專利名稱：夾具驅動機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種驅動裝置，該驅動裝置驅動夾持機構夾緊物體，如半導體基材。本發(fā)明可用于導線鍵合機(wire bonding machine)的定位系統(tǒng)(an indexing system)，尤其是用于在半導體芯片和引線框之間形成電氣連接的金線鍵合機(gold wire bonding machine)，其也可以廣泛應用于其它領域。
背景技術：
在半導體封裝處理的后端(back-end)，迄今為止熱音波球形鍵合(thermosonic ball bonding)的要求是最高的。為了在半導體裝置(一般稱為“芯片”)和它的基材(“引線框”)之間產生相互連接，很細的導線，一般是直徑在20-75微米的金線(gold wire)首先被鍵合在芯片的焊盤(pad)上，其次是在引線框相應的引線(lead)上，該引線框上安裝有芯片。這個過程將持續(xù)直到所有的焊盤和相應的引線被連接。一個引線框可以容置從少于10個到幾十個的芯片。為了將芯片順序移入鍵合區(qū)，常常使用一種線性定位系統(tǒng)(an linear indexing system)-定位機(”indexer”))來對該引線框作高精度的定位。該定位機必須包含有一個控制進程的水平線性馬達驅動伺服系統(tǒng)，其上安裝有兩個定位夾具，每個用于定位引線框的定位夾具分別位于導線鍵合機的輸入區(qū)和輸出區(qū)，每個定位夾具有驅動器(actuator)來控制引線框的夾緊和釋放。
當導線鍵合對高速度和高精度的需求變得越迫切，導線鍵合機的所有關鍵子系統(tǒng)(critical subsystems)，包括定位機和定位夾具相應地需要變得更加強大、可靠、精確。這對定位夾具而言，在夾具沒有充分完善時，就轉換成了需要更強的夾持力。在夾具需要40N的夾緊力時，其所需的時間周期是在2-60秒間變化，這取決于芯片尺寸，該芯片尺寸接著決定被鍵合導線的數目和長度，其運行周期相應地從10-80％大幅變化。這正是因為定位夾具有時需要在靠近已經鍵合的半導體封裝件處保持夾緊，就象該鍵合發(fā)生在同一引線框中上游的另一個芯片上。這樣有助于防止在鍵合過程中，由于工作中的固定器強烈振動而引起已經鍵合的半導體任何可能的損壞。
定位夾具的另一個需求是，其上夾緊件和下夾緊件在夾緊和釋放過程中應能被更好地驅動。在早期的導線鍵合機中，就在引線框經過工作夾持槽體時，該引線框總放置在定位夾具的下夾緊件上。只有上夾緊件保持移動以完成夾緊動作，由于該夾具只能驅動單個夾緊件而導致出現問題，下面結合現有技術詳細描述。
傳統(tǒng)的電磁驅動夾具通常如圖1所示，其包含有一固定的電磁線圈14和安裝在控制桿16上的電磁板15，該控制桿圍繞樞軸17自由轉動。當電磁線圈14被電流激活時，其吸引電磁板15，控制桿16會如箭頭C所示圍繞樞軸17轉動，這樣，安裝在控制桿16上的夾緊件18如箭頭D所示轉動，并夾持住固定的下夾緊件20上的基材19。關閉電磁線圈14中的電流會實現基材19的釋放，其中在夾持動作中被壓縮的復位彈簧21沿著和箭頭C相反的方向轉動控制桿16，而導致夾緊件18的張開。上述的夾具適宜用于導線鍵合機的定位系統(tǒng)，然而其也應用于其他機器。在完成夾持基材19后，通過使用線性馬達或旋轉馬達在垂直于圖1所示平面的方向移動該夾具和基材19，該旋轉馬達帶有諸如球形推進器(ball-screw)或線性推進器(lead-screw)的旋轉-線性轉換系統(tǒng)(rotary-to-linear transimission system)。
該設計有如下不足。首先，由于電磁線圈14是高度非線性的裝置，其電磁力隨著電磁板15靠近電磁線圈14而迅速增長，這導致在夾持動作中基材19上出現不期望的強沖擊力；其次，由于電磁力隨著電磁線圈14和電磁板15之間距離的增大而快速下降，這會使電磁板有效位移得到限制，而導致可供夾持的基材厚度的變化范圍得到限制。
