CH675216A5

CH675216A5 -

Info

Publication number: CH675216A5
Application number: CH4661/87A
Authority: CH
Inventors: Gustav Wirz
Original assignee: Alphasem Ag
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1990-09-14
Also published as: US4974754A

Description

1

CH675 216 A5

2

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Dosieren und Abgeben flüssiger oder pastöser Substanzen. Mit derartigen Vorrichtungen sollen zumeist sehr kleine Mengen von Flüssigkeiten oder Pasten wie z.B. Schmiermittel, Fritten, Farben, Klebstoffe usw. abgegeben oder aufgetragen werden. Die Vorrichtungen sind zumeist auch Bestandteil einer automatischen Arbeitsmaschine, so dass die Abgabe im Maschinentakt in regelmässigen Zeitintervallen erfolgen muss.

Es sind beispielsweise bereits Dosiervorrichtungen bekannt, bei denen die Substanz in eine zylindrische Patrone gefüllt wird, die an einem Ende eine Abgabespitze mit einem Kapillarröhrchen aufweist. Die Vorratspatrone ist über einen Schlauch an ein Druckluftsystem angeschlossen, das mit Hilfe einer Steuervorrichtung dosierte Druckstösse auf die Patrone abgibt. Die gewünschte Substanzmenge tritt so in beliebigen Zeitintervallen aus den Kapillarröhrchen aus. Auf ähnliche Weise können auch Mi-kroliterspritzen mit motorisch antreibbaren Kolben eingesetzt werden.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht jedoch darin, dass sie nur schwierig oder überhaupt nicht zu reinigen sind, so dass die wesentlichen Bauteile zumeist als Verschleissteile zum Wegwerfen ausgebildet sind. Bei sehr abriebintensiven Substanzen, wie z.B. die in der Elektronikindustrie zum Kleben von Bauteilen verwendete Sil-ber-Glas-Paste, treten in der Regel schon nach kurzer Zeit Verschleisserscheinungen und Betriebsstörungen auf. Ausserdem haben bekannte Vorrichtungen zumeist nur eine beschränkte Vorratskapazität, so dass zum Nachladen oder Nachfüllen der Arbeitsprozess unterbrochen werden muss. Schliesslich ist auch eine ausreichende Präzision bei der Dosierung nicht immer gewährleistet, da zu viele Komponenten die Dosierung an der Austrittsstelle beeinflussen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Dosiervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich über längere Zeit auch abriebintensive und/oder sehr zähe Flüssigkeiten hochpräzise und vollautomatisch dosieren lassen. Die Vorrichtung soll sich schnell und leicht reinigen lassen und nur ein Minimum an austauschbaren Verschleissteilen aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einer Dosiervorrichtung gelöst, welche die Merkmale im Anspruch 1 aufweist.

Die Dosierkammer mit der flexiblen Membran bildet praktisch eine Pumpe, da das Kammervoiumen mit Hilfe des Betätigungsmittels vergrössert oder verkleinert werden kann. Die Dosierkammer kann dabei so klein wie möglich dimensioniert sein, so dass die Kompressibilität der Substanz einen möglichst geringen Einfluss auf den Dosiervorgang ausübt. Ein relativ grosser Vorratsbehälter für die Substanz kann an die Dosierkammer angeschlossen werden. Die Dosierkammer lässt sich zudem sehr nahe bei der Austrittsstelle bzw. der Auftragsstelle für die Substanz anordnen. In der Regel genügt eine einzige Membran. Es wäre jedoch auch denkbar, dass die Dosierkammer zwei parallele

Membrane als Begrenzungsflächen aufweist, und dass jede Membran ein eigenes Betätigungsmittel aufweist.

Das Betätigungsmittel ist vorzugsweise ein Druckmittelzylinder, insbesondere ein Pneumatikzylinder, dessen Kolben mittelbar oder unmittelbar auf die Membran einwirkt. Mit Hilfe des Kolbens kann die Membran gegen das Innere der Dosierkammer gepresst werden, so dass sich deren Volumen verkleinert. Pneumatikzylinder sind relativ einfach zu steuern, arbeiten auch unter schwierigen Arbeitsbedingungen gefahrlos und erfordern keine aufwendigen Dichtungs- und Leitungssysteme. Selbstverständlich könnte das Betätigungsmittel aber auch ein elektromagnetischer Antrieb, ein motorisch angetriebenes Hebelsystem oder dergleichen mehr sein.

