DBPIA-NURIMEDIA

Transcription

1 68 연구논문 김선락 * 이재학 ** 유중돈 *, * KAIST 기계공학과 ** KIMM 초정밀기계시스템실 Design of Bar Horn for Ultrasonic Bonding Sun-Rak Kim*, Jae Hak Lee** and Choong D. Yoo*, *Dept. of Mech. Eng., KAIST, Daejeon 35-71, Korea **Dept. of Ultra Precision Mechanics and Systems, KIMM, Daejeon , Korea Corresponding author : cdyoo@kaist.ac.kr (Received May 22, 29 ; Revised August 3, 29 ; Accepted August 18, 29) Abstract The bar horn is designed to increase uniformity of the displacement on the output face through simulation and experiments. Three-dimensional modal analysis is conducted using the finite element method to calculate the vibration mode and displacement on the output face, and the design of experiment (DOE) technique is employed to determine the optimum dimensions of the groove and slot so that the high amplitude uniformity of the bar horn is produced. Displacement of the bar horn was measured using the Laser Doppler Vibrometer (LDV), and the experimental results show good agreements with the predicted results. High uniformity of the bar horn is achieved with the dimensions of the groove and slot determined using the design equations. Key Words : Ultrasonic bonding, Bar horn, Design of experiments, Slot, Groove 1. 서론 ACF(Anisotropic Conductive Film) 는전도성입자가균일하게분포된접착제필름으로, LCD와같은디스플레이제품의구동소자 (drive IC) 를유리기판에접합시키기위하여사용된다. ACF의접합에는주로열과압력을이용하는열압착공정이사용되지만 1), 열과압력이외에초음파진동을인가하면접착제의점탄성발열에의해온도가증가하므로접착제의경화시간을단축시켜생산성을증가시킬수있는장점이있다 2). LCD 구동소자는종횡비가큰막대형상이므로초음파를인가하려면출력면의형상이직사각형인바혼 (bar horn) 을사용하여야한다. LCD 화면의대형화추세에따라구동소자의길이가증가하기때문에종횡비가큰바혼의진폭이균일하게발생하도록바혼을설계하는것이 필요하다. 또한, 종횡비가큰바혼은 LCD 구동소자뿐만아니라대면적의플라스틱접합에도적용할수있다. 초음파를이용하여 LCD 구동소자와유리기판사이에도포된접착제를균일하게가열하려면바혼의출력면에서발생하는진폭이일정해야한다. 초음파접합에서진폭균일도가증가하면접합부에서균일하게열이발생하고구동소자와유리기판의손상을방지할수있다. 일반적으로초음파혼의출력면의면적이증가하면진폭균일도가감소하며, 축대칭형상인실린더혼에비해바혼에서는다양한진동모드가발생하다. 종횡비가큰바혼의균일도를증가시키기위하여 Fig. 1에보인바와같이바혼의양단에그루브 (groove) 를가공한그루브바혼과두께방향으로관통하는슬롯 (slot) 이가공된슬롯바혼을사용하며, 혼의폭이증가하면슬롯의개수도증가한다. Lucas 3,4) 등은유한요소법을이용하여슬롯바혼을해석하고실험결과와비교하였으며, 마이 538 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 29