第三，現有技術除了必須依靠復位彈簧21之外，在釋放過程中沒有提供靈活的控制。為了使釋放動作能夠快速，該復位彈簧的彈力必須相當高，這消耗了部分電磁力，而導致夾持力比沒有復位彈簧21時小，因此，為了實現期望水平的夾持力，電磁線圈14的尺寸必須更大些。
第四，由于在夾持過程中僅僅上夾緊件18移動，下夾緊件20必須準確固定，所以基材19定位于下夾緊件20之上，恰好被固定槽體33支撐。完成夾持基材19后，該基材沿著垂直于圖1所示平面的方向通過一特定距離準確定位，其次，上夾緊件18向上運動，然后釋放基材19。這樣，定位驅動器和夾具一起回復到初始位置以進行下一次定位動作。然而，在復位動作中，基材19和其定位的下夾緊件20之間的碰撞，可能干擾基材19預先準確設定的位置。為了防止這種情形的發(fā)生，有必要使用另一個固定夾具(圖中未示)，該夾具恰好在定位夾具復位至初始位置時進行下一次定位動作時，夾持基材19至預先設定的位置，然而，這增加了系統(tǒng)的復雜性，浪費了更多的資源。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的夾持裝置，以克服現有技術的不足。
本發(fā)明一方面提供一種夾持物體的裝置，包括夾持機構和驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)驅動夾持機構的夾持和釋放，其中該驅動系統(tǒng)包括兩個有效連接的驅動器裝置，借以向夾持機構提供驅動力。
本發(fā)明另一方面提供一種夾持物體的方法，包括提供夾持機構，提供驅動夾持機構夾持和釋放的驅動系統(tǒng)，其中，提供驅動系統(tǒng)的步驟包括提供兩個有效連接的驅動器裝置，借以向夾持機構提供驅動力。
參閱后附的描述本發(fā)明實施例的附圖，隨后來詳細描述本發(fā)明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的特點限定在權利要求書中。


圖1所示為現有技術夾持裝置的結構示意圖；圖2所示為本發(fā)明最佳實施例夾持裝置的結構示意圖；圖3a、3b、3c所示分別為夾持驅動器的殼體和磁體的分解、立視和仰視剖面圖；以及圖4a、4b所示分別為驅動器在夾持和釋放過程中的磁通量方向示意圖。
具體實施例方式
請參照圖2所示為本發(fā)明最佳實施例夾持裝置的結構示意圖，該裝置中夾持機構的夾持動作通過驅動系統(tǒng)來實現，該驅動系統(tǒng)呈兩個有效連接的驅動器裝置的形式，該驅動裝置包含相互并列連接的可變吸附驅動器(variable reluctance actuator)如電磁感應驅動34和線性感應驅動器如圓柱形音頻驅動(voice-coil motor″VCM″)35，典型電磁線圈的磁力-間距特性高度非線性，隨著固定鐵芯和移動柱體(movable plunger)之間間距的增加，電磁力快速下降，快速的磁力弱化限制了夾具能處理的引線框厚度的變化。在夾具裝置中包含有VCM35和電磁感應驅動34的協助，使柱體的移動容易，而不考慮電磁間距，換句話說，真正的夾持力基本上由電磁感應驅動34(提供主要的貢獻)和VCM35來完成時，塞體的動作基本上由VCM35完成，如圖1所示，現有的夾持裝置需要使用相當硬的復位彈簧21，以實現迅速的、被動的釋放，于是，電磁力相當大的一部分被浪費在克服彈簧阻力，在本發(fā)明的夾持機構中，理想的是，在夾持和釋放過程中，不采用復位彈簧21，而相應的設計有VCM35以用于快速回應。
按照本較佳實施例，夾持裝置的電磁回路還包含一個特征，其激活電流方向-電磁力特性不對稱，當提供一個特定的強夾持力時，這種使用VCM35的設計理念使主動釋放更加輕易完成。
