DE69632795T3

DE69632795T3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausgabe von kleinen Mengen eines flüssigen Materials

Info

Publication number: DE69632795T3
Application number: DE69632795T
Authority: DE
Inventors: James C. Amherst Smith; Patrick T. Hogan; Laurence B. Duluth Saidman
Original assignee: Nordson Corp
Current assignee: Nordson Corp
Priority date: 1995-11-16
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2005-07-14
Also published as: EP1655094A1; JP3616105B2; DE69611692D1; JP4989716B2; AU1119797A; JP2004322099A; DE69632795D1; CA2235991C; EP1029626A2; EP0861136B1; WO1997018054A1; EP1029626A3; JP2000501331A; DE69611692T2; JP2010075930A; CA2235991A1; DE06075088T1; JP4657648B2; EP1437192A2; EP1029626B1

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Ausgabe flüssigen Materials, genauer ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Ausgeben sehr kleiner Mengen haftenden, viskosen Materials, Flussmittels zum Löten oder anderer flüssiger Materialien in einer Baugruppe elektronischer Komponenten und auf Leiterplatten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung gehört zu einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Aufbringen flüssigen Materials in der Elektronikindustrie und auf einer Oberfläche wie eine Leiterplatte. Jedoch wäre es wünschenswert, wenn die Erfindung weitere Anwendungsbereiche fände und vorteilhaft in anderen Industrien eingesetzt würde.
Bei der Herstellung einer Leiterplatte (PC-board), die eine Substratoberfläche für eine bestückte Leiterplatte bildet, begegnet man häufig drei Grundtypen von Platinen. Die erste ist als Auflötplatine bekannt, bei der nur Auflötkomponenten verwendet werden. Die Komponenten können auf einer Leiterplatte angeordnet werden, auf der ein Klebstoff zum Sichern der Komponenten aufgebracht ist. Anschließend kann die Platine mit den aufgeklebten Komponenten in einen Ofen gegeben werden, um den Klebstoff auszuhärten und die Komponenten am Platz zu halten. Anschließend können die Platinen und Komponenten durch eine Wellenlötmaschine geschickt werden, um die elektrischen Verbindungen fertigzustellen. Ein anderes Verfahren, diese Komponenten auf der Platine zu befestigen, ist als Aufschmelz-Löten bekannt, wobei Lötpaste auf der Platine aufgetragen wird und anschließend die Auflötkomponenten wie gewünscht angeordnet werden. Die Lötpaste wird ausgehärtet, wenn die Platine erhitzt wird, um das Lötmittel aufzuschmelzen und die elektrische Verbindung fertigzustellen. Anschließend wird die Platine gereinigt.
Bei der zweiten Art von Platinen werden Durchsteck-Komponenten verwendet. Wie der Name sagt, haben diese elektrischen Komponenten Zuleitungen, die sich durch Löcher oder Öffnungen in der Platine erstrecken. Die Zuleitungen werden angelötet, um die elektrische Verbindung fertigzustellen.
In einer Mischtechnologie-Platine wird eine Kombination aus Auflöt-Komponenten und Durchsteck-Komponenten verwendet. Die Auflöt-Komponenten werden wie oben beschrieben angeordnet und gelötet. Nachdem die Auflöt-Komponenten auf der ersten Seite der Platine befestigt sind, werden die Durchsteck-Komponenten auf der Platine mit den Zuleitungen durch Öffnungen in der Platine hindurch gesteckt, für einen darauffolgenden Lötvorgang angeordnet. Wenn ein doppelseitiger Zusammenbau angestrebt wird, wird die Platine herumgedreht und die Auflöt-Komponenten werden auf die zweite Seite aufgebracht.
In jedem Fall ist ein Lötvorgang auf einer Oberfläche, typischerweise der Unterseite der Platine, notwendig. Es gibt mehrere gemeinsame Lötprozesse. Der gesamte Lötprozess besteht eigentlich aus drei unabhängigen und wesentlichen Schritten, die normalerweise in einer einzigen Maschine ausgeführt werden. Diese Schritte beinhalten (i) Aufbringen des Lötmittels, (ii) Vorwärmen der Platine und (iii) Löten. Flussmittel ist allgemein definiert als "eine chemisch und physikalisch aktive Formel, die die Benetzung einer Metalloberfläche durch geschmolzenes Lötmittel fördert, indem sie Oxide oder andere Oberfächenfilme von den Basismetallen und dem Lötmittel entfernt. Das Flussmittel schützt ferner die Oberfläche vor Reoxidation während des Lötvor gangs und verändert die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmittels und des Basismetalls". Eine Leiterplatte muss mit Flussmittel gereinigt werden, um die Platine wirkungsvoll zum Löten vorzubereiten und die Komponenten geeignet zu benetzen.
Vier Grundtypen von Flussmitteln sind gewöhnlich in gewerblicher Anwendung. Davon sind Harz-basierende Flussmittel die weitest verbreiteten, obwohl sie normalerweise einen anschließenden Reinigungsvorgang verlangen, um die Rückstände des Harzbasierenden Flussmittels auf der Platine zu entfernen. Die Rückstände können sich bei anschließendem Testen der Leiterplatte nachteilig auswirken.
Eine andere bedeutende Kategorie von Flussmitteln schließt wasserlösliche Flussmittel ein, die, wie der Name verrät, zum Reinigen in einer wässrigen Lösung bestimmt sind. Aus einer Vielzahl von Gründen wird diese Technologie aber noch nicht bereitwillig angenommen.
Eine dritte Kategorie sind synthetisch aktivierte Flussmittel, für die die Nachfrage aus einer Vielzahl von Gründen zurückgeht. Beispielsweise müssen die Rückstände mit Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) basierenden Reinigern entfernt werden, was Umweltbedenken auslöst.
Ein vierter Typ von Flussmitteln, der größere Aufmerksamkeit im Hinblick auf Umweltüberlegungen erntet, sind feststoffarme Flussmittel. Feststoffarme Flussmittel enthalten geringe Mengen von Feststoffen, zum Beispiel fünf Gew.-% oder weniger. Feststoffarme Flussmittel werden verwendet, um die Menge der Rückstände, die auf der Platine nachdem das Löten beendet ist, zurückbleiben, zu begrenzen, so dass auf anschließende Reinigungsvorgänge verzichtet werden kann.
Wie oben ausgeführt, verwenden gewerbliche Reinigungsverfahren typischerweise FCKW. Gegenwärtige Studien zeigen an, dass die Verwendung von FCKW das stratosphärische Ozon der Erde zerstört oder zu dessen Zerstörung nachteilig beiträgt. Somit ist umgekehrt die Abschaffung anschließender Reinigungsvorgänge von Leiterplatten auf die Umweltbelange der Ozonzerstörung gerichtet, die mit Reinigungsprozessen nach dem Löten verbunden sind.
Flussmittel enthalten im allgemeinen ein Lösungsmittel, einen Träger, einen Aktivator, ein Tensid und ein Antioxidationsmittel. Das Lösungsmittel ist der flüssige Träger der Flussmittelinhaltsstoffe. Häufig wird Isopropanol oder ähnliche Sorten von Alkohol als Lösungsmittel verwendet. Die Trägerkomponente des Flussmittels dient als Hochtemperatur-Lösungsmittel während des anschließenden Lötvorganges. Der Aktivator entfernt andererseits Verunreinigungen wie zum Beispiel Oxide, um eine benetzbare Oberfläche für den Lötvorgang bereitzustellen. Das Tensid fördert das Benetzen durch Lötmittel während das Antioxidationsmittel die erneute Oxidation der Zuleitung der Komponenten begrenzt.
Bei der Herstellung von Leiterplatten ist es häufig nötig, kleinste Mengen oder Tröpfchen von flüssigem Material, einschließlich zum Beispiel Lötflussmittel und viskose Materialien, auf die Schaltkreisplatine aufzubringen, deren Viskosität größer als fünfzig Centipoise ist. Diese flüssigen und viskosen Materialien schließen neben Lötflussmittel auch Klebstoffe, Lötpaste, Lötstopmasken, Fett, Öl, Einkapselmittel, Gießmassen, Tintenfarbstoffe und Silikone ein.
Bekannte Strukturen und Verfahren zum Aufbringen von Flussmittel auf eine Leiterplatte schließen das Anschwemmen, Schäumen, Bürsten, Tampondrucken oder Sprühen ein, und sind, wie in dem US-Patent Nr. 5,328,085 beschrieben, alle in der einen oder anderen Weise als unzureichend erachtet, soweit es um das Gesamtziel der Gleichförmigkeit, Trennschärfe und Effektivität des Aufbringens von Flussmittel geht.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen auf ein Substrat wie zum Beispiel eine Leiterplatte ist die Ausgabe des viskosen Materials mittels einer Spritze oder eines Ventils. Die Ausgabe mittels einer Spritze oder eines Ventils wird verbreitet verwendet und wird mit einem pneumatischen Mechanismus oder einem Verdrängerventil erreicht. Es ist schwierig, mittels einer Spritze mehr als vier Punkte flüssigen Materials pro Sekunde auszugeben.
Wie im US-Patent Nr. 5,320,250 diskutiert, platzieren Spritzenausgabegeräte die Spitze der Spritze des Ausgabegerätes sehr nah an dem Substrat, das heißt in einer Entfernung von 0,127 mm (0,005 inch) für einen sehr kleinen Tropfen und in einer Entfernung von 1,524 mm (0,060 inch) für einen größeren Tropfen. Das viskose Material wird aus der Spitze der Spritze herausgedrückt und berührt das Substrat während es noch mit der Spitze der Spritze verbunden ist. Wenn das viskose Material das Substrat nicht berührt, wird es nicht an dem Substrat haften und es wird sich kein Tropfen bilden. Das Berühren des viskosen Materials mit dem Substrat wird "Benetzen" genannt. Nachdem das viskose Material die Oberfläche des Substrates berührt, wird die Spitze zurückgezogen und der entstehende Strang wird getrennt, um einen Tropfen zu formen.
Ein Problem der bekannten Systeme ist die Strangbildung oder das Anhaften des Tropfens flüssigen Materials an der Düse, was die Fähigkeit des Ausgabesystems, präzise quantitative Mengen flüssigen Materials auszugeben, ungünstig beeinflusst. Die Strangbildung tritt am wahrscheinlichsten bei geringen Drucken auf, zum Beispiel wenn der Druck in der Spritze hoch- oder runterfährt. Aus diesem Grund tritt die Strangbildung auch häufiger auf, wenn die Ausgabezeit abnimmt. Die Strangbildung des flüssigen Materials von der Spitze der Düse während des Endstadiums der Ausgabe kann zu einem gewissen Teil verhindert werden, indem der interne Druck der Spritze negativ gemacht wird. Wenn eine neue Ausgabe beginnt, tritt jedoch fast unvermeidbar eine Ansammlung von Flüssigkeit an der Spitze der Düse auf, die somit die Sicherheit des nachfolgenden Extrudierens ungünstig beeinflusst.
