JP4381468B1 - ２方向移動テーブル - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディング装置を高速化する
【解決手段】ボンディング装置に用いられるＸＹテーブルのＹ方向モータに、一端がテーブルに固定されてＹ方向に延びる繊維強化プラスチックの長方形断面パイプで、各短辺側面にＹ方向に延びる開口４３ｂが設けられ、テーブルと共にＸＹ方向に移動する可動アーム４３ａと、可動アーム４３ａの開口４３ｂに差し込まれて可動アーム４３ａに取り付けられ、その一部が可動アーム４３ａの開口４３ｂから可動アームの幅方向に突出する環状の駆動コイル４４と、を含むＹ方向可動子４３を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ボンディング装置に用いられる２方向移動テーブルの構造に関する。

ワイヤボンディング装置などのボンディング装置において、半導体デバイスなどのボンディング対象を水平方向の互いに直交する２方向であるＸ方向とＹ方向とに移動させる２方向移動テーブルとしてＸＹテーブルが用いられている。ＸＹテーブルは、Ｘ方向にガイドされてＸ方向モータによってＸ方向に移動する下部テーブルと下部テーブル上面のガイドによってＹ方向にガイドされ、Ｙ方向モータによってＹ方向に移動する上部テーブルとを備えている。上部テーブルは、Ｘ方向に移動する下部テーブルの上に載ってＹ方向に移動するので、ＸＹ方向に自在に移動することができるよう構成されている。

このようなＸＹテーブルでは、位置決めを高精度化するためにＹ方向モータの可動子を上部テーブルに接続固定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２９７７２号公報

しかし、特許文献１に記載された従来技術のＸＹテーブルでは、Ｙ方向モータの可動子は、上部テーブルに接続固定されて上部テーブルと一緒にＸ方向に移動する。このため、下部テーブルをＸ方向に移動させるＸ方向モータは、下部テーブルと上部テーブルとＹ方向モータの可動子とをＸ方向に移動させることが必要となってくるが、Ｙ方向モータの可動子の重量が大きい場合、Ｘ方向モータにかかる荷重が大きくなるため下部テーブルの移動速度を早くすることが困難でボンディング装置を高速化することができないという問題があった。

また、特許文献１に記載された従来技術のＸＹテーブルでは、Ｙ方向モータの可動子が上部テーブルの上面付近からＹ方向に向かって突出するよう取り付けられているため、Ｙ方向モータの可動子は、上部テーブルをＹ方向に駆動する際に上部テーブルからＹ方向の反力とともに曲げモーメントの反力を受け、この曲げモーメントによって可動子に振動が発生し、その振動によってボンディングの際にキャピラリの押圧荷重が変動してボンディング品質が低下してしまうという問題があった。Ｙ方向モータの可動子の重量が大きい場合には、上部テーブルの往復動作に含まれる周波数成分が可動子の固有振動数に近くなるため、より振動が大きくなり、ボンディング品質の低下が問題となった。そして、ボンディング品質の低下を避けるために、ＸＹテーブルの動作速度を高速化できず、ボンディング装置を高速化することができないという問題があった。

また、特許文献１に記載されたＹ方向モータの可動子は、平板の上にコイルを取り付けたものであるため、コイルに電流が流れた際にコイルに発生する熱の放散が不十分となることが多く、コイルの温度上昇による電気抵抗の増加による出力の低下やコイル周辺部材の膨張による熱変位によりボンディング精度の低下を招くので、大電流を流すことが難しく、Ｙ方向の可動子を高速で移動させることが困難になるという問題があった。

本発明は、ボンディング装置を高速化することを目的とする。

本発明の２方向移動テーブルは、同一平面内で互いに直交する第１の方向と第２の方向の２つの方向に移動する２方向移動テーブルであって、第１の方向にガイドされ、第１のモータによって第１の方向に駆動される第１のテーブルと、第１のテーブルの上面に設けられた第２の方向ガイドによって第２方向にガイドされ、第１のテーブルと共に第１の方向に駆動されると共に第２のモータによって第２の方向にも駆動される第２のテーブルと、一端が第２のテーブルに固定されて第２の方向に延びる繊維強化プラスチックの長方形断面の中空体で、各短辺側面に第２の方向に延びる開口が設けられ、第２のテーブルと共に第１及び第２の方向に移動する可動アームと、可動アームの各開口に差し込まれて可動アームに取り付けられ、その一部が可動アームの開口から可動アームの幅方向に突出する環状の駆動コイルと、を含む可動子と、を有することを特徴とする。

