面板與 PC 板結合之熱壓機設計與製作

面板與 PC 板結合之熱壓機設計與製作

陳佳萬 張安欣 游文瑞

機械工程系

摘要

高科技產業如手機、MP3、PDA 及液晶電視等等 都需要將 PC 板與面板等組件利用熱壓方式將其結合 在一起，現有的熱壓機大部分均由國外進口，由於產 品變化快速，在時間上常無法及時配合製造廠商的需 求，造成產品開發之延誤。本研發設備除了改善現有 設備的缺點外也同時也增加許多的功能。本研發設備 的優點:1.加熱方式是採用脈衝加熱可作急速加熱及 冷卻。2.操作方式採觸控式的面板操作容易。3.溫度-時間顯示為連續曲線容易控制在加熱過程中產品的 品質，使加工過程中溫度的變化能夠完全掌控而確保 壓接品質。4.可依客戶產品修改而隨時配合修改加熱 器及夾治具，節省開發及維修時間。本產品適用於 TFT 面板廠、SMT 廠、表面粘著加工技術代工廠及平面顯 示器廠等等。 關鍵字：面板、熱壓機

壹、創作理念

高科技產業如手機、MP3、PDA 及液晶電視等等都 需要將 PC 板與面板等組件利用不同的方式結合在一 起。現有的結合方式分為三種 1.錫鉛焊接:將焊錫先被 覆在 PC 板上，再將銅泊軟體的線路對齊 PC 板上之線 路後利用加熱加壓方式使兩工件結合在一起，優點是 結合簡單及成本低，缺點是焊錫容易溢出及易脫離， 損壞時兩者要一起更換，一般使用在手機相關產品。 2.ACF 異位膠帶焊接:異位膠帶的兩面有類似雙面膠且 内藏有導電粒子。使用時將異位膠帶放置於銅箔軟體 與 PC 板之間，在兩者線路對齊之後加熱至 180O C 及加 壓使導電粒子壓破造成焊接。優點是結合牢固及焊接 後乾靜整潔，缺點是道次多及成本高，損壞時兩者要 一起更換，適合小且窄的工件焊接。3.連結器結合: 銅 箔軟體與 PC 板上分別接上公母的連結器，使用時將 兩者插上即可結合。優點是操作簡易若其中有一件損 壞時可隨時更換使用，缺點是成本高，適合使用週期 長的產品。 現有的熱壓機使用量非長的多，大部分均由國外 進口，而熱壓機與產品息息相關的部份為加熱器及 PC 板與面板在熱壓時所使用的夾治具，但由於產品日新 月異變化非常快，且產品隨時在庚改又必須隨時要研 發生產在時間上國外的生產設備公司常常無法及時配 合，常造成 TFT 面板廠及 SMT 廠困擾而使產品延誤。 為解決這些科技廠的困擾且這些工廠也希望國內能有 能力設計及製造此種熱壓機的設備，並且改善現有設 備的缺點。

貳、學理基礎

本設備在加熱方式是採用脈衝加熱其優點是可作 急速加熱及冷卻；加壓方式是採用氣壓控制；操作方 式為觸控式的面板，溫度顯示為連續曲線其優點是容 易控制在加熱過程中產品的品質，使加工過程中溫度 的變化能夠完全掌控而確保壓接品質。

