DE10137195C1

DE10137195C1 - Vorrichtung zum Aufbringen eines fließfähigen Mediums auf eine Oberfläche eines Substrats

Info

Publication number: DE10137195C1
Application number: DE10137195A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoehn; Dirk Jacob
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: WO2003011477A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Aufbringen eines fließfähigen Mediums auf eine Oberfläche eines Substrats (6), insbesondere zum Präzisionsdispensen von Klebstoff, mit einem Dosierelement (4) einer Manipulatoreinheit zum Zudosieren des Mediums und einer ein Druckmesselement (3) umfassenden Messvorrichtung (7) zum Messen eines Abstands (z) zwischen dem Dosierelement (4) und dem Substrat (6), wobei aus einer Ausfließöffnung des Dosierelements (4) das Medium ausfließt und aus einem Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) ein Druck beaufschlagtes Messfluid ausströmt, vorgeschlagen, die ohne großen Aufwand eine berührungslose und hochauflösende Abstandsmessung direkt am Prozessort ermöglicht und somit eine exakte Dosierung des Mediums gewährleistet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) um die Ausfließöffnung des Dosierelements (4) herum angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen eines fließfähigen Mediums auf eine Oberfläche eines Substrats, insbesondere zum Präzisionsdispensen von Klebstoff, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

In zunehmendem Maße werden beispielsweise Mikrobauteile vor allem durch Kleben stoffschlüssig mit Leiterplatten gefügt. Bei dem sogenannten Präzisionsdispensen von Klebstoff ist der Abstand einer Dosiernadelspitze zu dem Substrat, der Leiterplatte oder dergleichen eine entscheidende Einflussgröße des Prozesses. Insbesondere beim automatischen, roboterunterstützten Präzisionsdispensen werden hohe Anforderungen an die Reproduzierbarkeit des Klebstoffauftrags bzw. der Klebstoffmenge gestellt. Der Abstand der Dosiernadelspitze zum Substrat wirkt sich hierbei auf das Abreißen der dosierten Klebermenge aus. Stabile bzw. reproduzierbare Abreißbedingungen sind ungefähr bei einem Gleichstand der Benetzungsflächen auf dem Substrat und an der Nadelspitze zu erreichen.

Aus den zuvor aufgeführten Gründen ist eine Abhängigkeit der Klebstoffmenge vom Nadelabstand gegeben, die bei relativ großen Abstandstoleranzen zu einer Destabilisierung des Dispensprozesses führen kann.

Aufgrund der begrenzten Maßhaltigkeit und Bereitstellungsgenauigkeit der Substrate bzw. Leiterplatten können im Fertigungsprozess Schwankungen des Abstandes der Dosiernadelspitze zum Substrat auftreten. Unabhängig von entsprechenden Schwankungen bzw. Toleranzen der Position des Substrates oder der Leiterplatte ist die Dosiernadel mit vergleichsweise hoher Wiederholgenauigkeit, z. B. von ca. 10 µm oder weniger, reproduzierbar über dem Substrat zu positionieren.

Bislang wird beispielsweise bei automatischen Dispensstationen für die SMD-Klebetechnik die Leiterplatte vor Beginn des Dispensprozesses mit einem mechanischen Taster vor allem an drei Eckpunkten in der sogenannten z-Koordinate abgetastet, wodurch sich die Substratebene im Maschinenraum ermitteln und für die nachfolgende Positionierung des Dispensers berücksichtigen lässt. Anschließend wird beispielsweise der Klebstoff auf die unterschiedlichen Positionen auf dem Substrat aufgebracht.

Beim Präzisionsdispensen sehr kleiner Klebstoffvolumina reicht das erwähnte Einmessen des Substrates jedoch nicht aus, da lokale Höhenunterschiede an der jeweiligen Dispensstelle bzw. Position auf dem Substrat den Prozess erheblich beeinflussen. Um diese lokalen Höhenunterschiede zu kompensieren, werden häufig mechanische Abstandhalter eingesetzt, die unmittelbar neben der Dosiernadel angeordnet sind. Entsprechende Abstandhalter setzen direkt an der Prozessstelle auf das Substrat auf und stellen hiermit bei jedem Dosiervorgang den gleichen Nadelabstand sicher. Diese Methode ist jedoch bei der Montage von Produkten der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik mit empfindlichen, strukturierten Oberflächen nicht realisierbar, da diese im Allgemeinen nicht taktil angetastet werden dürfen, um eine Beschädigung des Bauteils zu vermeiden.

