DE102017124665A1

DE102017124665A1 - Verfahren zum Herstellen einer mit mindestens einer Lackierung versehenen Leiterplatte und Lackierkopf zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017124665A1
Application number: DE102017124665.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ruchel; Stefanie Berchtold; Markus Ursprung; Daniel Kollmer
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-04-25
Also published as: US20210178419A1; EP3701774A1; WO2019081154A1

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer mit mindestens einer Lackierung versehenen Leiterplatte mit mindestens den folgenden Schritten: Mischen mindestens einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente eines mindestens zweikomponentigen Lacksystems zu einem Lackgemisch mittels eines dynamischen Mischers und/oder mittels eines statisch-dynamischen Mischers (120); Zuführen des Lackgemischs zu einer Ausgabeeinheit (140); und Lackieren der Leiterplatte durch Ausgeben des Lackgemischs mittels der Ausgabeeinheit auf die Leiterplatte; wobei die Ausgabeeinheit (140) während des Lackierens in mindestens einer Dimension, insbesondere in zwei oder drei Dimensionen relativ zur Leiterplatte automatisch bewegt wird; wobei der Mischer (120) mit der Ausgabeeinheit in der Weise verbunden ist, dass er zusammen mit der Ausgabeeinheit (140) relativ zur Leiterplatte bewegt wird. Die Erfindung offenbart weiterhin einen Lackierkopf (100) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mit mindestens einer Lackierung versehenen Leiterplatte und einen Lackierkopf dazu. Schutzlackierungen für Leiterplatten sind an sich bekannt, sie schützen die Leiterplatten vor Feuchte, und mechanischer Belastung, verbessern die Wärmeabfuhr und ermöglichen im Sinne des Explosionsschutzes kürzere Abstände zwischen Schaltungselementen.
Lösungsmittelhaltige Lacksysteme sind zu diesem Zweck etabliert. Als Substitut für solche Systeme kommen Zweikomponentensysteme in Betracht, beispielsweise Polyurethane, Epoxidharze und Silikone. Bei Zweikomponentensystemen ist jedoch eine ausreichende Durchmischung zwingend erforderlich um eine hinreichende Qualität der Lackschicht zu erzielen. Andererseits setzt mit der Durchmischung der Komponenten deren Reaktion miteinander die umso schneller verläuft, je größer der Durchmischungsgrad ist. Mit einsetzender Reaktion beginnt die Viskosität des Gemischs zu steigen was dessen Verarbeitbarkeit enge Grenzen setzt. Beispielsweise ist eine Lackierung mit einer Vorhangdüse nur mit Viskositäten bis zu 100 µPaS sinnvoll. Geeignete Verfahren zur Lackierung von Leiterplatten mit einem Zweikomponentensystem mit einer hinreichend homogenen Lackschicht sind bisher nicht verfügbar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und einen entsprechenden einen Lackierkopf zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und den Lackierkopf gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 14.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer mit mindestens einer Lackierung versehenen Leiterplatte umfasst mindestens die folgenden Schritte:
Mischen mindestens einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente eines mindestens zweikomponentigen Lacksystems zu einem Lackgemisch mittels eines dynamischen Mischers und/oder mittels eines statisch-dynamischen Mischers.
Zuführen des Lackgemischs zu einer Ausgabeeinheit; und
Lackieren der Leiterplatte durch Ausgeben des Lackgemischs mittels der Ausgabeeinheit auf die Leiterplatte;
wobei die Ausgabeeinheit während des Lackierens des Lackgemischs in mindestens einer Dimension, insbesondere in zwei oder drei Dimensionen relativ zur Leiterplatte bewegt wird;
wobei der dynamische Mischer mit der Ausgabeeinheit in der Weise verbunden ist, dass er zusammen mit der Ausgabeeinheit relativ zur Leiterplatte automatisch bewegt wird. In den meisten Fällen wird eine Bewegung in zwei Dimensionen, beispielsweise parallel zur Leiterplatte, insbesondere in einem Raster, ausreichend sein um die Lackierung durchzuführen. Sofern besonders große Bauelemente auf der Leiterplatte montiert sind, kann eine Variation des Abstands zur Leiterplattenoberfläche erforderlich sein.