2 69 크로슬롯과두께방향의단차 (castellation) 를이용하여균일도를증가시키는방법을제시하였다. 슬롯이외에도바혼에추가의혼을부착하여균일도를증가시키는연구와유한요소법을이용하여공작물의임피던스 (impedance) 를고려한혼의설계에대한연구도수행되었다 5,6). 그러나바혼의그루브와슬롯형상이균일도에미치는영향을체계적으로분석한연구는미흡한실정이다. 본연구에서는유한요소법을이용하여바혼의그루브와슬롯이진폭균일도에미치는영향을유한요소법을이용하여해석하였으며, 실험계획법을이용하여높은균일도를얻을수있는그루브와슬롯의치수결정하였다. 해석결과를검증하기위하여바혼을가공하고 LDV (Laser Doppler Vibrometer) 를이용하여혼의공진과출력면의변위를측정하고해석결과와비교하였다. 2. 바혼의설계 일반적으로초음파혼을설계하는데고려해야할사항으로공진주파수, 증폭도, 응력, 진폭균일도와주파수분리등이있다. 이중에서공진주파수는바혼의길이에의해결정되고, 증폭도는혼의입력면과출력면의면적에의해결정된다. 본연구에서는초음파접합을 LCD 구동소자의접합에적용하기때문에진폭균일도가혼의설계에서중요한인자이며, 95% 의균일도를기준으로설계하였다. 진폭균일도는혼의출력면에서발생하는최소변위와최대변위의비율로나타낸다 7). U u u min = max 1 바혼의설계시균일도이외에도초음파진동시혼의내부에서발생하는응력과인접한주파수와의분리를고려하였다. Fig. 1은슬롯이가공되지않은단순바혼, 균일도를증가시키기위한그루브바혼과슬롯바혼의형상을나타낸다. 바혼의 3차원모드해석을위하여상용의유한요소프로그램인 ANSYS 를이용하여혼의공진주파수와응력및출력면의변위를계산하였으며, 실험계획법을이용하여그루브와슬롯의인자가균일도에미치는영향을분석하였다. 바혼의설계인자중에서고정인자는혼의길이 (L), 폭 (W) 과두께 (T) 이며, 그루브의제어인자는그루브의깊이 (A) 와폭 (B) 및위치 (h) 이다. 슬롯혼의경우에슬롯을혼의중앙에위치시키며, 슬롯의제어인자는슬롯의길이 (L s ) 와폭 (W s ) 이다. 통계처리를위하여 MINITAB 을이용하였고, 균일도에미치는영향 (1) 출력면 입력면 출력면 입력면 (a) (b) (c) Fig. 1 Configuration and parameters of bar horns Simple bar horn, (b) Groove bar horn, (c) Slot bar horn 이큰제어인자와그루브와슬롯의설계치수를구하고이를이용하여설계식을제안하였다. 수치해석결과를바탕으로그루브바혼과슬롯바혼을가공하였으며, 혼의공진주파수와출력면의변위를측정하고계산결과와비교하여수치해석결과를검증하였다. 주파수분석기를이용하여초음파발진기의출력주파수를측정하였고, LDV를이용하여진동자와부스터및혼의출력면에서주파수와속도를측정하였다. 출력면의변위는 LDV로측정한속도를적분하여구하였다. Material Aluminium775-T6 Density 2.81g/cm 3 Modulus of Elasticity 71.7GPa Poisson's ratio.33 Yield strength 3. 결과및고찰 혼의재질은 Al775-T6 이며, 유한요소해석에사용된재질의특성을 Table 1에정리하였다. 유한요소해석은 Fig. 1에보인단순바혼과그루브바혼및슬롯바혼에대해수행하였다. 혼의고유진동수와변위를계산하기위하여 ANSYS 프로그램의 SOLID 45 요소를사용하여 3차원모드해석을수행하였다. 혼에인가된입력변위는 3.64μm이고, 초음파주파수는 24.7kHz 이며, 이들입력값은 LDV를이용하여측정한결과이다. Fig. 2는길이 14mm, 폭 7mm, 두께 3mm 인바혼에대해모드해석을수행한결과로서혼의인장시 Table 1 Material properties of horn 53MPa 변형된형상을나타낸다. 바혼의두께가 3mm 이상증가하면두께방향의진폭균일도가 95% 이하로감소하기때문에혼의두께를 3mm 로고정하였다. Fig. 2(a) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 29 年 1 月 539

