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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Mediums auf ein Substrat entlang einer Bahn.
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Bei Dosieranwendungen kann die Anforderung entstehen, ein Medium, beispielsweise einen Klebstoff oder eine Vergussmasse, in Kleinstmengen entlang einer rechteckigen oder quadratischen Bahn aufzubringen. Eine solche Bahn kann beispielsweise eine Fläche von 2 × 2 mm umschließen, wobei die Ecken der Bahn abgerundet sein können, beispielsweise mit einem Radius von etwa 100 µm. Um dabei bei einem kontinuierlichen Materialfluss aus der Austrittsdüse eines Dosierventils eine konstante und gleichmäßige Linie zu erzielen, darf die Geschwindigkeit eines Roboters, der das Dosierventil bewegt, nur sehr gering eingestellt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Mediums auf ein Substrat entlang einer viereckigen Bahn zu schaffen, mit denen das Medium in sehr kurzer Zeit gleichmäßig aufgebracht werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Nach einem ersten Aspekt erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufbringen eines Mediums auf ein Substrat entlang einer Bahn mit Hilfe eines Dosierventils, wobei das Dosierventil von einem Roboter entlang einer geschlossenen Bahn bewegt wird, die ausschließlich gekrümmt ist, und gleichzeitig zumindest eine Austrittsdüse des Dosierventils relativ zu der gekrümmten Bahn derart bewegt wird, dass das Medium auf einer im Wesentlichen viereckigen, insbesondere quadratischen Bahn auf dem Substrat aufgebracht wird. Eine solche Verfahrensweise besitzt den großen Vorteil, dass die Zeitdauer für das Aufbringen des Mediums verglichen zu herkömmlichen Verfahren auf nahezu ein Viertel reduziert ist, da der Antrieb des Roboters das Dosierventil nicht an den Ecken beschleunigen und abbremsen muss. Vielmehr kann der Roboter, beispielsweise ein Portalroboter oder ein sonstiger Roboter, das Dosierventil nur einmal beschleunigen und einmal abbremsen. Das Dosierventil selbst wird entlang einer kreisförmigen Bahn bewegt. Um das Medium dennoch entlang einer viereckigen Bahn aufzubringen, wird zumindest eine Austrittsdüse des Dosierventils relativ zu der gekrümmten Bahn so ausgelenkt, dass sich die Austrittsdüse über einer viereckigen Bahn bewegt. Durch eine Entkopplung der Bewegung der Austrittsdüse von der Bewegung des Dosierventils kann das Dosierventil selbst, das eine vergleichsweise große Masse aufweist, entlang einer Kreisbahn oder einer ovalen Bahn gleichförmig bewegt werden, während die Austrittsdüse relativ zu dem Dosierventil abweichend von der gekrümmten Bahn bewegt wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können Antriebe zur Bewegung der Austrittsdüse ausschließlich auf der gekrümmten Bahn bewegt werden. Hierdurch werden die abweichend von der gekrümmten Bahn zu bewegenden Massen minimiert, da die Antriebe zusammen mit dem Dosierventil bewegt werden und lediglich die Austrittsdüse abweichend von der gekrümmten Bahn bewegt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Austrittsdüse in einer Ebene parallel zu der gekrümmten Bahn bewegt werden, was die Berechnung für Antriebe der Austrittsdüse erleichtert.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Ecken der viereckigen Bahn außerhalb der gekrümmten Bahn liegen. Hierdurch kann die Austrittsdüse in bestimmten Abschnitten auf die gekrümmte Bahn zu und in bestimmten Abschnitten von der gekrümmten Bahn wegbewegt werden, wodurch die Zykluszeit reduziert werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Ecken der viereckigen Bahn abgerundet sein, was einen gleichmäßigen Verfahrensablauf begünstigt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Roboter bei seiner Bewegung das Dosierventil ausschließlich während einer ersten Zeitspanne beschleunigen und ausschließlich während einer zweiten Zeitspanne abbremsen, die sich an die erste Zeitspanne anschließt. Auch dies trägt zu einer Reduzierung der Zykluszeit bei, da das Dosierventil lediglich einmal positiv und einmal negativ beschleunigt wird. Wenn die Zeitspannen für die Beschleunigung und das Abbremsen annähernd gleich groß sind, wird ein besonders gleichmäßiger Zyklus erzielt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Medium über eine flexible Leitung zu der Austrittsdüse geführt werden, so dass sich diese relativ zu dem Dosierventil frei bewegen kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Substrat vor, während und/oder nach dem Aufbringen des Mediums erwärmt werden. Beispielsweise kann ein beheizter oder beheizbarer Werkstückträger vorgesehen werden, auf den das Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte aufgelegt wird, so dass das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von beispielsweise 150°C bis 170°C aufgeheizt werden kann. Wenn anschließend das Medium auf das Substrat aufgebracht wird, kann es vorkommen, dass unter dem Medium oder zwischen dem Medium und Komponenten des Substrats, beispielsweise bei Halbleiterbauelementen, Luftblasen eingeschlossen werden. Durch ein Aufheizen des Substrats, beispielsweise auf eine Temperatur etwas oberhalb der Härtetemperatur des Mediums, kann dabei erreicht werden, dass sich eingeschlossene Luftblasen beim Aushärten zusammenziehen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Medium vor dem Aufbringen entgast werden, beispielsweise durch Rühren unter Atmosphärendruck oder unter Vakuum. Auch dies trägt dazu bei, den Einschluss von Luftblasen zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Dosierventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 (vgl.