Eine besonders rationelle und störungsfreie Arbeitsweise der Dosiervorrichtung kann erreicht werden, wenn die Einlassöffnung und die Auslassöffnung durch Anpressen der Membran mit je einer im Bereich dieser Öffnungen ausserhalb der Membran angeordneten Verschliessvorrichtung ver-schliessbar ist. Auf diese Weise hat die Membran auch noch eine Ventilfunktion, indem sie die Öffnungen in der Begrenzungsfläche der Dosierkammer verschliesst. Selbstverständlich könnten diese Öffnungen aber auch durch andere Absperrmittel verschlossen bzw. freigegeben werden. Die Ver-schliessvorrichtungen sind vorzugsweise ebenfalls Druckmittelzylinder, deren Kolben mittelbar oder unmittelbar auf die Membran einwirken. Aus den bereits erwähnten Gründen werden auch hier Pneumatikzylinder eingesetzt.

Eine besonders leichte Reinigung der Vorrichtung kann erreicht werden, wenn die Dosierkammer als flache, ebene Vertiefung in einem etwa prismatischen Kammerkörper ausgebildet ist und wenn die Membran über die Vertiefung auf den Kammerkörper aufgelegt ist. Der Kammerkörper kann dabei einen Einlassstutzen und einen Auslassstutzen aufweisen, welche Stutzen mittels Bohrungen mit der Dosierkammer verbunden sind, welche in den Boden der Vertiefung münden und dort die Einlassöffnung bzw. die Auslassöffnung bilden. Der Kammerkörper bildet auf diese Weise ein Bauteil, der lediglich mit Bohrungen oder Kanälen versehen ist. Um freien Zugang zur Dosierkammer bzw. zu den genannten Bohrungen zu erhalten, braucht lediglich die Membran abgehoben zu werden. Die Membran kann so als billiges Verschleissteil ausgebildet sein, das bei Bedarf ausgewechselt werden kann. Die Membran wird vorzugsweise aus Kunststoffmaterial wie z.B. Silikon hergestellt. Dadurch wird eine hohe Flexibilität im Bereich des Betätigungsmittels und eine gute Dichtwirkung im Bereich der Verschliess-vorrichtungen gewährleistet.

Besonders einfach lässt sich die Membran austauschen bzw. der Kammerkörper reinigen, wenn dieser mit einer Spannvorrichtung derart gegen eine Zwischenplatte pressbar ist, dass die Membran über der Vertiefung festgehalten wird, und wenn die Zwischenplatte Öffnungen für die Verschliess-vorrichtungen und für das Betätigungsmittel aufweist. Durch einfaches Lösen der Spannvorrich-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 675 216 A5

4

tung kann so der Kammerkörper mit der Membran schnell entfernt werden, ohne dass zusätzliche Demontagearbeiten erforderlich sind. Die Membran ist mit keinem Bauteil fest verbunden, sondern wird lediglich zwischen den Kammerkörper und der Zwischenplatte eingeklemmt.

Der Kolbenhub des als Betätigungsmittel dienenden Druckmittelzylinders kann mit einer Einsteilvorrichtung justierbar sein. Dadurch lässt sich die zu dosierende Menge jederzeit rasch ändern bzw. korrigieren. Die Einstellvorrichtung kann dabei eine auf den Kolben bzw. die Kolbenstange einwirkende Stellschraube aufweisen. Diese kann z.B. auch als Einbaumikrometer mit einem Nonius zur genauen Einstellung ausgebildet sein. Vorteilhaft wäre aber auch die Verwendung eines elektrischen Stellmotors mit einer auf den Kolben bzw. auf die Kolbenstange einwirkenden Spindel. Mit Hilfe des Elektromotors liesse sich die Einstellung weitgehend automatisieren, indem z.B. in einem Datenspeicher verschiedene Einstellungen gespeichert sind, die dem Stellmotor wahlweise als Steuersignale zugeführt werden können.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der beschriebenen Dosiervorrichtung an einem automatischen Die-Bonder zum Befestigen elektronischer Bauteile, insbesondere Chips, auf einem Substrat zur Dosierung eines Bindemittels auf dem Substrat. Bei Die-Bondern wird in der Regel als Bindemittel ein Epoxy, eine Lötpaste oder eine Silber-Glas-Paste eingesetzt, welche in automatischen Vorrichtungen äusserst schwierig zu handhaben sind. Dies trifft im besonderen Masse für die Silber-Glas-Paste zu. Bei Die-Bondern werden jedoch äusserst hohe Anforderungen an Geschwindigkeit und Präzision gestellt, so dass sich die Verwendung der genannten Dosiervorrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Die Stillstandszeiten der Anlage können auf ein Minimum reduziert werden, und mit Ausnahme der leicht austauschbaren Membran treten keine Verschleisserscheinungen auf.