Es sind bereits berührungslose Messprinzipien für die Messung des Nadelabstandes beim Dispensen bekannt. Beispielsweise offenbart die Druckschrift EP 0 478 192 B1 eine Vorrichtung zur Auftragung von Lötmitteln, wobei in einer gewissen Entfernung zur Dispensnadel mittels pneumatischer Abstandsmessung der Abstand zwischen einer Lötmitteldüse über dem Substrat erfasst wird. Die pneumatische Messung erfolgt hierbei indirekt mittels einer Referenzoberfläche und unter Zuhilfenahme einer Lichtschranke.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch, dass zwischen der Messstelle und dem Prozessort unvermeidbare Toleranzen des Substrates nicht erfasst und somit nicht kompensiert werden können. Zudem weist diese Vorrichtung einen vergleichsweise großen konstruktiven und messtechnischen Aufwand auf.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zum Aufbringen eines fließfähigen Mediums, beispielsweise eines Klebstoffes, Lötmittels oder dergleichen, auf eine Oberfläche eines Substrates mit einem Dosierelement einer Manipulatoreinheit zum Dosieren des Mediums und einer ein Druckmesselement umfassenden Messvorrichtung zum Messen eines Abstands zwischen dem Dosierelement und dem Substrat, wobei aus einer Ausfließöffnung des Dosierelements das Medium ausfließt und aus einem Ausströmbereich der Messvorrichtung ein druckbeaufschlagtes Messfluid ausströmt, vorzuschlagen, die ohne großen Aufwand eine berührungslose und hochauflösende Abstandsmessung direkt am Prozessort ermöglicht und somit eine exakte Dosierung des Mediums gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass der Ausströmbereich der Messvorrichtung um die Ausfließöffnung des Dosierelements herum angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird erreicht, dass ohne großen Aufwand unmittelbar am Prozessort, d. h. am Ort, an dem das fließfähige Medium auf die Oberfläche des Substrats aufzubringen ist, der Abstand ermittelt wird. Hiermit kann in vorteilhafter Weise während sich die Manipulatoreinheit und somit das Dosierelement auf die Oberfläche des Substrates zubewegt der Abstand zwischen dem Dosierelement und dem Substrat nahezu kontinuierlich oder in sich wiederholenden Messschritten ermittelt werden.

Demzufolge ist reproduzierbar eine nahezu konstante Menge des fließfähigen Mediums auf die Oberfläche des Substrates aufgrund des gegebenenfalls nahezu konstanten Abstands aufbringbar. Vorteilhafterweise bei einem bestimmten, beispielsweise vorgegebenen Abstand zum Substrat wird die Bewegung der Manipulatoreinheit gestoppt.

Vorzugsweise wird mittels einer Auswerteeinheit und dem Druckmesselement ein sich zumindest zwischen dem Substrat und dem Druckmesselement aufbauender Staudruck in Abhängigkeit des zu messenden Abstandes ermittelt und entsprechend ausgewertet. In vorteilhafter Weise ist das Druckmesselement insbesondere in einer Messdüse zum Messen des Staudrucks der Messvorrichtung angeordnet.

Generell ist das Druckmesselement derart ausgebildet, dass der Druck in ein elektrisches Messsignal zur Auswertung mittels einer elektrischen Auswerteeinheit umgesetzt werden kann. Hierfür wird beispielsweise wenigstens ein piezoelektrisches, kapazitives, resistives Druckmesselement und/oder ein Dehnungsmessstreifen vorgesehen.

