DE19981030B4

DE19981030B4 - Vorschubeinheit zum Bewegen von Bauteilen

Info

Publication number: DE19981030B4
Application number: DE19981030.3T
Authority: DE
Inventors: Jörg Wallaschek; Frank Walther; Hans Jürgen Hesse
Original assignee: Hesse GmbH
Current assignee: Hesse GmbH
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2019-01-06
Also published as: GB0100567D0; GB2355221A; DE19981030D2; WO1999064197A1; WO1999064197A8; GB2355221B; US6427897B2; DE29810313U1; US20010000613A1; JP2002517910A; AU2609199A

Abstract

Vorschubeinheit zum Bewegen von Bauteilen über geringe Distanzen, nämlich zum Bewegen von Drahtklammern oder Drahtzangen an Drahtbondern zum Vorschub des Bonddrahtes mit Hilfe von Drahtklammern oder Drahtzangen an Ultraschall-Drahtbondern, wobei eine Viergelenkkette mit einer in dieser angeordneten Antriebseinheit, die in einem vorgegebenen Anstellwinkel (α) gegenüber der Basis der Viergelenkkette durch diese verläuft, vorgesehen ist und wobei die Antriebseinheit mit jeweils zwei parallelen und gegenüberliegenden biegesteifen Schenkeln (2, 3) der Viergelenkkette gelenkig verbunden ist, und wobei die Viergelenkkette als ein übersetzendes Festkörperparallelogramm (1) ausgebildet ist, bei der die Antriebseinheit mit einem Anstellwinkel (α) gegenüber der Basis von < 90° und > 45° durch das Festkörperparallelogramm (1) verläuft und an jeweils einem der zwei parallel liegenden biegesteifen Schenkeln (2, 3) gelenkig angelenkt ist, von denen ein Schenkel (2, 3) die Basis bildet, wobei die Schenkel (2, 3) über Federelemente (4, 5) miteinander verbunden sind, und wobei eine Drahtklammer oder Drahtzange unmittelbar an einem der biegesteifen Schenkel (2, 3) des übersetzenden Festkörperparallelogrammes (1) und der andere biegesteife Schenkel (2, 3) am Bondkopf befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorschubeinheit zum Bewegen von beliebigen Bauteilen über geringe Distanzen.
Der Aufsatz „Piezoaktuatorische Antriebe für den industriellen Einsatz” von Konrad Voigt (Antriebstechnik, F&M, 104 (1996) 1–2, Seiten 68–72 sowie die DE 42 14 220 C2 zeigen Antriebsanordnungen, bei denen Piezoaktoren zur Betätigung einer Verstelleinheit vorgesehen sind. In Bezug auf ein Verstellelement ist der Piezoaktor unter einem Winkel angeordnet, so dass infolge einer Längen- oder Formänderung des Piezoaktors eine Verstellbewegung aufgeprägt wird. Aus der DE 197 13 634 A1 und der DE 196 50 311 A1 werden konventionelle Antriebsanordnungen für eine Drahtklammer von Drahtbondern vorgestellt.
Beim Ultraschalldrahtbonden, bei dem in der Regel Aluminiumdraht verwendet wird, erfolgt die Herstellung der jeweiligen Kontakte (Bonds) auf den Bondinseln (Bondpads) eines Halbleiterchips bzw. eines Trägerelementes mit Hilfe eines Keilbondwerkzeuges (Wedge), dessen technischer Aufbau allgemein bekannt ist. Zur Realisierung eines vollständigen Bondzyklus, d. h. zur Herstellung einer Drahtbrücke zwischen den Bondpads sind verschiedene Arbeitsschritte erforderlich. Um diese Arbeitsschritte ausführen zu können, ist dem Wedge eine Drahtzange, oder auch Fadenklammer genannt, zugeordnet, mit deren Hilfe der Bonddraht je nach dem aktuellen Arbeitsschritt entweder festgehalten, oder in Richtung zum Wedge vorgeschoben oder von diesem zurückgezogen werden kann, um den Bonddraht vom zweiten Kontakt abzureißen.