Ein anderer Lösungsansatz, eine Flüssigkeit von einer Spritze auszugeben, ist im US-Patent Nr. 5,320,250 offenbart, bei dem die Spendenvorrichtung ein Reservoir oder eine Spritze mit viskosem Material einschließt, welche mit einer Kammer verbunden ist, um kontinuierlich viskoses Material von dort aufzunehmen. Die Kammer hat eine flexible, elastische Membran, die eine der Außenwände der Kammer bildet. Ein Stoßmechanismus überträgt einen vorbestimmten Impuls auf die Membran, um eine vorbestimmte, geringfügige Menge viskosen Materials von der Kammer durch eine Düse mit hoher Geschwindigkeit zu treiben. Diese geringfügige Menge nimmt die Form eines sehr kleinen Strahles flüssigen Materials an. Wird die Stoßenergie durch das Mittel eines Anschlages unterbrochen, "schiebt" der plötzliche Rückgang des Kammerdruckes und des Vorwärtsimpulses des Strahles den Strahl zu einem Tropfen zusammen. Für viele viskose Materialien wird die Kammer beheizt, um die Viskosität des Materials zu regulieren. Das Reservoir steht vorzugsweise unter Gasdruck, um das viskose Material in die Kammer zu drücken. Ein Problem bei dieser Art der Aus führung ist, dass die hohe vermittelte Geschwindigkeit zum Ausbilden eines Strahles viskosen Materials den Schwanz des Strahles dazu veranlasst, in kleinere Tröpfchen zu zerreißen und Satelliten zu bilden.
Um einige der Probleme der bekannten Vorrichtungen zu lösen, wird ein Zweistufen-Ausgabesystem verwendet, worin sich das viskose Material in einer Spritze unter einem konstanten Luftdruck von ungefähr 25759 Pa (4 psi) bis ungefähr 82737 Pa (12 psi), je nach der Viskosität, befindet, wodurch ein stetiger Fluss des Materials in die Kammer einer Rotationsverdrängerpumpe sichergestellt wird. Die Pumpe gibt nicht weniger als 25.000 Punkte pro Stunde von der viskosen Flüssigkeit auf eine Leiterplatte (PC-board) aus. Da das viskose Material aus der Spitze der Spritze herausgedrückt wird und das Substrat berührt, während es noch mit der Spitze verbunden ist, bestehen dieselben Probleme, bezüglich der Ausgabe mittels einer Spritze (wie oben) beschrieben.
Während im Stand der Technik viele der Probleme, die das Aufbringen flüssiger oder haftender, viskoser Materialtröpfchen auf ein Werkstück wie ein PC-board betreffen, vermindert wurden, zwingt das Problem der Strangbildung des flüssigen oder viskosen Materials an der Düse, sofern schnelles Aufbringen erforderlich ist, den Roboter, auf dem der Spender montiert ist, bei jedem Tropfen zu einer Auf- und Abbewegung. Diese Bewegung verringert die Geschwindigkeit, mit der die Tropfen aufgebracht werden können.
Ein anderes Problem beim Aufbringen von feststoffarmen Flussmitteln betrifft das selektive Aufbringen von Lötflussmittel auf Träger bei der Produktion von Flip-Chip- und Ball-Grid-Anordnungen (BGA). Bei Flip-Chip-Aufbauten wird das Flussmittel auf die Verbindungsbereiche des Chip-Trägers, auch bekannt als Mother-Board, aufgebracht. Danach wird eine Silizium-Scheibe oder -Chip mit einer Lötperle mit typischerweise einem Durchmesser von zwischen ungefähr 0,0762 mm (0,003 inch) bis ungefähr 0,127 mm (0,005 inch) (ungefähr 3 mils bis ungefähr 5 mils) an einem jeden der hunderten von Kontaktpunkten auf einer Seite des Chips auf dem Mother-Board platziert.
Um das Lötmittel zu verflüssigen, wird das Mother-Board erhitzt, so dass die Lötperlen, die mit dem Flussmittel in Berührung stehen, eine gelötete Verbindung zwischen dem Chip und dem Mother-Board herstellen. Ein Problem bei dem bekannten Verfahren zum Aufbringen von feststoffarmen Flussmitteln, die typischerweise auf Kunstharz basieren, ist, dass mehr Flussmittel aufgebracht wurde als benötigt. Dies bewirkte längere Reinigungszeiten, verschwendetes Material und längere Verarbeitungszeiten. Wenn die Höhe des Flussmittels, das auf das Mother-Board aufgebracht wurde, zu groß war, das heißt, höher als der Durchmesser der Lötperle war, dann bekäme der Chip überdies eine Tendenz zu "schwimmen", während die Löttröpfchen schmolzen, was in einer schlechten Ausrichtung und/oder einer schlechten Verbindung zwischen dem Chip und dem Mother-Board resultiert.
Ein anderes Problem bezüglich des Aufbringens von Lötflussmittel betrifft andere Platinen mit Durchsteck-Komponenten. In diesem Fall weist die Platine Durchgangslöcher oder -öffnungen auf und die Zuleitungen der elektrischen Komponenten werden in die Löcher eingeführt. Da das Löten der Zuleitungen in den Löchern das Aufbringen des Flussmittels voraussetzt, wäre es sehr vorteilhaft, wenn es möglich wäre, das Flussmittel nur in dem Bereich des Durchgangsloches aufzubringen, wo die Zuleitungen eingeführt werden.
ZIELE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausgabe kleiner Mengen von flüssigem oder viskosem Material bei einer erhöhten Temperatur von der Öffnung einer Düse, die über einer Leiterplatte beabstandet angeordnet ist, um den Problemen und Beschränkungen der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu begegnen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausgabe kleiner Mengen von flüssigem oder viskosem Material bereitzustellen, wobei die geringen Mengen flüssigen oder viskosen Materials auf eine erhöhte Temperatur erhitzt werden, bei der die Strangbildung reduziert und die Bildung von Satelliten minimiert ist.
Weiterhin ist es ein Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausgabe kleiner Tropfen flüssigen oder viskosen Materials durch eine längliche Mündung einer beheiz ten Düse bereitzustellen, wobei ein Ventil schnell gegen einen Ventilsitz geschlossen wird, um kinetische Energie auf das Material zu übertragen, so dass es von dem Ende der Düse, von der es ausgegeben wird, abreißt und auf ein Substrat herabgetrieben wird, um einen geringfügigen Tropfen flüssigen oder viskosen Materials auf der Platine zu bilden.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für die Ausgabe einer veränderbaren Anzahl von Tropfen eines flüssigen oder viskosen Materials durch eine längliche Mündung einer Düse auf ein Substrat bereitzustellen, bei dem wenigstens zwei der Tropfen aufeinanderfallen und sich zu einem endgültigen Tropfen mit der gewünschten Form auf dem Substrat verbinden.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Höhe der Oberseite eines Tropfens flüssigen oder viskosen Materials über der Oberfläche eines Substrates, auf das der Tropfen aufgebracht ist, durch Steuern der Temperatur der Düsenheizung variiert wird.
Ferner ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufbringen eines Lötflussmittels auf die Oberfläche eines Mother-Boards bereitzustellen, auf das ein Flip-Chip mit Lötperlen an jedem der Kontaktpunkte montiert werden soll, so dass die Höhe des Flussmittels geringer als der Durchmesser der Lötperlen ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum selektiven Aufbringen einer Vielzahl von Tropfen eines Lötflussmittels auf die Oberfläche eines Substrates, wie zum Beispiel eines PC-Boards, bereitzustellen, bei dem die Tropfendes Lötflussmittels zusammenfließen, um einen gleichförmigen Film der gewünschten Dicke zu bilden.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung für die Ausgabe kleiner Tropfen flüssigen oder viskosen Materials bereitzustellen, die eine Heizbaugruppe umfasst, welche um ein beheiztes Erweiterungselement des Spendergehäuses angeordnet ist, so dass die Heizbaugruppe einfach zum Reinigen des geheizten Erweiterungselementes entfernt werden kann.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung für die Ausgabe kleiner Tropfen flüssigen oder viskosen Materials bereitzustellen, bei der die Düse aus einer dünnwandigen Röhre konstruiert ist und mit Plastik beschichtet werden kann.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für die Ausgabe kleiner Tropfen flüssigen oder viskosen Materials bereitzustellen, bei dem ein Ventil drei Stellungen bezüglich des Ventilsitzes hat, so dass in der ersten Position der Großteil des Materials zurück zur Quelle sowie zu einer Düse fließt. In der zweiten Stellung ist der Fluss zur Quelle vermindert und der Rest fließt zu der Düse, um einen Materialstrang von der Düse auszugeben. Wenn zuletzt das Ventil gegen den Ventilsitz anliegt, stoppt der Fluss von der Quelle und der Strom, der von der Düse ausgegeben wird, wird unterbrochen, um einen Tropfen zu formen.
Die US-2025509 beschreibt einen elektrischen Lötkolben mit einer Heizeinheit, die eine Kammer für das geschmolzene Lötmittel und ein Handventil zur Regelung der Abgabe des geschmolzenen Lötmittel umfasst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgabe kleiner Mengen flüssigen Materials, wie Flussmittel oder Klebstoff, der für das Aufschmelz-Lötverfahren eingesetzt wird, zur Verfügung gestellt, das die Merkmale umfasst: Zuführen flüssigen Materials zu einem Einlassende eines ersten Strömungskanals, der sich durch eine Ventilbaugruppe erstreckt, die einen nahe einem Auslassende des ersten Strömungskanals vorgesehenen Ventilsitz und ein hin- und herbewegbares, innerhalb des ersten Strömungskanals positioniertes Ventil aufweist, Füllen eines zweiten Strömungskanals, der sich durch eine Düsenanordnung erstreckt, mit dem flüssigen Material, wenn das Ventil in einer ersten, vom Ventilsitz beabstandeten Position ist, wobei der zweite Strömungskanal einen Einlassabschnitt zur Aufnahme des flüssigen Materials aus dem Auslassende des ersten Strömungskanals und einen Auslassabschnitt mit einer Mündung aufweist, die sich durch eine längliche Düse erstreckt, aus der das flüssige Material abgegeben wird, Bewegen des Ventils aus der ersten Position in eine Position, in der es auf dem Ventilsitz sitzt und dabei einen Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal abschneidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Ventils das Beschleunigen des Ventils aus der ersten Position in eine zweite Position umfasst, die vom Ventilsitz weniger beabstandet ist als die erste Position, wodurch ein Teil der Mehrheit des flüssigen Materials im ersten Strömungskanal auf das Einlas sende des ersten Strömungskanals zu fließt und das verbleibende flüssige Material im ersten Strömungskanal vom Auslassende in den zweiten Strömungskanal fließt und von einem Auslass der länglichen Düse als ein Strom flüssigen Materials abgegeben wird, das Bewegen des Ventils aus der zweiten Position auf eine dritte Position hin, in der es auf dem Ventilsitz sitzt, umfasst, wodurch der Strom flüssigen Materials auf das Einlassende des ersten Strömungskanals zu verringert wird und der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal verstärkt wird, und das Bewegen des Ventils auf die dritte Position zu, in der das Ventil auf dem Ventilsitz aufsitzt, wodurch der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal abgeschnitten wird und der Strom flüssigen Materials, der aus dem Auslass der länglichen Düse abgegeben wird, vom Auslassende der Düsenmündung abreißt und ein Tröpfchen bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Flüssigkeit oder ein viskoses Material unter Druck von einer Spendervorrichtung in eine Ventilbaugruppe ausgegeben. Die unter Druck befindliche Flüssigkeit oder das viskose Material wird in der Ventilbaugruppe auf eine Temperatur zwischen etwa 22°C bis etwa 75°C erhitzt und als Strom durch eine längliche Mündung einer an die Ventilbaugruppe montierten Düse ausgegeben. Der Strom der erhitzten, unter Druck befindlichen Flüssigkeit oder des viskosen Materials wird von der Düse durch schnelles Schließen der Ventilbaugruppe abgetrennt, um einen Tropfen zu formen. Der Tropfen wird abwärts auf eine Leiterplatte getrieben, um auf der Leiterplatte einen winzigen Tropfen des flüssigen oder viskosen Materials zu bilden.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Vorrichtung zur Abgabe von Tröpfchen flüssigen Materials mit einer Ventilbaugruppe mit einem ersten, sich durch diese erstreckenden Strömungskanal, der einen Ventilsitz, der in der Nähe eines Auslassendes des Strömungskanals vorgesehen ist, ein in ihm angeordnetes, hin- und herbewegbares Ventil und eine Düsenanordnung mit einem zweiten, sich durch diese erstreckenden Strömungskanal aufweist, der einen Einlassabschnitt aufweist, der an das Auslassende des ersten Strömungskanals und einen Auslassabschnitt angeschlossen ist, der aus einer länglichen Düse mit einer durch diese verlaufenden Düsenmündung gebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass die längliche Düse eine Düsenspitze mit einem Außendurchmesser von zwischen 0,031 und ungefähr 0,159 cm (0,0120 und ungefähr 0,0625 inch) aufweist und dadurch, dass die Vorrichtung zusätzlich einen Regelme chanismus zum Hin- und Herbewegen des Ventils aus der Stellung, in der es auf dem Ventilsitz sitzt, heraus und in diese Stellung hinein umfasst, und das Ventil in die Stellung, in der es auf dem Ventilsitz sitzt, bewegt wird durch Beschleunigen aus einer vom Ventilsitz beabstandeten Stellung in eine zweite, vom Ventilsitz weniger als die erste Stellung beabstandete Stellung, wodurch ein Teil der Mehrheit des flüssigen Materials im ersten Strömungskanal auf das Einlassende des ersten Strömungskanals fließt und das verbleibende flüssige Material im ersten Strömungskanal vom Auslassende in den zweiten Strömungskanal fließt und von einem Auslass der länglichen Düse als ein Strom flüssigen Materials abgegeben wird, Bewegen aus der zweiten Position auf eine dritte Position zu, in der das Ventil auf dem Ventilsitz aufsitzt, wodurch der Strom flüssigen Materials auf das Einlassende des ersten Strömungskanals zu verringert und der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal verstärkt wird, und dann Bewegen in die dritte Position, in der das Ventil auf dem Ventilsitz aufsitzt, wodurch der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal abgeschnitten ist und der Strom flüssigen Materials, das aus dem Auslass der länglichen Düse abgegeben wird, vom Auslassende der Düsenmündung abreißt und ein Tröpfchen bildet.