In vorteilhafter Weise ist das Druckmesselement und/oder die Messdüse sowie gegebenenfalls der druckbeaufschlagte Raum, d. h. die Druckleitungen oder dergleichen, als vergleichsweise kleine Bauelemente ausgeführt, so dass eine relativ gute Messdynamik der Messvorrichtung realisierbar ist. Gemäß der Erfindung wird unter einer relativ guten Messdynamik das Verhalten der Messvorrichtung verstanden, mit dem insbesondere während der Bewegung der Manipulatoreinheit hin zur Oberfläche des Substrates quasi kontinuierlich bzw. in relativ kurzen Messschritten diskontinuierlich der Abstand gemessen werden kann. Vorzugsweise wird mit einer Messfrequenz von ca. 50 Hz, d. h. 50 mal pro Sekunde, der Abstand des Dosierelements zum Substrat gemessen.

Gemäß der Erfindung ist eine vergleichsweise kleindimensionierbare Messvorrichtung ohne großen Aufwand und mit vergleichsweise geringen wirtschaftlichen Kosten zu realisieren, wobei direkt am Positionierort der Auftragung des fließfähigen Mediums zu messen ist und eine hohe Messauflösung bei relativ guter Messdynamik realisiert wird.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Ausströmbereich der Messvorrichtung nahezu konzentrisch um die Ausfließöffnung des Dosierelementes herum angeordnet. Hiermit wird gewährleistet, dass sich der Positionierort auf der Oberfläche des Substrats weitestgehend mittig im Messbereich der Messvorrichtung befindet. Dies verbessert die Messung des Abstands zwischen dem Dosierelement und dem Substrat zusätzlich. Beispielsweise wird hierdurch ein Ausgleich kleinster Unebenheiten des Substrats am Positionierort bzw. Prozessort realisierbar. In vorteilhafter Weise ist die Messfläche der Messvorrichtung zu minimieren.

In einer besonderen Variante der Erfindung weist der Ausströmbereich der Messvorrichtung wenigstens eine ringförmige Ausströmöffnung auf. Mittels einer entsprechenden Ausströmöffnung, die möglicherweise eine durchgehende, ringförmige Ausströmöffnung bzw. eine gegebenenfalls unterbrochene, ringförmige Ausströmöffnung aufweist, ist eine vergleichsweise einfache Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung des Ausströmbereichs der Messvorrichtung möglich. Vorzugsweise wird hierfür eine Ringdüse verwendet.

Vorteilhafterweise ist im zentralen Bereich der Ringdüse das Dosierelement bzw. die Dosiernadel angeordnet. Die nahezu konzentrische Anordnung der Ausfließöffnung des Dosierelements ist hiermit ohne großen Aufwand realisierbar. Gegebenenfalls können hierfür handelsübliche Standardkomponenten verwendet werden, wodurch eine wirtschaftlich besonders günstige Ausführungsform gemäß der Erfindung realisierbar ist.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist der Ausströmbereich der Messvorrichtung mehrere Ausströmöffnungen auf. Beispielsweise sind wenigstens zwei Ausströmöffnungen vorgesehen, wobei die Ausfließöffnung des Dosierelementes vorzugsweise mittig zwischen den beiden Ausströmöffnungen der Messvorrichtung gemäß der Erfindung anzuordnen sind. Beispielsweise werden wenigstens drei Ausströmöffnungen um die Ausfließöffnung des Dosierelementes angeordnet, wobei diese mit einem vergleichsweise kleinen, nahezu gleichen Radius von der Ausfließöffnung des Dosierelementes beabstandet sind. Hierbei ist der Radius so weit zu minimieren, wie dies praktisch noch zu realisieren ist, wodurch der Messbereich der Messvorrichtung in vorteilhafter Weise minimiert wird.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung sind wenigstens zwei ringförmige Ausströmöffnungen, die im Wesentlichen konzentrisch um die Ausfließöffnung des Dosierelementes herum angeordnet sind, vorgesehen. Gegebenenfalls kann der Messfluidstrahl, der aus der äußeren Ausströmöffnung austritt, zur Fokussierung des inneren Messfluidstrahls der inneren Ausströmöffnung verwendet werden. Mittels einer derart ausgebildeten Messvorrichtung wird in vorteilhafter Weise der Messbereich, d. h. der Bereich des zu messenden Abstandes, vergrößert bzw. die Messgenauigkeit verbessert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung steht das Druckmesselement mit wenigstens einer separaten Messöffnung der Messvorrichtung druckleitend in Verbindung. Beispielsweise ist die Messöffnung ringförmig, vorzugsweise nahezu konzentrisch um die Ausfließöffnung des Dosierelementes herum angeordnet, wobei diese ein Ende eines Messkanals bildet. Vorteilhafterweise am der Messöffnung gegenüberliegenden Ende des Messkanals ist das Druckmesselement zur Messung eines Staudrucks angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahmen kann der zu messende Messbereich bzw. der zu messende Bereich des Abstands zwischen dem Dosierelement und dem Substrat in vorteilhafter Weise vergrößert werden, wodurch beispielsweise vielfältigste Anwendungsmöglichkeiten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung realisiert werden können.