Dabei ist es vor der Ausführung der jeweils ersten Bondung einer Drahtbrücke notwendig, den Bonddraht zunächst unter die Arbeitsfläche des Wedges vorzuschieben, also ein Tail zu erzeugen, welches die Ausführung der ersten Bondung erlaubt. Nach dieser Bondung auf dem ersten Kontakt wird die Drahtbrücke in Form eines Bogens zum zweiten Kontakt gezogen und nach der Ausführung des zweiten Bonds das freie Ende des Bonddrahtes auf eine definierte Weise abgerissen.
Die benötigte Taillänge selbst ist von den geometrischen Verhältnissen des Wedges und der Bondpads abhängig. Wird die Taillänge zu lang bemessen, so besteht die Gefahr von Kurzschlüssen zu benachbarten Bondpads. Wird die Taillänge andererseits zu kurz bemessen, so muß unter Umständen mit einer fehlerhaften Bondung gerechnet werden.
Während die Drahtbrücke zum zweiten Bondkontakt gezogen wird, muß die Drahtzange den Bonddraht freigegeben, so daß dieser von einer Vorratsspule abgezogen werden kann. Nach Erreichen der zweiten Bondstelle, oder deren geringfügigem Überfahren muß der Bonddraht wieder festgehalten werden, damit eine notwendige Schleife (loop) gelegt und der Bonddraht nach der Ausführung der zweiten Bondung abgerissen werden kann. Die Länge des Abrißhubes nach der zweiten Bondung ist zwar nicht entscheidend für die Bondung selbst, jedoch mitentscheidend für die Zykluszeit insgesamt.
Bisher bekanntgewordene Antriebe für Drahtzangen lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen einteilen. Dies sind einerseits sogenannte mechanische berührungsbehaftete Antriebe, wie beispielsweise Kurvenscheibenantriebe o. dgl. und andererseits berührungslose Antriebe, wie Magnetantriebe, wobei die Drahtzangen selbst in geeigneten Führungen, wie Linearführungen geführt werden müssen.
Die berührungsbehafteten Antriebe zeichnen sich durch große mögliche Stellwege bei relativ geringen Stellgeschwindigkeiten und hohem Wartungsaufwand infolge des nicht zu vermeidenden Verschleißes aus.
Als berührungslose Antriebe kommen beispielsweise Tauchspulantriebe oder auch Voice-Coil-Antriebe in Betracht. Wegen der beengten Platzverhältnisse im Bereich des Bondkopfes müssen derartige Antriebe jedoch eine möglichst kleine Bauform aufweisen, was dazu führt, daß diese Antriebe mechanisch nicht sehr steif ausgelegt werden können und folglich bei schnellen Bewegungen des Bondkopfes, wie dies bei Drahtbondern mit drehbarem Bondkopf der Fall ist, leicht aus ihrer Grundstellung ausgelenkt werden. Diese Auslenkung kann dann zu Fehlern bei nachfolgenden Bewegungen oder auch zu Positionierproblemen führen. Ein weiterer Nachteil derartiger Antriebe ist darin zu sehen, daß mit diesen bei kleiner Bauform nur geringe Stellkräfte erzeugt werden können.
Darüberhinaus muß bei derartigen Antrieben zwangsläufig auf Festanschläge gearbeitet werden, die erheblich verschleißbehaftet sind. Daraus resultiert auch die Notwendigkeit, die Festanschläge einstellbar auszuführen, was wiederum den Einstell- und Wartungsaufwand deutlich vergrößert.
Ein solcher Magnetantrieb geht beispielsweise aus der WO 98/24 583 A1 hervor. Hier erfolgt der Antrieb und die Lagepositionierung der Drahtzange aus einer Nulllage in beiden Richtungen entgegen der Federkraft von Blattfedern mit Hilfe eines mit der Programmsteuerung des Drahtbonders verbundenen Linearantriebes in Form eines Tauchspulantriebes, eines Linearmotors oder eines Piezoantriebes, der die bewegten Elemente der Geradführung unmittelbar miteinander koppelt.
