DE112005001680T5

DE112005001680T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Drucken viskoser Materialien

Info

Publication number: DE112005001680T5
Application number: DE112005001680T
Authority: DE
Inventors: Richard Willshere
Original assignee: Speedline Technologies Inc
Current assignee: Speedline Technologies Inc
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-05-31
Also published as: GB2431618A; US20040244612A1; GB0702244D0; WO2006019802A1

Abstract

Verfahren zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf Substrate in einem Schablonendrucker, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Zuführen von viskosem Material zu einem Abgabebereich eines Druckkopfes;
Anordnen eines ersten Substrats in einer Druckposition;
Bedrucken des ersten Substrats unter Verwendung eines mit einer Schablone in Kontakt stehenden Blattpaars während eines ersten Druckhubs, in dem das Blattpaar sich in eine erste Richtung bewegt, wobei der Abgabebereich zwischen dem Blattpaar definiert ist;
Anordnen eines zweiten Substrats in einer Druckposition; und
Bedrucken des zweiten Substrats während eines zweiten Druckhubs, in dem sich dass Blattpaar in eine bezüglich der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, wobei das Blattpaar während des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Druckhub mit der Schablone in Kontakt bleibt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Bei der Herstellung einer Leiterplatte zur Oberflächenmontage kann ein Schablonendrucker verwendet werden, um Lötpaste auf die Leiterplatte aufzudrucken. Typischerweise wird eine Leiterplatte mit einem Muster aus Pads oder Anschlussflächen oder anderen leitfähigen Flächen, auf die Lötpaste aufgebracht werden soll, dem Schablonendrucker automatisch zugeführt. Eine oder mehrere kleine Löcher oder Marken (die als "Referenzmarkierungen" bekannt sind) auf der Leiterplatte werden verwendet, um die Leiterplatte mit der Schablone oder dem Sieb des Schablonendruckers geeignet auszurichten, bevor die Lötpaste oder ein anderes viskoses Material auf die Leiterplatte gedruckt wird. In einigen Systemen wird ein optisches Ausrichtungssystem verwendet, um die Leiterplatte mit der Schablone auszurichten.
Nachdem die Leiterplatte geeignet mit der Schablone im Drucker ausgerichtet worden ist, wird die Leiterplatte zur Schablone angehoben, wird Lötpaste auf die Schablone abgegeben und wird ein Wiper- oder Wischerblatt (oder Rakel) über die Schablone bewegt, um die Lötpaste durch Öffnungen in der Schablone auf die Leiterplatte zu zwingen. Wenn der Rakel über die Schablone bewegt wird, staucht oder verwirbelt sich die Lötpaste tendenziell vor dem Blatt, so dass die Lötpaste vorteilhaft vermischt und geschert wird, wodurch eine gewünschte Viskosität erhalten wird und die Öffnungen im Sieb oder in der Schablone geeignet gefüllt werden. Die Lötpaste wird typischerweise von einer Standard-Kartusche auf die Schablone abgegeben, wie beispielsweise von der von Systems Engineering and Management Co. (SEMCO), Vista, Kalifornien, USA hergestellten Kartusche.
In einigen Schablonendruckern bleibt, nachdem der Rakel vollständig über die Schablone bewegt wurde, jegliche unter dem Rakel verbleibende übermäßige Lötpaste auf der Schablone zurück, wenn der Rakel auf seine Ausgangsposition zurückgestellt wird, um eine zweite Leiterplatte zu bedrucken. In einigen Siebdruckern bewegt sich ein zweiter Rakel in einer der Bewegungsrichtung des ersten Rakels entgegengesetzten Richtung über die Schablone. Der erste und der zweite Rakel werden bezüglich verschiedenen Leiterplatten verwendet, um die gestauchte oder verwirbelte Lötpaste kontinuierlich durch die Öffnungen einer Schablone zu zwingen und aufeinanderfolgende Leiterplatten zu bedrucken. In Schablonendruckern, die zwei Rakel verwenden, besteht das Problem, dass am Ende eines Fertigungstages, oder wenn die Schablone ausgewechselt werden soll, typischerweise überschüssige Lötpaste auf der Schablone verbleibt und manuell entfernt werden muss. Außerdem ist es in diesen bekannten Druckern schwierig, einen gewünschten Viskositätsgrad aufrechtzuerhalten, weil flüchtige Lösungsmittel von der Lötpaste entweichen, wodurch die Viskosität der Lötpaste beeinflusst wird.
In diesen Schablonendruckern sind die Rakelblätter typischerweise unter einem vorgegebenen Winkel bezüglich der Schablone ausgerichtet, um einen nach unten gerichteten Druck auf die Lötpaste auszuüben und die Lötpaste durch die Öffnungen in der Schablone zu zwingen, während der Rakel über die Schablone bewegt wird. Der Winkel des Blatts basiert auf der Geschwindigkeit, mit der sich das Blatt über die Schablone bewegt, und auf dem gewünschten nach unten gerichteten Druck, der durch das Blatt auf die Lötpaste ausgeübt wird. Es ist vorteilhaft, einen gleichmäßigen Druck auf die Lötpaste auszuüben, während der Rakel sich über die Schablone bewegt; in einem typischen Drucker variiert der Druck jedoch aufgrund von Änderungen in der Viskosität der Paste während eines Fertigungslaufs und aufgrund von Änderungen des Winkels des Rakels, die durch eine Verformung des Rakels aufgrund des durch die Rakelantriebsvorrichtung ausgeübten Drucks verursacht werden.