現參照圖2、3、4來描述所述驅動系統(tǒng)的結構和功能，殼體1通常由軟性電磁材料組成，容置有驅動系統(tǒng)，而形成有部分電磁回路。首先討論典型的線性感應驅動器的一種實施例，多個永磁體2，每個永磁體可彎曲成環(huán)繞的弧狀，安裝在殼體1的內部圓柱體表面上；在殼體1的內部圓柱體表面和磁體2之間形成有一環(huán)狀空腔10，內有徑向磁場，在空腔10中布置有圓筒形音頻線圈3-3`，該音頻線圈3-3`安裝在線圈支撐座4上，接著，該線圈支撐座4固定在中心轉軸5上，該轉軸5在軸向可自由移動一定的距離，共由一個緊靠的、適度自我調節(jié)的軸承6(Snugly fitting self-lubricating bush bearing)所引導；該軸承固定于殼體1；當音頻線圈3-3`被電流激活時，由于音頻線圈3-3`和磁體2之間的電磁感應，轉軸5上出現軸向力，其中電磁感應量和音頻線圈3-3`中流經的電流成比例，線圈電流的反向使得電磁力改變方向。
其次，討論典型的可變吸附驅動器，在殼體1的底部附著有另一個環(huán)形線圈，稱之為電磁感應線圈7-7`，音頻線圈3-3`和電磁感應線圈7-7`反向串聯。當音頻線圈3-3`流過順時針電流時(從圖2頂部觀察)；感應線圈7-7`會流過同樣的逆時針電流(從圖2頂部觀察)；然后夾緊(vice visa)，電磁板8通常由軟性磁體材料組成，固定在轉軸5的底端，這樣，當感應線圈7-7`電流激活時其向殼體1的下表面方向吸引電磁板8；圖3a、3b、3c所示分別為夾持驅動器的殼體1和永磁體2的分解、立視和仰視剖面圖，其表明殼體1有一磁通量中繼部1*，分別將容置音頻線圈3-3`和電磁線圈7-7`的腔室分開。音頻線圈3-3`和殼體1之間設有環(huán)形空腔10，而空間11用以供電磁線圈7-7`容置。
圖4a表明了在夾持過程中VCM的磁體2和電磁線圈7-7’二者的磁通量12、13的方向。圖4b表明了在釋放過程中磁通量12、13的方向。基于永磁體2的磁通量12的方向是固定的，而基于電磁線圈7-7’的磁通量13的方向是隨著激活電流是否反向而改變。在夾持過程中，電磁線圈7-7’的電流流向如圖4a所示，這樣，在殼體1的部件1*中，基于電磁線圈7-7’的磁通量13的方向與基于永磁體2的磁通量12的方向相反。現在殼體1的部件1*的設計，使得僅僅由于基于永磁體2的磁通量12就導致部件1*接近飽和。電磁線圈7-7’中的電流形成的磁通量13部分抵消了磁通量12，這樣減少了部件1*中最終的磁通量密度，消除了磁通量飽和狀態(tài)。按照如圖4a所示的電流流向，音頻線圈3-3’在轉軸5上產生一個如箭頭A所示的向上的軸向力。當轉軸5連同電磁板8一起向上運動時，由于電磁板8被位于殼體1下表面的磁通量13強烈吸引，因此電磁板8愈靠近殼體1，一個愈加強大的力被進一步施加于轉軸5。最終的電磁力完全高于VCM35的電磁力。在夾持動作中，雖然兩個電磁力共同作用，但是電磁感應驅動34對合力的貢獻實質上要大于VCM35。
如圖4b所示，當激活電流的方向相反時，電磁線圈7-7’的磁通量13也會反向，這樣其便然后穿越部件1*，此時磁通量13和永磁體2的磁通量12的方向相同。但是，如前所述，殼體1的部件1*僅僅因為永磁體2的磁通量12就非常接近飽和，這樣其實際上不再能中繼因電磁線圈7-7’產生的磁通量，因此在這種情形下，由電磁線圈7-7’施加于電磁板8上的吸引力很小，而主要的力是由音頻線圈3-3’產生，其方向向下，如箭頭B所示，如此可用來進行釋放動作。
現在結合圖2來描述整個夾具的結構和功能，該圖顯示了整個夾具裝置的結構。在未夾持的狀態(tài)時，物體如基材26由槽體33支撐。在本實施例中，夾持機構可包括上夾緊件25(安裝在控制桿22上)和下夾緊件27(安裝在控制桿28上)，由該夾持機構對基材26的夾持，是通過向力傳輸機構產生驅動力來實現，以將該驅動力從驅動系統(tǒng)傳遞到夾持機構。該力傳輸機構可通過分別圍繞樞軸23、31沿著如圖2中箭頭G、H所示的方向旋轉驅動控制桿22、28，來完成傳遞驅動力。
