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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufbringung und Trocknung
einer Beschichtung auf einer Leiterplatte und auf eine entsprechende Vorrichtung.
Unter Leiterplatte sind hierbei auch z.B. mit elektronischen Bauteilen
bestückte
Leiterplatten oder allgemein Platinen zu verstehen.
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Das
Lackieren von Leiterplatten und elektronischen Schaltungen hat sich
heutzutage als eine bedeutsame Maßnahme z.B. zum Schutze der
Elektronik vor Ausfall durch Feuchtigkeit oder zur Einhaltung von
Explosionsschutzerfordernissen herauskristallisiert. Vor dem Hintergrund
des ständig
wachsenden Einsatzes von Elektronik gerade auch unter klimatisch
und technologisch kritischen Bedingungen, wächst die Bedeutung einer sicheren
und effektiven Lackiertechnologie von beispielsweise elektronischen
Baugruppen. Bekannte Ausfallmechanismen sind u.a. elektrochemische
Migration, korrosionsinduzierte Kriechströme und Unterbrechungen sowie z.B.
Destabilisierung des Oberflächenwiderstandes. Derzeit
werden vorzugsweise Lacke zum Schutz von Leiterplatten verwendet,
welche einen hohen Anteil organischer Lösemittel enthalten. Das Abtrocknen und
Aus- oder zumindest Anhärten
nach dem Lackieren dauert bei Raumtemperatur mehrere Tage, bei erhöhter Temperatur
immerhin noch mehrere Stunden. Neuere Möglichkeiten zur Lacktrocknung
und -aushärtung
bieten sogenannte UV-aushärtende
Lacke (allgemein UV-Licht oder spezieller UVc-Licht). Diese Art
der Lacktrocknung wird vorzugsweise ergänzt durch eine sogenannte Polyurethan (PUR)-Härtung, die
dazu dient, dass der Lack auch in den Schattenbereichen aushärtet, also
in den Bereichen, die z.B. durch Bauteile auf der Leiterplatte gegenüber dem
UV-Licht abgeschattet werden. Das derzeitige selektive Lackieren
von Leiterplatten geschieht wie folgt: Zunächst erfolgt eine Lackierung mittels
eines Beschichtungskopfes, der beispielsweise als Sprühdüse, Sprühventil,
Piezoventil o.ä.
oder Dispenser ausgeführt
sein kann, von üblicherweise mehreren
auf einem Träger
oder im Mehrfachnutzen angeordneter Leiterplatten. Diese Leiterplatten
werden meist mittels eines Transportbandes zu einem UV-Ofen weitergeleitet,
wo eine schnelle Trocknung erfolgt, indem die Leiterplatten unter
einem zumeist linienförmigen
UV-Strahler durchgeführt
werden. Solche UV-Durchlauföfen
weisen die Nachteile auf, dass sie Platz benötigen, und – da die ganze Trägerbreite/Leiterplattenbreite
bestrahlt werden muss – auch eine
vergleichsweise hohe Leistungsaufnahme haben. Letzteres führt zu einem
hohen Aufwand insbesondere für
die Systemkühlung,
die Ableitung des bei UV-Strahlung entstehenden Ozons sowie für Ersatzstrahlungsquellen.
Darüber
hinaus verlängert
der Durchgang einer Leiterplatte durch einen UV-Ofen nach dem eigentlichen
Lackierprozess die Durchlaufzeit. Bezüglich der Leiterplatte bzw.
bezüglich
der Lackierung ergibt sich noch ein weiteres gravierendes Problem.
Da der Zeitversatz zwischen Lackauftrag und Trocknung relativ groß werden
kann, und da ein noch flüssiger
Lack typischerweise immer ein mehr oder weniger großes Verlaufen – gerade
bei großen Schichtdicken
und Kapillarwirkungseffekten – aufweisen
kann, wird die erzielbare Konturgenauigkeit, auf die es beim selektiven
Lackieren besonders ankommt, reduziert. Die bestehende Methode gemäß dem Stand
der Technik ist also kostenintensiv und die Ergebnisse sind nicht
generell zufriedenstellend.