Vorzugsweise umfasst die Abgabevorrichtung eine Gehäuseanordnung, die an eine Spritze für unter Druck stehende Flüssigkeit oder viskoses Material und an ein Auslassrohr angeschlossen ist, durch das die unter Druck stehende Flüssigkeit oder das viskose Material abgegeben wird. Eine Ventilanordnung ist an einem freien Ende des Auslassrohrs vorgesehen. Die Ventilsitzanordnung weist eine Durchflussbohrung auf, die sich durch die Ventilsitzanordnung hindurch erstreckt und die einen Ventilsitz an einem Ende der Durchflussbohrung und eine Düse am entgegengesetzten Ende der Durchflussbohrung aufweist. Ein Ventilschaft, der sich durch die Gehäuseanordnung erstreckt und aus dem Auslassrohr vorsteht, hat ein Ende, das im Normalfall in Schließstellung auf dem Ventilsitz aufsitzt, um die Durchflussbohrung zu schließen. Ein Regelmechanismus bewegt den Ventilschaft hin und her aus der Schließstellung und in die Schließstellung auf dem Ventilsitz. Ein Heizelement ist an die Ventilsitzanordnung angrenzend vorgesehen, um Flüssigkeit oder viskoses Material zu heizen, das sich innerhalb der Ventilsitzanordnung befindet.
Es wird des Weiteren eine Verfahren zum Variieren der Zahl an Tröpfchen von Flüssigkeit oder viskosem Material offenbart, die durch eine verlängerte Öffnung einer Düse der Abgabevorrichtung auf ein Substrat abgegeben werden, so dass zumindest zwei Tröpfchen auf einander fallen und sich so vereinigen, dass sie im Endeffekt ein gemeinsames Tröpfchen einer gewünschten Form auf dem Substrat bilden.
Eine weitere, andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Variieren der Höhe der Oberseite eines oder mehrerer Tröpfchen flüssigen oder viskosen Materials über der Oberfläche des Substrates, auf das der besagte Tropfen ausgegeben ist, indem die Temperatur des Heizelementes, welches an die Ventilsitzbaugruppe der Spendervorrichtung angrenzend angeordnet ist, eingestellt wird.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zur selektiven Applikation einer Mehrzahl von Tröpfchen aus Flussmittel auf die Oberfläche eines Substrats, wie beispielsweise ein PC-board, so dass die Tröpfchen aus Flussmittel zusammenfließen, um einen einheitlichen Film oder eine einheitliche Schicht der gewünschten Größe oder Dicke zu bilden.
Es wird ebenfalls eine zweite Ausführungsform einer Abgabevorrichtung offenbart, die ein Spendergehäuse mit einem länglichen beheizten Erweiterungselement mit einer Ventilsitzbaugruppe aufweist, die am Auslassende einer Durchflussbohrung montiert ist, die sich durch das beheizte Erweiterungselement erstreckt. Eine Düsenbaugruppe ist an einem unteren Ende des beheizten Erweiterungselementes montiert und eine Heizbaugruppe ist um das genannte längliche beheizte Erweiterungselement herum angeordnet.
Die Vorrichtung kann eine Düsenbaugruppe mit einer länglichen Düse aufweisen, die aus einer dünnwandigen Röhre gebildet ist. Das Auslassende und die Mündung der Düse kann mit Kunststoff beschichtet sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Struktur, der Betrieb und die Vorteile der vorliegend bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird weiter ersichtlich durch die Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, die zeigen:
1 eine Seitenansicht im Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spendervorrichtung für flüssiges oder viskoses Material, die über einem PC-Board angeordnet ist;
2 eine vergrößerte, geschnittene Seitenansicht der Ventilsitzbaugruppe aus 1 mit einer Düse mit einer länglichen Düsenmündung, von der ein Strom flüssigen oder viskosen Materials ausgegeben wird;
3 eine geschnittene Seitenansicht einer Spendervorrichtung für flüssiges oder viskoses Material, die über einem Substrat, wie zum Beispiel einem PC-Board, angeordnet ist, und eine Vielzahl von Tropfen auf einen einzelnen Ort auf der Oberfläche des Substrates ausgibt;
4 eine Seitenansicht eines Substrates mit Tropfen verschiedener Höhe abhängig von der Anzahl und der Temperatur der Tropfen, die auf einen einzelnen Ort auf der Oberfläche des Substrates ausgegeben werden;
5 eine ausgezogene dreidimensionale Ansicht eines Chip-Trägers und eines Flip-Chips, der auf dem Chip-Träger montiert werden soll;
6 eine dreidimensionale Ansicht des elektrischen Verbindungsbereichs A aus 5 mit einer Vielzahl darauf abgesetzter Tropfen von Lötflussmittel;
7 eine Draufsicht auf den Bereich von Tropfen des Flussmittelmaterials, wie in 6 gezeigt, nachdem die Tropfen ineinandergeflossen sind, um einen Bereich mit einer gleichförmigen Beschichtung von Flussmittel zu bilden;
8 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte mit Durchgangslöchern;
9 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts B aus 8, in dem eine Vielzahl von um ein Durchgangsloch in einer Leiterplatte herum aufgebrachten Tropfen dargestellt ist;
10 eine Draufsicht auf den in 9 gezeigten Bereich, nachdem die Tropfen des Flussmittels zusammengeflossen sind, um eine Beschichtung zu bilden;
11 eine Darstellung eines Systems zum Absetzen einer Lötflussmittelbeschichtung auf einem PC-Board;
12 eine Vorderansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Spendervorrichtung für flüssiges oder viskoses Material;
13 eine Ansicht längs der Linie 13-13 aus 12;
14 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 14-14 aus 13, die die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Spendervorrichtung für flüssiges oder viskoses Material zeigt;
15 eine vergrößerte Ansicht des länglichen beheizten Erweiterungselementes des Spendergehäuses, das von einer Heizbaugruppe umgeben ist und eine Düsenbaugruppe einschließt;
16 eine geschnittene Seitenansicht der in 15 gezeigten Düsenbaugruppe;
17 eine Draufsicht einer alternativen Ventilbaugruppe;
18 eine geschnittene Seitenansicht entlang der Linie 18-18 aus 17;
19 eine geschnittene Seitenansicht der alternativen Ventilbaugruppe, die in 18 gezeigt ist, die ein Ventil in einer ersten Position enthält und in einem länglichen Erweiterungselement montiert ist und einen am unteren Ende befestigten Düsenaufsatz aufweist;
20 eine geschnittene Seitenansicht der alternativen Ventilbaugruppe, die in 18 gezeigt ist, die ein Ventil in einer zweiten Position enthält und in einem länglichen Erweiterungselement montiert ist und einen am unteren Ende befestigten Düsenaufsatz aufweist;
21 eine geschnittene Seitenansicht der alternativen Ventilbaugruppe, die in 18 gezeigt ist, die ein Ventil in einer dritten Position enthält und in einem länglichen Erweiterungselement montiert ist und einen an seinem unteren Ende befestigten Düsenaufsatz aufweist;
22 ein Diagramm, welches die Beschleunigung eines Ventils zum Erzeugen eines Punktes darstellt; und
23 ein Diagramm, welches das typische Längendehnungsverhalten eines viskosen Materials zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den 1 und 2 ist eine Spendervorrichtung 10 dargestellt zur Ausgabe geringer Mengen von flüssigem oder viskosem Material von einer standardisierten, kommerziell erhältlichen, mit flüssigem oder viskosem Material gefüllten Spritze 12 auf ein Substrat 14, wie zum Beispiel einer Leiterplatte (PC-Board). Ein Spendergehäuse 20 der Vorrichtung 10 hat einen Einlass 18, in den ein Auslass 16 der Spritze 12 montiert ist. Der Einlass 18 ist mittels einer Bohrung 22 mit einer Einlassöffnung 23 einer Durchflussbohrung 24 verbunden, die einen Strömungskanal 25 bildet. Ein Auslass 26 der Durchflussbohrung 24 ist mit einem ersten Ende 28 einer Bohrung 35 verbunden, die durch ein Auslassrohr 30 verläuft und einen Strömungskanal 31 bildet, von dem aus das unter Druck befindliche flüssige oder viskose Material ausgegeben wird. Eine Ventilsitzbaugruppe 32 ist an ein zweites freies Endes 34 des Auslassrohres 30 montiert. Die Ventilsitzbaugruppe 32 weist einen sich hindurcherstreckenden Strömungskanal 36 mit einem darin versehenen Ventilsitz 38 auf. Das Einlassende des Strömungskanals 36 steht in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal 31 des Auslassrohres 30 und das entgegengesetzte Auslassende des Strömungskanals 36 weist eine daran montierte Düse 40 auf.
Ein Ventilschaft 42 erstreckt sich durch die Durchflussbohrung 24 der Gehäusebaugruppe 20, durch die Bohrung 35 des Auslassrohres 30 und in den Strömungskanal 36 der Ventilsitzbaugruppe 32. Der Ventilschaft 42 hat ein unteres Ende 44, welches für den dichtenden Eingriff mit dem Ventilsitz 38 ausgeformt ist, um den Strömungskanal 36 zu verschließen. Ein entgegengesetztes oberes Ende 46 des Schaftes 42 steht in Eingriff mit dem Kontrollmechanismus 48 der Spendervorrichtung 10. Der Kontrollmechanismus 48 bewegt den Ventilschaft 42 auf und ab aus dem und in den schließenden Eingriff mit dem Ventilsitz 38. Ferner ist erfindungsgemäß ein Heizelement 50 angrenzend an die Ventilsitzbaugruppe 32 angeordnet, das zum Heizen eines sehr kleinen Volumens des flüssigen oder viskosen Materials in der Ventilsitzbaugruppe 32 dient, wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist.