In Antwort auf einige der vorstehend erwähnten Probleme wird im US-Patent Nr. 5947022, auf das hierin durch Verweis Bezug genommen wird, ein verbesserter Lötpasten-Druckkopf beschrieben. Dieses Patent beschreibt einen beweglichen Druckkopf mit einer zylindrischen Kammer, die Öffnungen aufweist, mit denen entnehmbare Kartuschen verbunden sind, die Lötpaste zuführen. Lötpaste wird von den entnehmbaren Kartuschen in die Zylinderkammer eingeleitet und dann von einem Abgabeschlitz in einem gewünschten Muster durch eine Schablone und auf eine Leiterplatte ausgegeben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf Substrate in einem Schablonendrucker die Schritte auf: (a) Zuführen von viskosem Material zu einem Abgabebereich eines Druckkopfes; (b) Anordnen eines ersten Substrats in einer Druckposition; (c) Bedrucken des ersten Substrats unter Verwendung eines mit einer Schablone in Kontakt stehenden Blattpaars während eines ersten Druckhubs, in dem das Blattpaar sich in eine erste Richtung bewegt, wobei der Abgabebereich zwischen dem Blattpaar definiert ist; (d) Anordnen eines zweiten Substrats in einer Druckposition; und (e) Bedrucken des zweiten Substrats während eines zweiten Druckhubs, in dem sich das Blattpaar in eine bezüglich der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, wobei das Blattpaar während des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Druckhub mit der Schablone in Kontakt bleibt.
Das viskose Material kann eine Lötpaste sein, die durch die Schablone gezwungen wird, wenn die Lötpaste für eine selektive Aufbringung auf das Substrat von der Kammer ausgegeben wird. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das erste und das zweite Substrat Leiterplatten sein. Das Blattpaar weist im wesentlichen parallele und im wesentlichen ebene Innenflächen auf.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist das Verfahren ferner die Schritte auf: Ausüben einer Kraft zum Drücken der Blätter gegen die Schablone, während der Druckkopf sich während eines ersten Druckhubs über die Schablone bewegt, wodurch sich die Blätter biegen; Aufrechterhalten des Eingriffs des Druckkopfes mit der Schablone, wenn der Druckkopf das Ende des ersten Druckhubs über die Schablone erreicht; Aufrechterhalten des Kontakts der Blätter mit der Schablone, wenn der Druckkopf die Richtung ändert und mit dem zweiten Druckhub über die Schablone beginnt, wodurch sich die Blätter in eine der Biegungsrichtung im ersten Druckhub entgegengesetzte Richtung biegen, so dass jeweils ein hinteres Blatt während jedes Druckhubs als Rakel für die Lötpaste dient.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Druckkopf zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf Substrate durch eine Schablone auf: ein eine Kammer definierendes Gehäuse, eine Quellenöffnung, die einen Durchlass mit einem Auslass definiert, der derart angeordnet ist, dass ein viskoses Material in die Kammer fließen kann, und ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter, die einen Abgabebereich definieren, der einen Auslass bildet, von dem das viskose Material aus der Kammer herausfließen kann. Das Blattpaar steht mit der Schablone in Eingriff und die Blätter sind aus einem elastischen Material hergestellt, so dass bei einem Übergang von einem ersten Druckhub zum Bedrucken eines ersten Substrats und einem zweiten Druckhub zum Bedrucken eines zweiten Substrats das Blattpaar mit der Schablone in Eingriff bleibt.
Jedes Blatt weist ein Polymermaterial auf, das aus Polyurethan, Latex und Silikon ausgewählt wird. Die Blätter haben im wesentlichen ebene und parallel zueinander ausgerichtete Innenflächen. Jedes Blatt weist einen elastischen Abschnitt und einen durch den elastischen Abschnitt fest gehaltenen Metallabschnitt auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Schablonendrucker zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf ein Substrat einen Rahmen, eine mit dem Rahmen verbundene Schablone und einen mit dem Rahmen verbundenen Druckkopf auf. Der Druckkopf weist auf: ein eine Kammer definierendes Gehäuse, eine Quellenöffnung, die einen Durchlass mit einem Auslass definiert, der derart angeordnet ist, dass ein viskoses Material in die Kammer fließen kann, und ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter, die einen Abgabebereich definieren, der einen Auslass bildet, von dem das viskose Material aus der Kammer herausfließen kann. Ein Controller ist mit dem Gehäuse und der Quel lenöffnung des Druckkopfes verbunden, wobei der Controller die Zufuhr des viskosen Materials zum Blattpaar und die Bewegung des Blattpaars zwischen einem ersten Druckhub, in dem das Blattpaar sich in eine erste Richtung bewegt, um ein erstes Substrat zu bedrucken, und einem zweiten Druckhub veranlasst, in dem das Blattpaar sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, um ein zweites Substrat zu bedrucken. Die Blätter des Blattpaars sind aus einem elastischen Material hergestellt, so dass das Blattpaar bei einem Übergang vom ersten Druckhub zum zweiten Druckhub mit der Schablone in Eingriff bleibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Schablonendrucker zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf ein Substrat einen Rahmen, eine mit dem Rahmen verbundene Schablone und einen mit dem Rahmen verbundenen Druckkopf zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf die Schablone auf. Der Druckkopf weist einen Abgabebereich auf, durch den ein Auslass bereitgestellt wird, von dem das viskose Material auf die Schablone abgegeben wird. Außerdem wird eine Einrichtung zum Aufrechterhalten des Kontakts zwischen dem Druckkopf und der Schablone bereitgestellt, wenn die Blatteinrichtung sich zwischen einem ersten Druckhub, in dem der Druckkopf sich in eine erste Richtung bewegt, um ein erstes Substrat zu bedrucken, und einem zweiten Druckhub bewegt, in dem der Druckkopf sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, um ein zweites Substrat zu bedrucken, wodurch das viskose Material im wesentlichen innerhalb des Abgabebereichs gehalten wird.
