本发明是关于在发生超声波振动的同时，也进行引线导向，对预定表面高精度焊接前述引线的超声波引线焊接装置。超声波引线焊接装置是在用引线连结印刷电路板和半导体芯片等情况下使用的装置。本发明的超声波引线焊接装置还涉及一种其结构可适用以球焊技术焊接引线的引线焊接方法的装置。 超声波引线焊接通常用于半导体器件制造工艺等方面。为了在半导体芯片与封装或工件之间接上小引线，使用超声波引线焊接装置（工具）。这里所说的工件是指集成电路封装或印刷电路板。
超声波引线焊接装置以60千赫兹以上的高频率使引线振动从而将引线加以焊接。这种超声波引线焊接装置一边把引线压在焊接表面一边使引线振动。引线在平行于焊接表面的水平面方向上振动。引线抵在焊接表面上振动，从而引起引线及焊接表面发生塑性变形。通过这种变形，引线及焊接表面的原子相结合，形成冷焊接。通过形成这种冷焊接，使焊接得以完成。
超声波焊接装置在将引线的一端焊接于半导体芯片上，同时，将引线引导到工件上，在将成为引线另一端的位置上将引线焊接在工件上。而后，截断引线，此后反复进行上述操作，进行其他连接。
更具体地说，如同图9所示，在施加超声波振动用的机臂（超声波机臂）101的端部垂直固定有毛细管102，将通过毛细管102的引线106在前端以微小压力使之压接在置于工作台103上地半导体芯片（裸芯片）104的焊接表面上，同时施加超声波振动进行焊接，而后，使通过毛细管102的引线106伸出一些，接着再次以微小压力将引线106压接在置于工作台103上的引线框架105的焊接面上，同时施加超声波振动加以焊接，而后将引线106截断。
超声波焊接装置通常具备产生超声波的致动器，传递激振超声波的施加超声波振动用机臂以及维系引线的毛细管，这一毛细管装在机臂的头部。电驱动式振动致动器的电致伸缩振子或磁致伸缩振子，是用来产生振动频率达到超声波振动频率范围的机械性振动的。机臂将由致动器产生的振动作为压缩波（compression wave）传到毛细管。通常机臂呈前部细窄的锥形，这是为了使毛细管的振动幅度增大。毛细管维系着引线，并使引线略微露出毛细管前端。而后，毛细管的前端压在焊接表面上。毛细管随机臂的振动而振动，由此，将毛细管伸出来的引线焊接于焊接面上。
引线焊接所需要的机臂装配在支持该机臂并确定其上下位置的装置上。该装置通常安装在能沿着焊接表面的水平方向移动机臂使之定位的X-Y台上。此X-Y台前后左右滑动以便引线焊接端准确地置于所希望的位置上。通过使机臂绕其支点旋转，来确定引线在上下方向的位置。因此，毛细管的端部划着弧线沿毛细管的长度方向上下移动。
但是，以往的超声波焊接装置存在如下问题。
现有的机臂设计存在的主要问题之一是毛细管的长度较短，因此，工件（焊接表面）与机臂之间几乎没有留下间隙（余隙）。结果，作业面积，即焊接的可能范围有限。这是因为，在机臂所在位置上机臂与工件相碰了。
为了增加作业面积，可考虑使用长的机臂。但是，长的机臂存在如下两个大问题。第一个问题是因为机臂的热膨胀大，焊接位置精度下降。而为了提高焊接质量，通常需要加热台来加热工件。来自加热台的热量使机臂的温度上升，从而使机臂膨胀。而机臂的长度越长，热膨胀就越厉害。机臂的膨胀引起焊接位置精度下降。长机臂带来的第二个问题是，随着尺寸的增大，惯性质量也增大。机臂的质量变大，机臂振动就需要大的功率。随着质量变大，移动预定距离则需要更多能量。
除了上述两个问题外，还有机臂弯曲，机臂发生上下振动、损伤半导体芯片等工件这类问题。
还有，工件与机臂间余隙不足引起的其他问题是，难于将引线焊接到具有大部件的线路板上。以chip on board出名的表面安装技术是在印刷电路板上直接安装半导体芯片。印刷电路板包含有高度各不相同的许多零部件。因此，为了将半导体直接用引线焊接到印刷电路板上，机臂在前述零部件上方需保持适当的余隙。
