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1. Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zur Ausgabe von
Flüssigkeit
und insbesondere ein Verfahren zur Ausgabe von Tropfen einer Flüssigkeit
auf ein Substrat bzw. ein Trägerelement.
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2. Stand der Technik
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Elektrische
Komponenten werden üblicherweise
mittels eines Lötverfahrens
an einer Schaltplatte oder einem anderen Trägerelement bzw. einem Substrat
befestigt. Obwohl es zahlreiche übliche Lötverfahren
zum Befestigen von Komponenten an einem Trägerelement gibt, kann ein konventionelles Lötverfahren
in drei separaten Schritten zusammengefasst werden. Diese drei Schritte
beinhalten:
- (1) Aufbringen von Lötfett auf
das Substrat,
- (2) Vorheizen des Substrats, und
- (3) Löten
verschiedener Komponenten an das Substrat.
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In
einigen Fällen,
z. B. bei Aufschmelzlötungs-
und Auflöt-Verfahren
ist eine Vorheizung nicht erforderlich. Bei einigen Beispielen betrifft
die Erfindung die Befestigung von Komponenten bei Anwendungen wie:
Schaltplatten, Mikroschaltplatten, Zwischenschaltplatten, „controlled
collapse chip collections",
VGA und anderen Computer-Chips.
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Lötfett ist
eine chemische Mischung, welche die Benetzung einer metallischen
Oberfläche
durch Lötmaterial
begünstigt.
Das Lötfett
entfernt Oxyde oder andere Oberflächenfilme von der Oberfläche des
Grundmaterials. Das Lötfett
schützt
ferner die Oberfläche
vor einer Reoxydation während
des Lötens
und ändert
die Oberflächenspannung
des geschmolzenen Lötmaterials
und des Basismaterials. Trägerelemente
bzw. Substrate, wie z. B. gedruckte Schaltplatten, müssen mit
Lötfett
gereinigt werden, um die Platte wirksam für das Löten vorzubereiten und die elektrischen
Komponenten wirksam zu benetzen, um sie an der Schaltplatte zu befestigen.
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Während des
Lötprozesses
kann es erforderliche sein, geringe Mengen oder Tropfen von Lötfett auf
bestimmte Teile des Substrates bzw. der Platte auszubringen. Für diesen
Zweck wurden verschiedene Arten von Ausgabevorrichtungen eingesetzt,
z. B. spritzenartige Kontaktausgeber (syringe style contact dispensers)
und Ventil betätigte
berührungsfreie Ausgeber
(non contact dispensers). Zusätzlich
zu dem Lötfett
können
andere Flüssigkeiten
auf das Substrat angewendet werden. Diese Flüssigkeiten können einschliessen:
Haftmittel, Lötpaste,
Lötabdeckung,
Fett, eingekapseltes Öl,
Vergussmaterialien, Farbstoffe und Silikone.
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Infolge
der Oberflächenspannung
bildet die Flüssigkeit,
die aus einer ventilbetätigten,
berührungsfreien
Ausgabevorrichtung austritt, weitgehend kugelförmige lufttransportierte Tropfen,
bevor sie das Substrat erreicht. Die Tropfen treffen daher in einem spezifischen,
weitgehend kreisförmigen
Oberflächenbereich
auf das Substrat auf. Abhängig
von der Viskosität
und der Oberflächenspannung
des Tropfenmaterials können
die Tropfen eine weitgehend halbkugelförmige Form auf der Oberfläche des
Kontaktbereiches beibehalten. Wenn z. B. das Tropfenmaterial eine
hohe Viskosität
oder eine hohe Oberflächenspannung
besitzt, werden die Tropfen auf der Oberfläche des Substrats eine weitgehend
halbkugelförmige
Form beibehalten und der Oberflächen-Kontaktbereich
wird relativ klein sein. Bei konventionellen Lötfetten kann die Höhe des Tropfens weitgehend
gleich dem Durchmesser des Tropfens sein. Wenn jedoch das Tropfenmaterial
eine relativ niedrige Viskosität
oder relativ niedrige Oberflächenspannung
besitzt, verflacht sich die Kugelform auf der Oberfläche und
der Oberflächen-Kontaktbereich wird
größer. D.
h., Tropfen mit hoher Viskosität
oder mit hoher Oberflächenspannung
verbreitern sich nicht über
die Oberfläche
wie Tropfen mit niedrigerer Viskosität oder niedrigerer Oberflächenspannung.