控制桿22通過彈性方式和夾持轉軸5相連，該彈性方式可包含有一螺旋彈簧9，該彈簧9確保自控制桿22圍繞樞軸23的旋轉動作到轉軸的線性動作的弱化，該彈簧9也確保忽略被夾持基材的厚度，該電磁板8向電磁殼體1運行全程后，使得電磁線圈7-7’可能的最大電磁力施加于該電磁板8上。實際上，夾持裝置通過彈簧9將電磁力施加于控制桿22上，彈簧9的設計還確保了對較厚的基材而言電磁力是強的，對較薄的而言電磁力是弱的。
如上所述，在夾持過程中，音頻線圈3-3’啟動轉軸5沿著箭頭A(圖4a)的方向動作，接著，電磁驅動34也在同一方向產生愈加強大的電磁力于轉軸5上。當轉軸5向方向A移動時，圍繞樞軸23轉動控制桿22，諸如凸輪柱體30的凸輪結構經過彈簧29預先靠在控制桿22上，該凸輪結構沿穿越支撐軸承32的方向F移動。這樣，凸輪柱體30的斜面30’圍繞樞軸31沿著箭頭H所指方向推動控制桿28轉動，直到控制桿28停止在凸輪柱體30的水平面30”上。當控制桿28如此轉動時，下夾緊件27從下面和基材接觸，在其支撐槽體33處頂起該基材一短的距離。控制桿22沿著箭頭G的方向圍繞樞軸23旋轉，引起上夾緊件25從上面和基材26接觸，這樣，在夾緊件25和27之間將基材26夾起。完成夾持后，在垂直于圖2所示平面的方向，將基材26通過一預定距離準確定位，然后通過改變音頻線圈3-3’和電磁線圈7-7’中電流方向實現釋放。如前所述，在反向電流作用下，由于電磁飽和影響，所以電磁驅動34效率很低。這樣，VCM35的電磁力使控制桿22沿著和箭頭E相反的方向轉動，并沿著和箭頭G相反的方向升起上夾緊件25。同時，控制桿22的轉動也沿著和F相反的方向推動凸輪柱體30，控制桿28在輕型彈簧24的幫助下沿著和H相反的方向旋轉，而當其在凸輪柱體30的表面30’滑下時，基材26被釋放。
然后，定位驅動器(圖中未示)將張開的夾持機構回復到初始位置以便進行下一次定位動作。在釋放后，位于支撐槽體33上的基材26和夾緊件25和27沒有任何接觸，這樣，在定位驅動器的回復動作中，夾緊件25和27不會干擾基材26的位置。因此，基材僅僅由支撐槽體33支撐，當定位夾具回復到初始位置以便進行下一次定位動作時，基材26的位置得以保持，而不需要使用任何其他固定夾具來保持基材26的準確位置。
這樣，值得注意的是本發(fā)明實施例在夾持動作中采用電磁線圈和音頻線圈驅動(VCM)，這種混合驅動能夠更好地控制夾持過程中的沖擊力，其也導致該夾具通過合并兩種驅動方式而具有可達到的延展范圍和適宜的夾持力，其能處理更多種的基材厚度。
更進一步說，在驅動電流的幫助下音頻線圈驅動35使得夾持裝置具有更大的靈活性，其使得導致夾緊件漸進、平滑動作的電流得以逐步增長，而使得以最小的沖擊力夾持基材26成為可能，其也印證了由于電磁力-電磁空隙高度非線性變化而導致的少數優(yōu)點，即使現有技術中單個電磁夾具也可能產生。
本發(fā)明在所具體描述的內容基礎上很容易產生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和補充都包括在本發(fā)明的上述描述的精神和范圍內。
權利要求
1.一種夾持物體的裝置，包括夾持機構和驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)驅動夾持機構的夾持和釋放，其中該驅動系統(tǒng)包括兩個有效連接的驅動器裝置，借以向夾持機構提供驅動力。
2.如權利要求1所述的夾持物體的裝置，其中所述的兩個驅動器裝置分別包含有相互連接的可變吸附驅動器和線性感應驅動器，用以共同向夾持機構提供驅動力。
