KR20180006708A - 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상물에 진동을 부가하기 위한 바이브레이터 장치에 있어서: 베이스(10); 상기 베이스(10) 상에 상하운동 가능하게 지지되고, 대상물을 인출 가능하게 수용하는 테이블(20); 상기 베이스(10)와 테이블(20) 사이에 진동을 유발하도록 설치되고, 복수의 마그넷과 복수의 코일을 구비하는 VCM수단(30); 및 상기 VCM수단(30)에 의한 진동을 설정된 패턴으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 보이스 코일 리니어 모터를 기반으로 무한 반복 직선 운동의 정밀성, 다양한 위치 구동, 높은 속도를 구현하여 소정의 공정에서 솔더볼의 원활한 공급을 통한 품질과 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.

Description

보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치{Precision Positioning Vibrator using Voice Coil Linear Motor}

본 발명은 바이브레이터 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 보이스 코일 리니어 모터를 기반으로 무한 반복 직선 운동의 정밀성, 다양한 위치 구동, 높은 속도를 구현하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치에 관한 것이다.

통상적으로 바이브레이터는 반도체 패키지 제조공정 솔더볼 진동기기, 의료용 정밀 진동기기, 각종 시료 진동 시험용 장비 등에 가진력을 작용하도록 활용된다. 일예로, 솔더볼을 기판 상에 융착시키는 BGA(BALL GRID ARRAY) 작업 과정에서 다수의 솔더볼에 적절한 가진력을 부가하면 고속으로 흡착하여 기판에 접합시키는 것이 가능하여 공정시간을 단축할 수 있다.

이와 같은 바이브레이터에 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0216842호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1178330호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 솔더볼안착부의 양측에 각각 지지브라켓이 설치되고, 모터의 회전에 의해 캠판이 편심 회전되면서 진동판이 일측으로 밀린 후 복원되도록 하여 고정브라켓과 지지브라켓을 진동시켜 여기에 결합된 솔더볼 안착부를 진동시키는 구성을 포함한다. 이에, 정확하게 솔더볼을 안착시키도록 하여 불량을 방지하고, 생산성을 향상시키는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 외주면 둘레가 일정 높이의 측벽으로 형성되는 요크; 요크의 중심부에서 바닥면상에 원형으로 균등하게 배열된 다수의 마그네트; 마그네트의 상단에 부착되는 링 형상의 플레이트; 플레이트의 상측에서 보빈의 가장자리 둘레 외측면에 감겨지는 보이스 코일; 등으로 구성된다. 이에, 구조가 간단하면서 소형의 구조로 구현할 수 있는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 가진의 진폭과 주파스를 정밀하게 조절하는 기술적 요소를 반영하지 않으므로 반도체 공정 등에서 미세한 솔더볼의 진공흡착 작업에 적용하기에 한계성을 나타낸다.

1. 한국 등록특허공보 제0216842호 "오토매틱 솔더볼 플레이스먼트 시스템의 솔더볼안착부 진동장치" (공개일자 : 1998.04.30.) 2. 한국 등록특허공보 제1178330호 "선형 가진기" (공개일자 : 2012.08.30.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 보이스 코일 리니어 모터를 기반으로 무한 반복 직선 운동의 정밀성, 다양한 위치 구동, 높은 속도를 구현하여 소정의 공정에서 솔더볼 공급의 효율성을 향상하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 대상물에 진동을 부가하기 위한 바이브레이터 장치에 있어서: 베이스; 상기 베이스 상에 상하운동 가능하게 지지되고, 대상물을 인출 가능하게 수용하는 테이블; 상기 베이스와 테이블 사이에 진동을 유발하도록 설치되고, 복수의 마그넷과 복수의 코일을 구비하는 VCM수단; 및 상기 VCM수단에 의한 진동을 설정된 패턴으로 제어하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 베이스와 테이블 사이에 진동충격을 완화하도록 댐퍼가 설치되고, 테이블의 임의적 분리를 구속하도록 스토퍼가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 VCM수단은 테이블과 인접한 위치에 보조마그넷을 구비하여 테이블을 통과하는 자기장을 축소하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 보조마그넷은 하측의 메인마그넷과 동일한 자력으로 구성하여 동일한 극성으로 대향하도록 배치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 대상물에 인가되는 진동의 진폭과 주파수를 설정된 범위로 유지하도록 제어기를 통하여 VCM수단에 대한 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 보이스 코일 리니어 모터를 기반으로 무한 반복 직선 운동의 정밀성, 다양한 위치 구동, 높은 속도를 구현하여 소정의 공정에서 솔더볼의 원활한 공급을 통하여 품질과 생산성을 향상하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 사용 상태를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 주요부를 단면으로 나타내는 모식도
도 4는 도 2에서 대상물의 불균일 진동 상태를 나타내는 사진
도 5는 본 발명에 따른 장치의 개선 전후를 대비한 모식도와 도표

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 대상물에 진동을 부가하기 위한 바이브레이터 장치에 관하여 제안한다. 반도체 패키지의 BGA(BALL GRID ARRAY) 공정을 통하여 기판 상에 융착되는 솔더볼을 대상물로 적용하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 통상 무연납 솔더볼은 Sn을 주성분으로 Cu, Sb, Au 등을 혼합한 비자성 물질이며, 고밀도 집적회로의 증가 추세에 따라 100㎛ 이하의 크기로 소형화되기도 한다.