參、主題內容

本研究的設備是屬於錫鉛焊接方式，利用分段加 熱及加壓方式將銅泊軟體與 PC 板結合在一起(如圖 1 所示) 一、機構設計 如圖 2 所示為本產品面板與 PC 板結合之熱壓機 的組合圖，包含有控制面板、攝影機、攝影機顯螢幕、 照明燈、焊接機構、焊接膜控制機構、工件焊接夾具、 迴轉盤機構、底座等等。各部份的功能及機構說明如 下： (1)控制面板：設定各種焊接時所需的各種參數詳如操 作說明。 (2)攝影機：用來觀查面板與銅泊軟體之間的線路是否 重疊對齊，當要焊接時將面板與銅泊軟體放製於夾具 上，調整攝影機的放大倍率，使面板與銅泊軟體 投影 到攝影機顯螢幕上，觀看面板與銅箔軟體之間的線路 是否重疊對齊，若無對齊則可利用工件焊接夾具作微 調使之對齊後使可焊接。依產品需求可分為上照式攝 影機及下照式攝影機。 (3)照明燈：將燈光投射至焊接夾具上。 (4)焊接機構：如圖 3 所示焊接機構組合圖包含有氣壓 缸、導桿、散熱裝置、固定板、鈦合金焊接頭。鈦合 金焊接頭放置於散熱裝置上(如圖 3 至圖 5 所示)，再 將散熱裝置固定於散熱裝置固定板上，利用氣壓缸伸 縮使焊接機構作升降動作。當要作焊接動作時氣壓缸 下降以一設定的壓力將鈦合金焊接頭壓在 PC 面板與 銅箔軟體上，鈦合金焊接頭接上電流發熱到一定的溫 度使 PC 面板與銅箔軟體的焊錫溶解而結合(依產品需 求可分段加熱焊接，本設備最多可設定四段溫度及時 間做焊接動作)。當焊接完成後利用空氣進入進氣孔 内，由多個吹氣孔吹向鈦合金焊接頭及焊接工件上， 使鈦合金焊接頭及焊接工件逐漸冷卻。最後氣壓缸上 升將工件取出。 圖 1 PC 面板與銅箔軟體結合 PC 面板 焊接位 銅箔軟體 進氣孔 吹氣孔 鈦合金 加熱器 圖 4 鈦合金加熱器之散熱機構 焊接機構 焊接膜控 制機構 攝影機 底座 攝影機 顯螢幕 工件焊 接夾具 夾具迴轉 盤機構 照明燈 攝影機 顯螢幕 控制面板 圖 2 面板與 PC 結合之熱壓機 氣壓缸 導桿 散熱 裝置 鈦合金 焊接頭 散熱裝置 固定板 圖 3 焊接機構組合圖

(5)焊接膜控制機構 由於焊接時是將附著於 PC 面板上之焊錫加壓加 熱溶解冷卻而完成焊接，當焊錫加壓溶解時會將焊錫 附著於鈦合金加熱器上，影響鈦合金加熱器之溫度控 制，因此本機構設計之目的是利用一焊接保護帶使其 放置於鈦合金加熱器與焊接工件之間，如有焊錫溢出 時由焊接保護帶吸收而不會附著在加熱器上。焊接膜 控制機構是由兩個焊接保護帶轉盤(一個是放鬆，另 一個是拉緊)及一個裝置在焊接保護帶轉盤上的焊接 保護帶所組成(如圖 6 所示)。焊接保護帶轉盤是由一 馬達來驅動輸送保護帶，同時控制每焊接幾次要驅動 一次，再將保護帶通過一計數器轉盤，以控制每次所 要行走的距離(如圖 7 所示)。 (6)夾具回轉盤 夾具回轉盤的功用是為節省焊接時間而設計，一 般是設計成兩個焊接夾具，當固定好一件時，將迴轉 盤旋轉 180 度送入機台焊接，當一件在焊接時，可在 迴轉盤的另一端安裝下一個要焊接的工件如此可節省 焊接時間及增加焊接速度(如圖 8 所示) 夾具回轉盤的設計方法 由於本設備的動力均使用氣體動力，因此迴轉盤 亦需使用氣壓缸來驅動，如圖 9A 及 9B 所示，氣壓缸 的軸心連接固定板的一端，固定板的另一端連接到線 性軸承及中間滑輪上，一條驅動繩索的一端用拉伸彈 簧 1 固定，繞過中間滑輪，再繞過右邊滑輪，接者在 迴轉盤心軸上繞一圈之後，再繞到左邊的滑輪、中間 鈦合金加熱器 圖 5 鈦金加熱器與散熱機構之組合圖 焊接保護帶 工件焊接夾具 焊接保護 帶轉盤 (拉緊) 焊接保護帶 轉盤(放鬆) 焊接裝置 焊接工件 圖 6 焊接膜控制機構 工件焊接位置 工件安裝位置 圖 8 夾具回轉盤設計 焊 接 回 轉 盤 計數器 驅動馬 達 計數器 轉盤 圖 7 焊接迴轉盤及計數機構 焊接保護帶 轉盤