Ein piezoaktuatorisches Antriebs- bzw. Verstellelement ist aus der DE 44 45 642 A1 bekannt geworden. Hierzu sind zwei Stapeltranslatoren nebeneinander angeordnet, wobei die jeweils unteren Enden über Festkörpergelenke mit einem Schenkel verbunden sind. Die oberen Enden der Stapeltranslatoren sind an einer biegesteifen Traverse befestigt, die über ein Festkörpergelenk mit einem oberen Schenkel verbunden ist. Die beiden Schenkel sind zu einem Festkörperparallelogramm miteinander verbunden.
Werden beide Stapeltranslatoren mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen beaufschlagt, so wird eine seitliche Auslenkung des Festkörperparallelogrammes bewirkt. Die Größe der seitlichen Auslenkung wird von der angelegten elektrischen Spannung und der Spannungsdifferenz zwischen beiden Stapeltranslatoren bestimmt.
Ein derartiges Antriebs- bzw. Verstellelement ist sehr kompliziert aufgebaut und daher teuer in der Herstellung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine preiswert herzustellende Vorschubeinheit zu schaffen, die eine ausreichende Systemsteifigkeit gewährleistet und die eine präzise und schnelle elektrisch programmierbare Positionierung des zu bewegenden Bauteiles ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch eine Vorschubeinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine derartige Vorschubeinheit läßt sich kostengünstig fertigen und weist auch bei geringen Abmessungen bereits eine verhältnismäßig große Systemsteifigkeit auf, wobei eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Viergelenkkette als ein übersetzendes Festkörperparallelogramm ausgebildet ist, bei dem die Antriebseinheit, mit einem Anstellwinkel (α) gegenüber der Basis von < 90° und > 45° durch das Festkörperparallelogramm verläuft und an jeweils einem von zwei parallel liegenden biegesteifen Schenkeln gelenkig angelenkt ist, von denen ein Schenkel die Basis bildet, wobei die Schenkel über Federelemente miteinander verbunden sind.
Die Systemsteifigkeit kann noch weiter verbessert werden, wenn als Antriebseinheit ein piezoelektrischer Stapeltranslator verwendet wird. Bei einer derartigen Antriebseinheit kann innerhalb des Stellbereiches jede beliebige Position als Nullstellung bzw. Ausgangsposition durch elektrische Stellgrößen vorgegeben werden. Das bedeutet aber auch, daß bei einer derartigen Antriebseinheit jegliche Anschläge entfallen können.
Zur Vermeidung von relativ zueinander bewegten und damit Verschleiß verursachenden Teilen ist es von Vorteil, wenn der Stapeltranslator im Bereich seiner Enden über Festkörpergelenke mit dem Festkörperparallelogramm verbunden ist.
Um den Montage- und Fertigungsaufwand auf ein Minimum zu beschränken, sind die Festkörpergelenke einstückig mit dem Festkörperparallelogramm verbunden und weisen zusätzlich jeweils ein Aufnahmeelement für den Stapeltranslator auf.
In Fortführung der Erfindung ist der Stapeltranslator kraftschlüssig zwischen den Aufnahmelementen eingespannt. Zusätzlich kann eine Klebverbindung vorgesehen werden.
Das Festkörperparallelogramm ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die parallel liegenden biegesteifen Schenkel über Federelemente miteinander verbunden sind, die als Festkörper-Federelemente ausgebildet sind, die bevorzugt durch Gelenkelemente bildende Ausnehmungen im Festkörperparallelogramm ausgebildet sind.
Der geringste Fertigungs- und Montageaufwand wird erreicht, wenn das Festkörperparallelogramm einstückig ausgebildet wird. Das kann dadurch erfolgen, daß das Festkörperparallelogramm aus einer Metallplatte durch Fräsen oder Erodieren ausgearbeitet wird.
In einer Variante kann das Festkörperparallelogramm auch mehrteilig ausgeführt werden, wobei zwischen den biegesteifen Schenkeln als Federelemente Blattfedern oder blattfederartige Elemente anzuordnen sind.