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Bei
der Fertigung elektronischer Geräte
ist es wünschenswert,
die geringst mögliche
effektive Menge von Lötfett
zu verwenden, während
dennoch der größte Oberflächenbereich
mit dem Lötfett
abgedeckt wird. Bei vielen Lötprozessen
wird das Lötfett am
besten in Form einer Serie von Tropfen auf bestimmte Bereiche des
Substrats aufgetragen. Es wird bevorzugt, dass sich der einzelne
Lötfett-Tropfen ausbreitet
und eine dünne
Schicht über
einem größeren Bereich
des Substrats bildet. Eine relativ dünne Lötfettschicht hat gegenüber einer
dickeren Lötfettschicht
verschiedene Vorteile. Eine dünne
Lötfettschicht
gewährleistet
z.B. zuverlässigere
Lötverbindungen
zwischen den elektrischen Komponenten und z. B. einer gedruckten
Schaltung auf dem Substrat, insbesondere wenn „nichtreine" Lötfette verwendet
werden. Eine dünne
von einem einzelnen Lötfetttropfen
gebildete Schicht verbraucht weniger Lötfett als mehrere, den gleichen
Bereich abdeckende größere Lötfetttropfen.
Ferner erhöht
ein einzelner Lötfetttropfen,
der sich ausbreitet, um eine dünne Schicht
zu bilden, die Fertigungsgeschwindigkeit, da das Aufbringen eines
einzelnen sich ausbreitenden Tropfens schneller ist, als den gleichen
Oberflächenbereich
mit mehreren größeren Tropfen
abzudecken.
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Da
Lötfett üblicherweise
eine hohe Oberflächenspannung
besitzt, breitet es sich bei der Berührung mit dem Substrat nicht
wesentlich aus. Stattdessen hinterlässt der berührungsfreie Ausgabe-Prozess
einen relativ großen
Tropfen mit einer weitgehend halbkugelförmigen Form und einer kleinen
Kontaktfläche.
D. h., es ist bei der Anwendung konventioneller berührungsfreier
Ausgabevorrichtungen und konventionellen Lötfettes schwierig, eine dünne Lötfettschicht
zu erzeugen.
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3. Aufgabe der Erfindung
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Daher
ist es wünschenswert
und Aufgabe der Erfindung, eine berührungsfreie Tropfen-Ausgabevorrichtung
vorzuschlagen, die in der Lage ist, sowohl einen Tropfen einer viskosen
Flüssigkeit,
z. B. Lötfett,
auszugeben als auch den Tropfen auf einem Substrat auszubreiten,
um seinen Oberflächenkontaktbereich
zu vergrößern.
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4. Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mittels des in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahrens,
das vorsieht, Tropfen einer viskosen Flüssigkeit, z. B. Lötfett, auf
die Oberfläche
eines Substrats auszugeben und anschließend den Tropfen mit mindestens
einem Druckluftstoß abzuflachen
oder auszubreiten.
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Ausgabevorrichtungen
zur Ausgabe von Flüssigkeit
und Luft für
verschiedene Zwecke sind dem Stand der Technik bekannt. Z. B. beschreibt
US-A-5,114,752 eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen flüssigen Materials auf ein Werkstück in Form
einer Perle, die eine gewünschte
Gestalt besitzt. Flüssiges
Material und Gasströme
werden zusammen und abhängig
voneinander ausgestoßen,
um eine weitgehende Gleichmäßigkeit
der Gestalt der Perle zu erzielen. Zusätzlich kann die Strömungsmenge
der Gasströme
geregelt werden, um die Gestalt der Perle selektiv zu ändern.
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US-A-5,356,050 beschreibt
einen Kleber-Aufbringkopf zum Aufbringen drucklosen Klebers auf
ein Substrat. Der Kleber kann sich am Boden einer Kleber-Versorgungsnadel
sammeln und ein Druckluftimpuls wird verwendet, um den Klebertropfen
aus dem Ende der Klebernadel auf das Substrat auszustoßen.
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US-A-4,957,783 verwendet
Luftstrahlen bzw. Luftströme,
um thermoplastisches Material im Flug aufzubrechen, um ein weitgehend
zufälliges
Muster von Tropfen auf einem Substrat zu formen. In
US-A-4,970,985 werden Luftströme benutzt
um den Schwanz eines Kleber-Tropfenstromes zu begrenzen, bzw. zu
führen,
um sicher zu stellen, dass der Schwanz des Tropfenstromes auf den
Hauptteil des zugeordneten Tropfens landet und nicht eine Klebersträhne bildet.