现有的机臂设计存在的另一问题是毛细管上下移动得由机臂绕轴旋转来产生。为了进行良好的焊接，毛细管必须垂直于焊接面。这样的垂直定位是必要的，但是因为有机臂绕轴旋转的情况，毛细管作弧形运动。这种情况下，就将旋转角度限于非常小的角度。但是，以这样的机臂设计，无法将引线焊接到高度不一样的表面。这是因为毛细管不见得会与焊接表面保持通常垂直的状态。再者，摇动（旋转）装置位于机臂的端部，由于摇动装置的位置及尺寸造成在机臂完全达到工件正上方时，工件将触及摇动装置。这就造成作业空间的减少。
本发明的目的是提供有助于解决上述问题的超声波引线焊接装置，特别是以提供可以确保机臂与工件之间有充分的余隙，即使不使用机臂也能增加作业面积的超声波引线焊接装置为主要课题。
为了解决前述课题，本发明的超声波引线焊接装置采用的主要部件有施加超声波振动的机臂和位于机臂端部维系引线的毛细管，将前述机臂发出的超声波振动传递到穿过毛细管的引线的前端，对焊接表面进行前述引线焊接，其中，做成前述毛细管由机臂端部直接支持，并且有足够的长度以使前述机臂与焊接面之间保持充分间隙的第一种结构，或是前述毛细管短，通过接头，由机臂端部支持，此接头与毛细管的组合长度足以使前述机臂与焊接面之间保持充分间隙的第二种结构。
也就是说，在采用上述第一种结构的超声波引线焊接装置的情况下，如图1所示，用于维系引线的比已往所用的长的毛细管3，以其长度方向与机臂1的轴向正交，且与焊接面5垂直的姿势（长度方向在上下方向上）安装于施加超声波用的机臂（超声波机臂）1的端部。而在采用上述第二种结构的超声波引线焊接装置的情况下，如图2所示，维系引线的、通常用的较短的毛细管52借助接头53，仍然以与机臂的轴向正交，且与焊接面5垂直的姿势（长度方向在上下方向上）安装于机臂的端部。
而且，在机臂1上装有作为用以发生超声波振动的装置，通常是电力驱动式振动致动器2的电致伸缩振子或磁致伸缩振子。使用电力驱动式振动致动器的理由是，内部机械性损失小，输出输入比大，温升低，振幅大，易于加工成各种形状。
上述第一种结构中所说的长度足以确保机臂与焊接表面之间有充分间隔的毛细管（长毛细管）3，是长度在0.5-1英寸长度范围，比以往使用的都长的毛细管，特别是长度为0.75英寸（约1.9cm）的毛细管在强度、振动、与工件的间距方面较为理想。附带说明一下，以往的短毛细管长度不到0.5英寸。
图2中的第二种结构的毛细管52是与以往相同长度的短毛细管，通常以螺栓（螺丝）54可脱卸地固定在接头52上。而接头53则用螺栓（螺丝）55等紧固件将其后端固定在机臂1前端的贯通孔中。将螺丝55松开使接头53上下移动后再拧紧螺丝55加以固定，即可调节高度，第二种结构中所说的接头与毛细管两者组合的长度足以确保机臂与焊接表面之间有充分间隔的长度（在毛细管固定于接头的状态下从一端到另一端的距离）通常在15mm-20mm范围内，其中，毛细管的长度通常在5mm-10mm范围，接头长度通常为5mm-15mm范围。
机臂、包括支持毛细管（也包括借助于接头支持的情况）的机臂头的部分最好呈前部较细的锥形，从而可以充分增大毛细管的振动。
机臂通常安装在机臂支持部上，该机臂支持部为了确定引线的精确位置，在上下移动的同时可保持毛细管与焊接表面垂直。具体来说，例如，安装机臂的机臂支持部借助于由滑动轴引导可在上下方向上直线滑动的直线滑动器，上下移动。机臂支持部被结合（安装）在用来确保毛细管在任意上下（垂直）位置均与焊接表面垂直的直线滑动器上。机臂支持部相对于作为支持它的超声波引线焊接装置部分上下移动。