Bei einem dynamischen Mischer wird die Mischwirkung durch eine Bewegung eines Mischerkörpers, beispielsweise eine Rotation eines Rotors erzielt. Bei einem statischen Mischer wird die Mischung dagegen bereits durch Umströmen eines sich nicht bewegenden Mischerkörpers erzielt, beispielsweise Wendelstangen mit Abschnitten alternierender Helizität. Bei statisch-dynamischen Mischern werden Mischerkörper die zu einem gewissen Grad für statische Mischer geeignet sind, zusätzlich bewegt, um damit die Mischwirkung zu verbessern. Sowohl der statisch-dynamische Mischer als auch der dynamische Mischer benötigen einem Motor zum Antrieb des Mischerkörpers.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Mischer einen Motor und einen Rotor auf, wobei der Motor den Rotor antreibt, dass der Rotor mit einer Drehzahl von nicht weniger als 500 U/min, weiter nicht weniger als 1000 U/min, beispielsweise nicht weniger als 2000 U/min und insbesondere nicht weniger als 3000 U/min rotiert. Der Einsatz eines Mischers mit obigen Eigenschaften ermöglicht eine hinreichend homogene Mischung der Komponenten in kurzer Zeit, so dass ein Lack aufgetragen werden kann, der einerseits nach dem Aushärten homogen ist und andererseits beim Ausgeben auf die Leiterplatte noch Zähigkeiten unter 200 µPaS, insbesondere nicht mehr als 100 µPaS aufweist. Diese Bedingungen werden erreicht, obwohl das Lacksystem vorzugweise lösungsmittelfrei ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung gibt die Ausgabeeinheit das Lackgemisch mit einer Querschnittsfläche aus, die nicht mehr als 1%, beispielsweise nicht mehr als 0,3%, insbesondere nicht mehr als 0,1% der Fläche der Leiterplatte beträgt.
In einer Weiterbildung der Erfindung gibt die Ausgabeeinheit das Lackgemisch mit einer Querschnittsfläche aus dessen längste Ausdehnung nicht mehr als ein Drittel, beispielsweise nicht mehr als ein Sechstel und insbesondere nicht mehr als ein Achtel der Quadratwurzel der Fläche der Leiterplatte beträgt.
Auf diese Weise ist die räumliche Auflösung des Lackauftrags in hinreichendem Maß gegeben, so dass Bereiche einer Leiterplatte, die nicht mit dem Lackgemisch zu beschichten sind, gezielt freigelassen werden können. Dies geht mit dem Nachteil einher, dass die Ausgabeeinheit mit mehrfachen Richtungsänderungen gegenüber der Leiterplatte zu bewegen ist, was im Hinblick auf kurze Bearbeitungszeiten mit erheblichen Beschleunigungen einhergeht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, weisen der Mischer einschließlich des Motors und die Ausgabeeinheit sowie ggf. weitere Komponenten wie Ventile und deren Ventilantrieb, die zusammen gegenüber der Leiterplatte bewegt werden, eine Gesamtmasse von nicht mehr als 1,5 kg, insbesondere nicht mehr als 1 kg auf.
Die genannten Massengrenzen gewährleisten, dass die Beschleunigungskräfte während des Lackierens begrenzt bleiben, so dass Erschütterungen von den Leiterplatten mit geringem Aufwand fernzuhalten sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rotor eine Mischerwendel, insbesondere mit Abschnitten alternierender Helizität auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rotor Mischelemente aufweist und dreht bezüglich eines Stators.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Mischer eine im wesentlichen zylindrische Mischerkammer auf, in welcher der Rotor angeordnet ist, wobei die Mischerkammer einen Innendurchmesser aufweist, der nicht weniger als 4% und nicht mehr als 20% der Länge des Rotors beträgt, wobei der Mischer ein statisch-dynamischer Mischer ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die erste Komponente und die zweite Komponente dem Mischer aus Vorratsbehältern über flexible Leitungen zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Vorratsbehälter nicht mit dem Mischer relativ zur Leiterplatte beschleunigt werden müssen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Verweilzeit der in den Mischer eingeleiteten Komponenten bis zum Abschluss des dynamischen Mischvorgangs im Schnitt nicht mehr als 100 sec, beispielsweise nicht mehr als 40 sec, insbesondere nicht mehr als 20 sec.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Mischer ein Mischvolumen auf, das sich vom Ort des Eintritts der Komponenten in den Mischer bis zum Ort des Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs erstreckt und mit den Komponenten bzw. dem Lackgemisch gefüllt ist; eine Ausgabeöffnung der Ausgabeeinheit, an welcher das Lackgemisch ausgegeben wird, nicht mehr als das Fünffache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte der dritten Wurzel des Mischvolumens vom Ort des Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs beabstandet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Mischer ein Mischvolumen auf, das sich vom Ort des Eintritts der Komponenten in den Mischer bis zum Ort des Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs erstreckt und mit den Komponenten bzw. dem Lackgemisch gefüllt ist; wobei das mit dem Lackgemisch gefüllte Volumen zwischen der Ausgabeöffnung der Ausgabeeinheit, an welcher das Lackgemisch ausgegeben wird, und dem Ort das Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs nicht mehr als das Vierfache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte des Mischvolumens beträgt.