Der Druckkopf weist ferner eine Einrichtung auf, die mit der Schablone in Eingriff kommt und ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter aus einem elastischen Material aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den nachstehend beschriebenen beigefügten Zeichnungen bezeichnen ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile oder Komponenten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßtabsgetreu, sondern es sollen die besonderen Prinzipien der Verfahren und der Vorrichtung hervorgehoben werden, die im Abschnitt "Ausführliche Beschreibung der Erfindung" charakterisiert werden.
1 zeigt eine Vorderansicht eines Schablonendruckers, in dem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert ist;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Druckkopfes;
3 zeigt eine schematische Ansicht des in 2 dargestellten Druckkopfes;
4 zeigt eine Teil-Querschnittansicht entlang der Linie 4-4 in 2;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen entfernbaren Einsatzes;
6 zeigt eine Teil-Endansicht des in 5 dargestellten Einsatzes;
7 zeigt eine Teil-Endansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Einsatzes;
8A zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Druckkopfes, der sich in einem ersten Druckhub bewegt;
8B zeigt eine schematische Ansicht des in 8A dargestellten Druckkopfes, der sich in einem zweiten Druckhub bewegt;
9A zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Druckkopfes, der sich in einem ersten Druckhub bewegt; und
9B zeigt eine schematische Ansicht des Druckkopfes von 9A, der sich in einem zweiten Druckhub bewegt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich ihrer Anwendung nicht auf Details der Konstruktion und die Anordnung von Komponenten beschränkt, die in der folgenden Beschreibung oder in dem Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung kann in anderen Ausführungsformen implementiert und auf verschiedene andere Weisen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Außerdem dient die hierin verwendete Phraseologie und Terminologie lediglich zur Beschreibung und soll nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden. Die Ver wendung der Begriffe „umfassen", „aufweisen", „haben", „enthalten", „einschließen" und deren Varianten ist so zu verstehen, dass die danach genannten Elemente umfasst sind, aber auch deren Äquivalente und auch weitere Elemente.
Zum Zweck der Darstellung werden nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf einen Schablondendrucker beschrieben, der zum Aufdrucken von Lötpaste auf eine Leiterplatte verwendet wird. Fachleute werden jedoch erkennen, dass die Verwendung der hierin beschriebenen Vorrichtung nicht auf Schablonendrucker beschränkt ist, die Lötpaste auf Leiterplatten drucken, sondern auch für andere Anwendungen geeignet ist, die andere viskose Materialen, wie beispielsweise Klebstoffe und Einkapselungsmaterialien, auf verschiedenartige Substrate abgeben. Beispielsweise kann die Vorrichtung zum Drucken eines Epoxidmaterials zur Verwendung als Unterfüllung für Chip-Scale-Packages (CSP) verwendet werden (die typischerweise eine Substratkontaktfläche von etwa 1 cm² aufweisen).
1 zeigt einen allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Schablonendrucker. Der Schablonendrucker 10 weist auf: einen Rahmen 12, der Komponenten des Schablonendruckers 10 hält, wie beispielsweise einen Controller, eine mit dem Rahmen verbundene Schablone 16 und einen allgemein durch das Bezugszeichen 18 bezeichneten Abgabe- oder Druckkopf, von dem Lötpaste abgegeben werden kann. Der Druckkopf 18 ist mit einem Schlitten 20 verbunden, der mit dem Rahmen 12 des Schablonendruckers 10 verbunden ist. Der Schlitten 20 ist dazu geeignet, den Druckkopf beispielsweise durch ein pneumatisches Stellglied in einer linearen Richtung über die Schablone sowie in eine z-Richtung zur Schablone hin und von der Schablone weg zu bewegen. Der Schlitten 20 wird unter der Steuerung des Controllers 14 durch Motoren bewegt. Der Controller 14 wird unter Verwendung eines Personalcomputers mit einem Microsoft-DOS- oder einem Windows-NT-Betriebssystem unter Verwendung einer spezifischen Software zum Steuern des Betriebs des Schablonendruckers 10 implementiert. Durch die Bewegung des Schlittens 20 kann der Druckkopf 18 über der Schablone 16 und quer über die Schablone 16 bewegt werden, um ein viskoses Material auf ein Substrat zu drucken.