Das Spendergehäuse 20 umfasst eine im wesentlichen horizontale Bohrung 22, die den Einlass 18 mit dem vertikal angeordneten Strömungskanal 24 verbindet, in die der Ventilschaft 42 auf- und ab bewegbar aufgenommen ist. Ein Dichtring 52 ist in dichtender Verbindung um den Schaft 42 angeordnet und oberhalb des Einlasses 23 des Strömungskanals 24 gelegen, um sicherzustellen, dass die durch die Bohrung 22 und in den Strömungskanal 24 fließende viskose Flüssigkeit nicht entlang des Ventilschaftes 42 und in den Kontrollmechanismus 48 leckt. Der Dichtring 52 ist in seinem Ort mittels eines Ringes 54 gesichert, der seinerseits mittels der Unterseite des Gehäuseblockes 56 des Kontrollmechanismus 48 am Platz gehalten wird.
Wie in 1 gezeigt, weist das Auslassrohr 30 ein erstes Ende auf, das an dem Spendergehäuse 20 durch konventionelle Mittel, wie zum Beispiel durch eine Montageplatte 58, derart gehaltert ist, dass der Auslass 26 des Strömungskanals 24 mit der Einlassöffnung 60 der sich durch das Auslassrohr 30 erstreckenden Bohrung 35 ausgerichtet ist. Das Auslassrohr 30 weist ein zweites Ende 34 auf, an das die Ventilsitzbaugruppe 32 mittels konventioneller Mittel befestigt ist, wie zum Beispiels mittels einer Gewindeverbindung (nicht gezeigt).
Die Ventilsitzbaugruppe 32 (vgl. 2) schließt einen im wesentlichen zylindrischen Montagekörper 70 mit einer sich hindurcherstreckenden axial abgestuften Bohrung 72 ein. Die axial abgestufte Bohrung 72 weist einen oberen Endabschnitt 74 auf, der das Auslassrohr 30 umgibt und an diesem sicher mittels beliebiger herkömmlicher Mittel, wie zum Beispiel einer Gewindeverbindung (nicht gezeigt), befestigt ist. Die axial abgestufte Bohrung 72 schließt einen mittleren Abschnitt 76 ein, der den oberen Endabschnitt 74 schneidet und einen kleineren Durchmesser als dieser aufweist. Das untere Ende 34 des Auslassrohres 30 sitzt auf einer Schulter 77 auf, die am Übergang vom mittleren Abschnitt 76 zum oberen Endabschnitt 74 gebildet ist. Ein napfförmiges Ventilsitzelement 78 ist innerhalb des mittleren Abschnitts 76 angeordnet. Die abgestufte Bohrung 72 hat einen unteren Endabschnitt 80, welcher einen geringeren Durchmesser als der mittlere Abschnitt 76 aufweist und mit diesem überlappt, wodurch eine Schulter 82 ausgebildet ist, auf der das untere Ende des napfförmigen Ventilsitzelementes 78 aufsitzt.
Das napfförmige Ventilsitzelement 78 weist, wie am besten in 2 zu sehen, einen Strömungskanal 36 durch eine sich hindurcherstreckende zentrale abgestufte Bohrung 84 auf. Die abgestufte Bohrung 84 weist einen länglichen oberen Endabschnitt 86 auf, der im wesentlichen koaxial zu der Bohrung 35 des Auslassrohres 30 um eine zentrale Achse 87 verläuft. Ein unterer Endabschnitt 88 der zentralen abgestuften Bohrung 84 hat einen kleineren Durchmesser als der obere Endabschnitt 86. Der Ventilsitz 38 wird durch einen mittleren sich verjüngenden Abschnitt 90 zwischen dem oberen Endabschnitt 86 und dem unteren Endabschnitt 88 gebildet. Das napfförmige Ventilsitzelement 78 ist innerhalb einer Gegenbohrung 62 in die Bohrung 35 an dem unteren Ende 34 des Auslassrohres 30 sicher mittels des Montagekörpers 70 befestigt. Ein in einer Rille 93 an der Überschneidung der Gegenbohrung 62 und der Bohrung 35 angeordneter Dichtring 92 dichtet gegen das obere Ende 95 des Ventilsitzelementes 78 ab, um das Lecken der flüssigen oder viskosen Flüssigkeit zwischen dem Ventilsitzelement 78 und dem Montagekörper 70 hindurch zu verhindern. Am unteren Ende 44 des Ventilschaftes 42 ist ein im wesentlichen kugelförmiger Ventilkopf 92 angeordnet, der auf dem Ventilsitz 38 aufsitzt. Obgleich ein kugelförmiger Ventilkopf offenbart ist, ist es ebenfalls Teil des Erfindungsgedankens, je nach Wunsch anders geformte Ventilköpfe zu verwenden.
Ein prinzipielles Merkmal der Erfindung liegt in der Düsenbaugruppe 40, die innerhalb des unteren Endabschnittes 88 des Ventilsitzelementes 78 mittels herkömmlicher Mittel, wie zum Beispiel einer Hartlötverbindung, befestigt ist. Die Düsenbaugruppe 40 schließt einen sich hindurcherstreckenden Strömungskanal 96 ein. Der Strömungskanal 96 weist einen Einlassbereich 98 auf, der in Strömungsverbindung mit dem sich durch den unteren Endabschnitt 88 erstreckenden Strömungskanal 36 steht. Der Strömungskanal 96 schließt ferner eine längliche Düsenmündung 100 mit einem oberen Ende, das auf den Einlassbereich 98 ausgerichtet ist und in diesen übergeht, und ein Auslassende 101 ein, von dem aus ein Strom flüssigen oder viskosen Materials ausgegeben wird. Die längliche Düsenmündung 100 hat ein Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von wenigstens ungefähr 3 zu 1 bis etwa 5 zu 1. Die längliche Düse weist typischerweise eine Länge zwischen ungefähr 0,4064 mm (0,016 inch) und ungefähr 2,032 mm (0,080 inch) und einen Durchmesser zwischen ungefähr 0,0762 mm (0,003 inch) und etwa 0,4064 mm (0,016 inch) auf. Die Länge der Mündung 100 ist wichtig, weil, falls diese zu lang ist, das flüssige oder viskose Material nicht vom Ende der Düse 40 abreißen wird, wenn der Ventilkopf 92 gegen den Ventilsitz 38 schließt. Falls die Länge der Mündung 100 zu kurz ist, wird das flüssige oder viskose Material anderenfalls keinen Strang bilden, oder wichtiger, werden die Tropfen nicht entlang eines geraden Weges zum Substrat 14 ausgegeben werden, auf das sie aufgebracht werden sollen.
Wie am besten in 2 zu sehen ist, ist um den Montagekörper 70 herum im Bereich der und angrenzend an die Ventilsitzbaugruppe 32 ein Heizelement 50 angebracht und befestigt, um ein sehr geringes Volumen von unter Druck befindlichem flüssigem oder viskosem Material in dem napfförmigen Ventilsitzelement 78 zu erhitzen, wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist. Das Heizelement 50 wird aus einer Thermofolien-Widerstandsheizung mit einer Kapton-Rückseite von Minco Products Company of Minneapolis, Minn. gebildet und ist mit einer Temperatursteuerung 102 mittels Drahtleitungen 104 und 106 verbunden.
Ein anderes wichtiges Merkmal der Erfindung bezieht sich auf den Kontrollmechanismus 48 zur Auf- und Abbewegung des Ventilkopfes 92 zwischen einer ersten, von dem Ventilsitz 38 beabstandeten Position (nicht gezeigt) und einer zweiten, mit dem Ventilsitz 38 in schließendem Eingriff befindlichen Position (wie in 2 gezeigt). Die zweite Position ist die Standardposition, weil sich das flüssige oder viskose Material in dem oberen Endabschnitt 86 des Ventilsitzelementes 78 sammelt und mittels der Temperatursteuerung 102 auf eine voreingestellte Temperatur erhitzt wird, wie weiter unten erklärt wird. In 1 ist zu sehen, dass der Kontrollmechanismus 48 einen Gehäuseblock 56 einschließt. Eine zentral angeordnete, longitudinale Bohrung 110 erstreckt sich durch den Gehäuseblock 56 und ist koaxial zur Achse 87 ausgebildet. Der Ventilschaft 42 erstreckt sich durch die Bohrung 110 und ragt aus dem oberen Ende der Bohrung 110 in eine abgestufte Hohlkammer 112 eines Luftkammerblockes 113 mit einer unteren Bohrung 114, die in eine obere Bohrung 116 mit einem größeren Durchmesser als die untere Bohrung 114 übergeht. Ein zylindrisches Dichtelement 118 ist auf einer Trägerstruktur 120 montiert, die ihrerseits eine zentrale Bohrung 122 aufweist, durch welche sich der Ventilschaft 42 erstreckt und an welcher er befestigt ist. Ein Lufteinlass 124 ist mittels eines Rohres 126 mit einer Druckluftquelle (nicht gezeigt) verbunden. Ein zwischen dem Rohr 126 und dem Einlass 124 angeordnetes Magnetventil 128 steuert die Luftströmung in die Kammer, die unterhalb der Dichtung 118 in der unteren Bohrung 114 ausgebildet ist. Ein Luftdichtring 119 ist um den Schaft 42 in einer Gegenbohrung 121 zwischen der Bohrung 110 und der Hohlkammer 112 angeordnet, um eine Leckage von Luft in die Bohrung 110 zu verhindern.
Ein Federgehäuse 130 ist auf die Oberseite des Luftkammerblockes 113 montiert und weist eine zentrale Bohrung 132 auf. Ein Federhalter 134 ist fest an dem oberen Ende des Ventilschaftes 42 montiert und stößt an die Trägerstruktur 120 an. Eine napfförmige Federführung 136 ist mit dem Federgehäuse 130 verschraubt und weist eine längliche Bohrung 138 auf, die an einem Ende offen und an dem anderen Ende durch einen Boden 139 mit einer sich hindurcherstreckenden Bohrung 141 und mit einer inneren Grundfläche 140 um die Bohrung 141 herum geschlossen ist. Eine Kompressionsfeder 142 erstreckt sich zwischen dem Federhalter 134 und der Grundfläche 140 der Federführung 136. Eine Kontermutter 144 ist mit der Federführung 136 mittels eines Gewindes gesichert, so dass die Führung 136 in einer Stellung näher oder entfernter bezüglich des Federhalters 134 arretiert werden kann. Die Kompression der Feder 142 wird vergrößert, wenn die Federführung 136 in Richtung des Federhalters 134 bewegt wird, und wird verringert, wenn die Federführung 136 von dem Federhalter 134 wegbewegt wird.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung betrifft die Schließkraft, die mittels der Kompressionsfeder 142 auf den Federhalter 134 und schließlich auf den Ventilkopf 92 des Ventilschaftes 42 ausgeübt wird. Vorzugsweise weist die Kompressionsfeder 142 eine vorgespannte Höhe von etwa 25,4 mm (ein inch) und eine Schließkraft von etwa 57,8 N (13 pounds) bis etwa 75,6 N (17 pounds) auf. Die Kompression der Feder 142 kann durch Positionierung der Federführung 136, wie oben beschrieben, eingestellt werden.