3.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中所述的可變吸附驅動器用來產生相對更強的驅動力，而所述的線性感應驅動器用來產生相對更一致的驅動力。
4.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中所述的驅動系統(tǒng)被容置在軟性磁體材料制成的殼體內。
5.如權利要求4所述的夾持物體的裝置，其中所述的可變吸附驅動器包含有電磁線圈，該電磁線圈安裝于殼體的腔室中，以便該殼體中繼來自該電磁線圈的磁通量。
6.如權利要求4所述的夾持物體的裝置，其中所述的殼體包含有設計為磁通量飽和狀態(tài)的磁通量中繼部，該磁通量中繼部在夾持機構釋放時實際上不適于中繼所述電磁線圈的磁通量。
7.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中所述的線性感應驅動器包含有一個或多個用以載流的線圈，該線圈是由鄰接于永磁體的空氣間隙中的電磁感應所操作和移動。
8.如權利要求7所述的夾持物體的裝置，其中所述裝置還包含有力傳輸機構，在線圈移動時該力傳輸機構有效驅動夾持機構運動。
9.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中所述的可變吸附驅動器和線性感應驅動器為反向串聯電氣連接。
10.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中所述的夾持機構包含有兩個夾緊件。
11.如權利要求10所述的夾持物體的裝置，其中所述的兩個夾緊件用以在夾持和釋放時被驅動。
12.如權利要求10所述的夾持物體的裝置，其中該裝置還包含有力傳輸裝置，該力傳輸裝置通過控制桿機構來連接驅動系統(tǒng)和夾持機構的至少一個夾緊件。
13.如權利要求10所述的夾持物體的裝置，其中該裝置還包含有力傳輸裝置，該力傳輸裝置通過凸輪機構來連接驅動系統(tǒng)和夾持機構的至少一個夾緊件，該凸輪機構對來自驅動系統(tǒng)的驅動力敏感。
14.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中該裝置還包含有支撐槽體，在物體被夾持或夾持機構重新定位時，該支撐槽體單獨支撐物體。
15.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中該裝置還包含有通過力傳輸方式影響夾持機構的彈性裝置，以增強施于物體上的夾持力。
16.如權利要求2所述的夾持物體的裝置，其中該物體為半導體基材。
17.如權利要求16所述的夾持物體的裝置，其中該夾持機構是導線鍵合機的定位系統(tǒng)的一部分。
18.一種夾持物體的方法，包括提供一夾持機構；提供一驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)驅動夾持機構的夾持和釋放；其中該提供一驅動系統(tǒng)的步驟包括提供兩個有效連接的驅動器裝置，借以向夾持機構提供驅動力。
19.如權利要求18所述的夾持物體的方法，其中所述的兩個驅動器裝置分別包含有相互連接的可變吸附驅動器和線性感應驅動器，用以提供驅動力來驅動夾持機構的夾持和釋放。
20.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中所述的可變吸附驅動器用來產生相對更強的驅動力，而所述的線性感應驅動器用來產生相對更一致的驅動力，以驅動夾持機構運動。
21.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中所述的可變吸附驅動器和線性感應驅動器被容置在軟性磁體材料制成的殼體內。
22.如權利要求21所述的夾持物體的方法，其中所述的可變吸附驅動器包含有電磁線圈，該電磁線圈安裝于殼體的腔室中，以便該殼體中繼來自該電磁線圈的磁通量。
