全自動COG 邦定機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的研究

程永勝

（中電科風(fēng)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(jī)設(shè)備研制水平取得了較大進(jìn)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(dāng)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(jìn)口設(shè)備依然存在不小的差距。在國內(nèi)見到的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)構(gòu)當(dāng)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(qiáng)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(fèi)類電子產(chǎn)品用的LCD，如手機(jī)、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(xì)間距的IC 粘貼熱壓到玻璃基板上，實(shí)現(xiàn)IC 芯片和玻璃基板的電氣和機(jī)械互聯(lián)[1]。COG 工藝設(shè)備主要涉及機(jī)器視覺對位技術(shù)、精密運(yùn)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(jī)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(xì)，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(jī)的最終壓接精度達(dá)到±4 μm 以內(nèi)，而細(xì)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(jī)的技術(shù)難點(diǎn)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(jī)構(gòu)在快速高頻運(yùn)動狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定的微米級的對位壓接精度。本文以中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司研制的全自動COG 邦定機(jī)為研究對象，主要對其自動對位預(yù)壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

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

圖1 自動對位預(yù)壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖1 所示，自動對位預(yù)壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由兩部分運(yùn)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成，即預(yù)壓頭部運(yùn)動機(jī)構(gòu)和預(yù)壓工作臺運(yùn)動機(jī)構(gòu)。預(yù)壓頭部運(yùn)動機(jī)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(yùn)動機(jī)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(diǎn)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(shí)降低設(shè)備重心，這都有益于減小工作臺高速運(yùn)行時(shí)帶來的沖擊和振動。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動分解流程如圖2 所示：

圖2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分解流程

由圖2 可以看出預(yù)壓頭部Z 軸運(yùn)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(yùn)動。所以，預(yù)壓頭部Z 軸輸出軸端的機(jī)構(gòu)重量應(yīng)盡量小和消除高頻運(yùn)動帶來的振動，必須在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。

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

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

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

對于所述機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的動力源，采用伺服電機(jī)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(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動模組做X 向運(yùn)動時(shí)，即推桿件推動凸輪從動軸承運(yùn)動時(shí)，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(dá)完成旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

1）使旋轉(zhuǎn)的分辨率大大提高。考慮到空間和性價(jià)比，一般廠商選用的DD 馬達(dá)的編碼器分辨率一般為550 000 P/rev 左右，而本文所述機(jī)構(gòu)中伺服電機(jī)的分辨率則達(dá)到16 777 216 P/rev，通過模組的絲杠導(dǎo)程進(jìn)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(jī)分辨率）。進(jìn)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(biāo)與液晶顯示屏靶標(biāo)存在角度θ 時(shí)，伺服電機(jī)帶動絲杠模組需要行走距離為X，而機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑為固定值R，則有且只有當(dāng)行走起點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)半徑軸線垂直于絲杠模組軸線時(shí)，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(diǎn)偏離垂直關(guān)系時(shí)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(diǎn)為旋轉(zhuǎn)半徑軸線垂直于絲杠模組軸線時(shí)。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(shí)的位置并將其設(shè)置為原點(diǎn)，并且將每次執(zhí)行對位的起點(diǎn)設(shè)置為原點(diǎn)，則可以消除掉計(jì)算誤差確保旋轉(zhuǎn)輸出高精度。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中該機(jī)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(dá)有成倍增加。這對于小角度的補(bǔ)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(fù)載、力矩和慣量等大大增加，對高速高頻運(yùn)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(jī)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(dá)采用轉(zhuǎn)子和運(yùn)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(jī)構(gòu)則多了中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，帶來更多的誤差源，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須對轉(zhuǎn)接處零件的加工精度和裝配精度進(jìn)行嚴(yán)格把控。

4 對位預(yù)壓誤差分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)機(jī)構(gòu)在執(zhí)行對位預(yù)壓時(shí)，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(jī)構(gòu)的幾何誤差、受力變形、熱變形、電控與軟件計(jì)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(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動幾何誤差是影響自動對位預(yù)壓執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮精度要求較高，對于各軸運(yùn)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(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮零件變形誤差。而通過目前使用的設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 可以方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)零件受力仿真分析，例如，對關(guān)鍵零件支撐座運(yùn)用SolidWorks SimulationXpress 進(jìn)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(qiáng)度σb=250 MPa。根據(jù)實(shí)際運(yùn)動受力情況添加壓力，實(shí)際使用時(shí)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(shí)在安裝面加載60 N 的壓力（此壓力大于實(shí)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(shí)際使用效果驗(yàn)證零件設(shè)計(jì)合理。

5 實(shí)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(fēng)華信息裝備股份有限公司全自動COG 設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)時(shí)客戶抽檢所得數(shù)據(jù)，所測試產(chǎn)品為IC 靶標(biāo)與液晶玻璃屏靶標(biāo)一一對應(yīng)型。由表格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出：X 向，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ（X）≈1.17 μm，過程能力指數(shù)CPK（X）≈1.07；Y向，標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)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(jì)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