Ein anderes Merkmal des Kontrollmechanismus 48 ist eine Taste 146, die an einer Stange 148 befestigt ist, die mittels Gewinde in der Bohrung 141 gesichert ist und die durch die Kompressionsfeder 142 hindurchführt, um sich gegen das obere Ende des sich über den Federhalter 134 hinauserstreckenden Ventilschaftes 44 abzustützen. Durch die Bewegung der Stange 148 nach oben oder unten kann der Hub des Ventilschaftes 42 bezüglich des Ventilsitzes 38 eingestellt werden.
Um weitere Vorzüge der vorliegenden Erfindung zu würdigen, folgt eine Beschreibung der Funktionsweise. Zuerst wird eine Spritze 12 mit flüssigem oder viskosem Material mit einer Viskosität von typischerweise zwischen etwa 50000 und 250000 Centipoise (0,25 m²/s) an die Einlassöffnung 18 eines Spendergehäuses 20 montiert. Eine mit einem Druckregler 152 und einer Druckluftquelle geringen Druckes (nicht dargestellt) verbundene Luftdruckleitung 150 wird an den Einlass der Spritze 12 angeschlossen, um das flüssige oder viskose Material mit einem konstanten Druck von etwa 25759 Pa (4 psi) bis etwa 206843 Pa (30 psi) in die Bohrung 22 und den Strömungskanal 24 zu drücken. In der geschlossenen Standard-Position, wie in 1 und 2 gezeigt, wird das napfförmige Ventilsitzelement 78 mit einer kleinen Menge des flüssigen oder viskosen Materials gefüllt, während der Ventilkopf 92 auf dem Ventilsitz 38 aufsitzt. Der Montagekörper 70 ist aus einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Messing, gebildet, um Wärme vom Heizelement 50, welches um den Montagekörper 70 herum angeordnet und daran befestigt ist, in das Ventilsitzelement 78 zu übertragen, welches typischerweise aus Wolframcarbid hergestellt ist, und um das flüssige oder viskose Material in dem Ventilsitzelement 78, welches den Ventilschaft 42 umgibt, zu erhitzen.
Während dieses Betriebszustandes wird das flüssige oder viskose Material, wie zum Beispiel ein Klebstoff, auf einen Temperaturbereich (abhängig vom Material) zwischen etwa 22°C und 75°C und vorzugsweise zwischen etwa 40°C und etwa 65°C erhitzt. Innerhalb dieser Temperaturspanne bleibt der Viskositätsmodul relativ konstant, während der Elastizitätsmodul mit steigender Temperatur wächst. Der wachsende Elastizitätsmodul des viskosen Materials zeigt an, dass das Material fester wird, während es gleichzeitig eine flüssigkeitsähnliche Qualität bedingt durch den im wesentlichen konstanten Viskositätsmodul aufweist. Die Beschaffenheit des viskosen Materials, einer Matrix aus Teilchen, festen Katalysatoren mit wachsartiger Beschaffenheit und Kunstharz, ist anders als hochtemperaturschmelzende und andere polymere Flüssigkeiten, die bei erhöhten Temperaturen immer flüssiger werden. Deshalb wird das in dem Ventilsitzelement 78 befindliche viskose Material kurz erhitzt. Während dieser kurzen Heizperiode nimmt das Verhältnis des Viskositätsmoduls zu dem Elastizitätsmodul ab. Nachdem der Ventilkopf 92 vom Ventilsitz 90 abhebt, wird das viskose Material als dünner Strom durch die Mündung 100 und vom Auslass 101 der Mündung 100 weggedrückt. Nachdem der Ventilkopf 92 anschließend auf den Ventilsitz 90 auftrifft und gegen diesen schließt, überwindet die plötzliche Verzögerung des fließenden Materials die Fließspannung des Klebstoffes und unterbricht den Strom. Die feste Beschaffenheit des erhitzten viskosen Materials verursacht vielmehr, dass das viskose Material von dem Auslass 101 der Mündung 100 abreißt, als dass es einen Strang bildet. Es ist wichtig, den Klebstoff nur für einen kurzen Zeitabschnitt in einer ausgewählten Temperaturspanne zu halten und nicht die Temperatur zu übersteigen, bei der der Katalysator schmilzt und bei der das abschließende Aushärten des Materials einsetzt. Aus diesem Grund ist nur das Ventilsitzelement 78 und nicht der Rest der Spendervorrichtung 10 geheizt.
Das Ventil wird geöffnet, indem der Ventilschaft 42 zurückgezogen wird, um den Ventilkopf 92 vom Ventilsitz 38 zurückzuziehen. Dieser Schritt wird bewirkt, indem Druckluft von dem Magnetventil 128 in den Lufteinlass 124 und dann in die Luftkammer unterhalb der Membrandichtung 118 eingelassen wird. Die Luft wirkt auf die Dichtung 118 ein, um den Ventilschaft 42 in einer Richtung weg vom Ventilsitz 38 und hin zur Kompressionsfeder 142 zu bewegen. Während dieses Betriebsabschnittes fließt viskoses Material zwischen den Ventilkopf 92 und den Ventilsitz 38 und in die Düsenmündung 100. Gleichzeitig wird das viskose Material, welches sich in dem Ventilsitzelement 78 befindet und den Ventilschaft 42, den Ventilkopf 92 und den Ventilsitz 38 umgibt, durch das Heizelement 50 auf eine gewünschte Temperatur erhitzt. Der resultierende Strom des erhitzten, unter Druck befindlichen, viskosen Materials wird durch den Auslass 101 der Mündung 100 der Düse 40 als dünner Strom ausgegeben, der in einen mit dem Auslassende 101 der Mündung 100 verbundenen Strang fließt.
Ein zentraler Aspekt der Erfindung ist es, die haftende Flüssigkeit oder das viskose Material mit hoher Frequenz zu deformieren, so dass das Material für einen sehr kurzen Zeitraum wie ein Festkörper reagiert und anschließend in einen eher flüssigen Zustand zurückkehrt, wenn es von dem Auslassende 101 der Mündung 100 abreißt. Das Abreißen des Stranges flüssigen oder viskosen Materials von der Mündung 100 wird bewirkt, indem das Magnetventil 128 abgeschaltet wird und die Feder 142 das Ventil 92 gegen den Ventilsitz 38 bewegt, um das Ventil in einem sehr kurzen Zeitraum zu schließen, das heißt in weniger als etwa 22,6 Millisekunden und vorzugsweise weniger als etwa 10,3 Millisekunden. Die Luft in der Luftkammer 112 unterhalb der Membran 118 wird durch einen Auslasskanal (nicht gezeigt) in dem Magnetventil 128 herausgelassen. Gleichzeitig bewegt die Kompressionsfeder 142 den Ventilkopf 92 schnell in eine geschlossene Stellung gegen den Ventilsitz 38. Dies ist ein Verdrängungsvorgang, der das erhitzte flüssige oder viskose Material aus dem Auslassende 101 der Mündung 100 herausdrückt. Die Auftreffkraft des schließenden Ventils 92 auf den Ventilsitz 38 erzeugt eine Schockwelle durch das flüssige oder viskose Material, welche in Kombination mit der plötzlichen Verzögerung des zu diesem Zeitpunkt fließenden Materialstromes die Fließspannung des flüssigen oder viskosen Materials überwindet und den Strom fließenden oder viskosen Materials, der von dem Auslassende 101 der Düse 40 ausgegeben wird, abtrennt, um einen Materialtropfen zu bilden. Je dünner der an dem Auslassende 101 der Mündung 100 gebildete Strang flüs sigen oder viskosen Materials ist, um so einfacher wird die Fließspannung überwunden. Man beachte, dass die Düse 40 bezüglich des Ventilkopfes 92 derart angeordnet ist, dass die Unterseite des Ventilkopfes 92 an den sich verjüngenden Einlass 98 der Düsenmündung 100 angrenzt, um die Menge flüssigen oder viskosen Materials, welches die durch das Schließen des Ventils 92 erzeugte Schockwelle ausbreiten kann, zu minimieren.
Die Tropfen flüssigen oder viskosen Materials können von der Düse 40 mit einer Rate von bis zu 200.000 Tropfen pro Stunde und typischerweise bis zu etwa 70.000 Tropfen pro Stunde ausgegeben werden. Die Tropfen werden auf der Oberfläche eines Substrates 14, wie zum Beispiel einer Leiterplatte, so abgesetzt, dass die Oberflächenspannung und der Aufprall auf der Leiterplatte zu der endgültigen Tropfenform beitragen. Andere Faktoren, die die endgültige Tropfenform beeinflussen, schließen die Zuführung von Wärme, die Verwendung mehrerer kleiner Tropfen zum Bilden eines einzelnen großen Tropfens und die Höhe des Auslassendes 101 der Düsenmündung 100 über der Leiterplatte ein. Da der abschließende Ausgabeschritt durch die Verdrängung des Ventilkopfes 92 gegen den Ventilsitz 38 bewirkt wird, kann die Genauigkeit der Größe des Volumens eines jeden Tropfens sorgfältig gesteuert werden.
Die Beschaffenheit des viskosen Materials, einer Matrix aus Teilchen, festen Katalysatoren mit wachsartiger Beschaffenheit und Kunstharz, ist dergestalt, dass eine Vernetzungsreaktion eintritt und das Material zu einer festen Masse wird, wenn das Material die Temperatur erreicht, bei der der feste Katalysator zu schmelzen beginnt. In der vorliegenden Erfindung wird das viskose Material, welches sich in dem Ventilsitzelement 78 befindet, auf einen Temperaturbereich gerade unterhalb des Schmelzpunktes des Katalysators erhitzt, so dass die Vernetzungsreaktion vermieden wird. Während der Heizperiode verringert sich das Verhältnis des Viskositätsmoduls zu dem Elastizitätsmodul.
Während das Verfahren gemäß des ersten Ausführungsbeispieles zur Ausgabe eines Tropfens flüssigen oder viskosen Materials von einer Düse, das heißt durch Schieben des Materials unter Druck in einen Strömungskanal 36 und Ausstoßen des Materials aus dem Strömungskanal 36 durch Schließen des Ventils 92 gegen den Ventilsitz 38, zur Ausgabe eines einzelnen Tropfens nutzbringend ist, ist die Bildung von Tropfen größerer Abmessungen zeitaufwendig, da die Größe eines jeden Tropfens typischer weise durch das Variieren der Zeit gesteuert wird, in der der Ventilkopf 92 von dem Ventilsitz 38 zurückgezogen ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Zeit zum Bilden eines größeren Tropfens verkürzt, indem zwei oder mehrere Tropfen derselben Größe auf ein und denselben Ort auf der Oberfläche eines Substrates ausgegeben werden, so dass sich die Tropfen verbinden, um einen einzelnen Tropfen größerer Abmessung und mit der gewünschten Form zu bilden. Wie in 3 gezeigt, wird der erste Tropfen 200A eines flüssigen oder viskosen Materials, wie zuvor beschrieben, auf der Oberseite 202 eines Substrates 14 mit einer ersten Form ausgegeben. Danach wird ein zweiter Tropfen 200B an demselben Ort ausgegeben, damit er auf den ersten Tropfen 200A fällt und sich mit diesem verbindet, um einen fertigen Tropfen 204 einer zweiten Form zu bilden, die typischerweise einen größeren Durchmesser als der erste Tropfen 200A allein aufweist. Obgleich zwei Tropfen beschrieben sind, liegt es im Bereich der Erfindung, drei, vier oder mehrere Tropfen auf denselben Ort auszugeben.