3 7 김선락 이재학 유중돈 Table 2 Level of groove parameters for DOE Output face Level Depth (A, mm) Location (h, mm) Iutput face (a) (b) (c) Fig. 2 Deformed shape of bar horns with longitudinal mode (a) Simple bar horn, (b) Groove bar horn, (c) Slot bar horn 는단순바혼이인장하는경우의변형형상으로서포아송효과 (Poisson s effect) 에의해혼의중앙부근이오목해지고출력면의중심부가볼록한형상으로변화하며, 압축시에는혼이수축되면서반대의형상으로변화한다. 단순바혼의인장시출력면외곽의변위가중심부보다작지만, Fig. 2(b) 의그루브바혼의경우에는그루브에의해외곽의구속조건이완화되어변위가증가하므로균일도가증가한다. 이와같이그루브에의해진폭균일도가증가하는현상은스풀혼의경우와유사하다 7). 슬롯바혼의경우 (Fig. 2(c)), 출력면의변위가일정하여균일도가증가하며, 이는혼의중앙에위치한슬롯에의해바혼이 2개로분리되는효과가발생하기때문이다. 즉, 중앙에위치한슬롯이바혼을좌우로분리하여출력면의면적이 1/2로감소하기때문에균일도가증가한다. 그루브바혼에서그루브의설계치수를결정하기위하여실험계획법을이용한스풀혼의해석결과를참조하였으며, 스풀혼의경우에는그루브깊이 (A) 와위치 (h) 에비해그루브폭 (B) 이균일도에미치는영향이무시할정도로매우작다 7). 그러므로그루브깊이와그루브위치를바혼의제어인자로선택하였고, 그루브폭은스풀혼의설계식을사용하여결정하였다. 바혼의고정인자는혼의폭과두께및그루브폭이며, 각각의치수는 7mm, 3mm, 5.2mm 이다. 직교배열표에서사용한제어인자의레벨 (level) 은 Table 2에정리하였다. Table 2의제어인자의값에대하여유한요소법을이용하여진폭균일도를계산하고, MINITAB 을이용하여제어인자가균일도에미치는영향을분석하여최적값을구하였다. Fig. 3의평균도표와교호작용도표에서형상인자인그루브깊이와위치사이에교호작용이존재하므로 Fig. 3(a) 의평균값만으로최적조건을판단하기 어렵다. 각인자의영향을 MINITAB 에서델타값으로나타내며, 델타값은각인자로부터가장큰평균에서가장작은평균값의차이로정의하기때문에인자의델타값이클수록균일도에큰영향을미친다. 교호작용의결과로부터그루브깊이와위치가균일도에미치는델타값은각각 4.94과.28이므로그루브깊이가위치에비해진폭균일도에미치는영향이크고, 가장높은균일도를발생시키는그루브깊이와위치의설계값은각각 5.5mm 와 25mm 이다. 바혼의크기가변화하면그루브의치수가이에비례하여선형적으로변화한다고가정하면, 높은균일도를얻을수있는그루브의치수를다음의설계식으로나타낼수있다 A = W, h= L, B = L (2) 위의식에서그루브폭 (B) 은스풀혼의설계식과동 (a) Main effect plot (b) Interaction plot Fig. 3 Results of DOE for groove dimension 54 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 29

4 71 일하며 7), 그루브폭의설계식의타당성을검증하기위하여그루브의깊이와위치를설계값인 5.5mm와 25 mm로고정시키고, 그루브의폭을 4.7mm, 5.2mm, 5.7mm로변화시키면서진폭균일도를계산하였다. 그루브의폭이변화하여도균일도는 98% 로일정하였으며, 이결과로부터스풀혼에서와동일하게바혼의경우에도그루브의폭은혼의균일도에거의영향을주지않는다. 또한, 바혼의두께가 3mm 보다작은경우에는 95% 이상의진폭균일도를얻을수있기때문에바혼의두께가균일도에영향을주지않는다. 바혼의폭을변화시키며단순바혼과식 (2) 를이용한그루브바혼의균일도를계산하여 Fig. 4에나타내었으며, 바혼의길이와두께가각각 14mm와 3mm 이다. 단순바혼의경우에는혼의폭이 35mm 보다작으면 95% 의균일도를얻을수있지만, 혼의폭이 4mm 보다증가하면균일도는급격하게감소한다. 그루브바혼의경우에는그루브에의해출력면외곽의구속조건을완화시키기때문에 95% 이상의균일도가발생하는혼의폭이 9mm 로크게증가한다. 그러나혼의폭이 1mm로증가하면균일도가 43% 로급격하게감소하므로그루브의치수를변화시켜야한다. 