Vorzugsweise sind die Messöffnung der Messvorrichtung und die Ausströmöffnung der Messvorrichtung nahezu konzentrisch zueinander angeordnet. Hiermit wird die Messung des Abstands zusätzlich verbessert.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm mit einer schematisch dargestellten Messsignal-Abstandskennlinie gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Dispenser 5 dargestellt. Der Dispenser 5 umfasst eine Dosiernadel bzw. Dispensnadel 4, die zur Dosierung eines fließfähiges Mediums vorgesehen ist.

Die Dosiernadel 4 umfasst an einer zu einem Substrat 6 gerichteten Nadelspitze eine nicht näher dargestellte Ausfließöffnung, aus der der Klebstoff bzw. ein Lötmittel oder ein sonstiges fließfähiges Medium austritt bzw. ausfließt.

In nicht näher dargestellter Weise umfasst der Dispenser 5 einen Vorratsbehälter zur Bevorratung des Klebstoffs oder dergleichen. Ebenso ist eine oder mehrere Verfahreinheiten des Dispensers 5 zum Verfahren der Dosiernadel 4 relativ zu einem Substrat 6 nicht näher dargestellt.

Ein Druck beaufschlagtes Messfluid strömt gemäß Fig. 1 mit dem nahezu konstanten Versorgungsdruck p, z. B. ca. 0,4 Mpa, durch eine Eingangsdüse 1 eines Injektoraufnehmers 7. Das Messfluid strömt in nicht näher dargestellter Weise vom Injektoraufnehmer 7, beispielsweise mittels handelsüblicher Druckleitungen, zum Dispenser 5 gemäß Pfeil P₁. Im Dispenser 5 ist eine konzentrisch um die Dosiernadel 4 herum angeordnete Ringdüse 8 eines Sensorkopfs 9 integriert. Das Messfluid strömt durch den Sensorkopf 9 bzw. mittels der Ringdüse 8 gemäß Pfeil P₂ auf das Substrat 6.

Gemäß Fig. 1 strömt das Messfluid schräg aus dem Sensorkopf 9, wobei mittels vektorieller Addition eine effektive Ausströmrichtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 6 ausbildet wird. Generell ist eine nahezu senkrechte Ausströmrichtung des Messfluides auf das Substrat 6 vorteilhaft. Demzufolge kann die Ausströmrichtung des Messfluides auch in axialer Richtung bezüglich der Dosiernadel 4 erfolgen.

Ein Staudruck bzw. Messdruck p_mess, der sich aufgrund des ausströmenden Messfluids an einer Messdüse 2 des Injektoraufnehmers 7 einstellt, ist eine Funktion eines Abstandes z zwischen dem Sensorkopf 9 bzw. der Dosiernadel 4 und dem Substrat 6. Diese Funktion des Abstandes z in Abhängigkeit eines Messsignals S, das mittels einem Druckaufnehmer 3 generiert wird, ist in Fig. 2 beispielhaft dargestellt.

Die Messgrenzen und der Messabstand des pneumatischen Systems werden durch den nahezu linearen Bereich der Kennlinie gemäß Fig. 2 bestimmt. Diese liegen in Abhängigkeit von der Gestaltung des Sensorkopfs 9 und des Injektoraufnehmers 7 typischerweise zwischen 200 und 1000 µm. Gemäß der Erfindung ist eine entsprechende Vorrichtung realisierbar, die eine vorteilhaft hohe Messauflösung bis ca. 1 µm und eine relativ gute Messdynamik aufweist.