Das Verfahren des Aufbringens einer Vielzahl von Tropfen 200A, 200B nacheinander auf einen einzigen Ort, um einen endgültigen Tropfen 204 der gewünschten Größe und Form zu erzeugen, ist aufgrund einer wesentlichen Verkürzung der benötigten Zeit vorteilhaft, verglichen mit dem Bilden eines Tropfens ähnlicher Abmessung durch das einfache Offenhalten des Ventilkopfes 92, das heißt durch das Zurückziehen vom Ventilsitz 38, für eine längere Zeit. Wird zum Beispiel ein einzelner Tropfen 200A einer bestimmten Größe von der Ventilsitzbaugruppe 32 in 15 Millisekunden (msec) ausgegeben, würde für die Ausgabe eines Tropfens mit der vierfachen Größe mittels des Druckes in der Spritze, das heißt etwa 44,8 N (10 pounds), 200 msec benötigt. Werden andererseits vier einzelne Tropfen 200A an derselben Stelle ausgegeben, so wird jeder Tropfen in 15 msec ausgegeben, so dass insgesamt 60 msec benötigt würden, um einen Tropfen der vierfachen Größe eines einzelnen Tropfens auszugeben. Die Vorrichtung 10, wie in 3 gezeigt, kann entsprechend programmiert werden, um eine Vielzahl von Tropfen, das heißt zwei, drei oder vier Tropfen, durch schnelles Zurückziehen und anschließendes Schließen des Ventilkopfes 92 gegen den Ventilsitz 38 auszugeben, während die Vorrichtung 10 stationär an einem Ort verharrt. Danach kann die Vorrichtung 10 durch herkömmliche Mittel, wie zum Beispiel eine Robotereinrichtung, auf der sie montiert ist (nicht dargestellt), an eine andere Stelle bewegt werden, um an einem anderen ausgewählten Ort eine Vielzahl von Tropfen aufzubringen. Im Ergebnis ist es möglich, die Vorrichtung 10 so zu programmieren, dass Tropfen verschiedener Form und Größe an jeder Stelle auf einem Substrat in jeder gewünschten Anordnung schnell ausgegeben werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Variation der Höhe "c" der Oberseite 206 eines Tropfens 200A flüssigen oder viskosen Materials über der Oberfläche 202 eines Substrates 14, auf welches der Tropfen ausgegeben wurde. Wie in 4 gezeigt, sind die Tropfen flüssigen oder viskosen Materials von links nach rechts beispielhaft für einen Anstieg der Ausgabetemperatur um jeweils etwa 2°C verglichen mit dem Tropfen unmittelbar zu seiner linken. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Höhe "c" des auf der Oberseite 202 des Substrates 14 ausgegebenen Materialtropfens ab. Ferner ändert sich das Profil des Tropfens, wenn die Temperatur des Tropfens ansteigt, das heißt, der ausgegebene Materialtropfen weist im allgemeinen einen größeren Durchmesser auf, das heißt, die Oberseite des Tropfens ist flacher und näher an der Oberseite 202 des Substrates 14 angeordnet. Bevor eine große Anzahl von Tropfen ausgegeben wird, wird die Temperatur des auszugebenden Materials so eingestellt, dass man die gewünschte Höhe erhält, wie in empirischen Verfahren ermittelt. Die Temperatur kann mittels der Temperatursteuerung 102 und dem Heizelement 50, wie weiter oben besprochen, kontrolliert werden. Danach wird der Tropfen des Materials bei der gewünschten Temperatur auf die Oberseite 202 des Substrates 14 ausgegeben, so dass die Oberseite 206 des Tropfens die gewünschte Höhe "c" über der Oberseite des Substrates hat.
Es ist ferner Bestandteil der Erfindung, wenigstens zwei Tropfen flüssigen oder viskosen Materials mit einer vorausgewählten Temperatur auszugeben, so dass die zwei Tropfen aufeinanderfallen und sich an einer einzigen Stelle auf der Oberseite 202 des Substrates 14 verbinden, um einen abschließenden Tropfen mit einer zweiten Höhe über der Oberseite des Substrates zu bilden, die größer als die Höhe eines einzelnen Tropfens ist. Die Höhe und das Profil des fertigen Tropfens wird durch die Viskosität des Materials und die Temperatur, bei der es ausgegeben wird, bestimmt. Wie zuvor besprochen, können zusätzliche Tropfen flüssigen oder viskosen Materials an derselben Stelle ausgegeben werden, um sich zu verbinden und einen abschließenden Tropfen mit einer wunschgemäß größeren Höhe zu bilden.
Eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft das Verfahren selektiven Aufbringens beabstandeter Tropfen von Lötflussmittel auf eine Leiterplatte und anschließenden Zusammenfließenlassens der Tropfen zu einer gleichförmigen Beschichtung oder einem Film. In 5 ist eine Leiterplatte 300, auch bekannt als Mother-Board, mit einer Vielzahl elektrischer Verbindungen 302 auf der Oberseite 304 der Platine dargestellt. Die Verbindungen werden von einer Begrenzungslinie 306 umrandet, die dem Bereich der Platine entspricht, auf welchem ein dünner, gleichförmiger Film von Flussmittel aufgetragen werden soll. Nach dem Aufbringen des Flussmittels, wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist, wird ein Flip-Chip 308 mit einer großen Anzahl von Anschlussstellen mit jeweils einer kleinen daran angehefteten Lötperle 310 auf die Platine 300 gelötet. Der Flip-Chip 308 wird angrenzend an die Platine 300 angeordnet, so dass die Unterseite 312 des Chip 308 nach oben gerichtet in derselben Weise wie die Oberfläche 304 der Platine 300 zeigt. Danach wird der Chip 308 mittels automatischer Regelung umgedreht, so dass die Unterseite 312 des Chip 308 gegen die Oberseite 304 der Platine 300 gerichtet angeordnet ist und jede der Lötperlen 310 gegen eine der Verbindungen 302 auf der Oberseite 304 der Platine 300 anliegt.
Ein typisches System zum Aufbringen der Tropfen von Lötflussmittel, wie zum Beispiel ein mit einem Förderband ausgestattetes "Select Coat System", erhältlich bei der Nordson Corporation of Westlake, Ohio, ist in 11 gezeigt. Leiterplatten 300, von denen jede von einer Palette 314 getragen wird, bewegen sich entlang einer Reihe von aneinander angrenzenden Förderern 316, 318, 320. Jede Palette 314 und Leiterplatte 300 bewegt sich eingangs auf dem Förderer 316 durch eine Vorwärmzone 323, so dass die Leiterplatte 300 auf eine gewünschte Vorwärm-Temperatur aufgeheizt ist, die typischerweise zwischen etwa 100° Fahrenheit (F) und etwa 200° Fahrenheit (F) und vorzugsweise zwischen etwa 120°F und etwa 130°F liegt. Danach bewegen sich die Paletten 314 mit deren Platinen auf einen in Förderrichtung angrenzenden Förderer 318, wo das Flussmittel in Form einer Serie von Tropfen durch eine Ventilsitzbaugruppe 32 einer Spendervorrichtung 10 in der zuvor beschriebenen Weise aufgebracht wird.
Die Flussmitteltropfen 322 werden selektiv an ausgewählten Orten aufgetragen und haben jeweils eine solche vorausgewählte Größe und eine Beabstandung zwischen den Tropfen, dass die Tropfen zu einer gleichförmigen Beschichtung oder einem Film zusammenlaufen. Wie zum Beispiel in 5 und 6 gezeigt ist, werden die Tropfen 322 auf ein Gebiet A auf der Leiterplatte 300 mit einer in 6 dargestellten Streu breite aufgebracht, so dass die Tropfen in eine im wesentlichen gleichförmige Beschichtung oder einen Film 326, wie in 7 gezeigt, zusammenlaufen. Die genau Größe und Beabstandung eines jeden Tropfens, welche sicherstellt, dass die Tropfen in einem gleichförmigen Film zusammenlaufen, hängt von Faktoren einschließlich der Zusammensetzung und Viskosität des Lötflussmittels, der Auftragungstemperatur des Lötflussmittels und der Temperatur der Leiterplatte 300 ab. Die Anzahl der Tropfen, die Tropfengröße, der Tropfenabstand und die Anzahl der Reihen von Tropfen kann eingestellt werden, um den gewünschten Bereich und die Dicke der Bedeckung zu erzielen.
Beim Auftragen von Lötflussmittel auf eine Leiterplatte ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung, dass das Lötflussmittel in Tropfen von etwa 3,175 mm (0,125 inch) Durchmesser und von verschiedener Größe aufgetragen wird, so dass die akkurat ausgegebenen Tropfen zusammenfließen und einen gleichförmigen Film von Lötflussmittel mit einer ausgezeichneten Randschärfe bilden. Eine Auftragungsdicke zwischen etwa 0,0508 mm (0,2 mils) bis etwa 0,127 mm (5,0 mils) ist mit dem Auftragungsverfahren der vorliegenden Erfindung erreichbar. Bei einer typischen Auftragung von Tropfen auf eine Leiterplatte 300, auf die ein Silizium-Chip 312 gelötet wer den soll, beträgt die Dicke der Flussmittelschicht zwischen etwa 0,0635 mm (2,5 mils) und etwa 0,0889 mm (3,5 mils). Da die Lötperlen typischerweise einen Durchmesser von etwa 0,127 mm (5 mils) aufweisen, wird die Flussmittelschicht mit etwa 0,0635 mm (2,5 mils) und etwa 0,0899 mm (3,5 mils) ausgewählt, so dass ein Zwischenraum von etwa 0,0508 mm (2 mils) zwischen der Oberfläche 304 der Leiterplatte 300 und der Unterseite 312 des Chips 308 entsteht. Dieser Abstand des Zwischenraumes verhindert, dass eine an der Unterseite 312 des Chips 308 anliegende Auflagefläche von Flussmittel gebildet wird, die Kontaktstörungen zwischen den Lötperlen 310 und den korrespondierenden Verbindungen 302 verursachen würde.
Nachdem jede Leiterplatte 300 mit dem Tropfen des Lötflussmittels bedeckt ist, wird sie auf einem in Förderrichtung angrenzenden Abfuhrförderer 320 auf eine Chip-Aufsetzmaschine (nicht dargestellt) weitergeleitet. Das bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendete Lötflussmittel ist typischerweise feststoffarmes Flussmittel, das geringe Mengen fester Bestandteile, zum Beispiel 5 Gew.-% oder weniger, und als Rest ein Lösungsmittel, wie zum Beispiel Isopropanol oder eine ähnliche Alkoholsorte, einen Träger, einen Aktivator, ein Tensid und ein Antioxidationsmittel ent hält. Es ist zu bemerken, dass das zerstäubungsfreie Auftragen von Lötflussmitteln besonders vorteilhaft ist, weil dabei keine Überdeckung oder Übersprühung auftritt. Ferner tritt keine Beschädigung der Leiterplatte auf, da der Spender die Leiterplatte nicht berührt. Außerdem ist das automatisierte System schneller und liefert hochwertigere Auftragungen als bekannte manuelle Auftragungen oder auch andere automatisierte Auftragungen.