Der Schablonendrucker 10 weist außerdem ein Transportsystem mit Schienen 22, 24 zum Transportieren eines Substrats, z.B. einer Leiterplatte 26, zu einer Druckposition im Schablonendrucker 10 auf. Der Schablonendrucker 10 weist mehrere Stifte auf, die unter der Leiterplatte 26 angeordnet sind, wenn die Leiterplatte sich in der Abgabeposition befindet. Die Stifte werden verwendet, um die Leiterplatte 26 von den Schienen anzuheben und die Leiterplatte in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe der Schablone 16 anzuordnen, wenn ein Druckvorgang ausgeführt werden soll.
Der Druckkopf 18 kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung in Schablonendruckern verwendet werden, wie Beispielsweise in einem Schablonendrucker des Typs ULTRAPRINT 3000 und in Schablonendruckern der AP-Serie (die beide von Speedline Technologies, Inc., Franklin, Massachusetts, USA erhältlich sind).
In der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform weist der Druckkopf 18 drei Quellenöffnungen 28 auf, die derart konfiguriert sind, dass sie 3-Unzen- oder 6-Unzen-Standard-Lötpastenkartuschen 30 aufnehmen, die dem Druckkopf 18 während eines Druckvorgangs viskoses Material, z.B. Lötpaste, zuführen. Die Kartuschen 30 sind von Systems Engineering & Management Co. (SEMCO), Vista, Kalifornien, USA erhältlich. Die Oberseite jeder Kartusche 30 ist derart gestaltet, dass sie mit einem Ende eines Druckluftschlauchs (nicht dargestellt, aber in 3 schematisch dargestellt) verbindbar ist, wobei das andere Ende des Schlauchs mit einem Luftkompressor (nicht dargestellt) verbunden ist, der Lötpaste von der Kartusche in den Druckkopf zwingt. Wie für Fachleute leicht ersichtlich ist, kann der Druckkopf 18 derart angepasst werden, dass er andere Standard- oder nicht standardmäßige Kartuschen oder andere Lötpastenquellen aufnehmen kann. Eine mechanische Vorrichtung, wie beispielsweise ein Kolben, kann zusätzlich zu oder an Stelle von Luftdruck verwendet werden, um die Lötpaste von den Kartuschen 30 in den Druckkopf 18 zu zwingen.
Ein Paar Befestigungsklammern, die jeweils durch das Bezugszeichen 32 bezeichnet sind, sind zum Befestigen des Druckkopfes 18 am Rahmen 12 des Schablonendruckers 10 vorgesehen. Die Anordnung ist derart, dass der Druckkopf 18 über die Schablone 16 bewegt in einem ersten Druckhub, in dem der Druckkopf sich in einer ersten linearen Richtung zum Bedrucken einer Leiterplatte 26 über die Schablone 16 bewegt, und einem zweiten Druckhub, in dem der Druckkopf sich in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung über die Schablone bewegt, um eine nachfolgende Leiterplatte zu bedrucken, die dem Schablonendrucker 10 zugeführt wird, nachdem die vorangehende Leiterplatte bedruckt wurde. Jeder Druckhub führt dazu, dass ein Druckvorgang bezüglich einer einzelnen Leiterplatte 26 ausgeführt wird.
Es können eine beliebige Anzahl von Quellenöffnungen 28 auf dem Druckkopf 18 bereitgestellt werden, um mehr oder weniger Kartuschen 30 mit dem Druckkopf zu verbinden, wobei in den 2 und 3 lediglich für Darstellungszwecke drei Kartuschen dargestellt sind. Die Anzahl der Kartuschen 30 wird basierend auf der Länge des Druckkopfes 18 und der Kapazität der verwendeten Kartusche ausgewählt. Die Länge des Druckkopfes 18 ist teilweise basierend auf der Breite der zu bedruckenden Leiterplatte bestimmt. Wenn die Größe der Leiterplatte sich ändert, kann der Druckkopf 18 durch einen neuen Druckkopf mit einer für die neue Leiterplatte geeigneten Länge ersetzt werden. Außerdem kann die effektive Länge eines in 3 durch gestrichelte Linien dargestellten Abgabeschlitzes 34 vermindert werden, um kleinere Leiterplatten aufzunehmen, indem ein Teil des Schlitzes teilweise abgedeckt wird. In spezifischen Ausführungsformen hat der Abgabeschlitz 34 eine Länge von etwa 20 cm bis etwa 60 cm (8 bis 24 Zoll), und die Kartuschen 30 sind 20 cm voneinander beabstandet.
3 zeigt den mit einem Steuersystem verbundenen Druckkopf 18. Das Steuersystem weist den Controller 14 mit einem computerlesbaren Speichermedium auf, der mit einem Prozessor verbunden ist, um einen auf dem Speichermedium gespeicherten Softwarecode auszuführen. Der Controller 14 steuert unter anderem die Operation des Druckkopfes 18, um den Druckkopf zwischen einer ersten und einer zweiten Position zu bewegen, sowie Leiterplatten zur Druckposition zu transportieren. Der Controller 14 kommuniziert außerdem mit einem Kartuschengasdruckservoventil 36, das mit einer Druckgasquelle verbunden ist. Der Controller 14 überträgt Anweisungen an das Servoventil 36, um die Abgabe von viskosem Material, z.B. Lötmittelpaste 38, durch den Abgabeschlitz 34 zu regeln. Der Controller 14 kann außerdem mit einem oder mehreren Sensoren (nicht dargestellt) zum Messen des Drucks oder der Menge der Lötpaste im Druckkopf 18 kommunizieren, wodurch ein Rückkopplungsmechanismus für das Steuersystem bereitgestellt wird. Die Sensoren führen dem Controller 14 ein Feedbacksignal zu, und der Controller überträgt Anweisungen an das Servoventil 36, um den Durchfluss des Druckgases zu regeln und dadurch den Durchfluss der Lötpaste 38 zu erhöhen oder zu vermindern.