本発明の２方向移動テーブルにおいて、可動子は、可動アームの開口の第２の方向の長さが駆動コイルの差し込み方向と直角方向の外形の長さよりも長く、差し込み方向の駆動コイルの内径の長さが可動アームの幅よりも長く、駆動コイルの内側空間と可動アーム外側空間とが連通していること、としても好適である。

また、本発明の２方向移動テーブルにおいて、可動子の駆動コイルに直接空気を吹き付けるノズルを有すること、としても好適であるし、第１のテーブルはＸテーブルで、第２のテーブルはＹテーブルであること、としても好適である。

本発明は、ボンディング装置を高速化することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態のＸＹテーブルの平面図である。 本発明の実施形態のＸＹテーブルの正面図である。 本発明の実施形態のＹ方向可動子を備えるＸＹテーブルの側面図である。 本発明の実施形態のＸＹテーブルにおけるＹ方向可動子を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態のＸＹテーブルの平面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示すように、ワイヤボンディング装置１００のＸＹテーブル１０は、平面上で互いに直交する座標軸であるＸ軸（Ｘ−Ｘ線方向）およびＹ軸（Ｙ−Ｙ線方向）の各方向に沿って下部テーブル１３と、上部テーブル２１とが設置され、各テーブルにはＸ方向モータ３０、Ｙ方向モータ４０が接続され、各方向のモータ３０，４０によって下部テーブル１３はＸ方向に、上部テーブル２１はＹ方向に駆動されるよう構成されている。また、上部テーブル２１の上には、ボンディングアーム１０２の先端に取り付けられたキャピラリ１０３を上下に動作させるボンディングヘッド１０１が取り付けられている。図１に示すように、ボンディングアーム１０２の伸びる方向がＹ方向であり、その直角方向がＸ方向である。

図２に示すように、Ｘ方向モータ３０は、架台１１の上面に、Ｘ方向ガイドレール３７を介して設置されている。Ｘ方向モータ３０はボイスコイルモータであり、周知の如く、永久磁石３２を有するＸ方向モータ固定子３１、コイル３４を有するＸ方向可動子３３とから構成されている。Ｘ方向可動子３３は、図示しないＸ方向ガイドによりＸ方向モータ固定子３１の内側に保持されており、これによりＸ方向可動子３３はＸ方向にのみ移動可能とされている。Ｘ方向ガイドは、クロスローラガイド等を利用した周知の直動式のものである。Ｘ方向モータ固定子３１はＸ方向ガイドレール３７により、Ｘ方向可動子３３の駆動方向であるＸ方向に移動可能でＹ方向には移動しないように保持されている。

Ｘ方向可動子３３の下部テーブル１３側にはブラケット３６が設けられ、このブラケット３６は下部テーブル１３のブラケット１６とボルトによって接続固定されている。下部テーブル１３はＸ方向ガイドレール１４を介して、Ｘ方向可動子３３の駆動方向であるＸ方向に移動可能でＹ方向には移動しないようにテーブル保持台１２に保持されており、テーブル保持台１２は架台１１に固定されている。ここで、Ｘ方向モータ固定子３１の重量は、Ｘ方向可動子３３と下部テーブル１３の重量と下部テーブル１３の上に重量のかかるＹ方向可動子４３と上部テーブル２１とボンディングヘッド１０１の重量の合計より大きくなっている。

図２に示すように、架台１１には、Ｘ方向モータ固定子３１のＸ方向の移動速度を検知するためのＸ方向モータ固定子速度センサ３８が取付けられ、テーブル保持台１２の上面には、下部テーブル１３のＸ方向の位置および移動速度を検知するための下部テーブルセンサ１８が取付けられている。