机臂支持部的位置通常可通过用电力驱动式致动器来确定。此时，最好机臂支持部由弹簧从上方悬挂来支持，依靠该弹簧减轻电力驱动式致动器驱动时所带来的冲击，同时，减轻机臂支持部所受重力的影响。在使机臂上下移动的同时，为了抵消作用于线性致动器上的重力效应（影响），使之维持对露出引线的毛细管与焊接表面之间的焊接力适当控制，可在机臂支持部与焊接头（支承机臂支持部的装置支持部分）之间使用弹簧。也就是说，机臂支持部还同在移动中用于保持反作用力，并减轻机臂支持部受到的重力影响的弹簧结合在一起。
通常机臂位于机臂支持部下方（机臂的下端处于比机臂支持部下端更低的位置），以防止引线焊接装置与工件接触。
本发明的超声波引线焊接装置通常在焊接头中具备：提供焊接所需引线用的引线供给系统，和用计算机图像控制技术正确地将装置定位于所希望的预定位置用的摄像机。
机臂最好用短小的机臂，但机臂的最小长度（机臂轴向两端之间的长度）为相当于机臂轴向以一阶固有振动频率在机臂材料中传播的振动波的1/2波长的长度。这是为了取得良好的机臂振动特性所必需的。这里所说的机臂材料不是指加工完成的中空的机臂，而是指完全由机臂形成材料所充满的加工前坯体。材料是例如钛、不锈钢，具体尺寸例如42mm。
机臂如上所述安装于机臂支持部，而通常机臂在其轴向一阶固有振动模式的节点（不振动的点）位置上有法兰（凸缘），由法兰将其固定于机臂支持部。这是考虑到要使致动器产生的超声波振动能很好地传递和放大。
在焊接头上通常还装着夹子，该夹子位于机臂的正上方，夹子用电致动器开闭。夹子用于控制通常毛细管的引线的流出。夹子在机臂进行两次焊接之间的连接时松开，在连接完成后闭合，以便从连接端切断剩余的引线，从而能进行新的连接。
在进行最初的连接之前，为了在露出的引线上形成小球，使用火花单元。该火花单元在露出毛细管端头的引线和火花焊炬之间产生火花。火花使引线端部熔化，形成小球。该小球可用于引线最初的连接。火花焊炬安装于焊接头（装置支持部）上，并使焊炬的前端能到达毛细管前端附近的位置。小球的形成发生于机臂处于相对于引线焊接装置为最上面位置之时。这种技术，作为球焊技术而公知。本发明的超声波引线焊接装置可采取适用以球焊技术焊接引线的引线焊接方法的结构。
由于机臂在加热台上方动作，因此，压电致动器可能变得非常热。为了防止来自加热台的热量对压电致动器产生不良影响，在机臂下方设防热屏。再者，为了保证机臂和致动器冷却，通过安装在机臂附近的管子从机臂侧面向其吹送冷空气。冷空气还起防止加热台引起的热扩散影响摄像机图像质量的作用。
再者，在第一种结构的情况下，超声波引线焊接装置总体结构可提出如图5所示结构，例如，可做成焊接头10可以借助于线性机械手51进行XY移动，该焊接头10可上下（Z）方向移动地装有如前所述的机臂支持部8。用线性机械手51使焊接头10移动到水平方向（XY方向）上所希望的位置，用焊接头10的致动器使机臂支持部8向下移动，使小型机臂1的前部的毛细管3下降，使引线前端碰到半导体芯片等的焊接表面。
第二种结构的情况可提出如图7所示的结构，例如，做成焊接头10可以借助于线性机械手51在XY方向上移动，该焊接头10上可上下方向（Z向）移动地装有如前所述的机臂支持部8。用线性机械手51使焊接头10移动到水平方向（XY方向）上所希望的位置，借助于焊接头10的致动器使机臂支持部8向下移动，使机臂1前部的毛细管52下降，使引线的端部碰到半导体芯片等的焊接表面。
本发明的超声波引线焊接装置，机臂上装有比以往长的毛细管或者借助于接头加长的毛细管，因此可确保焊接表面与机臂之间有充分的间隔。因而，引线焊接装置可以在加热台上方不受影响地动作，可避免工件与机臂机碰的情况发生。引线焊接在与焊接面接触的毛细管端部进行。得益于机臂与毛细管端头之间有充分的间隔，焊接引线时，机臂可以在比焊接表面高的上方动作。因此，机臂可以自由移动到焊接表面的任何位置。此外，由于在焊接表面与机臂之间有充分的间隔，也可以在有零件的印刷板上焊接引线。