슬롯바혼의경우에는혼의중심에슬롯이위치하므로실험계획법의제어인자는슬롯의길이 (L s) 와폭 (W s) 이고, 고정인자는혼의폭 (7mm), 두께 (3mm) 및슬롯의위치이다. 직교배열표에서사용한제어인자의레벨 (level) 은 Table 3에정리하였으며, MINITAB 으로계산한평균도표와교호작용도표를 Fig. 5에나타내었다. 형상인자인 L s 와 W s 사이에는교호작용이존재하며, 교호작용의결과로부터슬롯의폭과길이가균일도에미치는델타값은각각 3.77과.9이므로슬롯의폭이길이에비해진폭균일도에큰영향을준다. 가장높은균일도를발생시키는슬롯길이와폭은각각 72mm 와 7mm이며, 이를이용하여슬롯의치수을결정하는설계식은다 Uniformity (%) U=95% Simple bar horn Bar horn with groove Horn width (mm) Fig. 4 Comparison of uniformity between simple and groove bar horns Table 3 Level of slot parameters for DOE Level Length (Ls, mm) Width (Ws, mm) (a) Main effect plot (b) Interaction plot Fig. 5 Results of DOE for slot dimension 음과같다. 1 9 Ws = W, Ls = L 1 13 (3) 식 (3) 을이용한슬롯바혼의균일도와그루브바혼의균일도와비교하여 Fig. 6에나타내었다. 바혼의폭이 9mm 이내인경우에 95% 의균일도를얻을수있지만, 바혼의폭이 1mm 로증가하면그루브바혼의균일도는급격하게감소하고슬롯바혼의균일도는완만하게감소한다. 단순바혼의경우혼의폭이 4mm이상으로증가하면균일도가 95% 이하로감소하며, 이와유사하게슬롯에의해 2개로나뉘어진바혼의폭이 4mm 이상증가하면균일도가 95% 이하로감소한다. 그러므로바혼의경우 95% 의균일도를얻으려면슬롯에의해분리된폭을 4mm이하로설계하는것이바람직하며, 혼의폭이 1mm 이상증가하면 2개의슬롯이필요함을알수있다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 29 年 1 月 541

5 72 김선락 이재학 유중돈 Uniformity (%) Fig U=95% Simple bar horn Bar horn with groove Horn width (mm) Comparison of uniformity between groove and slot bar horns Normalized displacement Measured Calculated Distance from center(mm) (a) Simple bar horn Normalized displacement Measured Calculated Distance from center(mm) Fig. 7 Stress distributions of slot bar horns with and without rounding 1.4 (b) Groove bar horn Fig. 7은유한요소법으로슬롯바혼의응력분포를계산한결과이며, 사각형슬롯바혼과라운딩처리한슬롯바혼의응력을비교하였다. 바혼의입력변위는 3.64μm이며, 사각형슬롯의모서리의응력은 5.24MPa 이고최대응력은 8.12MPa 이다. 라운딩한슬롯모서리의응력은 4.95MPa 이고, 최대응력은 7MPa 로감소한다. 그러므로라운딩가공시응력집중을방지하여응력을감소시킬수있지만, 사각형슬롯바혼의최대응력은혼의재질인 Al775-T6 의항복응력인 53MPa 보다매우작기때문에라운딩가공이필요하지않다. 그러나초음파혼의파괴는주로피로에의해발생하므로혼의최대응력이항복응력보다낮더라도피로파괴를고려해야한다. 수치해석결과를검증하기위하여바혼을가공하고 LDV를이용하여출력면의변위를측정하고분석하였다. 주파수분석기를이용하여측정한발진기의주파수와 LDV로측정한진동자와부스터의출력면에서의주파수는 24.7kHz 이고, 변위는각각 1.51μm와 3.64μm로부스터의증폭도는 2.4이다. 바혼의폭과길이및두께는각각 7mm, 14mm, 3mm 이며, 가공에사용된그루브와슬롯의치수는식 (2) 와식 (3) 을이용하여구하였다. 출력면의폭방향을따라발생하는변위를측정하고수치해석결과와비교하여 Fig. 8에나타내었다. 