Gemäß 4 weist der Druckkopf 18 ein Gehäuse 40 mit einer Kammer auf, die einen Abgabebereich 42 definiert, der sich in den Abgabeschlitz 34 öffnet. In spezifischen Ausführungsformen hat der Abgabebereich 42, wie vorstehend erwähnt wurde, eine Länge von 20–60 cm und einen Durchmesser bzw. eine Breite von etwa 1 cm. Das Gehäuse 40 weist einen geeigneten Befestigungsmechanismus 44 auf, wie beispielsweise eine komplementäre Gelenk- und Verriegelungsanordnung, die es zwei Elementen, die den oberen und den unteren Abschnitt 46, 48 des Gehäuses bilden, ermöglicht, getrennt oder auf einen offenen Zustand geschwenkt zu werden, um einen Einsatz 50 aufzunehmen, der ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter 52, 54 aufweist, die zusammen auf ähnliche Weise wirken wie der vorstehend erwähnte "Rakel". Der Einsatz 50 kann vom Gehäuse 40 des Druckkopfes 18 entfernt werden, wenn der Befestigungsmechanismus 44 gelöst oder freigegeben ist, um den oberen und den unteren Gehäuseabschnitt 46, 48 zu entkoppeln. Die Quellenöffnungen 28 sind auf dem oberen Abschnitt 46 angeordnet, und das Gehäuse 40 weist Manschetten 56 auf, die die Kartuschen 30 in Position sichern und Durchlässe definieren, durch die die Lötpaste 38 von den Kartuschen 30 zum Abgabebereich 42 fließt. Der Einsatz 50 wird zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseab schnitt 46, 48 in Position geklemmt, wenn die beiden Abschnitte durch den Befestigungsmechanismus 44 aneinander befestigt werden.
Gemäß den 5 und 6 und insbesondere gemäß 6 weist jedes Blatt 52, 54 des entfernbaren Einsatzes 50 einen elastischen Körperabschnitt 58 und einen Metallabschnitt 60 auf. Die Blätter 52, 54 kanalisieren das viskose Material auf die Schablone 16, die unter dem Abgabebereich 42 und dem durch die Blätter definierten Schlitz 34 vorbei bewegt wird. Jedes der Blätter 52, 54 hat eine Länge, die der Länge des Abgabeschlitzes 34 ungefähr gleicht. Die Blätter 52, 54 weisen außerdem einander zugewandte Innenflächen 62, 64 auf, die im wesentlichen eben und parallel zueinander angeordnet sind. Die Blätter 52, 54 können Teil des Einsatzes 50 sein oder separat bereitgestellt und geeignet am Einsatz befestigt werden. Der Metallabschnitt 60 jedes Blatts 52, 54 kann aus dünnen Metallblechen (z.B. aus Federstahl) mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 0,25 mm (0,004 bis 0,010 Zoll) hergestellt sein, die parallel zueinander angeordnet sind. Der Metallabschnitt 60 wird in den elastischen Abschnitt 58 eingebettet, indem der Metallabschnitt im Voraus in einer Form positioniert und der elastische Abschnitt um ihn herum gegossen wird. Der Einsatz 50 weist auf dem Einsatz 50 ausgebildete Enddämme 65 zum Aufrechterhalten einer Dichtung zwischen dem Abgabebereich 42 und der Atmosphäre auf. Jeder der Enddämme 65 ist mit jedem der Blätter 52, 54 verbunden, so dass eine 360°-Dichtung zwischen der Schablone 16 und dem Druckkopf 18 erhalten werden kann.
Vorzugsweise sind der elastische Körperabschnitt 58 jedes Blatts 52, 54 und der Rest des Einsatzes 50 aus einem verformbaren Material hergestellt, typischerweise aus einem Polymer, wie beispielsweise Polyurethan, Latex oder Silikon, mit einem Härtegrad von 50–70 Shore. Der obere, sich lateral erstreckende Abschnitt 66 des Einsatzes 50 bildet einen Rahmen, der zwischen den Druckkopfabschnitten 46, 48 festgeklemmt werden kann.
7 zeigt eine andere Ausführungsform, in der Endabschnitte 68 der Blätter 52, 54 aus einem harten Material hergestellt sind, z.B. aus einem Polymermaterial mit hohem Härtegrad, wie beispielsweise Polyurethan, das mit einem Polymermaterial (z.B. Polyurethan) mit einem vergleichsweise niedrigeren Härtegrad für den Rest des Einsatzes 50 gegossen werden kann, indem Polymermaterial mit einem ausreichend hohen Härtegrad in eine Form eingegossen wird, wobei das Polymermaterial mit hohem Härtegrad zu den die Endabschnitte bildenden tieferen Bereichen der Form fließt oder sich dort absetzt. Das Polymermaterial mit dem niedrigeren Härtegrad wird dann auf das Polymermaterial mit dem hohen Härtegrad aufgegossen, um den Rest der Form zu füllen und den Einsatz 50 herzustellen. Durch die Kombination aus den Polymermaterialien mit dem höheren und dem niedrigeren Härtegrad werden ein gewünschter Flexibilitätsgrad, eine geeignete Verschleißfestigkeit und eine geeignete Dichtung gegen die Schablone 16 während des Druckvorgangs erhalten.