Die Förderer 316, 318 und 320 können als einfache Konstant-Geschwindigkeits-Förderer ausgebildet sein, die die Leiterplatte 300 und die Palette 314 unter den Spenderkopf 32 fördern. Sobald diese unter dem Spenderkopf 32 positioniert ist, wird die Fortbewegung der Leiterplatte 300 unterbrochen, während der Spenderkopf 32 mittels einer Routine zum Auftragen des Flussmittels fortfährt, wobei die Bewegung des Kopfes vorzugsweise durch eine Mikroprozessorsteuerung (nicht gezeigt) gesteuert wird. Der Spenderkopf 32 ist beispielsweise an einem Roboter montiert, der in bis zu drei Bewegungsachsen X, Y, Z operieren kann, wodurch der Spenderkopf über der Leiterplatte in einem programmierten Muster bewegt wird, das von der Konfiguration der Platine und der Form des aufzubringenden Flussmittelfilms abhängt. Typischerweise bewegt eine nicht gezeigte Steuerung den Spenderkopf 32 schrittweise über die stationäre Leiterplatte 300 entlang einer ersten Achse (X), die im wesentlichen parallel zu der Förderlinie ausgerichtet ist. Anschließend bewegt der Antrieb den Spenderkopf 32 entlang einer zweiten Achse (Y) lateral über die Leiterplatte 300. Die Bewegung entlang der Z-Achse ermöglicht, den Spenderkopf 32 bezüglich der Leiterplatte anzustellen. Aufgrund des hohen Tempos, mit dem sich der Spenderkopf 32 lateral über die Platine 300 bewegt, kann der gesamte Ausgabevorgang noch innerhalb akzeptierter Raten für den Leiterplatten-Durchsatz erfolgen (mehr als 1500 Leiterplatten pro Stunde) und kompatibel zu kommerziell üblichem Tempo bleiben. Sobald die laterale Bewegung des Spenderkopfes 32 beendet ist, wird der Spenderkopf entlang einer ersten Achse schrittweise fortbewegt, um den Spenderkopf über einem nächsten ausgewählten Arbeitsweg der Leiterplatte zu positionieren. Dieser Prozess wird solange fortgesetzt, bis die Flussmitteltropfen über den gewünschten Bereichen der Platine ausgegeben sind. Obgleich einfache Konstant-Geschwindigkeits-Förderer für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ausreichend sind, ist es ebenfalls im Sinne der Erfindung, weiter entwickelte Förderer zu verwenden, die die Leiterplatte schrittweise durch die Lötmittel-Station hindurchführen. Die Leiterplatte und die Palette werden zum Beispiel schrittweise bewegt, wodurch mehrere stationäre Durchgänge des Spenderkopfes Reihen von Tröpfchen des Lötflussmittels auf der ausgewählten Oberfläche der Platine ausgeben. Bei dieser alternativen Anordnung braucht der Spenderkopf nur in einer lateralen Richtung angetrieben zu werden (entlang der zweiten Achse), da die Relativbewegung zwischen der Platine und dem Spenderkopf (entlang der ersten Achse) durch das komplexere und hochentwickeltere Fördersystem erzeugt wird.
Nachdem der Flussmittelfilm 326, wie in 7 gezeigt, ordentlich aufgebracht wurde, wird der die Lötperlen 310 aufweisende Flip-Chip 308 auf der Leiterplatte 300, wie in 5 gezeigt, plaziert. Das heißt, der Chip 308 wird mittels eines roboterbetriebenen Mechanismus (nicht gezeigt) derart auf der Leiterplatte 300 angeordnet, dass die Unterseite 312 des Chip in Richtung der Oberseite 304 der Leiterplatte angeordnet ist und jede der Lötperlen 310 gegen eine vorausgewählte Verbindung 302 auf der Oberseite 304 der Platine 300 anliegt. Danach werden beide in einem Schmelzofen (nicht gezeigt) erhitzt, wodurch das Lötmittel schmilzt und zerfließt, um den Chip und die Leiterplatte zu verbinden. Das Flussmittel reinigt das Lötmittel und die Oberfläche des Trägers, wobei eine Oxidation entfernt und eine gute Kontaktierung und Leitung des Chips und der Platinenbaugruppe sichergestellt wird.
Obgleich die Erfindung in bezug auf das Auftragen eines Filmes von Flussmittel auf eine Leiterplatte zum Zweck des Aufbringens eines Flip-Chips beschrieben ist, liegt es auch im Bereich der Erfindung, Flussmittel selektiv auf bestimmte Bereiche einer Leiterplatte 328 mit Durchgangslöchern, wie in 8 dargestellt, aufzubringen. Dabei fließen die einzelnen Tropfen des Flussmittels ineinander, um einen Film oder eine Beschichtung 330 zu bilden. Das Flussmittel kann auf bestimmte Bereiche aufgebracht werden, wie zum Beispiel auch Bereich B in 8 und 9. Das ist vorteilhaft, da nur bestimmte Durchgangslöcher elektrische Zuleitungen (nicht gezeigt) aufweisen, die sich hindurch erstreckend aufgelötet werden sollen.
Während die Erfindung mit Bezug auf das Auftragen von Lötflussmittel oder eines Klebstoffes auf eine Leiterplatte beschrieben ist, ist mit der Erfindung auch das Auftragen von Punkten oder Tropfen von Flussmittel oder Auflötklebstoff bei der Herstellung von elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel beim Befestigen von Flip-Chips auf Leiterplatten, umfasst.
Während die erste Ausführungsform der Spendervorrichtung 10 effektiv bei der Ausgabe geringer Mengen flüssigen oder viskosen Materials wirkt, weist eine zweite, in den 13 und 14 gezeigte Ausführungsform die im folgenden beschriebenen zusätzlichen Verbesserungen auf. Eine Spendervorrichtung 400 wird zur Ausgabe geringer Mengen flüssigen oder viskosen Materials, wie zum Beispiel Flussmittel oder Auflötklebstoff, von einer standardisierten, kommerziell erhältlichen, mit flüssigem oder viskosem Material gefüllten Spritze 12 auf ein Substrat, wie zum Beispiel eine Leiterplatte, wie zuvor beschrieben, verwendet. Die Spendervorrichtung 400 umfasst ein Spendergehäuse 402 mit einem Einlass 404, der mittels einer Bohrung 406 mit einer Einlasskammer 408 verbunden ist. Die Einlasskammer 408 ist oberhalb einer Durchflussbohrung 410 angeordnet, die einen Strömungskanal 412 schafft. Innerhalb des unteren Endes 414 des Strömungskanals 412 ist eine rohrförmige Ventilsitzbaugruppe 416 angeordnet, die zum Beispiel mittels Presspassung und Löten innerhalb des Auslassbereiches 414 befestigt ist. Die rohrförmige Ventilsitzbaugruppe 416 weist einen sich hindurch erstreckenden Strömungskanal 418 mit einem um eine Auslassöffnung 422 angeordneten Ventilsitz 420 auf, wobei sich die Auslassöffnung 422 durch das geschlossene untere Ende der rohrförmigen Ventilsitzbaugruppe 416 erstreckt. Das Einlassende des Strömungskanals 418 steht in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal 412 der Durchflussbohrung 410 und das entgegengesetzte Auslassende 422 steht in Strömungsverbindung mit einer Düse 424, die mittels eines Düsenaufsatzes 426 montiert ist, der an dem unteren Ende eines länglichen beheizten Erweiterungselementes 428 befestigt ist, das einen unteren Abschnitt des Spendergehäuses 402 bildet.
Ein Ventilschaft 430 erstreckt sich durch die Einlasskammer 408, die Durchflussbohrung 410 und in den Strömungskanal 418 der Ventilsitzbaugruppe 416. Der Ventilschaft 430 weist ein unteres Ende 432 auf, das in dichtendem Eingriff mit dem Ventilsitz 420 steht, um die Auslassöffnung 422 zu verschließen. Der obere Abschnitt des Ventilschaftes 430 ist innerhalb eines Steuerungsmechanismus 436 angeordnet, der auf dem Spendergehäuse 402 montiert ist. Der Steuerungsmechanismus 436 bewegt den Ventilschaft auf und ab, aus dem und in den geschlossenen Eingriff mit dem Ventilsitz 420. Erfindungsgemäß ist ferner eine Heizbaugruppe 438 um das beheizte Erweiterungselement 428 angeordnet und lösbar daran befestigt, um das flüssige oder viskose Material innerhalb des Strömungskanals 412 zu erhitzen, wie unten detaillierter beschrieben.
Das Spendergehäuse 402 schließt eine im wesentlichen horizontale Bohrung 406 ein, die den Einlass 404 mit der Einlasskammer 408 verbindet, durch welche der Ventilschaft 430 auf- und ab-beweglich verläuft. In dichtender Verbindung um den Schaft 430 herum und oberhalb der Kammer 408 ist eine Dichtvorrichtung 440 angeordnet, wie zum Beispiel ein herkömmlicher Feder-Nutring (U-cup spring seal), um sicherzustellen, dass das viskose Material oder die Flüssigkeit, die durch die Kammer 408 in die Durchflussbohrung 410 strömt, nicht um den Schaft herum in den Steuerungsmechanismus 436 hineinleckt. Wie in 15 gezeigt, besteht die Ventilsitzbaugruppe 420 im wesentlichen aus einem napfförmigen Körper mit einem offenen oberen Ende, einem geschlossenen unteren Ende und einer Auslassöffnung 422, die sich durch das geschlossene untere Ende erstreckt und um die herum ein Ventilsitz 440 ausgebildet ist. Am unteren Ende 442 des Ventilschaftes 430 befindet sich ein im wesentlichen kugelförmiger Kopf 444, welcher zum Aufsitzen auf dem Ventilsitz 440 angepasst ist. Während ein im wesentlichen kugelförmiger Ventilkopf 444 offenbart ist, liegt es ebenso im Bereich der Erfindung, Ventilköpfe je nach Wunsch mit einer anderen Form zu verwenden. Die Größe der Kugel und des Sitzes ist ausgewählt, um Punkte des auszugebenden Materials mit unterschiedlicher Größe zu bilden. Die Ventilsitzbaugruppe 424 (siehe 16) umfasst einen Düsenaufsatz 426, der typischerweise ein Gewinde aufweist und aus Messing oder Edelstahl gefertigt ist, und eine längliche Düse 446, die innerhalb einer durch das geschlossene Ende 450 des Düsenaufsatzes 426 verlaufenden Bohrung 448 befestigt ist. Die Düse 446 ist üblicherweise aus einer Röhre mit einem Innendurchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 inch) bis etwa 0,4064 mm (0,016 inch) gefertigt. Die Röhre kann aus Edelstahl hergestellt sein und ist innerhalb der Bohrung 448 so montiert, dass deren oberes Ende 452 bündig mit der inneren Bodenfläche 454 des Düsenaufsatzes 426 abschließt. Das entgegengesetzte Ende 456 ragt über die äußere Bodenfläche 458 des Düsenaufsatzes 426 hinaus. Es ist zu beachten, dass der Ventilkopf 444 von dem Ende 452 der Düse 446 beabstandet ist. Die Düse 446 ist innerhalb der Bohrung 448 durch Hineinpressen in die Bohrung und durch Kleben, Laser-Schweißen oder Hartlöten in dieser Position fixiert. Während eine Röhre aus Edelstahl, wie oben beschrieben, zur Herstellung der Düse bevorzugt wird, liegt es ferner innerhalb des vorliegenden Erfindungsgedankens, eine herkömmliche hochschmelzende Düse bestehend aus einem Messinghalter durch einen Edelstahleinsatz zu ersetzen, der typischerweise eingedrückt ist, wie zum Beispiel durch die hochschmelzende Düse mit der Teilenummer 237216, erhält lich bei der Nordson Corporation of Westlake, Ohio, der Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung. Die Düsenhalterbaugruppe 424 ist an das Ende des beheizten Erweiterungselementes 428 derart montiert, dass die innere Bodenfläche 454 des Düsenaufsatzes 426 gegen die Bodenfläche 460 der Erweiterung 428 gedrückt ist. Dadurch wird verhindert, dass das flüssige oder viskose ausgegebene Material zwischen den Berührungsflächen des beheizten Erweiterungselementes 428 und der inneren Bodenfläche 454 des Düsenaufsatzes 426 austritt.