滑輪及線性軸承，最後固定在拉伸彈簧 2 上，當氣壓 缸前進時，拉動固定板、線性軸承及中間滑輪前進， 中間滑輪拉動繩索使迴轉盤依逆時鐘方向旋轉半圈後 由定位塊定位如圖 10 所示（即將安裝完成的工件旋轉 到焊接刀具下進行焊接），當氣壓缸後退時拉動固定 及線性軸承後退，線性軸承拉動繩索使迴轉盤依順時 鐘方向旋轉半圈（即將焊接完成的工件旋轉到安裝工 件的位置，再將安裝完成的工件旋轉到焊接刀具下進 行焊接）。 (7)焊接夾具設計方法 如圖 11 所示為焊接夾具組合機構，首先將面板移 動到面板放置處定位後利用真空吸孔 2 將面板固定吸 住如圖 12 所示，再將銅箔軟體移動到銅箔軟體放置處 如圖 13 所示，利用真空吸孔 1 負責將銅泊軟體吸住固 定，將固定壓板旋轉壓住銅箔軟體，如此工件將分別 被固定住，利用攝影機顯螢幕放大觀看兩者線路是否 對齊，若無對齊則利用 x 及 y 方向微動調整鈕調整面 板之位置使微小線路與銅箔軟體線路對齊。 拉伸彈簧 2 圖 9A 夾具回轉盤機構設計 軸支 撐桿 氣壓缸 固定板 拉伸 彈簧 1 迴轉盤心軸 滾輪 驅動繩索 線性 軸承 回轉盤 心軸 圖 9B 夾具回轉盤機構設計 滾輪 驅動 繩索 拉伸 彈簧 固定板 線性軸承 圖 10 固定板藉氣壓缸前進拉動線性軸承 圖 12 將面板放置定位 面板 銅箔軟體 圖 12 將面板放置定位 真 空 吸 孔 1 銅箔軟體放置處 固定壓板 微動調整 面板 微動調整 面板放置處 圖 11 焊接夾具組合圖 真 空 吸 孔 2

(8)控制設計 如圖 14A 及 14B 所示硬體設計控制元件包含有氣 壓控制比例閥、電源控制器、溫度設定控制器、PLC 程式控制器、氣壓方向閥、溫控電源、SSR 脈衝加溫 控制器、變壓器、下照式電源箱等等。 二、熱壓機測試 如圖 15 所示利用溫度計量測所設定的溫度與輸 出的溫度是否正確，方法是先設定溫度大小後，利用 溫度感測器量測鈦金加熱器下之溫度，由於機器的感 溫器無法放置在鈦金加熱器下加熱的位置只能放置於 適當接近的地方，因此兩處的位置溫度會有差異，因 此藉由此測試後定出補償的溫度使焊接的溫度正確無 誤。 如圖 16 所示利用力量計量測所設定的壓力與輸 出的重量是否正確，方法是先設定壓力大小後，利用 力量感測器量測鈦金加熱器下之力量，由氣壓缸内的 壓力計算出合力減去摩擦力而得到鈦金加熱器下力 量，由於氣壓缸内徑及軸心有製造公差及組裝的摩擦 力而影響其合力大小，因此經由概算後計算出力大 小，再藉由此測試後定出補償的壓力使焊接的力量正 確無誤。 變壓器 下照式電源箱 圖 14B 控制元件 圖 15 溫度設定測試 溫度顯示 溫度感測 溫度設定 力量顯示 圖 16 力量設定測試 圖 13 將銅箔軟體放置定位 銅箔軟體 電源控制器 溫度設定 控制器 溫控 電源 PLC 程式 控制器 氣壓控制比例閥 SSR 脈 衝加溫 控制器 氣壓方 向閥 圖 14A 控制元件

圖 17 顯示第一段之時間與 升溫之關係 圖 18 顯示第四段前之時間與 升度關係 圖 19 顯示焊接完成後吹氣 降溫前與時間之關係 由測試後定出補償的溫度及壓力後焊接的溫度及 力量都能相當準確，以確保工件的焊接品質。