Eine weitere vorteilhafte Fortführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Drahtklammer unmittelbar an einen biegesteifen Schenkel des übersetzenden Festkörperparallelogrammes befestigt ist und daß der andere biegesteife Schenkel am Bondkopf befestigt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorschubeinheit kann eine präzise und schnelle Positionierung der Drahtklammer oder anderer Bauteile bei hoher Stellkraft realisiert werden, wobei die Positionierung auf einfache weise durch die Vorgabe elektrischer Stellgrößen möglich ist. In Verbindung mit einem elektrischen Regelkreis läßt sich damit problemlos eine Lageregelung der Drahtklammer realisieren, ohne daß störende Festanschläge erforderlich sind.
Das hat den besonderen Vorteil, daß die Änderung der Taillänge und des Abrißhubes nunmehr ausschließlich auf programmtechnischem Wege erfolgen kann und die bisher erforderlichen aufwendigen Justageschritte vollkommen entfallen können. Damit wird mit einfachen technischen Mitteln eine erhebliche Verbesserung der Gebrauchseigenschaften des Bonders erreicht, da ein Arbeiten auf harte Anschläge vermieden wird. Das bedeutet, daß auch die ansonsten notwendigen Beruhigungszeiten für das System nach dem Anfahren von Anschlägen eingespart werden können, was weitere Vorteile mit sich bringt.
Das bedeutet, daß sämtliche Bondparameter, die von der Drahtzange und deren Bewegung beeinflußt werden, durch die erfindungsgemäße Vorschubeinheit nunmehr durch die Programmsteuerung des Bonders vorgegeben werden können.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorschubeinheit; und
2 die Vorschubeinheit nach 1 in Einbaulage mit einer daran befestigten Drahtzange.
Die erfindungsgemäße Vorschubeinheit 1 entsprechend 1 besteht aus einem übersetzenden Festkörperparallelogramm 1, das zwei parallel zueinander angeordnete biegesteife Schenkel 2, 3 aufweist, die über Federelemente 4, 5 miteinander verbunden sind. Die Federwirkung wird hierbei durch Ausnehmungen 11, 12, 13, 14 in den Federelementen 4, 5 realisiert. Die Ausnehmungen 11, 12, 13, 14 sind dabei unmittelbar am Übergang zu den Schenkeln 2, 3 eingearbeitet und wirken hier als Festkörpergelenke mit Federeigenschaften.
Innerhalb des übersetzenden Festkörperparallelogrammes 1 befindet sich als Antriebselement ein Stapeltranslator 6, der sich in einem vorgegebenen Winkel α gegenüber der Basis zwischen kleiner 90° und größer 45° durch das Festkörperparallelogramm 1 erstreckt und über Festkörpergelenke 7, 8 mit diesem verbunden ist. Der konkret im Einzelfall vorzusehende Winkel hängt von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab. Grundsätzlich ist davon auszugehen, daß ein Anstellwinkel von nahezu 90° eine maximal möglich Auslenkung zur Folge hat, wobei durch den Stapeltranslator 6 dann natürlich erheblich größere Kräfte erzeugt werden müssen, als bei einer flacheren Anordnung des Stapeltranslators 6, z. B. um 45°.
Zur Aufnahme des Stapeltranslators sind Aufnahmeelemente 9, 10 an den Festkörpergelenken 7, 8 vorgesehen, zwischen denen der Stapeltranslatator 6 kraftschlüssig eingespannt ist. Zusätzlich kann noch eine Klebverbindung vorgesehen werden.
Sämtliche Bestandteile des Festkörperparallelogrammes 1, d. h. die federnden Elemente 2, 3 mit den Ausnehmungen 11, 12, 13, 14, die Festkörpergelenke 7, 8 und die Aufnahmelemente 9, 10 sind einstückig ausgeführt, was eine kostengünstige Fertigung ohne Einstellarbeiten ermöglicht.