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Im
Gegensatz zu früheren
Vorschlägen
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
einzelne Tropfen ausgestoßen;
nachdem sie mit dem Substrat in Kontakt gekommen sind, werden sie
einem Druckluftstoß ausgesetzt,
um die hohe Oberflächenspannung
der viskosen Flüssigkeit
zu überwinden.
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Die
Erfindung ist insbesondere für
berührungsfreie
Ausgabevorrichtungen geeignet, d.h., Ausgabevorrichtungen mit Düsen, die
das Substrat während
des Aus gabeprozesses nicht berühren.
Der Druckluftstoß trifft
mit einer Kraft auf einen Tropfen, der von einem oder mehreren ausgestoßenen Tropfen
gebildet wird, auf, die ausreicht, um die Oberflächenspannung des Tropfens augenblicklich
zu überwinden,
so dass sich die Flüssigkeit über die
Oberfläche
des Substrates ausbreiten kann, um eine größere Kontaktfläche zu bilden.
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Zu
diesem Zweck und zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von Flüssigkeitstropfen auf ein Substrat
und zum Beaufschlagen der Tropfen mit Luft vorgeschlagen. Die Ausgabevorrichtung
besitzt ein Ausgabegehäuse
mit einem Flüssigkeitsversorgungskanal,
der so ausgeführt
ist, dass er mit einer Flüssigkeitsquelle,
z. B. Lötfett,
verbunden werden kann. Mit dem Ausgabegehäuse ist eine Düse verbunden,
die einen Flüssigkeitsausgabe-Kanal
besitzt, der mit dem Flüssigkeitsversorgungskanal
verbunden ist. Die Düse
besitzt ferner eine Luftausgabeblende, die so ausgeführt ist,
dass sie mit einer Druckluftquelle verbunden werden kann, um selektiv Druckluftstöße auszugeben.
Die Druckluftausgabeblende ist in der Nähe des Flüssigkeits-Ausgabekanals angeordnet,
so dass ein Druckluftstoß auf
ein Flüssigkeitstropfen
auftrifft, der aus einem oder mehreren Tropfen gebildet ist, die
aus dem Flüssigkeitsausgabekanal
ausgestoßen
worden sind. Die Druckluft verbreitert generell den Tropfen und
vergrößert seine
Kontaktfläche
mit dem Substrat. Der Flüssigkeitsausgabekanal
und die Druckluftausgabeblende sind in einer koaxialen Weise zueinander
angeordnet. Z. B. kann der Flüssigkeitsausgabekanal
innerhalb der Druckluftausgabeblende angeordnet sein, so dass er
von der Druckluftausgabeblende umgeben ist.
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Die
Düse besitzt
ein Flüssigkeitsausgabe-Düsengehäuse und
ein Druckluft-Ausgabegehäuse, die
operativ mit dem Gehäuse
der Ausgabevorrichtung verbunden sind. Das Gehäuse der Flüssigkeitsausgabedüse besitzt
einen Flüssigkeitskanal, der
in Strömungsverbindung
mit dem Flüssigkeits-Versorgungskanal
des Gehäuses
der Ausgabevorrichtung steht. Das Gehäuse der Flüssigkeitsausgabedüse besitzt
ein Außengewinde,
so dass es in ein Innengewinde des Gehäuses der Ausgabevorrichtung
und in ein Innengewinde des Druckluftausgabegehäuses geschraubt werden kann.
Das Gehäuse
der Flüssigkeitsausgabedüse besitzt
vorzugsweise einen Ventilsitz und das Gehäuse der Ausgabevorrichtung
besitzt vorzugsweise einen Ventilschaft. Der Ventilsitz ist so ausgeführt, dass
er selektiv den Ventilschaft derart aufnehmen kann, dass, wenn der
Ventilschaft in Eingriff mit dem Ventilsitz ist, keine Flüssigkeit
durch den Flüssigkeitsausgabekanal
fließen
kann. Wenn jedoch der Ventilschaft außer Eingriff mit dem Ventilsitz
gebracht worden ist, kann Flüssigkeit
durch den Flüssigkeitsausgabekanal
fließen.
Ein Regelgerät
ist operativ mit der Flüssigkeitsausgabevorrichtung
verbunden, um den Ventilschaft mit dem Ventilsitz selektiv in Eingriff
und ausser Eingriff zu bringen, um die Tropfen aus dem Flüssigkeitsausgabekanal
auszugeben.