Die 8A und 8B zeigen in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise eines allgemein durch das Bezugszeichen 70 bezeichneten herkömmlichen Druckkopfes. Insbesondere wirkt, wie in 8A dargestellt ist, das Blatt 74 bei einer Bewegung in einem durch einen Pfeil 72 dargestellten ersten Druckhub als hinteres Blatt zum Bewegen der Lötpaste 38 über die Schablone 16. Das andere Blatt 76 wird durch Drehen des Druckkopfes 70 im Uhrzeigersinn von der Schablone 16 angehoben. Gemäß 8B wird durch Umkehren der Richtung des Druckkopfes 70, um einen durch einen Pfeil 78 dargestellten zweiten Druckhub zu erhalten, der Druckkopf 70 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, so dass das Blatt 76 als hinteres Blatt dient, das die Lötpaste 38 über die Schablone 16 bewegt, und das Blatt 74 von der Schablone angehoben wird. Dies führt dazu, dass die Lötpaste während des gesamten Druckhubs der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Mit der in mindestens einigen Ausführungsformen der Erfindung verwendeten Blattkonfiguration arbeitet der Schablonendrucker 10, wenn der Druckkopf 18 sich in der abgesenkten Druckposition befindet, in der er mit der Schablone 16 in Kontakt steht, durch Zuführen der Lötpaste 38 von der Kartusche 30 in den Abgabebereich 42. Wenn der Abgabebereich 42 mit Lötpaste 38 gefüllt ist, fließt die Lötpaste auf eine Schablone 16, die über einem Substrat, wie beispielsweise der Leiterplatte 26, angeordnet ist, so dass die Lötpaste durch die Öffnungen in der Schablone in einem vorgegebenen Muster auf die Leiterplatte fließt. In der Druckposition stehen die Blätter 52, 54 mit der oberen Fläche der Schablone 16 in Kontakt. Für jede Richtung, in der der Druckkopf 18 sich über die Schablone 16 bewegt, wird eines der beiden Blätter 52, 54, die parallel zueinander angeordnet sind, ein hinteres Blatt sein und jegliche überschüssige Lötpaste 38 von der Schablone weg wischen. Durch diese Bewegung rollt außerdem die Lötpaste 38, wodurch das Lötmittel vorteilhaft vermischt und geschert wird, wodurch die bevorzugte Viskosität erhalten wird.
Dieser Vorgang ist in den 9A und 9B schematisch dargestellt, wobei die Blätter 52, 54 parallel zueinander ausgerichtet bleiben. 9A zeigt den sich im durch den Pfeil 80 dargestellten ersten Druckhub bewegenden Druckkopf 18. Wie dargestellt ist, ist der Raum zwischen den Blättern 52, 54 vollständig mit Lötpaste 38 gefüllt, wodurch ein effektiverer Druckvorgang erhalten wird, ohne dass der Abgabebereich 42 über den durch die Kartuschen 30 bereitgestellten Druck hinaus unter Druck gesetzt werden muss. Die elastischen Eigenschaften der Blätter 52, 54, d.h. der elastischen Körperabschnitte 58, ermöglichen, dass die Blätter sich auf die in den 9A und 9B dargestellte Weise neigen. Der Metallabschnitt 60 jedes Blatts 52, 54 kann sich in geringem Maße biegen, obwohl jedes Blatt in den 9A und 9B als starr dargestellt ist. Die Neigung der Blätter 52, 54 bezüglich einer vertikalen Ebene kann durch Erhöhen und Vermindern des durch den Druckkopf 18 auf die Schablone 16 ausgeübten Drucks vergrößert bzw. verkleinert werden.
Die Lötpaste 38 wird durch die Kartuschen 30 zwischen den beiden Blättern 52, 54 angeordnet. Die Kartuschen 30 können jedoch durch eine mit dem Druckkopf 18 in Fluidkommunikation stehende Lötmittelquelle ersetzt werden, oder die Lötpaste kann manuell im Druckkopf angeordnet werden. Um eine Unterbrechung der an der Grenzfläche zwischen den Blättern 52, 54 (und den Enddämmen 65) und der Schablone 16 gebildeten Dichtung zu verhindern, wird eine gleichmäßige Kraft auf den Druckkopf ausgeübt, um ihn gegen die Schablone zu drücken. Die Kraft kann beispielsweise durch ein Pneumatikstellglied ausgeübt werden. Wenn das hintere Blatt 52 oder 54 gegen die Schablone 16 gedrückt wird, biegt sich das Blatt, so dass es als Rakel wirkt, wobei der Metallabschnitt 60 des Blatts seiner neutralen Position nacheilt (bezüglich des elastischen Körperabschnitts des Blatts), wenn das Blatt sich über die Schablone bewegt. Der Versatz der Blätter 52, 54 ist der Bewegungsrichtung des Druckkopfes 18 entgegengesetzt. In Abhängigkeit vom Härtegrad des verwendeten Polymermaterials sowie vom durch den Druckkopf 18 ausgeübten Druck können die Neigung und die Biegung der Blätter 52, 54 während des Druckhubs eingestellt und gesteuert werden.
