され、前記変位手段からの変位を拡大する第１の変位拡大部と、前記第１の変位拡大部からの変位を拡大する第２の変位拡大部と、前記第１の変位拡大部の変位を前記第２の変位拡大部に伝達する結合部とからなり、
    前記変位手段は、その変位軸が前記変位拡大部の成す対称軸に対して垂直となるように配置され、
    前記変位拡大部と前記変位手段との間に前記変位拡大部と前記変位手段との線膨張係数の違いを吸収する温度補償手段を設けたことを特徴とするワイヤボンディング装置。
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