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Daher
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein selektives Aufbringen einer
Beschichtung – z.B.
eines Lackes – und
dessen Trocknung zu ermöglichen, wobei
die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Unter Trocknung
sei hierbei sowohl das Anhärten
wie auch das Aushärten
der Beschichtung/des Lackes verstanden. Dafür sind ein Verfahren und eine
Vorrichtung erforderlich.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des Verfahrens dadurch gelöst,
dass die Beschichtung lokal begrenzt aufgebracht wird, und dass
die Beschichtung lokal begrenzt getrocknet, angehärtet und/oder
ausgehärtet
wird. Speziell in der Lackiertechnik wird unter Trocknen die Verdunstung
von Lösemittel
aus dem Lack verstanden (ein UV-Lack enthält z.B. kein Lösemittel
im Gegensatz zu den meisten üblichen
Lacken mit ca. 60% Lösemittel).
Härten
ist im Allgemeinen die chemische Reaktion zur Verfestigung (z.B.
beim UV-Lack: Bildung von Makromolekülen über durch UV-Strahlung aktivierte
Radikale) eines bereits getrockneten bzw. applizierten Lackes. Allgemein
sei jedoch unter Trocknung sowohl die eigentliche Trocknung, als
auch die Anhärtung,
als auch die Aushärtung
verstanden. Eine Anhärtung
sei dabei eine noch nicht vollständige
Aushärtung.
Die Beschichtung – z.B.
ein Lack – wird
also nur an speziellen Stellen aufgebracht und die Trocknung – entweder
so lange und so intensiv, dass die Beschichtung aushärtet oder
zumindest so, dass die Beschichtung angehärtet ist, also z.B. nicht mehr
zerfließen
kann – findet
auch nur dort statt, wo sich die frisch aufgebrachte Beschichtung
befindet. Es wird also nicht – wie
z.B. in einem Ofen – die
gesamte Leiterplatte mit z.B. der Trocknung dienendem UV-Licht bestrahlt,
sondern nur der Bereich, in dem sich die Beschichtung befindet.
Eine Ausgestaltung ist auch, dass für einen gewissen Bereich die
Beschichtung nicht vollständig
ausgehärtet wird,
sondern dass ein solcher Bereich – z.B. durch einen Lichtblitz – nur leicht
vorgetrocknet wird, so dass die Leiterplatte z.B. gewendet werden
kann.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Beschichtung durch eine Strahlung
aus einem entsprechend der Beschichtung zu wählenden Wellenlängenbereich
lokal begrenzt getrocknet, angehärtet und/oder
ausgehärtet
wird. Handelt es sich also bei der Beschichtung um einen Lack, der
durch UV-Licht aushärtet,
so geschieht die Trocknung auch mit UV-Licht aus dem entsprechenden
Wellenlängenbereich.
Handelt es sich um Lack, der z.B. thermisch aushärtet, so kann Infrarotlicht
der passenden Wellenlänge
verwendet werden. Bezogen werden soll der Begriff Strahlung auch
z.B. auf energiereiche Elektronen, mit denen ebenfalls spezielle
Lacke ausgehärtet
werden können.
Der Begriff Strahlung soll also physikalisch möglichst breit verstanden werden. Eine Bedingung
für die
Anwendung ist jedoch, dass die Strahlung möglichst fokussierbar sein muss,
so dass eine lokale Trocknung möglich
ist.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass die Beschichtung lokal begrenzt mit
möglichst
geringem Zeitverzug zur Aufbringung der Beschichtung getrocknet,
angehärtet
und/oder ausgehärtet
wird. Durch eine möglichst
geringe zeitliche Verzögerung zwischen
dem Aufbringen und dem Trocknen – bzw. dem Beginn des Trocknens – kann verhindert
werden, dass z.B. die Beschichtung verläuft. Weiterhin erhöht ein geringer
Zeitverzug die Geschwindigkeit der Bearbeitung der Leiterplatten.
Angestrebt wird also, dass sich die Trocknung der Beschichtung in
einem Bereich direkt an das Aufbringen des Lackes / der Beschichtung
anschließt.
Eine minimale Verzögerung
kann jedoch auch dafür
erforderlich sein, dass die Beschichtung z.B. durch Kapillarwirkung auch
in Bereiche gelangt, auf die die Beschichtung nicht direkt aufgebracht
werden kann, weil sie z.B. durch Bauteile verdeckt werden. Je nach
Anwendungsfall kann also ein gewisser Zeitverzug erforderlich sein.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
der Vorrichtung dadurch gelöst,
dass eine Aufbringeinheit vorgesehen ist, die die Beschichtung lokal
begrenzt auf die Leiterplatte aufbringt, und dass eine Trocknungseinheit
vorgesehen ist, die lokal begrenzt die aufgebrachte Beschichtung
trocknet, anhärtet
und/oder aushärtet.