図３に示すように、Ｙ方向モータ４０は、架台１１の上面に、Ｙモータ保持台１７およびＹ方向ガイドレール４７を介してＹ方向に移動可能に保持されている。Ｙ方向モータ４０は平面リニアモータであり、永久磁石４２を有するＹ方向モータ固定子４１と、図１に示すコイル４４を有する平板状のＹ方向可動子４３とから構成されている。

図３に示すように、Ｙ方向可動子４３の上部テーブル２１側にはブラケット４６が設けられ、Ｙ方向可動子４３のブラケット４６はボルト２３によって上部テーブル２１上面に固定されている。上部テーブル２１は、Ｙ方向に延設されたＹ方向ガイドレール２２を介して、下部テーブル１３の上に保持されている。したがって、上部テーブル２１は下部テーブル１３と共にＸ方向に移動すると共に、下部テーブル１３の上面でＹ方向に移動することができるよう構成され、上部テーブル２１はＸＹの両方向に移動することができる。また、上部テーブル２１に固定されているＹ方向可動子４３も上部テーブル２１と共にＸＹ方向に移動することができるよう構成されている。

図１に示すように、Ｙ方向モータ固定子４１における磁場形成手段である永久磁石４２は、Ｙ方向モータ固定子４１の端部にまで亘って設けられており、その結果、永久磁石４２はＹ方向可動子４３の磁気作用部であるコイル４４のＸ方向の移動における全領域を覆っている。また、Ｙ方向モータ固定子４１の重量は、Ｙ方向可動子４３と上部テーブル２１とボンディングヘッド１０１との重量の合計より大きくなっている。

テーブル保持台１２には、下部テーブル１３の位置及び速度を検出する下部テーブルセンサ１８が取付けられ、下部テーブル１３の上面には、上部テーブル２１のＹ方向の位置および移動速度を検知するための上部テーブルセンサ１９が取付けられている。Ｙモータ保持台１７には、Ｙ方向モータ固定子４１の移動速度を検知するためのＹ方向モータ固定子速度センサ４８が取付けられている。また、Ｙ方向可動子４３を冷却するための冷却空気吹き出しノズル５５が設けられ、ノズル５５はその空気の吹き出し口がコイル４４の方向となるように取り付けられている。

このように構成されたＸＹテーブル１０の動作について簡単に説明する。図示しない制御装置から、下部テーブル１３を所定位置に移動させるための位置指令信号が出力されると、Ｘ方向可動子３３がＸ方向に加速されて移動し、下部テーブル１３は、Ｘ方向ガイドレール１４に案内されてＸ方向に移動する。他方、Ｘ方向モータ固定子３１は、Ｘ方向ガイドレール３７に沿ってＸ方向に移動可能に設けられているので、Ｘ方向可動子３３および下部テーブル１３の駆動の反作用として、大きさの等しい逆向きの力を受け、下部テーブル１３の移動と反対方向に加速されて移動する。このように、Ｘ方向モータ固定子３１が下部テーブル１３の移動方向と逆方向に移動するので、架台１１に与えられる運動量は理論的にゼロとなり、架台１１の揺れはほとんど生じない。

そして、下部テーブル１３の位置及び速度は下部テーブルセンサ１８により検知され、制御装置にフィードバックされ、下部テーブル１３を所定位置に移動させるように、Ｘ方向モータ３０のコイル３４に電圧が供給され、その位置が制御される。また、Ｘ方向モータ固定子速度センサ３８によってＸ方向モータ固定子３１の位置と速度とが検出され、Ｘ方向モータ固定子３１の移動に消費される電力が補償され、補償された電力がコイル３４に入力される。

同様に、図示しない制御装置から、上部テーブル２１を所定位置に移動させるための位置指令信号が出力されると、Ｙ方向可動子４３がＹ方向に加速されて移動し、上部テーブル２１は、Ｙ方向ガイドレール２２に案内されてＹ方向に移動する。他方、Ｙ方向モータ固定子４１はＹ方向ガイドレール４７に沿ってＹ方向に移動可能に設けられているので、Ｙ方向可動子４３および上部テーブル２１の駆動の反作用として、大きさの等しい逆向きの力を受け、上部テーブル２１の移動と反対方向に加速されて移動する。このように、Ｙ方向モータ固定子４１が上部テーブル２１の移動方向と逆方向に移動するので、架台１１、テーブル保持台１２に与えられる運動量は理論的にゼロとなり、架台１１、テーブル保持台１２の揺れはほとんど生じない。