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Das
Regelgerät
ist ferner operativ mit der Druckluftversorgung verbunden, um selektiv
Druckluftstöße zur Ausgabe
durch die Druckluftausgabeblende zu erzeugen. Das Regelgerät ist operativ
mit pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigten Regelventilen der Flüssigkeits-
und Druckluft-Versorgung verbunden, um die Ausgabe der Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitsausgabekanal
und die Druckluftstöße aus der
Druckluftausgabeblende exakt zu regeln. Das Druckluftregelgerät spricht
vorzugsweise in einem vorgegebenen Zeitverhältnis relativ zu der Ausgabe
eines oder mehrer Tropfen an, die mit der Druckluft ausgebreitet
werden sollen. Z. B. kann das Zeitverhältnis zwischen dem Regelventil,
das den Ausstoß von
Druckluft steuert, und dem Regelventil, das die Ausgabe von Flüssigkeitsmaterial
steuert, vorgegeben werden. Es ist offensichtlich, dass die Flüssigkeits-
und Druckluft-Regelgeräte
und die Komponenten die in einem solchen Regelgerät verwendet
werden, verschiedene Konfigurationen haben können.
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Die
Erfindung schlägt
ferner ein Verfahren zur Vergrößerung der
Kontaktfläche
zwischen einem Flüssigkeitstropfen,
z. B. Lötfett,
und einem Substrat, z. B. einer gedruckten Schaltplatte vor. Das
Verfahren beinhaltet im allgemeinen das Aufbringen mindestens eines
Flüssigkeitstropfens
aus einer Düse auf
ein Substrat, wobei eine Kontaktfläche zwischen dem Flüssigkeitstropfen
und dem Substrat gebildet wird. Danach wird mindestens ein Druckluftstoß aus dem
Druckluft-Ausgabekanal
der Düse
ausgegeben. Der Druckluftstoß trifft
auf den Flüssigkeitstropfen auf,
so dass die Kontaktfläche
generell in der oben beschriebenen Art und aus den oben beschriebenen Gründen vergrößert wird.
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Demgemäß schlägt die Erfindung
ein Verfahren zum Aufbringen eines Flüssigkeitstropfens auf ein Substrat
und eine anschließende
Vergrößerung der
Kontakt fläche
des Flüssigkeitstropfens
auf dem Substrat durch einen oder mehrere Druckluftstöße vor.
D. h., das erfindungsgemäße Verfahren
gestattet die wirksame Aufbringung dünner Schichten aus Lötfett oder
anderen viskosen Flüssigkeiten
auf eine gedruckte Schaltplatte. Die dünne Schicht aus Lötfett gewährleistet
eine zuverlässigere
Verbindung der elektrischen Komponenten mit der gedruckten Schaltplatte
und reduziert die Herstellungskosten der gedruckten Schaltplatte.
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Zahlreiche
zusätzliche
Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden den mit dem Stand
der Technik Vertrauten nach dem Studium der folgenden detaillierten
Beschreibung der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit den anhängenden
Zeichnungen leichter verständlich.
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5. Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigt:
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1 Eine
perspektivische Ansicht einer Düsenanordnung,
die aus der Befestigung mit dem Ende einer Flüssigkeitsausgabevorrichtung
ausgebaut ist;
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2 Einen
vergrößerten partiellen
Querschnitt 2-2 der Düse
gemäß 1,
der die Ausgabe eines Flüssigkeitstropfens
zeigt;
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3 Einen
vergrößerten partiellen
Querschnitt ähnlich 2,
der jedoch den Ausstoß von Druckluft
zeigt;
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3A Eine
vergrößerte Ansicht
des eingekreisten Teiles „3A" in 3
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4 Ein
Blockdiagramm eines Regelgerätes
zum Einsatz mit der Flüssigkeitsausgabevorrichtung
gemäß 1;
und
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5 Eine schematische Darstellung der Ein-/Aus-Schaltzeiten-Profile
eines Flüssigkeitsventils
und eines Druckluftventils, die in der Flüssigkeits-Ausgabevorrichtung
gemäß 1 eingesetzt sind.
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6. Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Gemäß 1 besitzt
eine Ausgabevorrichtung 10 ein Ausgabegehäuse 12,
ein Gehäuse
einer Flüssigkeitsausgabedüse 14 und
ein Luftausgabegehäuse 16.