Der beschriebene, kompakte Aufbau der Vorrichtung trägt ebenfalls dazu bei dass die Verweilzeit des Lackgemischs nach der Vollendung des Mischprozesses so gering ist, dass das Lackgemisch noch mit hinreichend niedriger Viskosität ausgegeben wird.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Ausgabeeinheit ein Jet-Ventil, einen Dispenser, oder eine Vorhangdüse auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Ausgabeeinheit und oder der Mischer temperierbar, insbesondere beheizbar.
Ein erfindungsgemäßer Lackierkopf, zum Lackieren von Leiterplatten, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst einen Mischer dynamischen oder statisch-dynamischen Mischer mit mindestens zwei Komponenten Zuläufen; und eine Ausgabeeinheit, die in der Weise mit dem Mischer verbunden ist, dass der Mischer beim Lackieren zusammen mit der Ausgabeeinheit über einer zu lackierenden Leiterplatte zu bewegen ist, so dass der Mischer die gleichen Beschleunigungen erfährt wie die Ausgabeeinheit, wobei der Mischer einen Motor und einen Rotor aufweist, wobei der Motor den Rotor antreibt, dass der Rotor mit einer Drehzahl von nicht weniger als 500 U/min, weiter nicht weniger als 1000 U/min, beispielsweise nicht weniger als 2000 U/min und insbesondere nicht weniger als 3000 U/min rotiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Lackierkopf nach Anspruch einschließlich weitererer Komponenten die mit dem Mischer verbunden sind so dass sie beim Lackieren zusammen mit dem Mischer bewegt werden müssen, eine Masse von nicht mehr als 1,5 kg, insbesondere nicht mehr als 1 kg auf. Solche weiteren Komponenten können beispielsweise Ventile, insbesondere Nadelventile, und deren Stellantriebe umfassen, beispielsweise pneumatische Stellantriebe.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Lackieren von Leiterplatten; und
2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Lackierkopfes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie in 1 dargestellt, werden Leiterplatten 11, 12, 13 mittels eines hier nicht dargestellten Transportbandes in Förderrichtung durch eine Lackierstation bewegt. Die erste Leiterplatte 11 ist bereits in Flächensegmenten 21 fertig lackiert; während die zweite Leiterplatte 12 ist gerade in Bearbeitung. Ein erstes Flächensegment 22 ist fertig gestellt, während ein zweites Flächensegment gerade Lackiert wird. Während des Farbauftrags, werden die Leiterplatten nicht bewegt.
Die Lackierung erfolgt mittels eines erfindungsgemäßen Lackierkopfes 100 der mittels eines mit Schrittmotoren angetriebenen Positioniersystems 200 in einer X-Y-Ebene parallel zur Leiterplatte bewegt wird. Das Positioniersystem 200 ist hier nur mit einem Freiheitsgrad in Y-Richtung angedeutet, es ist einem Fachmann für die Fertigungsautomatisierung jedoch bekannt, und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.
Der Lackierkopf 100 und das Positioniersystem werden von einer Rechnereinheit 220 gesteuert.