Weitere Vorteile und Einzelmerkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungs-gemässe Vorrichtung,

Figur 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäss Figur 1,

Figur 3 einen Querschnitt durch ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel,

Figur 4 einen Querschnitt durch den Kammerkörper in drei verschiedenen Einzelsequenzen eines Dosiervorgangs,

Figur 5 eine Draufsicht auf den Kammerkörper mit der Vertiefung ohne Membran und Figur 6 eine Draufsicht auf eine Membran.

Wie insbesondere aus den Figuren 1 und 2, teilweise aber auch aus den übrigen Figuren ersichtlich ist, besteht die Dosiervorrichtung 1 im wesentlichen aus einem etwa prismatischen Kammerkörper 13, in dem auf einer Seite eine flache, ebene Vertiefung 12 angeordnet ist. Über der Vertiefung liegt eine flexible Membran 4, so dass eine Dosierkammer

3 gebildet wird, deren Volumen mit Hilfe der Membran 4 veränderbar ist.

Die Dosierkammer 3 hat eine Einlassöffnung 5 und eine Auslassöffnung 6 im Boden 18 der Vertiefung 12. Der Kammerkörper 13 weist ausserdem einen Einlassstutzen 14 und einen Auslassstutzen 15 auf. Eine Bohrung 16 führt vom Einlassstutzen 14 zur Einlassöffnung 5 und eine Bohrung 17 führt vom Auslassstutzen 15 zur Auslassöffnung 6. Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ist an den Einlassstutzen 14 ein Vorratsbehälter 29 angeschlossen, der einen Vorrat einer flüssigen Substanz 2, beispielsweise einer Silber-Glas-Paste enthält. Die Substanz 2 wird z.B. mittels Gasdruck mit einem Druck P beaufschlagt. Anstelle des Vorratsbehälters 29 könnte aber z.B. auch eine die Substanz führende Schlauchleitung an den Einlassstutzen 14 angeschlossen sein.

Der Auslassstutzen 15 ist mit einem schnell wechselbaren Verteilerkopf 31 zum Verteilen der abzugebenden Substanz versehen. Ein auf einem Arbeitstisch 32 liegendes Substrat oder Werkstück 33 kann so mit einem Bindemitteltropfen 34 von einer bestimmten Konfiguration versehen werden. Anstelle des Verteilerkopfs 31 könnte aber auch eine Düse, ein Kapillarröhrchen oder dergleichen am Auslassstutzen 15 befestigt sein.

Der Kammerkörper 13 mit der aufgelegten Membran 4 wird mit Hilfe einer Spannvorrichtung 19 derart gegen eine Zwischenplatte 20 gepresst, dass dadurch die Membran festgehalten wird. Die Spannvorrichtung 19 ist ein Materialklotz mit einer Gewindebohrung, in welche eine Spannschraube 24 eingeschraubt ist. Zwei Zylinderstifte 25 in der Zwischenplatte 20 dienen als Positionierelemente für den Kammerkörper 13. Wie insbesondere aus Figur 5 ersichtlich ist, sind die Bohrungen 41 zur Aufnahme der Zylinderstifte bzw. die Zylinderstifte selbst auf beiden Seiten der Vertiefung 12 versetzt angeordnet. Eine rund um die Vertiefung 12 laufende Aufnahmenut 42 hat eine Tiefe, welche etwa der Dicke der Membran 4 entspricht. Die Membran 4 kann so in einer definierten Lage über die Vertiefung 12 gelegt werden und ihre Aussenseite verläuft ausserdem etwa bündig mit der Aussenseite des Kammerkörpers.

Im Bereich der Öffnungen 5 und 6 sind ausserhalb der Membran 4 Verschliessvorrichtungen 10 in der Form von Kurzhubzylindern mit dem Kolben 11 a und 11b angeordnet. Zwischen den beiden Verschliessvorrichtungen 10a und 10b liegt ein Betätigungsmittel 7, ebenfalls in der Form eines pneumatischen Kurzhubzylinders mit seinem Kolben 8. In der Zwischenplatte 20 sind Öffnungen 21 vorgesehen, durch welche die Verschliessvorrichtungen und das Betätigungsmittel auf die Membran 4 einwirken können. Der Kolben 8 ist mit einem Stempel 9 verbunden, mit dessen Hilfe die Membran 4 zur Veränderung des Kammervolumens beaufschlagt werden kann. Die beiden Kolben 11aund11b können die Membran 4 gegen die Einlassöffnung 5 bzw. gegen die Auslassöffnung 6 pressen.