DE 10 2017 009 542 B3 ).
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Bei dieser Ausführungsform wird nicht nur die Austrittsdüse relativ zu dem Dosierventil bewegt. Vielmehr ist eine Ventileinheit geschaffen, die die Austrittsdüse, den Ventilsitz und ein Verschlusselement umfasst. Eine solche Ventileinheit kann mit einem sehr geringen Gewicht hergestellt werden und entsprechend schnell von den Linearantrieben relativ zu dem Dosierventil bewegt werden, um ausgehend von der kreisförmigen Bewegung die Austrittsdüse über eine viereckige Bahn zu führen.
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Da der Ventilantrieb koplanar zu der Bewegungsachse des ersten Linearantriebs angeordnet ist, ergibt sich in Hinblick auf die Konstruktion und die damit verbundenen Herstellungskosten eine erheblicher Vorteil.
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Bei den Linearantrieben und dem Ventilantrieb kann es sich grundsätzlich um beliebige Antriebe handeln. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden hierfür Piezoantriebe eingesetzt, die schnelle Bewegungen kontrolliert ausführen können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können der Ventilantrieb und die Linearantriebe an einer Basisplatte befestigt sein. Hierdurch sind diejenigen Komponenten des Dosierventils, die eine vergleichsweise große Masse aufweisen, an der Basisplatte befestigt. Die von den Linearantrieben bewegte Masse wird dann lediglich durch die Ventileinheit gebildet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ventileinheit von einem dritten Linearantrieb bewegbar sein, dessen Bewegungsachsen senkrecht zu den Bewegungsachsen des ersten und des zweiten Linearantriebs verläuft. Bei dieser Ausführungsform kann zusätzlich eine Bewegung der Ventileinheit senkrecht zum Substrat erreicht werden, was in bestimmten Phasen des Dosierprozesses vorteilhaft sein kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Ventilantrieb an einem von dem dritten Linearantrieb bewegten Bauteil befestigt sein, so dass dieser zusammen mit dem dritten Linearantrieb bewegt werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ventileinheit an zwei Gelenkstangen aufgehängt sein. Hierdurch ist eine feste, jedoch gelenkige Verbindung geschaffen, so dass die Ventileinheit durch die Linearantriebe bewegt werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ventileinheit mit dem ersten und dem zweiten Linearantrieb jeweils über eine Gelenkstange verbunden sein. Auch dies trägt dazu bei, die Ventileinheit relativ zu dem Dosierventil entlang der beiden Bewegungsachsen der Linearantriebe zu bewegen.
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Die Ventileinheit, der Ventilsitz und das Verschlusselement können so ausgebildet sein, wie dies in der
DE 10 2017 009 542 B3 der Anmelderin gezeigt und beschrieben ist, deren Offenbarung durch Bezugnahme ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Dosierventils;
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht des Dosierventils von 1; und
- 3 eine gekrümmte Bewegungsbahn eines Dosierventils sowie eine viereckige Bewegungsbahn einer Austrittsdüse des Dosierventils.
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1 und 2 zeigen perspektivische Ansichten eines Dosierventils, das eine Basisplatte 10 aufweist, auf der elektronische Steuerkomponenten 12 sowie Steckanschlüsse 14 angeordnet sind. An der Unterseite der Basisplatte 10 sind verschiedene Antriebe montiert, mit denen eine Ventileinheit 16 relativ zu der Basisplatte 10 bewegt werden kann. Die Ventileinheit 16 umfasst eine an der Unterseite angeordnete Austrittsdüse 18, einen in der Ventileinheit 16 angeordneten Ventilsitz und ein den Ventilsitz verschließendes Verschlusselement, das sich am unteren Ende eines Ventilstößels 20 (2) befindet. Zur Betätigung des Verschlusselements bzw. des Ventilstößels 20 ist dieser an seiner Oberseite an einen Ventilantrieb 22 gekoppelt, der einen Piezostapel 24 aufweist, mit dem der Ventilstößel 20 in Richtung Z vertikal nach oben und nach unten bewegt werden kann, um das Verschlusselement von dem Ventilsitz abzuheben oder auf diesen aufzusetzen. Über eine nicht dargestellte flexible Leitung, die mit einem Medienanschluss 26 der Ventileinheit 16 verbunden ist, kann Medium aus einer Kartusche in die Ventileinheit 16 geführt und gesteuert durch die Austrittsdüse 18 ausgegeben werden.