Die Beschichtung – der
Lack also – wird nur
selektiv aufgebracht und die Trocknung erfolgt auch nur selektiv
auf einen Bereich bezogen. Damit werden die Nachteile des Standes
der Technik vermieden.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass die Trocknungseinheit derartig ausgestaltet
ist, dass sie die Beschichtung lokal beschränkt mit einer Strahlung aus
einem entsprechend der Beschichtung gewählten Wellenlängenbereich
trocknet, anhärtet und/oder
aushärtet.
Der Grundgedanke der Erfindung ist also, dass beispielsweise UV-Strahlung punktuell
der Stelle zugeführt
wird, die mit einem UV-aushärtenden
Lack beschichtet worden ist, und dass dies während des selektiven Lackierens
geschieht.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Trocknungseinheit
mit möglichst
geringem Zeitverzug zur Aufbringung der Beschichtung lokal begrenzt
die aufgebrachte Beschichtung trocknet, anhärtet und/oder aushärtet. Dies
ermöglicht
es, dass ein Bereich lackiert und anschließend sogleich getrocknet, an-
und/oder ausgehärtet
wird. Die Zeitverzögerung
zwischen den beiden Schritten – bzw. zwischen
dem Ende des ersten Schrittes des Aufbringens der Beschichtung und
dem Anfang des zweiten Schrittes der Trocknung – wird also entsprechend minimiert.
Der geringe Zeitverzug kann z.B. dadurch erzielt werden, dass die
Aufbringeinheit und die Trocknungseinheit miteinander gekoppelt
sind.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen darin, dass der Platzaufwand, der
technische Aufwand und auch der Zeitaufwand reduziert sind. Weiterhin
ist ein separater und Platz benötigender
UV-Ofen nicht erforderlich. Überdies
wird die Konturgenauigkeit erhöht, da
ein Verlaufen des Lackes durch die minimale Zeitverzögerung zwischen
Lackaufbringung und Trocknung extrem reduziert werden kann. Weiterhin
ermöglicht
die Erfindung sehr einfach eine selektive Realisierung besonders
hoher Lackschichtdicken durch Mehrfachüberstreichung. Dies ist z.B.
bei kritischen Bauelementen wichtig, die einer hohen Vibrationsbelastung
ausgesetzt sind. Die Vorteile sind also, dass die Kosten und Anforderungen
deutlich reduziert sind und dass gleichzeitig die Qualität der selektiven
Lackierung erhöht
und sichergestellt wird. Der besondere Clou ist, dass die Trocknung
unmittelbar nach Ende der Lackaufbringung abgeschlossen ist.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Steuereinheit vorgesehen
ist, die die Leiterplatte in Relation zur Aufbringungseinheit und/oder zur
Trocknungseinheit positioniert, und/oder die die Aufbringungseinheit
und/oder die Trocknungseinheit in Relation zur Leiterplatte positioniert.
Es werden also entweder die Aufbringungseinheit und/oder die Trocknungseinheit
relativ zur Leiterplatte positioniert oder umgekehrt. Durch diese
Ausgestaltungen wird die selektive Beschichtung und Trocknung eines
Bereiches realisiert. Je nach Ausgestaltung der Steuereinheit können somit
unterschiedliche Leiterplatten jeweils spezifisch beschichtet werden.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Steuereinheit mindestens
um einen Roboter mit mindestens einem Roboterkopf für die Positionierung
der Aufbringeinheit und/oder der Trocknungseinheit handelt. Als
Roboter kommen beliebige Systeme in Frage, vorzugsweise jedoch Roboter
mit einer hohen Zahl an Freiheitsgraden, wie z.B. Portal- oder Sechs-Achs-Roboter.
Je beweglicher der Roboter ist, desto mehr Möglichkeiten gibt es, die Lackierung
zu gestalten. Eine Möglichkeit
ist, dass ein Roboter zwischen der Aufbringeinheit und der Trocknungseinheit
wechselt, indem z.B. zunächst
eine Sprüheinheit
aufgenommen und diese dann gegen eine UV-Licht-Einheit ausgetauscht
wird. Das Verfahren ist dann also: Der Roboter nimmt die Aufbringeinheit
auf und bringt damit die Beschichtung auf. Dann legt er die Aufbringeinheit
ab und greift zur Trocknungseinheit, mit der er die Beschichtung
trocknet, d.h. an- oder aushärtet.