还有，长机臂已经不必要，用小型机臂就够了。因而机臂振动所需的功率很小就够了，同时，前述因加热台引起的热膨胀问题也小了。
在比以往长的毛细管长度为3/4英寸的情况下，强度、振动、与工件之间的间距都比较合适。
机臂可上下调节高度地装有接头时，调整接头的越程（突出量），以此，可以在不改变机臂结构的条件下调整毛细管前端的振动幅度。
在毛细管可在接头上装上、卸下的情况下，不更换接头也可以更换毛细管。
在机臂上装有电力驱动式致动器作为超声波振动发生手段的情况下，由于内部机械性损失小，输出入比大，温升低，可得到大的振幅，易于加工成各种形状。
机臂的前部呈前面细的锥状的话，超声波振动幅度就可以放大，充分地向引线前端传递超声波振动。
机臂具有的长度相当于机臂轴向以一阶固振动频率在机臂材料中传播的振动波的1/2波长的情况下，用小型机臂就可以充分地将超声波振动传递到毛细管。
当机臂在其轴向一阶固有振动模式的节点位置上由法兰固定于机臂支持部时，超声波能量就可以无损失地、充分传递给毛细管。
安装机臂的机臂支持部借助于由滑动轴引导可在上下方向直线滑动的直线滑动器，可在上下方向移动的情况下，为了确定引线的精确位置而上下移动时，可保持毛细管与焊接表面垂直，因此能可靠地进行合适的焊接。
在采取机臂支持部由电力驱动式致动器（直线致动器）驱动在上下方向上直线移动的结构时，具有毛细管与工件通常能垂直接触的优点。
在机臂支持部由弹簧从上方悬挂支持时，由于该弹簧的作用，在减轻电力驱动式致动器带来的冲击的同时，还有减轻机臂支持部所受重力影响的优点。
机臂处于机臂支持部下方时，其优点是，机臂支持部碰到工件的可能性更少了。
下面对本发明超声波引线焊接装置的实施例加以说明。当然，本发明不限于下面实施例。也就是说，这里是对本发明的特定实施例加以示范性说明，但是本领域技术人员应该了解可以有其他修改、变更。所以权利要求书的范围应该被理解为意在保护属于该发明内涵以及外延内的所有修改和变更。
下面是对附图的简单说明。
图1是示意本发明超声波引线焊接装置的机臂和毛细管外围结构的斜视图。
图2是示意本发明超声波引线焊接装置的机臂和毛细管外围另一结构的斜视图。
图3是实施例1的超声波引线焊接装置的侧面图。
图4是实施例1的超声波引线焊接装置的正面图。
图5是示意本发明超声波引线焊接装置的总体结构的斜视图。
图6是示意实施例3的超声波引线焊接装置的机臂和毛细管外围结构的侧面图。
图7是示意本发明超声波引线焊接装置另一总体结构的斜视图。
图8是示意实施例2的超声波引线焊接装置的机臂和毛细管外围结构的侧面图。
图9是示意现有超声波引线焊接装置的机臂和毛细管外围结构的侧面图。
实施例1
图3是实施例1的焊接装置的侧面图。直线滑动器上的箭头表示机臂支持部在垂直方向上细小移动的方向。左上的箭头表示装置可移动的方向，但此外垂直于纸面的Y方向也是可移动的。图4是实施例1的引线焊接装置的正面图。此外，实施例1的超声波引线焊接装置的致动器和具有比以往长的毛细管的超声波引线焊接机臂外围如图1所示。图1详细表示了引线焊接的方法。
图1表示压电致动器2以及具有毛细管3的机臂1的外观。致动器2沿箭头所示的机臂1长度方向产生机械振动（在箭头方向上有位移的振动）。该机械振动通过机臂1作为压力波传播。机臂1成前部细的锥状以便能很好地在毛细管3的位置增大振动幅度。引线4在毛细管端部3略微露出，同时通过毛细管3的中心跑出来。
来自机臂1的振动使毛细管3相对于焊接表面5平行振动，将引线4焊接在焊接表面5上。毛细管3用开在机臂1上的压配合孔固定，毛细管螺栓6用于将压配合孔的夹子牢牢收紧、牢牢固定毛细管。机臂1则由法兰7支持。