계산 Normalized displacement Measured Calculated Distance from center(mm) (c) Slot bar horn Fig. 8 Comparison of calculated and measured displacement on output face 결과와실험결과는비교적정확하게일치하였으며, 단순바혼의균일도는 68% 로가장낮고그루브바혼과슬롯바혼의균일도는각각 95% 와 98% 이다. 그러므로본연구에서제안한그루브와슬롯의설계식을이용하여바혼의균일도를증가시킬수있음을확인하였다. 4. 결론 진폭균일도가높은바혼을설계하기위하여유한요소법과실험계획법을이용하여높은균일도를얻을수있는바혼의형상을구하여실험결과와비교하였으며, 본연구의결과를요약하면다음과같다. 542 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 29

6 73 1) 유한요소법의 3차원모드해석을이용하여바혼의진동모드를분석하고, 바혼의균일도를증가시키기위하여실험계획법을이용하여그루브와슬롯치수를결정하는설계식을제안하였다. 그루브바혼과슬롯바혼에서균일도에가장큰영향을주는인자는그루브의깊이와슬롯폭이며, 본연구에서제안한설계식은혼의두께와폭이각각 3mm와 1mm 이하인경우에적용할수있다. 2) 단순바혼의경우에는 95% 의균일도를얻기위한혼의폭이 35mm 이지만, 설계식으로구한그루브와슬롯을이용하면바혼의폭을 9mm로증가시킬수있다. 그루브는바혼의구속조건을완화시키고, 슬롯은출력면을분리시켜출력면의면적을감소시켜바혼의균일도가증가한다. 3) 바혼에서최대응력이발생하는위치는슬롯의모서리부위이며, 슬롯의모서리에서발생하는응력집중을완화시키기위하여라운딩가공하면최대응력은감소한다. 최대응력은재료의항복응력보다매우작기때문에라운딩가공은불필요한것으로판단하지만혼의피로파괴를고려해야한다. 4) LDV를이용하여측정한바혼의출력면의변위는계산결과는정확하게일치하였다. 그러므로그루브바혼과슬롯바혼의설계에본연구에서제안한방법과설계식을활용하여균일도가향상시킬수있다 후기 본연구는한국기계연구원의협동연구과제의지원을받아수행하였으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 1. AWS: Welding Handbook, 8th ed. (1991) 2. K.-W. Lee, H.-J. Kim, M.-J. Yim, and K.-W. Paik: Curing and bonding behaviors of Anisotropic Conductive Films (ACFs) by ultrasonic vibration for flip chip interconnection, 56th Electronic Components and Technology Conference, San Diego, California, USA (26) 3. A. Cardoni, M. Lucas: Enhanced vibration performance of ultrasonic block horns, Ultrasonics, 4(22), A. Cardoni and M. Lucas: Strategies for reducing stress in ultrasonic cutting systems, Strain, 41-1(25), K. Adachi and S. Ueha: Modal vibration control of large ultrasonic tools with the use of wave-trapped horns, J. of Acoust. Soc. Am., 87-1(199), Y. Ming, L. Shih Fu, S. Zheng: A new optimization method for horn designs in ultrasonic welding systems, SIM Tech Technical Report (PT/2/6/JT) 7. S.-R. Kim, J. H. Lee, C. D. Yoo: Design of Cylinder Horn for Ultrasonic Welding (to be published in J. of KWJS) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 29 年 1 月 543