そして、上部テーブル２１の位置及び速度は上部テーブルセンサ１９により検知され、制御装置にフィードバックされ、上部テーブル２１を所定位置に移動させるように、Ｙ方向モータ４０のコイル４４に電圧が供給され、その位置が制御される。また、Ｙ方向モータ固定子速度センサ４８によってＹ方向モータ固定子４１の位置と速度とが検出され、Ｙ方向モータ固定子４１の移動に消費される電力が補償され、補償された電力がコイル４４に入力される。

以上説明したように、ＸＹテーブル１０はＸ方向モータ３０によって下部テーブル１３をＸ方向に駆動し、Ｙ方向モータ４０によって下部テーブル１３の上にＹ方向にスライド自在に取り付けられている上部テーブル２１をＹ方向に駆動することによって、上部テーブル２１をＸＹ方向に移動させる。そして、上部テーブル２１に固定されているＹ方向可動子４３は、上部テーブル２１のＸＹ方向への移動に伴ってＸＹ方向に移動する。

次に、図４を参照しながら、Ｙ方向可動子４３について説明する。Ｙ方向可動子４３は、長方形の断面形状を備える炭素繊維強化プラスチックのパイプの可動アーム４３ａと、可動アーム４３ａの短辺側の面のある側板４３ｈに設けられた開口４３ｂと、開口４３ｂに可動アーム４３ａの幅方向（Ｘ方向）から差し込まれて可動アーム４３ａに固定されている環状のコイル４４と、可動アーム４３ａの一端に設けられたブラケット４６と、ブラケット４６と反対側の端部に設けられたダイナミックダンパ５０と、コイル４４に電力を供給するケーブル４３ｄとを備えている。Ｙ方向可動子４３はブラケット４６に設けられた孔４３ｃに通したボルトによって、その長手方向がＹ方向となるように上部テーブル２１に固定される。

可動アーム４３ａを構成する炭素繊維強化プラスチックは可動アーム４３ａの長手方向（Ｙ方向）に多くの繊維が通り、長手方向（Ｙ方向）の強度が幅方向の強度よりも大きくなるように構成され、その肉厚は略一定の厚みｔで、幅Ｗ₁が厚さＨ₁よりも大きい長方形断面形状のパイプである。可動アーム４３ａの内部は空洞となっている。

Ｙ方向可動子４３に取り付けられているコイル４４は、略長円形の環状となっており、コイル４４の断面は四角形となっている。コイル４４の可動アーム４３ａの幅方向（Ｘ方向）の外形の長さＷ₂は可動アーム４３ａの幅Ｗ₁よりも長く、また、コイル４４の可動アーム４３ａの幅方向（Ｘ方向）の内径の長さＷ₃も可動アーム４３ａの幅Ｗ₁よりも長くなっている。コイル４４が差し込まれている開口４３ｂの可動アーム４３ａの長手方向（Ｙ方向）の長さは、コイル４４の可動アーム４３ａの長手方向（Ｙ方向）の長さＬ₂よりも少しだけ大きいＬ₁となっている。コイル４４の厚さＨ₂は可動アーム４３ａの厚さ方向の内面間高さＨ₃＝Ｈ₁−２×ｔ、と略同様の厚さとなっている。そして、コイル４４は可動アーム４３ａの開口４３ｂに可動アーム４３ａの幅方向（Ｘ方向）から差し込まれ、コイル４４の幅方向の外面および内面が可動アーム４３ａの側面から可動アーム４３ａの幅方向に突出する位置となるように、可動アーム４３ａの上面板４３ｆと下面板４３ｇと挟み込まれて接着剤によって固定されている。

可動アーム４３ａの側板４３ｈのコイル４４の内面部分にはコイル４４の可動アーム４３ａの長手方向（Ｙ方向）の長さがコイル４４の内面長さＷ₄で、その高さが可動アーム４３ａの内面間高さＨ₃の開口４３ｅが形成される。開口４３ｅは空洞となっている可動アーム４３ａの内側にあるコイル４４の内側空間４５と連通しており、コイル４４の内側空間４５は可動アーム４３ａの外側の空間と連通する様に構成されている。

