全自動COG 邦定機關(guān)鍵機構(gòu)的研究

程永勝

（中電科風華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

伴隨著我國半導(dǎo)體設(shè)備的市場需求，近年來我國本土全自動COG 邦定機設(shè)備研制水平取得了較大進步。可以看到，在我國很多的模組廠，尤其是由于最近隨著穿戴式移動電子產(chǎn)品的普及而新組建的模組廠部門的一些新配套設(shè)備線有相當一部分選用了國產(chǎn)的COG 設(shè)備。但是，國產(chǎn)COG 設(shè)備相比進口設(shè)備依然存在不小的差距。在國內(nèi)見到的進口COG設(shè)備以日本品牌的居多，可以看到目前松下的COG設(shè)備已經(jīng)由標準化逐步向智能化發(fā)展，例如“一鍵式”“掃碼式”換型，而我們還處在進一步提升設(shè)備基本性能要求的階段，一方面設(shè)備的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)當中的核心元器件還都離不開國外品牌，另一方面設(shè)備的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，如零件加工、裝配、檢測等方面都還存在一定的差距。因此，如何充分利用現(xiàn)有資源，差異化創(chuàng)新，使自己研發(fā)的設(shè)備有較強的市場競爭力是我們研發(fā)工程師必須面對的問題。

1 相關(guān)工藝技術(shù)

COG 是英文Chip On Glass 的縮寫，即將IC 芯片直接邦定在玻璃上。這種安裝方式可大大減小整個LCD 模塊的體積，且易于大批量生產(chǎn)，適用于消費類電子產(chǎn)品用的LCD，如手機、PDA 等便攜式電子產(chǎn)品。COG 是制造液晶顯示模塊LCM（Liquid Crystal Display Module）的關(guān)鍵技術(shù)之一，是采用各向異性導(dǎo)電膠膜ACF（Anisotropic Conductive Film）和熱壓工藝，將精細間距的IC 粘貼熱壓到玻璃基板上，實現(xiàn)IC 芯片和玻璃基板的電氣和機械互聯(lián)[1]。COG 工藝設(shè)備主要涉及機器視覺對位技術(shù)、精密運動控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)、精密壓力控制技術(shù)等。

全自動COG 邦定機一般都包含LCD 自動上料、IC 自動上料、ACF 預(yù)貼、自動對位預(yù)壓和主壓、自動下料等功能。而隨著COG 工藝的成熟，IC 芯片上的I/O 端數(shù)量增多，IC 芯片面積則要縮小，這樣使得IC芯片上引線寬度非常細，目前已出現(xiàn)IC 芯片引線寬10.5 μm 的產(chǎn)品，這就要求全自動COG 邦定機的最終壓接精度達到±4 μm 以內(nèi)，而細分到預(yù)壓處的壓接精度則需小于±3 μm。所以，全自動COG 邦定機的技術(shù)難點關(guān)鍵就在于高精度，設(shè)備研制的關(guān)鍵在于自動對位預(yù)壓執(zhí)行機構(gòu)在快速高頻運動狀態(tài)下達到穩(wěn)定的微米級的對位壓接精度。本文以中電科風華信息裝備股份有限公司研制的全自動COG 邦定機為研究對象，主要對其自動對位預(yù)壓執(zhí)行機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)進行分析研究。

2 自動對位預(yù)壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成及運動分解流程的分析

圖1 自動對位預(yù)壓執(zhí)行機構(gòu)

如圖1 所示，自動對位預(yù)壓執(zhí)行機構(gòu)主要由兩部分運動機構(gòu)構(gòu)成，即預(yù)壓頭部運動機構(gòu)和預(yù)壓工作臺運動機構(gòu)。預(yù)壓頭部運動機構(gòu)包括預(yù)壓頭部旋轉(zhuǎn)軸和預(yù)壓頭部Z 軸，而預(yù)壓工作臺運動機構(gòu)則包括工作臺Y 軸、工作臺X 軸和工作臺Z 軸。這樣布局的優(yōu)點在于將對位所需的旋轉(zhuǎn)軸置于預(yù)壓頭部，從而可縮減工作臺的軸數(shù)配置，減輕工作臺重量的同時降低設(shè)備重心，這都有益于減小工作臺高速運行時帶來的沖擊和振動。