Das verwendete Lacksystem ist ein lösungsmittelfreies Zweikomponentensystem, insbesondere ein Polyurethan, wobei die erste Komponente ein Isocyanat und die zweite Komponente einen bifunktionellen Alkohol umfasst. Ebenfalls geeignet sind Epoxidharz-Systeme mit einem Epoxidharz und einem Härter als Komponenten, oder zwikomponentige Silikonsysteme, wobei eine Komponente einen Katalysator enthält.
Das in 2. schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lackierkopes 100 einen Mischer 120, welcher hier einen statisch-dynamischen Wendelmischer, bzw. Schneckenmischer umfasst. Diese Art von Mischern umfassen einen an einem Auslaufende konisch zulaufenden zylindrischen Mischerkolben 122 der in seinem Innern eine Mischerkammer aufweist, in der eine Mischerwendel 124 bzw. Mischerschnecke mit Segmenten alternierender Helizität aufweist. Derartige Mischer sind beispielsweise von der Firma Nordson erhältlich. Auf den Mischerkolben ist ein Kolbenkopf 123 aufgesetzt Der Mischerkolben 122 und die Mischerwendel 124 können als Verbrauchsmaterial gestaltet sein, das nach einigen Stunden Betrieb auszutauschen ist. Die Mischerwendel 124 weist an ihrem oberen Ende, welches dem Auslaufende des Mischerkolbens abgewandt ist, eine Aufnahmeöffnung 125 für ein komplementäres Eingriffsmittel am unteren Ende einer Antriebswelle 126 eines Elektromotors 127 auf, mit dem die Mischerwendel mit einer Drehzahl von beispielsweise 4500 bis 5000 U/min angetrieben wird. Um eine Kupplung zwischen der Antriebswelle 126 und der Mischerwendel 124 zu ermöglichen, weist der Kolbenkopf 123 eine zentrale axiale Bohrung auf, in welche eine oder beide der rotierenden Komponenten 124, 126 hineinragen.
Der Kolbenkopf 123 weist weiterhin Anschlüsse für Zufuhrleitungen 130, 131 auf, durch welche die beiden Komponenten des Lacksystems zugeführt werden. Die Zufuhr kann mit Nadelventilblöcken 128, 129 gesteuert werden, die am Kolbenkopf 123 angeordnet sind. Die Zufuhrleitungen 130, 131 sind an hier nicht dargestellte Vorratsbehälter angeschlossen, aus welchen die Komponenten mit Pumpen, insbesondere Zahnriemenpumpen oder anderen Dosierpumpen gefördert werden. Die Zufuhrleitungen 130. 131 sind hinreichend lang, so dass der Lackierkopf 1000 beim Lackieren über den Leiterplatten ohne Beeinträchtigung bewegt werden kann, ohne dass eine Bewegung der Vorratsbehälter erforderlich ist.
Am unteren Ende des Lackierkopfes ist eine Ausgabevorrichtung angeordnet, hier eine Vorhangdüse 140 mit einer Ausgabebreite des Lackvorhangs von etwa 8mm. Zwischen Mischer 120 und Vorhangdüse kann noch optional ein zusätzliches (hier nicht dargestelltes) Ventil vorgesehen sein, um die Lackausgabe mit kürzeren Steuerzeiten zu realisieren.
Die Komponenten des Lackierkopfes 100 sind in einem Rahmen 150 gehalten, welcher insbesondere ein Leichtmetall aufweist. Das Gesamtgewicht des Lackierkopfes 100 beträgt nicht mehr als 1 kg.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer mit mindestens einer Lackierung versehenen Leiterplatte mit mindestens den folgenden Schritten: Mischen mindestens einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente eines mindestens zweikomponentigen Lacksystems zu einem Lackgemisch mittels eines dynamischen Mischers und/oder mittels eines statisch-dynamischen Mischers (120); Zuführen des Lackgemischs zu einer Ausgabeeinheit (140); und Lackieren der Leiterplatte durch Ausgeben des Lackgemischs mittels der Ausgabeeinheit auf die Leiterplatte; wobei die Ausgabeeinheit (140) während des Lackierens in mindestens einer Dimension, insbesondere in zwei oder drei Dimensionen relativ zur Leiterplatte automatisch bewegt wird; wobei der Mischer (120) mit der Ausgabeeinheit in der Weise verbunden ist, dass er zusammen mit der Ausgabeeinheit (140) relativ zur Leiterplatte bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausgabeeinheit das Lackgemisch mit einer Querschnittsfläche ausgibt, die nicht mehr als nicht mehr als 1%, beispielsweise nicht mehr als 0,3%, insbesondere nicht mehr als 0,1% der Fläche der Leiterplatte beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgabeeinheit das Lackgemisch mit einer Querschnittsfläche ausgibt, deren längste Ausdehnung nicht mehr als ein Drittel, beispielsweise nicht mehr als ein Sechstel und insbesondere nicht mehr als ein Achtel der Quadratwurzel der Fläche der Leiterplatte beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Mischer einen Motor und einen Rotor aufweist, wobei der Motor den Rotor antreibt, dass der Rotor mit einer Drehzahl von nicht weniger als 500 U/min, weiter nicht weniger als 1000 U/min, beispielsweise nicht weniger als 2000 U/min und insbesondere nicht weniger als 3000 U/min rotiert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Rotor eine Mischerwendel, insbesondere mit Abschnitten alternierender Helizität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Rotor bezüglich eines Stators dreht.