また、ブラケット４６は長方形断面形状パイプの可動アーム４３ａの内面にぴったりと嵌まり込む大きさの金属製のブロックが可動アーム４３ａの端面から嵌め込まれ、接着剤で固定された後、可動アーム４３ａと共に取り付け用の孔４３ｃが開けられたものである。金属製のブロックの長さは取り付け用の孔４３ｃの位置よりも若干内部に入り込んだ程度の位置までとなっているため、可動アーム４３ａの内部はほとんど空洞となっている。

可動アーム４３ａのブラケット４６と反対側の端面に取り付けられたダイナミックダンパ５０は可動アーム４３ａから張り出した平板５１と、平板５１の上面に取り付けられた錘５２とを含んでいる。平板５１は四角パイプの可動アーム４３ａの内面にぴったりと嵌まり込んで平板５１と可動アーム４３ａとを接続する接続片５３を備えており、接続片５３は接着剤で可動アーム４３ａに固定されている。また、平板５１の錘５２と反対側の表面には振動を減衰させるための減衰材が貼り付けられている。減衰材は両面テープなどを貼り付けることとしてもよい。ダイナミックダンパ５０は錘５２の重量と減衰材とによってＹ方向可動子４３の振動のピークを分散させる。

以上のように構成されたＹ方向可動子４３は、軽量で高強度の炭素繊維強化プラスチックで構成され、ブラケット４６と可動アーム４３ａの内部に差し込まれているコイル４４の部分以外は空洞であることから、従来のＹ方向可動子に比較して非常に軽量とすることが可能となっている。また、炭素繊維の強度方向が長手方向となっており、可動アーム４３ａの上面板４３ｆと下面板４３ｇとは側板４３ｈと、ブラケット４６に嵌め込まれた金属ブロックと、環状のコイル４４と接続片５３によって上下方向に固定されていることから、Ｘ方向軸周りの曲げ強度が非常に大きいものとなる。この様に軽量高剛性の構造のため、上部テーブル２１に固定されているブラケット４６を固定点とし、ダイナミックダンパ５０側が上下に振動する１次振動モードの周波数を高くすることができる。本実施形態では、重量は従来技術のＹ方向可動子の約半分になり、固有振動数は従来技術のＹ方向可動子の約１．５倍程度とさせることができる。

これによって、各モータ３０，４０の出力を大きくすること無く各テーブル１３，２１の移動速度を早くすることができる。また、Ｙ方向可動子４３の固有振動数が高くなるので、上部テーブル２１の往復動作に含まれる周波数成分とＹ方向可動子４３との固有振動数を乖離させることができ、振動の発生を抑制することができ、上部テーブル２１を高速で移動することができる。

また、図４に示したＹ方向可動子４３は、コイル４４が可動アーム４３ａの側面から突出していることから図１に示すノズル５５から吹き出した冷却空気がコイル４４に直接吹き付けられるので、コイル４４を効率的に冷却することができる。更に、冷却空気は、可動アーム４３ａの側面の開口４３ｅからコイル４４の内側空間４５に入り込んで、コイル４４の内面を冷却するので、コイル４４の冷却面積を大きくすることがきる。これによってコイル４４の冷却効率を向上させ、コイル４４の温度上昇を抑制することが可能となる。また、熱影響による周辺部の膨張が小さくなるのでボンディング精度が向上すると共に、より大きな電流を流してＹ方向可動子４３を高速で移動させることができる。

本実施形態では、冷却空気吹き出し用のノズル５５は、Ｙ方向可動子４３の外側に配置し、ノズル５５がコイル４４の方向に向かうこととして説明したが、可動アーム４３ａのブラケット４６の側から空洞部分にノズル５５を差し込んで、コイル４４の冷却を行うように構成してもよい。また、本実施形態では、コイル４４の可動アーム４３ａの幅方向（Ｘ方向）の内面間の長さＷ₃も可動アーム４３ａの幅Ｗ₁よりも長く、可動アーム４３ａの側面にコイル４４の内側空間４５に連通する開口４３ｅが形成されることとして説明したが、コイル４４の可動アーム４３ａの幅方向（Ｘ方向）の内面間の長さＷ₃が可動アーム４３ａの幅Ｗ₁よりも短く、コイル４４の外面側だけが可動アーム４３ａの側面から突出し、開口４３ｅが形成されないように構成されていてもよい。