肆、方法與技巧

為了達到生產之目的本設備之操作方式共分為 三種語言選項及四種操作模式說明如下： 一、生產執行 選取此項指令之後機器就開使動作並且在螢光幕 上會出現目前的動作時間與溫度的關係圖如圖 17 至 圖 19 所示 二、設定模式：包含生產模式及設定參數 生產模式 程式更換(0~99) 設定數量(1~65535) 真空設定使用(不使用) 溫度偵測使用(不使用) 計數設定使用(不使用) 跳回 設定數值 程式更換（0~99） 偵測溫度（0~20） 汽缸壓力（0~6 bar） 起始溫度（30~600O C） 完工溫度（30~600o C） 第一~四段溫度設定（30~600O C） 第一~四段昇溫時間設定（25~30S） 第一~四段保溫時間設定（25~30S） 膠帶長度設定（0~100mm） 使用次數設定（0~50） 三、工程調整 溫度調整 第一~四段補償溫度設定（30~600O C） 自動壓合設定 偵測溫度(0~20) 汽缸壓力(0~96bar) 四、手動調整: 按以下指令鍵機器就會跟著動作 左送帶 真空 1 焊頭氣缸 送料盤 真空 2 右送帶 面板操作：三種語言選項 ENGLISH 繁體中文 簡體中文 1.生產執行 2.設定模式 3.工程調整 4.手動調整

伍、成果貢獻

本研究設備的特點 一、焊頭及夾治具可依客戶需求隨時設計更換，一般 進口的設備當產品要更改設計或更換時需要向國外 的客戶重新定製費時及增加成本，也延長產品的開發 及上市時間。 二、溫控參數的補償可隨焊頭的尺寸大小(焊頭的大 小依產品的形狀及大小而改變)及當焊頭使用一段時 間後其導電電阻的差異而使溫度產生變化而調整，一 般的焊接機因無參數的輸入因此若產品更換其溫度 的控制需換 IC 板。 三、夾治具設計簡單且具有三度空間的微調裝置容易 對準。 四、空壓缸力量的補償: 空壓缸内部由於機構製造的 誤差及滑動摩擦阻力而使每一個空壓缸在一定的壓 力下其出力也會不一樣，因此本設備設有一輸入補償 參數，每一機台可各調整使出力都能相等增加產品焊 接的穩定性。 五、夾治具的轉盤機構：一般機台轉盤的真空導線放 置在心軸的外面當轉盤旋轉時容易與心軸的表面摩 擦而磨損，本設備的真空導線放置在心軸的的中間位 置。當轉盤旋轉時不會與心軸的表面摩擦。 六、大陸產品價格便宜但穩定性品質差，本研發之設 備經送往相關科技廠商測試，其價格及品質穩定均能 符合科技廠商之需求，因此具有很好的發展潛力與競 爭力。

The design and fabrication of the soldering equipment for the junction of soft

PCB and flat panel display

CHEN, JIA-WINE CHANG, ANN-SHING YOU, WEN-JUI

Department of Mechanical Engineering

Abstract

The flat panel display module is the major component for 3C products, such as digital camera (DC), personal digital assistant (PDA), global positioning system (GPS), hand touch display and controller for liquid crystal watch, and LCD. The function of the display module set is to transferred the treating data signal to display, or the data signal to be transferred to a processor. The transfer of signal rely on the circuit that is fabricated on a soft PCB. This study will develop a soldering equipment for the junction of soft PCB and flat panel display module. It can improve the disadvantages of the existing equipment. It is expected to promote the fabricated precision and efficiency. The stability of quality may also be improved.

The advantages of this study design include: (1) The pressure and temperature of cylinder can be modified that depends on the alteration of products or the change of working environment. (2) The temperature-time curve is a continuous curve. It is easy to be controlled in heating process. The change of process temperature can be handled. The quality of junction therefore is guaranteed. (3) A direct contact display is used. It can be operated easily. (4) The heater, jig and fixture can be modified according to the requirement of customer.