23.如權利要求21所述的夾持物體的方法，其中所述的殼體包含有設計為磁通量飽和狀態(tài)的磁通量中繼部，該磁通量中繼部在夾持機構釋放時實際上不適于中繼所述電磁線圈的磁通量。
24.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中所述的線性感應驅動器包含有一個或多個用以載流的線圈，該線圈是由鄰接于永磁體的空氣間隙中的電磁感應所操作和移動。
25.如權利要求24所述的夾持物體的方法，其中所述線圈的移動驅動夾持機構運動。
26.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中所述的可變吸附驅動器和線性感應驅動器為反向串聯電氣連接。
27.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中所述的夾持機構包含有兩個夾緊件。
28.如權利要求27所述的夾持物體的方法，其中所述的兩個夾緊件用以在夾持和釋放時被驅動。
29.如權利要求27所述的夾持物體的方法，其中從所述的可變吸附驅動器和線性感應驅動器產生的驅動力通過控制桿機構的方式移動夾持機構的至少一個夾緊件。
30.如權利要求27所述的夾持物體的方法，其中從所述的可變吸附驅動器和線性感應驅動器產生的驅動力通過凸輪機構的方式移動夾持機構的至少一個夾緊件，該凸輪機構對來自驅動系統(tǒng)的驅動力敏感。
31.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中該方法還包含在物體被夾持或夾持機構重新定位時，通過支撐槽體支撐該物體和保持該物體的位置。
32.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中該方法還包含提供一通過力傳輸方式影響夾持機構的彈性裝置，以增強施于物體上的夾持力。
33.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中該方法還包含在夾持動作中產生圍繞所述可變吸附驅動器的磁通量和圍繞所述線性感應驅動器的磁通量的步驟，這樣，該線性感應驅動器開始施加的驅動力大于該可變吸附驅動器的，而當夾持機構向該物體移動時該可變吸附驅動器的驅動力不斷增強。
34.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中該方法還包含在釋放動作中產生圍繞所述可變吸附驅動器的磁通量和圍繞所述線性感應驅動器的磁通量的步驟，這樣，由該線性感應驅動器施加主要的驅動力，而由該可變吸附驅動器施加的驅動力是相對小的。
35.如權利要求19所述的夾持物體的方法，其中該物體為半導體基材。
36.如權利要求35所述的夾持物體的方法，其中該夾持機構是導線鍵合機的定位系統(tǒng)的一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種夾持物體的裝置和方法，該裝置包括夾持機構和驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)驅動夾持機構的夾持和釋放，其中該驅動系統(tǒng)包括兩個有效連接的驅動器裝置，借以向夾持機構提供驅動力。更進一步而言，所述的驅動器裝置包含有相互連接的可變吸附驅動器和線性感應驅動器，用以共同向夾持機構提供驅動力。
文檔編號B23K37/04GK1507021SQ20031011503
公開日2004年6月23日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權日2002年11月21日
發(fā)明者廖有用, 阿吉特, 高內加·阿吉特, 蓋瑞 彼得, 湋多森·蓋瑞·彼得 申請人:先進科技新加坡有限公司