Beim Übergang vom ersten Druckhub, in dem ein Druckvorgang bezüglich einer "ersten" Leiterplatte 26 ausgeführt wird, zum zweiten Druckhub, in dem ein Druckvorgang bezüglich einer "zweiten" Leiterplatte ausgeführt wird, muss der Druckkopf 18 lediglich geringfügig angehoben werden, um das "Umklappen" der Blätter 52, 54 zu veranlassen, so dass sie auf die in 9B dargestellte Weise geneigt sind. Am Ende einer Hubbewegung des Druckkopfes 18 über die Schablone 16 wird das Blatt 52 oder 54, das zuvor das hintere Blatt war, das vordere Blatt, wenn der Druckkopf sich in die entgegengesetzte Richtung über die Schablone zurück bewegt. Die mit der Schablone 16 in Eingriff stehenden Enden der Blätter 52, 54 können zu den neuen nacheilenden oder hinteren Seiten der Blätter umklappen, indem der Druckkopf 18 am Ende eines Durchgangs oder Druckhubs geringfügig angehoben wird, um zu ermöglichen, dass die Blätter auf eine neutrale, mittige Ausrichtung zurückkehren. Wenn der Druckkopf 18 beginnt sich in die entgegengesetzte Richtung über die Schablone 16 zu bewegen, wird der Druckkopf wieder geringfügig abgesenkt (z.B. durch ein Pneumatikstellglied), um ihn gegen die Schablone zu drücken, wodurch veranlasst wird, dass die Blätter 52, 54 sich nach hinten biegen, wodurch die Endabschnitte in Richtung der neuen nacheilenden Seiten der Blätter versetzt werden.
Der Druck auf die Bläter 52, 54 wird zwischen dem ersten Druckhub und dem zweiten Druckhub im wesentlichen beibehalten. Trotz der geringfügigen Anhebung des Druckkopfes 18 wird aufgrund der elastischen Eigenschaften der Körperabschnitte 58 der Blätter 52, 54 ermöglicht, dass ein gleichmäßiger Druck der Blätter auf die Schablone 16 ausgeübt wird, wodurch die Dichtung zwischen dem Druckkopf und der Schablone 16 aufrechterhalten wird. Dies ist wichtig, weil die Lötpaste 38 im Abgabebereich 42 nicht durch eine sekundäre Quelle über den durch die Kartuschen 30 bereitgestellten Druck hinausgehend unter Druck gesetzt wird. Dadurch wird die Dichtung zwischen den Blättern 52, 54, den Enddämmen 65 und der Schablone 16 aufrechterhalten.
In anderen Ausführungsformen werden unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren von Lötpaste verschiedene viskose Materialien gedruckt. In einer Ausführungsform wird Flüssigepoxid vom Druckkopf ausgedruckt. Flüssigepoxid kann als Unterfüllung für Chip-Scale-Packages (CSP) verwendet werden, wobei das Epoxid auf eine Fläche von etwa 1 cm² auf eine Leiterplatte aufgebracht und die Chips dann auf dem Epoxid montiert werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden ist, ist für Fachleute offensichtlich, dass innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung verschiedene Änderungen hinsichtlich der Ausführungsformen und von Details vorgenommen werden können.
Zusammenfassung
Verfahren und Vorrichtung zum Drucken viskoser Materialien
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf Substrate in einem Schablonendrucker bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen von viskosem Material zu einem Abgabebereich eines Druckkopfes; Anordnen eines ersten Substrats in einer Druckposition; Bedrucken des ersten Substrats unter Verwendung eines mit einer Schablone (16) in Kontakt stehenden Blattpaars (52, 54) während eines ersten Druckhubs, in dem das Blattpaar sich in eine erste Richtung (80) bewegt, wobei der Abgabebereich zwischen dem Blattpaar definiert ist; Anordnen eines zweiten Substrats in einer Druckposition; und Bedrucken des zweiten Substrats während eines zweiten Druckhubs, in dem sich das Blattpaar in eine bezüglich der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung (82) bewegt, wobei das Blattpaar während des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Druckhub mit der Schablone in Kontakt bleibt. Außerdem werden durch die vorliegende Erfindung ein Druckkopf und Schablonendrucker bereitgestellt.

Claims

Verfahren zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf Substrate in einem Schablonendrucker, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen von viskosem Material zu einem Abgabebereich eines Druckkopfes; Anordnen eines ersten Substrats in einer Druckposition; Bedrucken des ersten Substrats unter Verwendung eines mit einer Schablone in Kontakt stehenden Blattpaars während eines ersten Druckhubs, in dem das Blattpaar sich in eine erste Richtung bewegt, wobei der Abgabebereich zwischen dem Blattpaar definiert ist; Anordnen eines zweiten Substrats in einer Druckposition; und Bedrucken des zweiten Substrats während eines zweiten Druckhubs, in dem sich dass Blattpaar in eine bezüglich der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, wobei das Blattpaar während des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Druckhub mit der Schablone in Kontakt bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das viskose Material Lötpaste ist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt zum Zwingen der Lötpaste durch die Schablone, wenn die Lötpaste von der Kammer abgegeben wird, so dass sie selektiv auf dem Substrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Substrat Leiterplatten sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Blattpaar im wesentlichen parallele und im wesentlichen ebene Innenflächen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit den Schritten: Ausüben einer Kraft zum Drücken der Blätter gegen die Schablone, während der Druckkopf sich während des ersten Druckhubs über die Schablone bewegt, wodurch sich die Blätter biegen; Aufrechterhalten des Eingriffs des Druckkopfes mit der Schablone, wenn der Druckkopf das Ende des ersten Druckhubs erreicht; und Aufrechterhalten des Kontakts der Blätter mit der Schablone, wenn der Druckkopf die Richtung ändert und mit dem zweiten Druckhub über die Schablone beginnt, wodurch sich die Blätter in eine der Biegungsrichtung im ersten Druckhub entgegengesetzte Richtung biegen, so dass jeweils ein hinteres Blatt während jedes Druckhubs als Rakel für die Lötpaste dient.