機構(gòu)運動分解流程如圖2 所示：

圖2 機構(gòu)運動分解流程

由圖2 可以看出預(yù)壓頭部Z 軸運動最頻繁，設(shè)備效率為4 s/片，則預(yù)壓頭部Z 軸在4 s 內(nèi)完成3 次上下運動。所以，預(yù)壓頭部Z 軸輸出軸端的機構(gòu)重量應(yīng)盡量小和消除高頻運動帶來的振動，必須在機構(gòu)設(shè)計時加以考慮。

3 預(yù)壓頭部旋轉(zhuǎn)及壓接升降執(zhí)行機構(gòu)的研究

如上文所述，針對預(yù)壓頭部高速高頻運動，本文所研究機構(gòu)充分考慮預(yù)壓頭部Z 軸輸出軸端的機構(gòu)重量應(yīng)盡量小和消除高頻運動帶來的振動，故做出如圖3 所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該設(shè)計中使用了母旋轉(zhuǎn)式滾珠花鍵，使得旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動端機構(gòu)可與升降輸出端分離，大大減輕了升降輸出端的重量；該設(shè)計中對于支撐座，選用HT250 灰鑄鐵鑄造加工而成，充分運用其消振性特點。

圖3 預(yù)壓頭部旋轉(zhuǎn)及壓接升降執(zhí)行機構(gòu)

對于所述機構(gòu)中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的動力源，采用伺服電機加滾珠絲杠模組，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模組的輸出端固定有推桿件，母旋轉(zhuǎn)式滾珠花鍵的花鍵母則通過旋轉(zhuǎn)牽引零件與凸輪從動軸承連接，凸輪從動軸承則靠拉簧將其外圈與推桿件始終保持相切無間隙。這樣當伺服電機驅(qū)動模組做X 向運動時，即推桿件推動凸輪從動軸承運動時，凸輪從動軸承通過旋轉(zhuǎn)牽引零件帶動母旋轉(zhuǎn)式滾珠花鍵的花鍵母旋轉(zhuǎn)，花鍵母帶動花鍵軸同步旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的使用DD馬達完成旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)的優(yōu)勢有以下幾點：

1）使旋轉(zhuǎn)的分辨率大大提高?？紤]到空間和性價比，一般廠商選用的DD 馬達的編碼器分辨率一般為550 000 P/rev 左右，而本文所述機構(gòu)中伺服電機的分辨率則達到16 777 216 P/rev，通過模組的絲杠導(dǎo)程進一步提升換算為X 向的分辨率（X 向分辨率=滾珠絲杠導(dǎo)程/電機分辨率）。進一步分析X 向轉(zhuǎn)化旋轉(zhuǎn)，如圖4 所示，假設(shè)IC 芯片靶標與液晶顯示屏靶標存在角度θ 時，伺服電機帶動絲杠模組需要行走距離為X，而機構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑為固定值R，則有且只有當行走起點為旋轉(zhuǎn)半徑軸線垂直于絲杠模組軸線時，存在關(guān)系sinθ=X1/R。而由于θ 與X 關(guān)系不是固定的，即行走起點偏離垂直關(guān)系時就會帶來記算誤差，偏離越多則誤差越大，所以保證高精度定位的前提是，必須使行走起點為旋轉(zhuǎn)半徑軸線垂直于絲杠模組軸線時。利用檢測手段找到旋轉(zhuǎn)半徑軸線垂直于絲杠模組軸線時的位置并將其設(shè)置為原點，并且將每次執(zhí)行對位的起點設(shè)置為原點，則可以消除掉計算誤差確保旋轉(zhuǎn)輸出高精度。這樣，在實際應(yīng)用中該機構(gòu)符合關(guān)系sinθ=X1/R，從而使轉(zhuǎn)化下的旋轉(zhuǎn)角度的分辨率相比DD 馬達有成倍增加。這對于小角度的補正有優(yōu)勢。

圖4 旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化分析圖

2）通過模組中預(yù)壓型無間隙的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)接，使旋轉(zhuǎn)輸出端的許用負載、力矩和慣量等大大增加，對高速高頻運動在穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢。