본 발명의 베이스(10)는 후술하는 제반 구성품을 탑재하는 장방형 판재 구조로 형성된다. 장치의 전체 중량을 대략 20Kg 내외로 하여 최대 구동 진폭 1㎜, 주파수 40㎐의 진동을 지탱하는 규격으로 설계된다.

또, 본 발명에 따르면 대상물을 인출 가능하게 수용하는 테이블(20)이 상기 베이스(10) 상에 상하운동 가능하게 지지되는 구조이다. 도 1은 4개의 LM가이드(12)를 개재하여 테이블(20)이 지지된 상태를 예시한다. 테이블(20)은 상측에 배치되는 픽업모듈(25)을 이용하여 솔더볼을 진공으로 흡인하도록 상면이 개방된 장방형 상자형 구조이다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 베이스(10)와 테이블(20) 사이에 진동충격을 완화하도록 댐퍼(15)가 설치되고, 테이블(20)의 임의적 분리를 구속하도록 스토퍼(22)가 설치되는 것을 특징으로 한다. 댐퍼(15)는 스프링과 점성유를 구비한 혼합형을 사용하여 테이블(20)의 하측에 복수로 설치되며 하향 진동의 충격을 감쇠하여 솔더볼의 불필요한 요동을 방지한다. 테이블(20)은 베이스(10) 상에 Z축 방향으로 자유롭게 지지된 상태로서 임의로 분리되거나 과도한 진동이 초래되지 않도록 복수의 위치에 스토퍼(22)를 두는 것이 좋다.

또, 본 발명에 따르면 복수의 마그넷과 복수의 코일을 구비하는 VCM수단(30)이 상기 베이스(10)와 테이블(20) 사이에 진동을 유발하도록 설치되는 구조이다. 종래에는 일반적인 전자석과 판스프링을 결합한 가진 구조를 채용하므로 진동 패턴의 정밀제어가 용이하지 않고 판스프링의 열화가 진행되면서 더욱 신뢰성과 내구성이 약화된다. 본 발명의 VCM수단(30)은 테이블(20)의 중앙에 접촉되는 보이스코일 방식의 리니어 모터로서 정격 출력 540N, 스트로크 3㎜를 기준으로 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 내부철심(41)의 상측으로 메인마그넷(31)이 배치되고 내부철심(41)의 하측으로 서브마그넷(32)이 배치되며, 메인마그넷(31)에 대향하는 상부전기자코일(35) 및 서브마그넷(32)에 대향하는 하부전기자코일(36)이 동심으로 배치된다. 내부철심(41)은 하측에서 원판형 마그넷홀더(43)로 지지되고, 원통형 외부철심(42)은 원판형 마그넷홀더(43)와 동심으로 결합되며, 전기자코일(35)(36)의 상단으로 노출되는 코일홀더(45)은 테이블(20)의 저면에 결합된다. 메인마그넷(31)의 상하측으로 고정자치(47)가 형성되어 자로를 형성한다.

이에, 상부전기자코일(35)의 통전으로 상향하는 가진력을 발생하고 하부전기자코일(36)의 통전으로 하향하는 가진력을 발생한다. 즉, 본 발명은 2개의 마그넷과 2개의 코일에 의한 듀얼 포스 시스템을 구성하여 높은 응답속도로 상하 교번하는 가진력를 발생한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 VCM수단(30)은 테이블(20)과 인접한 위치에 보조마그넷(33)을 구비하여 테이블(20)을 통과하는 자기장을 축소하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 테이블(20)에 수용된 솔더볼이 VCM수단(30)에 의한 자기장의 영향으로 쏠림 현상을 보인다. 이러한 현상이 유발되면 픽업모듈(25)에 의한 진공흡착이 원활하지 않아 공정 시수를 증가시키고 불량을 유발한다. 솔더볼이 비장성 물질이지만 일시적으로 자화되어 강자성체를 지닌 픽업모듈(25)에 임의적으로 부착된다. 도 3에서 보조마그넷(33)이 메인마그넷(31)의 상측으로 또 다른 마그넷홀더(43)를 개재하여 고정된 상태를 예시한다. 보조마그넷(33)은 메인마그넷(31)에 의한 상방향 자기장의 영향을 완화하는 수단으로 작용한다.