Verfahren nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6 wobei der Mischer eine im wesentlichen zylindrische Mischerkammer umfasst, in welcher der Rotor angeordnet ist, wobei die Mischerkammer einen Innendurchmesser aufweist, der nicht weniger als 4% und nicht mehr als 20% der Länge des Rotors beträgt, wobei der Mischer ein statischdynamischer Mischer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente dem Mischer aus Vorratsbehältern über flexible Leitungen zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verweilzeit der in den Mischer eingeleiteten Komponenten bis zum Abschluss des dynamischen Mischvorgangs im Schnitt nicht mehr als 100 sec, beispielsweise nicht mehr als 40 sec, insbesondere nicht mehr als 20 sec beträgt.
Verfahren nach Anspruch, wobei der Mischer ein Mischvolumen aufweist, das sich vom Ort des Eintritts der Komponenten in den Mischer bis zum Ort des Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs erstreckt und mit den Komponenten bzw. dem Lackgemisch gefüllt ist; eine Ausgabeöffnung der Ausgabeeinheit, an welcher das Lackgemisch ausgegeben wird, nicht mehr als das Fünffache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte der dritten Wurzel des Mischvolumens vom Ort des Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch, wobei der Mischer ein Mischvolumen aufweist, das sich vom Ort des Eintritts der Komponenten in den Mischer bis zum Ort des Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs erstreckt und mit den Komponenten bzw. dem Lackgemisch gefüllt ist; wobei das mit dem Lackgemisch gefüllte Volumen zwischen der Ausgabeöffnung der Ausgabeeinheit, an welcher das Lackgemisch ausgegeben wird, und dem Ort das Abschlusses des dynamischen Mischvorgangs nicht mehr als das Vierfache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte des Mischvolumens beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgabeeinheit ein Jet-Ventil, einen Dispenser, oder eine Vorhangdüse aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgabeeinheit und oder der Mischer temperierbar, insbesondere beheizbar sind.
Lackierkopf, zum Lackieren von Leiterplatten, insbesondere nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 13, umfassend, einen Mischer dynamischen oder statisch-dynamischen Mischer mit mindestens zwei Komponenten Zuläufen; und eine Ausgabeeinheit, die in der Weise mit dem Mischer verbunden ist, dass der Mischer beim Lackieren zusammen mit der Ausgabeeinheit über einer zu lackierenden Leiterplatte zu bewegen ist, so dass der Mischer die gleichen Beschleunigungen erfährt wie die Ausgabeeinheit, wobei der Mischer einen Motor und einen Rotor aufweist, wobei der Motor den Rotor antreibt, dass der Rotor mit einer Drehzahl von nicht weniger als 500 U/min, weiter nicht weniger als 1000 U/min, beispielsweise nicht weniger als 2000 U/min und insbesondere nicht weniger als 3000 U/min rotiert.
Lackierkopf nach Anspruch 14, wobei der Lackierkopf einschließlich weitererer Komponenten die mit dem Mischer verbunden sind so dass sie beim Lackieren zusammen mit dem Mischer bewegt werden müssen, eine Masse von nicht mehr als 1, 5 kg, insbesondere nicht mehr als 1 kg aufweist.