Der Kolben 8 des Betätigungsmittels 7 ist ausserdem mit einer Kolbenstange 43 verbunden, die in eine Einstellvorrichtung 22 ragt. Diese Einstellvor5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 675 216 A5

6

richtung besteht ebenfalls aus einem Materialklotz mit einer Gewindebohrung, in welche eine Stellschraube 23 eingeschraubt werden kann. Mit Hilfe dieser Stellschraube kann die Hubbewegung der Kolbenstange 43 und damit des Stempels 9 begrenzt bzw. eingestellt werden. Die Stellschraube 23 wird manuell betätigt. An deren Stelle kann aber auch eine elektromotorisch betätigte Stellspindel treten.

Die beiden Verschliessvorrichtungen 10a und 10b sind in einem Zylinderblock 40 untergebracht, der mit Hilfe von Schrauben 39 an einer Halteplatte 38 befestigt ist. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, werden die einzelnen Bauteile, insbesondere die Spannvorrichtung 19, die Zwischenplatte 20, die Halteplatte 38 und die Einstellvorrichtung 22 durch parallele Spannplatten 28 und 28' zusammengehalten, und zwar mit Hilfe von durch die beiden Spannplatten geschraubten Befestigungsschrauben 37. Aus Figur 2 sind auch der Schlauchanschluss 35 für das pneumatische Betätigungsmittel 7 und die hintereinander liegenden Schlauchanschlüsse 36 für die beiden pneumatischen Verschliessvorrichtungen 10a und 10b ersichtlich.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 ist im wesentlichen Aufbau gleich wie das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel. Im Boden 18 der Vertiefung 12 ist jedoch zusätzlich noch eine etwa konkave Mulde 26 angeordnet. Der gegen die Membran 4 pressbare Stempel 9 hat eine dementsprechend konvexe Stirnseite, so dass die Dosierkammer im Bereich der Mulde 26 vollständig aus-stossbar ist. Ein Kanal 27 führt von der tiefsten Stelle 26 zur Dosierkammer 3, und zwar auslass-seitig. Beim Ausstossen der Mulde 26 gelangt die Substanz somit über den Kanal 27 direkt gegen die Auslassbohrung 17. Mit der Verschliessvorrich-tung 10b kann anderseits sowohl der Kanal 27 als auch die Auslassbohrung 17 verschlossen werden.

Der Betrieb der erfindungsgemässen Dosiervorrichtung wird anhand von Figur 4 in drei Sequenzen dargestellt. In der Ausgangsposition gemäss 4a wird die Dosierkammer 3 gefüllt, indem der Kolben 11 a in Öffnungsposition O steht, so dass die Membran 4 die Einlassöffnung 4 freigibt. Der Kolben 11b steht dagegen in Schliessstellung S, so dass die Auslassöffnung 6 mit der Membran 4 verschlossen wird. Der Stempel 9 steht ebenfalls in Öffnungsstellung O, und zwar mit dem durch die oben erwähnte Einstellvorrichtung zugelassenen Hub. Da die über den Einlassstutzen 14 zugeführte Substanz unter Druck steht, wird die Membran 4 unter diesem Druck gegen den Kolben 11a bzw. gegen den Stempel 9 gepresst. Die zugeordneten Pneumatikzylinder sind bei dieser Betriebslage entlastet, während der dem Kolben 11b zugeordnete Pneumatikzylinder unter Druck steht.

Nachdem die Dosierkammer 3 derart mit der Substanz gefüllt wurde, wird der Kolben 11a in Schliessstellung S gebracht, so dass die Einlassöffnung 5 wiederum verschlossen wird. Diese Betriebsstellung ist in Figur 4b dargestellt. Gleichzeitig oder mit etwas Verzögerung kann der Kolben 11b in Öffnungsstellung O gebracht werden, so dass die Auslassöffnung 6 freigegeben wird. Der Stempel 9 befindet sich dabei immer noch in Öffnungsstellung.