3）成本優(yōu)勢明顯。這種旋轉(zhuǎn)機構(gòu)對比目前多數(shù)廠商使用的DD 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的劣勢在于：DD 馬達采用轉(zhuǎn)子和運動載體直接連接的方式，中間不再用其他的過渡連接，而本文所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)則多了中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，帶來更多的誤差源，實際應(yīng)用時必須對轉(zhuǎn)接處零件的加工精度和裝配精度進行嚴格把控。

4 對位預(yù)壓誤差分析及設(shè)計應(yīng)用實例

當機構(gòu)在執(zhí)行對位預(yù)壓時，各種誤差源的作用在加工過程中使加工軌跡偏離理論給定軌跡，造成成品加工誤差。根據(jù)誤差的來源和特性，可將它們分成不同的類型。從誤差的來源來分，可分成內(nèi)部誤差和外部誤差兩種。內(nèi)部誤差主要是指機構(gòu)的幾何誤差、受力變形、熱變形、電控與軟件計算誤差、摩擦力、振動等；外部誤差主要是指影響對位預(yù)壓的參數(shù)設(shè)置、外界震動、電壓波動、操作者的干預(yù)等[2]。

機械系統(tǒng)運動幾何誤差是影響自動對位預(yù)壓執(zhí)行機構(gòu)精度的最主要的關(guān)鍵誤差源，包含間隙誤差、變形誤差、絲杠誤差、導(dǎo)軌誤差、聯(lián)軸器誤差等。而在機構(gòu)設(shè)計時，考慮精度要求較高，對于各軸運動絲杠導(dǎo)軌和花鍵都選用了預(yù)壓型，即通過大尺寸滾珠過盈配合消除了間隙。絲杠誤差、導(dǎo)軌誤差和聯(lián)軸器誤差則在選型手冊中有具體數(shù)據(jù)參考。所以設(shè)計時需重點考慮零件變形誤差。而通過目前使用的設(shè)計軟件SolidWorks 可以方便地進行設(shè)計零件受力仿真分析，例如，對關(guān)鍵零件支撐座運用SolidWorks SimulationXpress 進行受力分析，零件材料為灰鑄鐵HT250，材料屬性為，彈性模量E=138 GPa、切變模量G=59.8 GPa、泊松比μ=0.156、密度ρ=7.28 g/cm3、抗拉強度σb=250 MPa。根據(jù)實際運動受力情況添加壓力，實際使用時零件上方主要受到上方安裝零件自重和雙花鍵母自重以及花鍵軸軸向摩擦力，而此處分析時在安裝面加載60 N 的壓力（此壓力大于實際受力），可得到形變位移圖，如圖5 所示。根據(jù)分析可以看到最大變形量為1.359 μm，此誤差小于要求精度的加工誤差，因此變形量可以忽略，實際使用效果驗證零件設(shè)計合理。

5 實際生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

表1 所示數(shù)據(jù)為中電科風華信息裝備股份有限公司全自動COG 設(shè)備實際生產(chǎn)時客戶抽檢所得數(shù)據(jù)，所測試產(chǎn)品為IC 靶標與液晶玻璃屏靶標一一對應(yīng)型。由表格數(shù)據(jù)進行分析可得出：X 向，標準偏差σ（X）≈1.17 μm，過程能力指數(shù)CPK（X）≈1.07；Y向，標準偏差σ（Y）≈0.44 μm，過程能力指數(shù)CPK（Y）≈2.94。檢測數(shù)據(jù)符合機構(gòu)設(shè)計預(yù)期，且存在誤差疊加抵消。設(shè)備可滿足客戶生產(chǎn)要求。

6 結(jié)語

目前，中電科風華信息裝備股份有限公司研制的全自動COG 設(shè)備已在客戶現(xiàn)場得到穩(wěn)定的生產(chǎn)使用，新一代規(guī)格兼容性更廣的全自動COG 設(shè)備也正處于緊張的客戶合同加工期。激烈的市場競爭要求我們的設(shè)計要在可靠性、安全性、易用性、成本和功能之間尋求平衡與和諧。

圖5 支撐座形變分析圖

表1 COG 客戶測試精度數(shù)據(jù)（300 樣品抽取50） μm