Obwohl das Düsengehäuse 14 und
das Druckluftausgabegehäuse 16 als
separate Teile dargestellt sind, können sie jedoch in einer einstückigen Düse integriert
sein. Die Ausgabevorrichtung 10 ist spezifisch für die Ausgabe
von Flüssigkeiten
geeignet, wie z. B. warmer thermoplastischer Flüssigkeiten, heiß schmelzender
Kleber oder Lötfett,
jedoch können
auch andere Flüssigkeits-Ausgabevorrichtungen
die Vorteile der Erfindung nutzen. Darüber hinaus ist die Ausgabevorrichtung 10 geeignet,
Flüssigkeiten
in diskreten Mengen auszugeben, z. B. als Tropfen oder Punkte oder
in kontinuierlichen Perlenreihen. Wie in 1 gezeigt,
ist das Gehäuse 12 der Ausgabevorrichtung 10 in
Verbindung mit dem Gehäuse
der Flüssigkeitsausgabedüse 14 und
dem Druckluftausgabegehäuse 16 für die Ausgabe
von Flüssigkeitstropfen,
z. B. Lötfett,
auf ein Substrat konstruiert.
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Gemäß 2 und 3 besitzt
das Gehäuse 12 der
Ausgabevorrichtung 10 einen Flüssigkeits-Versorgungskanal 18,
der mit einer Druck-Quelle 20 einer Flüssigkeit 22 verbunden
ist. Diese Flüssigkeit 22 kann
z. B. Lötfett
oder eine andere Viskose-Flüssigkeit
sein, für
die diese Erfindung von Vorteil sein kann. Gemäß einer allgemeinen Richtlinie
für Lötfettanwendungen
beträgt
der Druck des Lötfettes 22 innerhalb
des Flüssigkeits-Versorgungskanals 18 zwischen
ungefähr
0,103 bar (1,5 psi) und ungefähr 0,345
bar (5 psi) für
niedriger viskose Lötfette
und 0,689–1,38
bar (10–20
psi) für
höher viskose
Lötfette. Das
Gehäuse 12 der
Ausgabevorrichtung 10 besitzt ferner einen Ventilschaft 24,
der in dem Flüssigkeitsversorgungskanal 18 angeordnet
ist, und der selektiv aus dem Eingriff mit einem Ventilsitz 26 zurückziehbar
ist. Das Gehäuse 12 der
Ausgabevorrichtung 10 kann eine konventionelle Rückstellfeder-Mechanik enthalten
(nicht dargestellt), die operativ mit dem Ventilschaft 24 verbunden
ist. Die Rückstellfeder drückt den
Ventilschaft 24 gegen den Ventilsitz 26, um die
Flüssigkeits-Strömung durch
die Ausgabevorrichtung 10 in bekannter Weise zu unterbrechen.
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Dadurch,
dass der Ventilschaft
24 in oder außer Eingriff mit dem Ventilsitz
26 gebracht
wird, kann das Ausgabegehäuse
12 und
der zugeordnete Ventilschaft
24 als ein Auf-/Zu-Schaltventil
für eine
Flüssigkeit
oder ein Fluid dienen. Eine geeignete Ausgabe- und Ventilbetätigungs-Mechanik
ist in
U.S. Patent Na. 5,747,102 zu
finden. Der Ventilschaft
24 kann durch ein Regelgerät
28 (
4)
z. B. pneumatisch oder elektrisch betätigt werden, um selektiv das
Lötfett
22 aus
dem Flüssigkeits-Versorgungskanal
18 an die
angeschlossene Flüssigkeits-Ausgabedüse
14 auszugeben.
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Zur
Regelung der Ausgabe flüssigen
Materials besitzt das Regelgerät 28 eine
Ausgabeventil-„Auf"-Zeit- und Antriebs-Schaltung 30,
die operativ mit dem Ventilschaft 24 verbunden ist, um
den Ventilschaft 24 auf ein Auslösesignal 32 hin, das
sie von einer Auslöseschaltung 34 erhält, von
dem Ventilsitz 26 zurückzuziehen.
Auf den Empfang des Auslösesignals 32 hin
zieht die Schaltung 30 den Ventilschaft 24 von
dem Ventilsitz 26 zurück
bzw. löst
den Ventilschaft 24 von dem Ventilsitz 26, während einer
vorgewählten
Zeitperiode, die vorzugsweise in einem Bereich von 0 ms bis ungefähr 100 ms
wählbar
ist, so dass Flüssigkeit 22,
wie nachstehend ausführlich
beschrieben, aus der Ausgabevorrichtung 10 strömen kann.
Wenn der vorgewählte
Offen-Zustand des Ventilschaftes 24 abläuft wird der Ventilschaft 24 wieder mit
dem Ventilsitz 26 in Eingriff gebracht, um den Strom der
Flüssigkeit 22 abzustellen.
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Eine
Aufnahmehülse 36 besitzt
an einem ihrer Enden ein Innengewinde 38 zur Aufnahme eines Außengewindes 40 des
Ausgabegehäuses 12.