Anschliessend wird, wie in Figur 4c dargestellt, der Stempel 9 in Schliessstellung S gebracht, so dass sich das Volumen der Dosierkammer 3 wiederum verringert und die darin enthaltene Substanz über die Auslassöffnung 6 in die Auslassbohrung 17 und von dort auf das Werkstück bzw. das Substrat 33 gepresst wird. Die sequentielle Steuerung der einzelnen Pneumatikzylinder ist dem Fachmann an sich bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben. In rascher Folge können so kleinste Mengen der Substanz dosiert und abgegeben werden. Zum Reinigen der Vorrichtung braucht lediglich die Spannschraube 24 gelöst zu werden, so dass der Kammerkörper 13 von der Zwischenplatte 20 abgehoben und entfernt werden kann. Die Reinigung kann z.B. mittels Lösungsmitteln und/oder Druckluft erfolgen.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind in etwa 1,8- bis 2-facher Vergrösserung dargestellt. Die Dicke der Silikonmembran beträgt ca. 1 mm und die Tiefe der Vertiefung 12 lediglich etwa 0,3 mm. Je nach Durchmesser und Hub des Stempels 9 können unterschiedliche Mengen dosiert werden. Selbstverständlich können die Dimensionen abgeändert werden, ohne dass dabei der Erfindungsgedanke verlassen wird. Es wäre auch denkbar, das Volumen der Dosierkammer 3 grösser auszubilden, so dass mit einer Kammerfüllung durch sequentielle Betätigung des Stempels 9 mehrere Einzeldosierungen erfolgen können.

Claims

Patentansprüche

1. Dosiervorrichtung (1) zum Dosieren und Abgeben flüssiger oder pastöser Substanzen (2), gekennzeichnet durch eine Dosierkammer (3), die wenigstens eine, als flexible Membran (4) ausgebildete Begrenzungsfläche sowie eine verschliessbare Einlassöffnung (5) und eine verschliessbare Auslassöffnung (6) aufweist, und durch wenigstens ein mit der Membran (4) in Wirkverbindung stehendes Betätigungsmittel (7) zum Verändern des Kammervolumens.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsmittel (7) ein Druckmittelzylinder ist, dessen Kolben (8) mittelbar oder unmittelbar auf die Membran (4) einwirkt.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (5) und die Auslassöffnung (6) durch Anpressen der Membran (4) mit je einer im Bereich dieser Öffnungen ausserhalb der Membran angeordneten Verschliessvorrichtung (10) verschliessbar ist.

4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschliessvorrichtungen Druckmittelzylinder sind, deren Kolben (11a, 11b) mittelbar oder unmittelbar auf die Membran (4) einwirken.

5. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierkammer (3) als flache, ebene Vertiefung (12) in einem etwa prismatischen Kammerkörper (13) ausgebildet ist und dass die Membran über die Vertiefung auf dem Kammerkörper aufgelegt ist.

6. Dosiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

7

CH 675 216 A5

gekennzeichnet, dass der Kammerkörper (13) einen Einlassstutzen (14) und einen Auslassstutzen (15) aufweist, und dass diese Stutzen mittels Bohrungen (16, 17) mit der Dosierkammer (3) verbunden sind, welche in den Boden (18) der Vertiefung münden und dort die Einlassöffnung (5) bzw. die Auslassöffnung (6) bilden.

7. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist.

8. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammerkörper (13) mit einer Spannvorrichtung (19) derart gegen eine Zwischenplatte (20) pressbar ist, dass die Membran (4) über der Vertiefung (12) festgehalten wird, und dass die Zwischenplatte (20) Öffnungen (21) für die Verschliessvorrichtungen (10) und für das Betätigungsmittel (7) aufweist.

9. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenhub des als Betätigungsmittel (7) dienenden Druckmittelzylinders mit einer Einstellvorrichtung (22) justierbar ist.

10. Dosiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (22) eine auf den Kolben (8) bzw. die Kolbenstange einwirkende Stellschraube (23) aufweist.

11. Dosiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (22) einen elektrischen Stellmotor mit einer auf den Kolben (8) bzw. auf die Kolbenstange einwirkenden Spindel aufweist.

12. Dosiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (19) eine Spannschraube (24) aufweist und dass der Kammerkörper (13) mittels wenigstens zwei Positionierelementen (25) an der Zwischenplatte (20) positionierbar ist.

13. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden (18) der Vertiefung (12) eine konkave Mulde (26) angeordnet ist, deren tiefster Punkt über einen Kanal (27) mit der Dosierkammer (3), vorzugsweise aus-lassseitig verbunden ist, und dass das Betätigungsmittel (7) einen konvexen, in die Mulde pressbaren Stempel (9) aufweist.

14. Automatischer Die-Bonder zum Befestigen elektronischer Bauteile auf einem Substrat oder Werkstück (33) mit einer Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Dosierung eines Bindemittels (34) auf dem Substrat bzw. Werkstück.

15. Verwendung einer Silber-Glas-Paste als Bindemittel in einem automatischen Die-Bonder nach Anspruch 14.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5