In diesem Fall ist das Umrüsten
der Einheit auf unterschiedliche Aufbring- und Trocknungseinheiten
sehr einfach, da der Roboter nur zu einer anderen Einheit greifen
muss.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass in der Aufbringeinheit mindestens
ein Beschichtungstank vorgesehen ist, und dass in der Aufbringeinheit
mindestens eine Beschichtungsdüse/Sprühventil
vorgesehen ist, die mit dem Beschichtungstank verbunden ist. Die
Aufbringeinheit verfügt
also über
ein Reservoir an Beschichtungsmaterial, z.B. durch UV-Licht aushärtbarer
Lack, der z.B. über
einen Schlauch zu einer Düse
gepumpt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Beschichtung
um einen zumindest durch UV-Licht aushärtbaren Lack handelt. Dieser
Lack ermöglicht
eine sehr schnelle Aushärtung, die
auch sehr leicht zu realisieren ist. Es gibt auch Lacke, die durch
energiereiche Elektronenstrahlen aushärten. Diese Art von Lack ist
somit eine weitere Ausgestaltung, erfordert jedoch eine andere Trocknungseinheit.
Um auch eine Trocknung in abgeschatteten Bereichen zu erhalten,
ist ggf. der mit UV-Licht aushärtbare
Lack so zu modifizieren, dass auch eine Komponente vorhanden ist,
die eine Trocknung in diesen Schattenbreichen erlaubt. Zu nennen
ist hierbei die PUR-Härtung.
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Mit
dem durch UV-Licht aushärtbaren
Lack verbunden ist eine Ausgestaltung, die beinhaltet, dass in der
Trocknungseinheit mindestens ein UV-Licht-Strahler vorgesehen ist,
und dass in der Trocknungseinheit mindestens eine UV-Optik vorgesehen
ist, die mit dem UV-Licht-Strahler verbunden ist. Es wird in der
Aushärteinheit
also UV-Licht erzeugt, das über
einen entsprechenden optischen Leiter zu einer Optik geführt wird,
die das UV-Licht gezielt zu dem Bereich bringt, der ausgehärtet werden soll.
Die Dimensionierung der Leistung des UV-Strahlers, die Dauer der
Bestrahlung und die Festlegung des Wellenlängenbereichs hängen u.a. von
den Erfordernissen des Lackes, des angestrebten Grades der Aushärtung/Trocknung
und von der Größe des auszuhärtenden
Bereiches ab.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass in der Trocknungseinheit
mindestens eine Laserdiode vorgesehen ist, die UV-Licht erzeugt.
Eine solche Diode kann direkt in den Roboterkopf eingebaut werden,
so dass sich eine sehr kompakte Konstruktion ergibt.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1: eine schematische Darstellung
einer Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische
Ausgestaltung der Vorrichtung. Auf einem Träger 2 befinden sich
fünf Leiterplatten 1,
die z.B. mit Bauteilen (hier nicht dargestellt) bestückt sind. Über dem
Träger 2 befindet
sich die Steuereinheit 15 – ein Roboter –, die über den
Roboterkopf 16 die Aufbringeinheit 5 und die Aushärteeinheit 10 so
in Position bringt, dass die gewünschte
Stelle auf einer Leiterplatte 1 beschichtet und anschließend ausgehärtet wird.
Die Aufbringeinheit 6 weist einen Vorratsbehälter 6 auf,
der über einen
Versorgungsschlauch 7 mit einer Beschichtungsdüse 8 verbunden
ist. Die Beschichtung, hier ein mit UV-Licht aushärtender
Lack, wird also aus dem Tank 6 zur Düse 8 z.B. gepumpt
und auf die Leiterplatte 1 gesprüht. Die Trocknungseinheit 10 besteht
aus einem UV-Licht-Strahler 11, der über eine Lichtleiterfaser 12 mit
einer entsprechenden Optik 13 verbunden ist. Mit diesem
Licht entsprechender Wellenlänge
wird dann nach dem Aufbringen des Lackes dieser getrocknet, an-
und/oder ausgehärtet.
Eine andere Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Leiterplatten 1,
bzw. der Träger 2 so
verschoben werden, dass die Aufbringeinheit 5 und die Trocknungseinheit 10 in
entsprechender Position sind.
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Träger für Leiterplatten
- 5
- Aufbringeinheit
- 6
- Beschichtungstank
- 7
- Versorgungsschlauch
- 8
- Beschichtungsdüse
- 10
- Trocknungseinheit
- 11
- UV-Licht-Strahler
- 12
- Lichtleiterfaser
- 13
- UV-Optik
- 15
- Steuereinheit
- 16
- Roboterkopf