Die Aufnahmehülse 36 besitzt
eine interne Schulter 42 mit einer Durchgangsbohrung 44,
die im Zentrum der internen Schulter 42 angeordnet ist.
Die Durchgangsbohrung 44 steht in Strömungsverbindung sowohl mit dem
Flüssigkeits-Versorgungskanal 18 als
auch mit dem Gehäuse
der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14.
Die interne Schulter 42 hält den Ventilsitz 26 und
ein Dichtungselement 46 an einem Endteil 48 des
Ausgabegehäuses 12,
wenn die Aufnahmehülse 36 auf das
Außengewinde 40 des
Ausgabegehäuses 12 aufgeschraubt
ist. Dadurch steht das Dichtungselement 46, das vorzugsweise
aus Teflon hergestellt ist, in dichtendem Eingriff mit dem Endteil 48,
um Leckagen des Lötfettes 22 durch
die Gewinde 38, 40 zu verhindern. Die Aufnahmehülse 36 besitzt
auch an ihrem anderen Ende ein Innengewinde 50. Das Innengewinde 50 dient
zur Aufnahme eines Außengewindes 52 des
Gehäuses
der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14.
Wenn das Gehäuse
der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 in
das Innengewinde 50 eingeschraubt ist, berührt ein
Ende 54 des Gehäuses
der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 die
interne Schulter 42 der Aufnahmehülse 36 und steht mit
der internen Schulter 42 der Aufnahmehülse 36 in dichtendem
Eingriff, um Leckagen des Lötfettes 22 durch
die Gewinde 50 und 52 zu verhindern.
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Das
Gehäuse
der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 besitzt
einen internen Flüssigkeitskanal 56,
der in Strömungsverbindung
mit dem Flüssigkeits-Versorgungskanal 18 steht,
und einen Flüssigkeits-Ausgabekanal 58a einer
Düsenspitze 58,
die von einem Endteil 60 des Gehäuses der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 wegragt. Der
Endteil 60 besitzt ein Außengewinde 62, das
in ein Innengewinde 64 des Luftausgabegehäuses 16 einschraubbar
ist, und insbesondere eine Platte 66. Die Platte 66 ist
mittels einer Presspassung in einen Einschnitt 68 des Luftausgabegehäuses 16 eingepasst.
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Das
Luftausgabegehäuse 16 besitzt
eine Luftkammer 70 und eine Luftausgabeblende 72,
die in Strömungsverbindung
mit einem Lufteintrittskanal 74 stehen. Der Lufteintrittskanal 74 ist
operativ mit einem Luftregelventil 76 (3 und 4)
verbunden, das ein operativ mit einer Druckluftversorgung 78 verbundenes
Magnetventil sein kann. Zur Regelung des Austritts von Druckluftstößen aus
der Druckluftausgabeblende 72 besitzt das Regelgerät 28 eine Luftverzögerungsschaltung 80,
die mit einer Zeit- und Antriebsschaltung verbunden ist, die operativ
mit dem Druckluftregelventil 76 verbunden ist. Wie nachstehend
detaillierter beschrieben wird, synchronisieren das Regelgerät 28 und
das Druckluftregelventil 76 den Austritt der Druckluftstöße aus der
Druckluftausgabeblende 72 mit der Ausgabe von Flüssigkeit aus
dem Flüssigkeits-Ausgabekanal 58a.
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Vorzugsweise
liefert das Druckluftregelventil 76 selektiv geregelte
Druckluftstöße an die
Druckluftkammer 70, die danach durch die Druckluft-Austrittsblende 72 austreten.
Vorzugsweise liegt der Druck der Druckluft-Versorgung 78 zwischen
ungefähr
10 psi und ungefähr
30 psi. Materialien mit höherer
Viskosität
benötigen üblicherweise
einen höheren
Luftdruck. Bei gewissen Anwendungen kann es von Vorteil sein, einen
oder mehrere Flüssigkeitstropfen
mit mehreren Druckluftstößen zu beaufschlagen.
Ferner können
die Druckluftstöße mit verschiedenen
Drücken
ausgestoßen
werden, um eine gewünschte Ausbreitung
des Flüssigkeitstropfens
zu erzielen. Es kann ferner zahlreiche Anwendungen geben, bei denen es
wünschenswert
wäre, bestimmte
Flüssigkeitstropfen
abzuflachen oder auszubreiten, während andere
Flüssigkeitstropfen
in ihrem typischen Ausgabezustand belassen werden.