本実施形態では、Ｙ方向可動子４３は炭素繊維強化プラスチックの四角パイプによって構成するものとして説明したが、中空構造であれば四角パイプではなく、例えば、炭素繊維強化プラスチックの上下板の間にハニカムやリブを挟み込んでサンドイッチにした構造としてもよい。また、本実施形態では、Ｙ方向可動子４３が炭素繊維強化プラスチックの四角パイプによって構成されるものとして説明したが、図５に示すＸＹテーブル１０ように、Ｘ方向モータ６０、Ｙ方向モータ７０の構成が図１に示した実施形態と逆になっていていてもよい。この場合、Ｘ方向モータ６０の可動子が炭素繊維強化プラスチックの四角パイプによって構成されている。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。

１０ ＸＹテーブル、１１ 架台、１２ テーブル保持台、１３ 下部テーブル、１４，３７ Ｘ方向ガイドレール、１６，３６，４６ ブラケット、１７ Ｙモータ保持台、１８ 下部テーブルセンサ、１９ 上部テーブルセンサ、２１ 上部テーブル、２２，４７ Ｙ方向ガイドレール、２３ ボルト、３０ Ｘ方向モータ、３１ Ｘ方向モータ固定子、３２，４２ 永久磁石、３３ Ｘ方向可動子、３４，４４ コイル、３８ Ｘ方向モータ固定子速度センサ、４０ Ｙ方向モータ、４１ Ｙ方向モータ固定子、４３ Ｙ方向可動子、４３ａ 可動アーム、４３ｂ，４３ｅ 開口、４３ｃ 孔、４３ｄ ケーブル、４３ｆ 上面板、４３ｇ 下面板、４３ｈ 側板、４５ 内側空間、４８ Ｙ方向モータ固定子速度センサ、５０ ダイナミックダンパ、５１ 平板、５２ 錘、５３ 接続片、５５ ノズル、１００ ワイヤボンディング装置、１０１ ボンディングヘッド、１０２ ボンディングアーム、１０３ キャピラリ。

Claims (4)

1. 同一平面内で互いに直交する第１の方向と第２の方向の２つの方向に移動する２方向移動テーブルであって、
   第１の方向にガイドされ、第１のモータによって第１の方向に駆動される第１のテーブルと、
   第１のテーブルの上面に設けられた第２の方向ガイドによって第２方向にガイドされ、第１のテーブルと共に第１の方向に駆動されると共に第２のモータによって第２の方向にも駆動される第２のテーブルと、
   一端が第２のテーブルに固定されて第２の方向に延びる繊維強化プラスチックの長方形断面の中空体で、各短辺側面に第２の方向に延びる開口が設けられ、第２のテーブルと共に第１及び第２の方向に移動する可動アームと、可動アームの各開口に差し込まれて可動アームに取り付けられ、その一部が可動アームの開口から可動アームの幅方向に突出する環状の駆動コイルと、を含む可動子と、
   を有することを特徴とする２方向移動テーブル。
2. 請求項１に記載された２方向移動テーブルであって、
   可動子は、
   可動アームの開口の第２の方向の長さが駆動コイルの差し込み方向と直角方向の外形の長さよりも長く、
   差し込み方向の駆動コイルの内径の長さが可動アームの幅よりも長く、
   駆動コイルの内側空間と可動アーム外側空間とが連通していること、
   を特徴とする２方向移動テーブル。
3. 請求項１または２に記載された２方向移動テーブルであって、
   可動子の駆動コイルに直接空気を吹き付けるノズルを有すること、
   を特徴とする２方向移動テーブル。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された２方向移動テーブルであって、
   第１のテーブルはＸテーブルで、第２のテーブルはＹテーブルであること、
   を特徴とする２方向移動テーブル。

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