为了合适地传递振动，致动器2驱动的振动频率必须与机臂1轴向的一阶固有振动模式的频率匹配。为此，致动器2由与机臂轴向一阶固有振动模式的频率相匹配的电脉冲驱动。这电脉冲使致动器2膨胀和收缩，从而产生与电信号振动频率相同的振动。法兰7则位于机臂轴向上一阶固有振动模式的节点，即无振动点上。这确保振动能量几乎传递不到机臂支持部8。
超声波引线焊接装置如图3所示，机臂1由机臂支持部8支持，同时借助于两个由滑动轴11a引导可在上下方向直线滑动的直线滑动器11，相应于焊接头（装置支持部）10在上下方向上移动。从而，机臂支持部8可以借助于电力驱动式直线致动器9，相对于焊接面在垂直（Z轴）方向上滑动。直线致动器9是一以电气方式驱动的直线致动器，它正确设定机臂1沿Z轴的位置，同时给予毛细管3端部进行引线4焊接所需的焊接力。机臂支持部8与焊接头10之间的弹簧12是用来维持机臂支持部8在预定位置的。由该弹簧12，可减轻机臂支持部8所受的重力影响，因此能够由单位驱动量的致动器进行正确的位置控制。
引线4的第1端被焊在半导体芯片等的焊接表面5上。此后，引线焊接装置为了完成连接，移动到其他位置。引线4的另一端被焊在集成电路封装或印刷电路板的第二个焊接表面13上。印刷电路板的焊接表面13，由于通常有一些附属于它的零件14，所以在机臂与焊接表面13之间需要有间距。引线4的连接一旦完成，引线夹子夹紧，牢牢地把引线4夹住。此后，机臂1向上滑动，将引线4与留在焊接表面13的剩余引线之间的连接切断。
引线焊接装置为进行新的接线而移动时，线引4略微露出毛细管3的前端，使用火花焊炬16将引线4的前端熔化，使线引4的前端形成小球。前述火花焊炬是使焊炬17的前端与引线之间发生电火花的装置。机臂1被定位于能够进行两个焊接表面之间的新的接线，夹子15则松开使引线4能从毛细管3中流出来。
引线焊接装置如前述图5所示构成，为了能在焊接面5，13上的任意位置焊接引线，它能在所有方向（X-Y-Z）上移动。
引线4由图4所示的由线卷19供给必要长度的引线4的给线器18提供。引线4用线定位器20定位以笔直地通过毛细管3。用线定位器21保持引线4的张力。给线传感器（图中省略）确保将所需长度的引线4提供给引线焊接装置。
焊接面13必须加热，以确保引线4有良好的焊接质量。加热台22用于加热焊接表面13。来自加热台22的热量还加热受热性能变坏的超声波致动器2。为了使致动器2与加热台绝热，使用了防热屏23。为了向致动器2和机臂1等吹送冷空气，使它们得到冷却，减少一切热影响，还用了冷气管24。冷气管24还减少热扩散，避免热扩散使从摄像机25看到的图像变坏。
引线焊接装置位置的细调，是使用计算机图像系统，在焊接表面13上面做标记，正确求出印刷电路板的位置进行的。要看出印刷电路板上的标记而使用摄像机25。摄像机25采用摄像机支架26，安装于焊接头10的侧面。使用电照明灯27，适当给焊接面以照明，使位置标记有清楚的视野。
实施例2
图2表示实施例2的超声波引线焊接装置的机臂1与接头53和短毛细管52周围的外观。图7表示实施例2的超声波引线焊接装置的总体结构。除此以外部分的详细结构与前述实施例相同，图中省略了。
如图7所示，焊接头做成可以借助于线性机械手51在X-Y方向上移动，该焊接头10上可上下（Z）方向移动地装有如前所述固定着机臂1的机臂支持部8。
如图2所示，机臂1用法兰7固定在机臂支持部8上。插入机臂1前部的贯通孔的接头53的后端由螺栓55固定。该接头53的前部用螺栓54固定着毛细管。松动螺栓55即可调整接头53的越程，松动螺栓54则能单独更换毛细管52。