Die hohe Steifigkeit dieser Vorschubeinheit ermöglicht in Verbindung mit der elektrisch progammierbaren Längenänderung des Stapeltranslators eine äußerst präzise Positionierung beispielsweise einer mit dieser Vorschubeinheit verbundenen Drahtzange 15 mit ihren Zangenbacken 16, 17, wobei eine der Zangenbacken 16; 17 direkt an der Vorschubeinheit befestigt ist. Da die piezoelektrisch erzeugbaren Kräfte erheblich sind, ist die erfindungsgemäße Vorschubeinheit in Verbindung mit der hohen Systemsteifigkeit zur Verwendung in schnellen Drehkopfbondern besonders geeignet.
Anstelle des vorstehend beschriebenen Festkörperparallelogrammes 1 können auch Viergelenkketten in anderer Ausführung, z. B. trapezförmige Viergelenkketten, in Verbindung mit einem Stapeltranslator verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Festkörperparallelogramm
2: Schenkel
3: Schenkel
4: Federelement
5: Federelement
6: Stapeltranslator
7: Festkörpergelenk
8: Festkörpergelenk
9: Aufnahmeelement
10: Aufnahmeelement
11: Ausnehmung
12: Ausnehmung
13: Ausnehmung
14: Ausnehmung
15: Drahtzange
16: Zangenbacke
17: Zangenbacke

Claims

Vorschubeinheit zum Bewegen von Bauteilen über geringe Distanzen, nämlich zum Bewegen von Drahtklammern oder Drahtzangen an Drahtbondern zum Vorschub des Bonddrahtes mit Hilfe von Drahtklammern oder Drahtzangen an Ultraschall-Drahtbondern, wobei eine Viergelenkkette mit einer in dieser angeordneten Antriebseinheit, die in einem vorgegebenen Anstellwinkel (α) gegenüber der Basis der Viergelenkkette durch diese verläuft, vorgesehen ist und wobei die Antriebseinheit mit jeweils zwei parallelen und gegenüberliegenden biegesteifen Schenkeln (2, 3) der Viergelenkkette gelenkig verbunden ist, und wobei die Viergelenkkette als ein übersetzendes Festkörperparallelogramm (1) ausgebildet ist, bei der die Antriebseinheit mit einem Anstellwinkel (α) gegenüber der Basis von < 90° und > 45° durch das Festkörperparallelogramm (1) verläuft und an jeweils einem der zwei parallel liegenden biegesteifen Schenkeln (2, 3) gelenkig angelenkt ist, von denen ein Schenkel (2, 3) die Basis bildet, wobei die Schenkel (2, 3) über Federelemente (4, 5) miteinander verbunden sind, und wobei eine Drahtklammer oder Drahtzange unmittelbar an einem der biegesteifen Schenkel (2, 3) des übersetzenden Festkörperparallelogrammes (1) und der andere biegesteife Schenkel (2, 3) am Bondkopf befestigt ist.
Vorschubeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit als piezoelektrischer Stapeltranslator (6) ausgebildet ist.
Vorschubeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapeltranslator (6) im Bereich seiner Enden über Festkörpergelenke (7, 8) mit den Schenkeln (2, 3) des Festkörperparallelogrammes (1) verbunden ist.
Vorschubeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenke (7, 8) einstückig mit dem Festkörperparallelogramm (1) verbunden sind.
Vorschubeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Festkörpergelenken (7, 8) jeweils ein Aufnahmeelement (9, 10) für den Stapeltranslator (6) ausgebildet ist.
Vorschubeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapeltranslator (6) zwischen den Aufnahmeelementen (9, 10) kraftschlüssig eingespannt ist.
Vorschubeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel liegenden biegesteifen Schenkel (2, 3) über Festkörper-Federelemente miteinander verbunden sind.
Vorschubeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörper-Federelemente durch Gelenkelemente bildende Ausnehmungen (11, 12, 13, 14) im Festkörperparallelogramm (1) gebildet sind.
Vorschubeinheit nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Viergelenkkette einstückig ausgebildet ist.
Vorschubeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Viergelenkkette aus einer Metallplatte durch Fräsen oder Erodieren ausgearbeitet ist.
Vorschubeinheit nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Viergelenkkette mehrteilig ausgeführt ist, wobei zwischen den biegesteifen Schenkeln (2, 3) Blattfedern oder blattfederartige Elemente angeordnet sind.