Beispielsweise ist der Druckaufnehmer 3 auf Basis von Dehnungsmessstreifen oder in piezoresistiver Technik ausgebildet. Mittels dem Druckaufnehmer 3 wird der Staudruck P_mess in ein elektrisches Ausgangssignal S umgewandelt. Aufgrund vergleichsweise geringer Abmessungen des Druckaufnehmers 3 und vor allem der Messdüse 2 ist eine relativ gute Messdynamik des pneumoelektronischen Injektoraufnehmers 7 realisierbar.

Generell wird der Abstand z vorzugsweise diskontinuierlich während dem Bewegungsvorgang des Dispensers 5 gemessen, d. h. während sich der Dispenser 5 auf das Substrat 6 zu bewegt. Aufgrund der vorteilhaften Gestaltung bzw. Ausbildung des Sensorkopfs 9 und des Injektoraufnehmers 7 kann hierbei eine Messfrequenz von typischerweise ca. 50 Hz realisiert werden. Das heißt, dass in einer Sekunde 50 mal der Abstand z während dem Bewegungsvorgang des Dispensers 5 gemessen wird. Generell ist ein möglichst häufiges Messen von Vorteil, d. h. es ist eine relativ kurze Taktzeit bzw. Messzykluszeit zu realisieren.

Grundsätzlich kann mittels einer nicht näher dargestellten Steuer- und Regeleinheit ein vorgegebener Wert des Messsignals S eingestellt werden, bei dem die Bewegung des Dispensers 5 gestoppt wird. Mit Hilfe eines entsprechend vorgegebenen Wertes kann beispielsweise je nach Anwendungsfall bzw. in Abhängigkeit der Dosiernadel 4 die Menge des Klebstoffs bzw. fließfähigen Mediums oder dergleichen variiert werden.

Generell ist gemäß der Erfindung vorteilhaft, dass direkt am Messort der Abstand z online, d. h. während der Bewegung des Dispensers 5 hin zum Substrat 6, erfolgen kann, wobei eine vergleichsweise kurze Messzykluszeit des Systems realisierbar ist. Dies ermöglicht vergleichsweise stabile Abreißbedingungen des zu dosierenden Klebstoffs oder dergleichen, wodurch die zu dosierende Klebstoffmenge weitgehend konstant bzw. eine relativ hohe Reproduzierbarkeit des Klebstoffauftrags sichergestellt wird.

Bezugszeichenliste

1

Eingangsdüse

2

Messdüse

3

Druckaufnehmer, Druckmesselement

4

Dosiernadel, Dosierelement

5

Dispenser

6

Substrat

7

Injektoraufnehmer, Messvorrichtung

8

Ringdüse

9

Sensorkopf
P_1,2

Pfeil
p_mess

Messdruck
p Druck
S Messignal
z Abstand

Claims

1. Vorrichtung zum Aufbringen eines fließfähigen Mediums auf eine Oberfläche eines Substrats (6), insbesondere zum Präzisionsdispensen von Klebstoff, mit einem Dosierelement (4), einer Manipulatoreinheit zum Zudosieren des Mediums und einer ein Druckmesselement (3) umfassenden Messvorrichtung (7) zum Messen eines Abstands (z) zwischen dem Dosierelement (4) und dem Substrat (6), wobei aus einer Ausfließöffnung des Dosierelements (4) das Medium ausfließt und aus einem Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) ein Druck beaufschlagtes Messfluid ausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) um die Ausfließöffnung des Dosierelements (4) herum angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) nahezu konzentrisch um die Ausfließöffnung des Dosierelements (4) herum angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) wenigstens eine ringförmige Ausströmöffnung aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmbereich der Messvorrichtung (7) mehrere Ausströmöffnungen aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement (3) mit wenigstens einer separaten Messöffnung der Messvorrichtung (7) Druck leitend in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messöffnung der Messvorrichtung (7) als ringförmige Messöffnung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messöffnung der Messvorrichtung (7) und die Ausströmöffnung der Messvorrichtung (7) nahezu konzentrisch zueinander angeordnet sind.