机臂1是长度相当于在机臂材料中以其轴向一阶固有振动频率传播的振动波1/2波长的小型机臂，而法兰7处于机臂1轴向的一阶固有振动模式的节点位置。
用线性机械手51使焊接头10在水平方向上（X-Y方向）移动到所希望的位置，借助于焊接头10的致动器使机臂支持部8向下移动，如图8所示，使机臂前部的毛细管52下降，引线4的端部以微小压力接触半导体芯片等的焊接表面。致动器2的振动通过机臂1传递给毛细管52的前端约5μm幅度的振动，同时将引线4焊接半导体芯片的焊接表面5和配线板等的焊接表面13。由于有接头，即使有比半导体芯片高的安装部件也能焊接。
实施例3
图6表示实施例3的超声波焊接装置的机臂1与比以往长的毛细管3外围的外观。图5表示实施例3的超声波引线焊接装置的总体结构。毛细管3以外的具体结构与前述实施例1相同，因此图中省略了。也就是说，实施例3的超声波引线焊接装置，除了毛细管3为特定尺寸3/4英寸以外，其他结构与实施例1同，故而简单说明。
如图5所示，焊接头10做成可以借助于机械手51在XY方向上移动，该焊接头10上可上下（Z）方向移动地装有如前所述固定着机臂1的机臂支持部8。
如图6所示，机臂1由法兰7固定在机臂支持部8上。机臂1的前部用螺栓（螺丝）6固定着3/4英寸的毛细管3。松动螺栓6即可以更换毛细管。
机臂是长度相当于在机臂材料中以其轴向一阶固有振动频率传播的振动波的1/2波长的小型机臂，而法兰7则位于机臂轴向一阶固有振动模式的节点位置。
由线性机械手51使焊接头10移动到水平方向（XY方向）上所希望的位置，借助于焊接头10的致动器使机臂支持部8向下移动，如图6所示，使机臂1前部毛细管31下降，引线4的前端以微小压力接触半导体芯片等的焊接表面5。致动器2的振动通过于机臂1传递给毛细管3前端振幅约5μm的振动，同时将引线4焊接在半导体芯片的焊接表面5和配线板等的焊接表面13上。由于使用毛细管3，即使装比半导体芯片高的安装部件也能焊接。
本发明的超声波引线焊接装置确保焊接表面与电极臂之间有充分的间距，引线焊接装置可以在加热台上方动作而避免受不良影响，因此，不但能增加作业面积，还能在有零部件的印刷板上焊接引线，而且不需要长的机臂，因而，机臂振动所需的功率小，而且承载工件的加热台所造成的热膨胀影响也小。
比以往长的毛细管为3/4英寸长度时，其优点是强度、振动、与工件之间的距离较理想。
接头可上下调节高度装于电极臂上时，调整接头的越程，由此便可以在不改变机臂结构的条件下，调整毛细管端部的振动幅度。
毛细管可以在接头上装卸的情况下，不更换接头也可以更换毛细管。
在机臂上引起超声波振动的装置为电力驱动式致动器时，内部机械性损失小，因而输出入比大，可以得到大振幅而发热小，又有易于加工成各种形状的优点。
机臂呈前部较细的锥形，优点是能充分的将超声波振动传递到引线前端。
机臂的长度相当于机臂轴向上以一阶固有振动频率在机臂材料中传播的振动波约1/2波长时，有可以以小型机臂充分传递超声波振动的优点。
机臂在其轴向一阶固有振动模式节点位置上有支持机臂的法兰，这种情况下具有振动能量可无损失地传递到毛细管上的优点。
安装着机臂的机臂支持部借助于滑动轴导引可上下直线滑动的滑动器，可以上下方向移动的情况下，为了对引线的位置进行仔细调整而上下移动，这时能经常保持毛细管垂直于焊接面，因而有确保进行合适焊接的优点。
在采取用电力驱动式致动器（直线致动器）使机臂支持部上下直线移动的结构时，毛细管与工件通常相垂直，具有确保进行合适焊接的优点。
机臂支持部从上方用弹簧悬挂时，存在由该弹簧减轻电力驱动式致动器驱动带来的冲击，同时也使重力对机臂支持部的影响减轻的优点。
机臂处于机臂支持部下方位置时，有机臂支持部不太可能与工件接触的优点。