Druckkopf zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf Substrate durch eine Schablone, wobei der Druckkopf aufweist: ein eine Kammer definierendes Gehäuse; eine Quellenöffnung, die einen Durchlass mit einem Auslass definiert, der derart angeordnet ist, dass ein viskoses Material in die Kammer fließen kann; und ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter, die einen Abgabebereich definieren, der einen Auslass bildet, von dem das viskose Material aus der Kammer herausfließen kann, wobei das Blattpaar mit der Schablone in Eingriff steht; wobei das Blattpaar aus einem elastischen Material hergestellt ist, so dass bei einem Übergang von einem ersten Druckhub, in dem ein erstes Substrat bedruckt wird, und einem zweiten Druckhub, in dem ein zweites Substrat bedruckt wird, das Blattpaar mit der Schablone in Eingriff bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jedes Blatt ein Polymermaterial aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Polymermaterial aus Polyurethan, Latex und Silikon ausgewählt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Blätter im wesentlichen ebene und parallel zueinander ausgerichtete Innenflächen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jedes Blatt einen elastischen Abschnitt und einen durch den elastischen Abschnitt fest gehaltenen Metallabschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das viskose Material Lötpaste ist.
Schablonendrucker zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf ein Substrat, wobei der Schablonendrucker aufweist: einen Rahmen; eine mit dem Rahmen verbundene Schablone; einen mit dem Rahmen verbundenen Druckkopf; wobei der Druckkopf aufweist: ein eine Kammer definierendes Gehäuse; eine Quellenöffnung, die einen Durchlass mit einem Auslass definiert, der derart angeordnet ist, dass ein viskoses Material in die Kammer fließen kann; ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter, die einen Abgabebereich definieren, der einen Auslass bildet, von dem das viskose Material aus der Kammer herausfließen kann; und einen Controller, der mit dem Gehäuse und der Quellenöffnung des Druckkopfes verbunden ist, wobei der Controller die Zufuhr von viskosem Material zum Blattpaar und die Bewegung des Blattpaars zwischen einem ersten Druckhub, in dem das Blattpaar sich in eine erste Richtung bewegen, um ein erstes Substrat zu bedrucken, und einem zweiten Druckhub veranlasst, in dem das Blattpaar sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, um ein zweites Substrat zu bedrucken. wobei das Blattpaar aus einem elastischen Material hergestellt ist, so dass bei einem Übergang vom ersten Druckhub zum zweiten Druckhub das Blattpaar mit der Schablone in Eingriff bleibt.
Schablonendrucker nach Anspruch 13, wobei jedes Blatt ein Polymermaterial aufweist.
Schablonendrucker nach Anspruch 14, wobei das Polymermaterial aus Polyurethan, Latex und Silikon ausgewählt wird.
Schablonendrucker nach Anspruch 13, wobei die Blätter im wesentlichen ebene und parallel zueinander ausgerichtete Innenflächen aufweisen.
Schablonendrucker nach Anspruch 13, wobei jedes Blatt einen elastischen Abschnitt und einen durch den elastischen Abschnitt fest gehaltenen Metallabschnitt aufweist.
Schablonendrucker nach Anspruch 13, wobei das viskose Material Lötpaste ist.
Schablonendrucker zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf ein Substrat, wobei der Schablonendrucker aufweist: einen Rahmen; eine mit dem Rahmen verbundene Schablone; einen mit dem Rahmen verbundenen Druckkopf zum Aufdrucken eines viskosen Materials auf die Schablone, wobei der Druckkopf einen Abgabebereich aufweist, durch den ein Auslass bereitgestellt wird, von dem das viskose Material auf die Schablone abgegeben wird; und eine Einrichtung zum Aufrechterhalten des Kontakts zwischen dem Druckkopf und der Schablone, wenn die Blatteinrichtung sich zwischen einem ersten Druckhub, in dem der Druckkopf sich in eine erste Richtung bewegt, um ein erstes Substrat zu bedrucken, und einem zweiten Druckhub bewegt, in dem der Druckkopf sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, um ein zweites Substrat zu bedrucken, um das viskose Material im wesentlichen im Abgabebereich zu halten.
Schablonendrucker nach Anspruch 19, wobei der Druckkopf eine Einrichtung aufweist, die dazu geeignet ist, mit der Schablone in Eingriff zu kommen.
Schablonendrucker nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung, die dazu geeignet ist, mit der Schablone in Eingriff zu kommen, ein Paar sich nach unten erstreckende, im wesentlichen vertikale Blätter aufweist.
Schablonendrucker nach Anspruch 21, wobei das Blattpaar aus einem elastischen Material hergestellt ist.