이때, 상기 보조마그넷(33)은 하측의 메인마그넷(31)과 동일한 자력으로 구성하여 동일한 극성으로 대향하도록 배치하는 것을 특징으로 한다. 보조마그넷(33)의 자력과 외경은 메인마그넷(31)과 동일한 범위로 선정하지만 두께는 다소 축소되어도 무방하다. 메인마그넷(31)의 상측이 N극인 경우 보조마그넷(33)의 하측에 N극을 배치한다. 이에, 출력(가진력)을 발생하는 메인마그넷(31)에 의한 주자기장의 왜곡 현상을 최소화하는 동시에 주자기장의 국부 포화로 인한 누설 자기장을 최소화한다. 이때 발생하는 왜곡ㆍ누설 자기장은 대략 5% 이내이며. 이러한 결과에 의하여 약 15% 정도의 출력 향상을 유발한다.

도 5(a)의 보조마그넷(33)이 설치되지 않은 경우 및 도 5(b)의 보조마그넷(33)이 설치된 경우를 대비하면, 테이블(20)이 위치하는 상단에서 자기장이 감소되는 반면에 정상적인 자기회로에서 자속이 증가된 상태를 알 수 있고, 각각의 도표 상으로 측정 포인트의 자기장이 약 1/10로 감소됨을 알 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(50)이 상기 VCM수단(30)에 의한 진동을 설정된 패턴으로 제어하는 구조이다. 제어수단(50)은 픽업모듈(25)에 의한 솔더볼의 원활한 진공흡착을 위해 VCM수단(30)에 대한 무한 반복 직선 운동의 정밀성, 다양한 위치 구동, 높은 속도를 구현해야 한다. 이는 솔더볼이 테이블(20) 상에서 점핑하는 거동을 조절함을 요체로 하며, 고유 주파수 변동에 대응하도록 VCM수단(30)에 인가되는 전압 제어로 수행된다. 고유 주파수는 공정 진행 중의 솔더볼의 중량 변동에 따라 조정이 필요하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(50)은 대상물에 인가되는 진동의 진폭과 주파수를 설정된 범위로 유지하도록 제어기(56)를 통하여 VCM수단(30)에 대한 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다. 제어수단(50)은 제어기(56)의 입출력단에 엔코더(52)와 레이저센서(54)를 구비한다. 제어기(56)는 마이컴 회로로 구성되고 PID 제어를 수행할 수 있다. 엔코더(52)는 리니어 방식으로 구성되어 테이블(20)의 상하이동에 대응한 신호를 발생한다. 레이저센서(54)는 테이블(20)의 상면에서 적어도 2개소에 설치되어 테이블(20)의 진동 패턴에 대응한 신호를 생성한다. 이외에 솔더볼의 소진량을 검출하기 위한 로드셀, 진동에 의한 거동을 검출하기 위한 카메라 등을 포함할 수 있다.

이에, 본 발명은 솔더볼의 규격을 비롯한 공정 조건에 대응하여 미리 설정된 출력 패턴을 구현하여 솔더볼의 고른 진동이 유발되므로 픽업모듈(25)에 의한 진공흡착의 신뢰성이 높아져 품질과 생산성 향상을 도모할 수 있다.

한편, 본 발명의 장치는 듀얼 포스 방식에 의한 경박단소의 구조로 설계가 가능하므로 반도체 패키지 공정 외에, 의료용 정밀 진동기기, 사료용 진동기기 등으로 활용성이 높다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 베이스 12: LM가이드
15: 댐퍼 20: 테이블
22: 스토퍼 25: 픽업모듈
30: VCM수단 31: 메인마그넷
32: 서브마그넷 33: 보조마그넷
35, 36: 전기자코일 41, 42: 철심
43: 마그넷홀더 45: 코일홀더
47: 고정자치 50: 제어수단
52: 엔코더 54: 레이저센서
56: 제어기

Claims (5)

1. 대상물에 진동을 부가하기 위한 바이브레이터 장치에 있어서:
   베이스(10);
   상기 베이스(10) 상에 상하운동 가능하게 지지되고, 대상물을 인출 가능하게 수용하는 테이블(20);
   상기 베이스(10)와 테이블(20) 사이에 진동을 유발하도록 설치되고, 복수의 마그넷과 복수의 코일을 구비하는 VCM수단(30); 및
   상기 VCM수단(30)에 의한 진동을 설정된 패턴으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 베이스(10)와 테이블(20) 사이에 진동충격을 완화하도록 댐퍼(15)가 설치되고, 테이블(20)의 임의적 분리를 구속하도록 스토퍼(22)가 설치되는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 VCM수단(30)은 테이블(20)과 인접한 위치에 보조마그넷(33)을 구비하여 테이블(20)을 통과하는 자기장을 축소하는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 보조마그넷(33)은 하측의 메인마그넷(31)과 동일한 자력으로 구성하여 동일한 극성으로 대향하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단(50)은 대상물에 인가되는 진동의 진폭과 주파수를 설정된 범위로 유지하도록 제어기(56)를 통하여 VCM수단(30)에 대한 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 리니어 모터를 이용한 정밀 위치결정 진동장치.

Images