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Wie die 1 und 2 verdeutlichen, ist der Ventilantrieb 22 an einem grundsätzlich U-förmigen Montagebügel 28 befestigt, der wiederum an zwei Linearantrieben 30 und 32 montiert ist, die mit der Basisplatte 10 verbunden sind. Durch Betätigung der Linearantriebe 30 und 32 bewegt sich der Montagebügel 28 in Richtung Z, so dass sich die gesamte Ventileinheit 16 und auch der Ventilantrieb 22 in Z-Richtung bewegen. Wie zu erkennen ist, ist die Ventileinheit 16 an dem Montagebügel 28 über zwei Gelenkstangen 34 und 36 aufgehängt. Bei den Gelenkstangen 34 und 36 handelt es sich um dünne Metallstangen mit einem geringen Querschnitt, wobei die jeweiligen Enden der Gelenkstangen verjüngt ausgebildet sind, so dass an diesen Stellen ein Biegegelenk ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Ventileinheit 16 in Richtung X und in Richtung Y relativ zu der Basisplatte 10 und dem Ventilantrieb 22 zu verschieben.
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Um diese Bewegungen durchführen zu können, ist an der Basisplatte 10 ein erster Linearantrieb 40 in Form eines Piezostapels vorgesehen, dessen Bewegung (in X-Richtung) über eine Gelenkstange 42 auf die Ventileinheit 16 übertragen wird. In gleicher Weise ist an der Basisplatte 10 ein zweiter Linearantrieb 44 befestigt, dessen Bewegung in Y-Richtung über eine Gelenkstange 46 auf die Ventileinheit 16 übertragen wird. Somit verlaufen die Bewegungsachsen des ersten Linearantriebs 40, des zweiten Linearantriebs 44 und der Piezostapel 30 und 32, die einen dritten Linearantrieb bilden, senkrecht zueinander. Weiterhin liegt die Bewegungsachse X des ersten Linearantriebs 40 in der gleichen Ebene wie der Ventilantrieb 24, d.h. der Piezostapel des Ventilantriebs 24 ist parallel zu und über der Gelenkstange 42 angeordnet.
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Zum Aufbringen eines Mediums auf ein Substrat kann das vorstehend beschriebene Dosierventil an einem Roboter befestigt werden, der dieses beispielsweise in einer Ebene entlang einer geschlossenen Bahn, insbesondere einer Kreisbahn bewegt. Zum Aufbringen des Mediums wird dieses der Ventileinheit 16 zugeführt und durch Betätigen des Ventilantriebs 24 kann der Ventilstößel 20 in Z-Richtung bewegt werden, so dass dessen unteres Ende von dem Ventilsitz abhebt und Medium durch die Austrittsdüse 18 austreten kann.
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3 verdeutlicht die Bewegung des Dosierventils entlang einer gekrümmten, im dargestellten Ausführungsbeispiel kreisförmigen Bahn G. Hierbei kann es ausreichend sein, wenn der Roboter das Dosierventil lediglich einmal beschleunigt und nach Erreichen der halben Strecke wieder abbremst. Um trotz der Bewegung des Dosierventils auf dieser gekrümmten Bahn G ein Aufbringen des Mediums entlang einer im Wesentlichen viereckigen Bahn V zu erzielen, werden die Linearantriebe 40 und 44 derart in ±X- und ±Y-Richtung angesteuert, dass die Ventileinheit 16 und damit auch die Austrittsdüse 18 über die viereckige Bahn V bewegt wird. Wählt man beispielsweise einen Startpunkt S an der 6 Uhr-Position der gekrümmten Bahn G, so muss an dieser Stelle der Antrieb 44 in +Y-Richtung bewegt werden, damit die Austrittsdüse 18 über der viereckigen Bahn zu liegen kommt. Mit zunehmender Bewegung des Dosierventils (im Uhrzeigersinn) entlang der gekrümmten Bahn B muss dieser Abstand verringert werden, bis sich die Bahnen G und V am Kreuzungspunkt K schneiden. Zum Überfahren der abgerundeten Ecken der viereckigen Bahn V müssen dann bei Überfahren des Kreuzungspunktes K beide Antriebe 40 und 44 entsprechend angesteuert werden.
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Es versteht sich, dass die Hübe der Linearantriebe vergleichsweise gering sind, jedoch in sehr kurzer Zeit und sehr präzise durchgeführt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017009542 B3 [0015, 0024]