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Vorteilhafterweise
sind die Druckluftkammer 70 und die Druckluftausgabeblende 72 co-axial
mit dem Flüssigkeits-Ausgabekanal 58a ausgerichtet, der
sich von dem Endteil 60 des Gehäuses der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 weg
erstreckt. Vorzugsweise ist der Flüssigkeits-Ausgabekanal 58a innerhalb der
Druckluftkammer 70 und der Druckluftausgabeblende 72 angeordnet,
so dass er von der Druckluftkammer 70 und der Druckluftausgabeblende 72 umgeben
ist.
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Die
Ausgabevorrichtung 10 ist für den Betrieb ausgelegt, um
einen Tropfen 84 Lötfett 22 auf ein
Substrat 86, z. B. eine gedruckte Schaltplatte, auszugeben. Üblicherweise
ist es erforderlich, mehrere Tropfen 84 Lötfett 22 auf
spezifische bestimmte Bereiche der gedruckten Schaltplatte 86 auszugeben.
Während
der Ausgabeoperation wird die gedruckte Schaltplatte 86 in
Position gehalten und die Ausgabevorrichtung 10 wird relativ
zu der gedruckten Schaltplatte 86 in jede der gewünschten
Ausgabepositionen bewegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. der erfindungsgemäße Prozess
beginnt mit der Positionierung der Ausgabevorrichtung 10 in
einer gewünschten
Ausgabeposition über
dem Substrat 86. Der Abstand zwischen einem Ende 88 des
Flüssigkeits-Ausgabekanals 58a und
der gedruckten Schaltplatte 86 kann, abhängig von
den Anwendungsbedingungen, im Bereich von ungefähr 0,5 mm (0,02 inch) bis ungefähr 19 mm
(0,75 inch) liegen. Im nächsten Verfahrensschritt
wird, wenn die Zeitschaltung 30 ein Auslösesignal 32 empfängt, der
Ventilschaft 24 selektiv von dem Ventilsitz 26 abgehoben,
so dass das unter Druck stehende Lötfett 22 während einer
vorgegebenen Zeitspanne, die von der Zeitschaltung 30 vorgegeben
ist, durch den Flüssigkeitskanal 56 des Gehäuses der
Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 strömen kann.
Wenn die vorgegebene Zeitspanne für die Flüssigkeitsströmung abgelaufen
ist, kommt der Ventilschaft 24 wieder mit dem Ventilsitz 26 in
Eingriff, um eine weitere Strömung
des Lötfettes 22 in
den Flüssigkeitskanal 56 zu
beenden. Dadurch wird, wie in 2 und 3 dargestellt,
von dem Flüssigkeits-Ausgabekanal 58a des
Gehäuses
der Flüssigkeits-Ausgabedüse 14 ein
Tropfen 84 aus Lötfett 22 geformt
und danach ausgegeben. Wie in 3 dargestellt,
fällt der
Tropfen 84 danach aus dem Flüssigkeits-Ausgabekanal 58a,
um sich auf dem Substrat 86 in Form eines leicht abgeflachten
Tropfens 84a abzulagern (3). Der
Tropfen 84a bildet mit dem Substrat 86 eine Kontaktfläche 92a.
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Angeregt
durch das Auslösesignal 32,
das die Ausgabe des Tropfens 84a einleitet, startet die Luftverzögerungsschaltung 80 ein
vorgewähltes
Zeitprogramm, das die Erzeugung und den Ausstoß eines Druckluftstoßes aus
der Druckluft-Ausgabeblende 72 verzögert, bis
das vorgewählte
Zeitprogramm abgelaufen ist. Wenn das vorgewählte Zeitprogramm abgelaufen
ist, öffnet
das Druckluft-Regelventil 76, gesteuert
durch die Zeit- und Antriebs-Schaltung 82, für eine vorgewählte Zeitspanne.
Vorzugsweise ist der Offen-Zustand des Druckluftregelventils 76 in
einem Bereich von 0 ms bis ungefähr
100 ms wählbar.
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Der
Druckluftstoß tritt
in die Luftkammer 70 ein und entladet sich anschließend durch
die Druckluft-Ausgabeblende 72. Wie in 3 durch
die vertikalen Pfeile dargestellt, trifft die Druckluft dabei derart auf
den Tropfen 84a auf, dass der Tropfen 84a ausreichend
ausgebreitet wird, um den flachen Tropfen 84b zu bilden,
wodurch die Kontaktfläche 92a zur Kontaktfläche 92b unterhalb
des Tropfens 84b vergrößert wird,
wie am besten aus 3A ersichtlich ist. D. h. die
Höhe des
ausgebreiteten Tropfens 84b wird gegenüber der Höhe des Tropfens 84a stark
reduziert und die Kontaktfläche 92b ist
nennenswert größer als
die Kontaktfläche 92a.
D. h., wenn das Lötfett 22 des
Tropfens 84b von dem Druckluftstoß getroffen wird, breitet es
sich aus und bedeckt einen größeren Bereich
des Substrates 86 als der ursprüngliche Tropfen 84a.
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Nachdem
der Druckluftstoß auf
den Tropfen 84a aufgetroffen ist, ist die Ausgabeoperation
für einen
Tropfen beendet und die Ausgabevorrichtung wird über der nächsten gewünschten Ausgabeposition positioniert.
Dieser Ausgabeprozess wird über der
gedruckten Schaltplatte wiederholt fortgesetzt, bis alle gewünschten
Ausgabepositionen mit ausgebreiteten Tropfen von Lötfett 22 bedeckt
sind. Es ist zu beachten, dass der Tropfen 84a aus mehr
als einem in der gleichen Position oder weitgehend der gleichen
Position ausgegebenen Tropfen bestehen kann. Mit anderen Worten,
die Verwendung des singularen Begriffes „Tropfen" ist in diesem Zusammenhang nicht in
einer begrenzenden Weise zu verstehen.
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Wie
in 5 schematisch dargestellt, wirken der
Ventilschaft 24 als Fluidventil und das Luftregelventil 76 als
Luftventil, die zyklisch öffnen
und schließen,
um kleine Mengen von Lötfett 22 und
Druckluft auszugeben. Für
Anwendungen zur Lötettausgabe bleibt
das Fluidventil 24, 26 vorzugsweise für eine Zeitspanne „t1" offen,
die im Bereich von ungefähr
2 ms und ungefähr
4 ms liegt. In gleicher Weise bleibt für Lötfettausgabe-Anwendungen das
Luftregelventil 76 vorzugsweise während einer Zeitspanne „t2" offen, die
im Bereich zwischen ungefähr
3 ms und ungefähr 6
ms liegt. Das Luftregelventil 76 ist derart betätigbar, dass
es für
eine vorgegebene Zeitspanne, repräsentiert durch die Verzögerungszeit „td" öffnet, nachdem das
Fluidventil 24, 26 geöffnet worden ist. D. h., das Druckluftregelventil 76 kann öffnen bevor
der Ventilschaft 24 zuschließt. Wenn die Verzögerungszeit „td" null
ist, öffnet
das Druckluftregelventil 76 zur gleichen Zeit zu der das
Flüssigkeits-Ausgabeventil 24, 26 öffnet. Wenn
dagegen die Verzögerungszeit „td" gleich der
Zeit „t1" ist,
schließt
das Fluidventil 24, 26 zu der gleichen Zeit, zu
der das Druckluftregelventil 76 öffnet. Für Anwendungen zur Lötfettausgabe
liegt die Verzögerungszeit „td" vorzugsweise
im Bereich von ungefähr
2 ms bis ungefähr
4 ms. Natürlich
ist den mit dem Stand der Technik Vertrauten offensichtlich, dass
sowohl die Ausgabezeitspannen für
flüssiges Material
und Druckluft als auch die vorgewählten Verzögerungszeiten zwischen den
jeweiligen Flüssigkeits-/Luft-Ausgabe-Zyklen
für jede
spezielle Ausgabeanwendung unterschiedlich sind.
-
Es
ist offensichtlich, dass die Menge des von der Ausgabevorrichtung 10 ausgegebenen
Lötfettes 22 von
verschiedenen Faktoren abhängig
ist, wie z. B.: dem Druck der Quelle 20, der Länge der
Zeitspanne „t1",
während
der das Fluidventil 24, 26 offen ist, und den
physikalischen Dimensionen des Gehäuses der Flüssigkeitsausgabedüse 14.
Z. B. kann durch die Vergrößerung des
inneren Durchmessers des Flüssigkeitskanals 56 und
des Flüssigkeits-Ausgabekanals 58a an
der Düsenspitze 58 die
Menge des während
einer gegebenen Zeitspanne „t1" ausgegebenen
Lötfettes 22 vergrößert werden.
D. h., in die Düsenaufnahmenhülse 36 können leicht
Flüssigkeitskanäle 56 und
Flüssigkeits-Ausgabekanäle 58a eingeschraubt
werden, um Tropfen unterschiedlicher Größe zu erzeugen. Es ist ferner
offensichtlich, dass das Gehäuse
der Flüssigkeitsausgabedüse 14 und das
Luftausgabegehäuse 16 als
integrales Teil hergestellt werden können.