Die Heizbaugruppe 438 in 14 und 15 ist um das beheizte Erweiterungselement 428 herum angeordnet und daran mit konventionellen Mitteln, wie zum Beispiel einer Vielzahl von Schrauben (nicht gezeigt), befestigt. Die Heizbaugruppe 438 umfasst ein Gehäuse 464 mit einer abgestuften inneren Bohrung 466, die zwischen einer oberen Außenoberfläche 468 und einer unteren Außenoberfläche 470 verläuft. Eine seitliche Bohrung 472 erstreckt sich von einer Seitenwand 474 des Gehäuse 464 hin zur abgestuften inneren Bohrung 466. Innerhalb der abgestuften inneren Bohrung 466 ist ein Heizelement 476 angeordnet, welches einen typischerweise aus einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Aluminium, gefertigten Abstandsring 478 umfasst und eine Durchgangsbohrung 480 aufweist, die gleitend und abnehmbar an der Außenoberfläche 482 des beheizten Erweiterungselementes 428 montiert ist. Eine Thermofolien-Widerstandsheizung 484 ist um die Außenoberfläche 486 gewickelt und mittels eines Epoxidharzes 488 beidseits der Heizung 484 fixiert. Eine Platte 490 verschließt die Öffnung zur seitlichen Bohrung 472 und weist einen an ihr befestigten herkömmlichen elektrischen Durchführungsverbinder 492 auf. Zwei Sätze von jeweils zwei Leitungen 494 und 496 verbinden die Thermo-Widerstandsheizung 484 mit dem elektrischen Durchführungsverbinder 492 zur Überwachung der Temperatur und zur Versorgung der Thermo-Widerstandsheizung. Ein Verbindungskabel (nicht gezeigt) verbindet den elektrischen Verbinder 492 mit der Temperatursteuerung, wie im ersten Ausführungsbeispiel offenbart.
Ein wesentliches Merkmal der Konstruktion des Heizelementes 462 verglichen mit dem Heizelement 50, wie es in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart ist, vergleiche 2, liegt in der Einfachheit, mit der die Heizbaugruppe 462 von dem beheizten Erweiterungselement abgenommen werden kann, wenn die Düsenbaugruppe 424 und das beheizte Erweiterungselement 428 zum Zwecke des Reinigens entfernt wurden. Das Entfernen wird einfach durch Ab schrauben der mit einem Gewinde versehenen Düsenbaugruppe 426 von dem beheizten Erweiterungselement 428 erreicht. Danach kann das beheizte Erweiterungselement von dem Spendergehäuse 402 typischerweise durch Entfernen der durch das beheizte Erweiterungselement in das Spendergehäuse hineinreichenden Schrauben (nicht gezeigt) abgeschraubt werden. Als nächstes kann die Heizbaugruppe 462 von der Außenoberfläche 480 des beheizten Erweiterungselementes heruntergeschoben werden, ohne die Leitungen zu der Heizungssteuerung zu belasten, was manchmal bei der ersten Ausführungsform zum Problem wurde. Es ist wichtig, die Heizbaugruppe 462 von dem beheizten Erweiterungselement 428 abzunehmen, damit das beheizte Erweiterungselement in ein Lösungsmittel eingetaucht werden kann, um es von jeglichen Rückständen von flüssigem oder viskosem Material, die sich daran angesammelt haben können, zu säubern. Das Lösungsmittel sollte dabei nicht das Heizelement 476 berühren, da es das Epoxidharz auflösen und somit die Thermo-Widerstandsheizung 484 zerstören kann. Falls nötig, kann der Abstandsring 478 von dem Gehäuse 464 durch die Öffnung der Bohrung 466 auf der Oberseite 468 entfernt werden. Der Abstandsring 478 wird mittels eines schwachen Presssitzes zwischen den Zungen 498, welche um das obere Ende der Bohrung 466 angeordnet sind, und dem Abstandsring 478 an seinem Platz gehalten.
Eine andere Modifikation der ersten Ausführungsform betrifft den Kontrollmechanismus 436, vergleiche 14, zur Auf- und Abbewegung des Ventilkopfes 432 zwischen einer ersten vom Ventilsitz 420 beabstandeten Position (nicht gezeigt) und einer zweiten mit dem Ventilsitz 420 in schließendem Eingriff befindlichen Position (wie in 14 und 15 gezeigt). Die zweite Position ist die Standardposition, weil sich das flüssige oder viskose Material in dem Strömungskanal 412 sammelt und auf eine voreingestellte Temperatur mittels des Heizelementes 476 erhitzt wird, wie weiter unten beschrieben. Wie 14 zeigt, umfasst der Kontrollmechanismus 436 einen Gehäuseblock 500. Eine axial angeordnete, longitudinale Bohrung 502 erstreckt sich durch den Gehäuseblock 500 und ist koaxial um den Ventilschaft 430 angeordnet, wenn die Spendervorrichtung 400 zusammengesetzt ist. Der Ventilschaft 430 erstreckt sich durch die Bohrung 502 und ragt vom oberen Ende der Bohrung in eine abgestufte Hohlkammer mit einer unteren Bohrung 506, die in eine mittlere Bohrung 508 übergeht, welche wiederum in eine obere Bohrung 510 übergeht, die einen größeren Durchmesser als die mittlere Bohrung 508 aufweist, um eine Anschlagfläche 512 zu bilden. Ein luftbetätigter Kolben 513 mit einem zylindrischen Dichtelement 514, das im wesentlichen identisch mit dem zylindrischen Dichtelement 118 der ersten Ausführungsform ist, ist auf eine Trägerstruktur 516 montiert, welche ihrerseits eine zentrale Bohrung 518 aufweist, durch die sich der Ventilschaft 430 erstreckt und an welcher er befestigt ist. Der Kolben 513 bewegt sich in der Bohrung 510 auf und ab und bildet eine Luftkammer 507 in dem Hohlraum der Bohrung 510 unterhalb des Kolbens. Ein Lufteinlass 520 erstreckt sich durch den Gehäuseblock 500 transversal zu der Bohrung 502 und ist an eine Druckluftquelle (nicht gezeigt) angeschlossen. Ein in 13 gezeigtes Magnetventil 515 ist an der Vorderseite der Spendervorrichtung 400 montiert und dient zur Aufnahme der Luft aus der Bohrung 520. Der Magnet 515 steuert den Luftstrom in die Luftkammer 507, um den Luftstrom unter dem Luftkolben 513 und der Dichtung 514 zu regeln, welche im wesentlichen mit der in 1 der ersten Ausführungsform gezeigten identisch ist. Eine mit der Dichtung 522 identische Dichtung 522 ist in der unteren Bohrung 506 zwischen der Bohrung 502 und der mittleren Bohrung 508 um den Ventilschaft 430 herum angeordnet, um das Austreten von Luft in die obere Bohrung 510 zu verhindern, welches sich auf die Bewegung des Ventilschaftes 430 auswirken würde.
Auf die Oberseite des Gehäuseblockes 500 ist ein Federgehäuse 523 montiert, welches eine darin ausgeformte zentrale Bohrung 524 aufweist. Ein Federhalter 526 ist fest an dem oberen Ende des Ventilschaftes 430 montiert und gegen die Trägerstruktur 516 vorgespannt. Ein napfförmiges Federeinstellelement 528 ist mittels Gewinde an dem Federgehäuse 523 befestigt und weist eine sich hindurch erstreckende, längliche, abgestufte Bohrung 530 auf. Zwischen dem Federhalter 526 und einer Fläche 534, die an dem Übergang zwischen den zwei Abschnitten der Bohrung 530 mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet ist, erstreckt sich eine Kompressionsfeder 532. Eine Kontermutter 536 ist mittels Gewinde mit dem Federeinstellelement 528 verschraubt, so dass das Federeinstellelement in einer Position näher oder entfernter bezüglich des Federhalters 526 befestigt werden kann. Die Kompression der Feder 532 wird erhöht, wenn das Federeinstellelement 528 in Richtung des Federhalters 526 bewegt wird, und wird verringert, wenn das Federeinstellelement 528 von dem Federhalter wegbewegt wird.
Wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform besprochen, muss die Schließkraft, die durch die Kompressionsfeder 532 auf den Federhalter 526 und mittels des Ventilschaftes 430 auf den Ventilkopf 432 ausgeübt wird, behutsam einge stellt werden, um die gewünschte Schließkraft von typischerweise etwa 57,8 N (13 pounds) bis etwa 75,6 N (17 pounds) bereitzustellen.
Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines gewöhnlichen Mikro-Einstellgerätes 538, welches in die obere Bohrung 530 montiert und mittels herkömmlicher Mittel, wie zum Beispiel ein Gewindestift 540, fixiert ist. Das Mikro-Einstellgerät 538 weist ein zylindrisches Verlängerungselement 542 mit einer Grundfläche 544 auf, die normalerweise von dem oberen Ende 546 des Ventilschaftes 430 beabstandet ist. Der Abstand zwischen der Grundfläche 544 des Verlängerungselementes 542 und dem oberen Ende des Ventilschaftes 430 beeinflusst die Abstandseinstellung des Ventilkopfes 432 von dem Ventilsitz 420, wenn Flüssigkeit durch die Düsenbaugruppe 424 ausgegeben wird.
Um die weiteren Vorteile der Ausführungsform aus 14 und 15 zu würdigen, folgt eine Beschreibung, die die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform aus 1 herausstellt. Eine unter Druck befindliche Spritze 12 mit flüssigem oder viskosem Material, typischerweise Flussmittel oder Auflötklebstoff, ist in die Einlassöffnung 404 eingeführt, um das flüssige oder viskose Material in die Bohrung 406 zu drücken, das dann in die Einlasskammer 408 und den Strömungskanal 412 abwärts fließt, um den Strömungskanal 418 innerhalb der röhrenförmigen Ventilsitzbaugruppe 416 mit einer geringen Menge des flüssigen oder viskosen Materials zu füllen, während der Ventilkopf 432 auf dem Ventilsitz 420 aufsitzt. Das beheizte Erweiterungselement 428 ist aus einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Messing, gefertigt, um Wärme von dem Heizelement 462, welches um das beheizte Erweiterungselement 428 herum angeordnet ist, zu übertragen und um das flüssige oder viskose Material innerhalb des Strömungskanals 412 zu erhitzen. Die Temperatur, auf die das flüssige oder viskose Material erhitzt wird und die gesteuert wird, hängt von dem spezifischen Material ab, das durch den Spenderapparat 400 ausgegeben wird. Ein Beispiel eines typischen Temperaturbereiches ist hierin zuvor diskutiert worden. Das Öffnen und Schließen des Ventilkopfes 432 gegen den Ventilsitz 420 bewirkt zusammen mit dem Flüssigkeitsdruck, der durch die Spritze 12 beaufschlagt wird, dass das viskose Material als ein dünner Strom durch die Mündung der Düsenbaugruppe 424 hindurch- und herausgestoßen wird. Wie oben in genauerer Weise beschrieben, verursacht der Stoß des gegen den Ventilsitz 420 schließenden Ventilkopfes 432 eine plötzliche Verzögerung des fließenden Materials und ein Trennen des Stromes in Tropfen. Das Hei zen des flüssigen oder viskosen Materials geschieht aufgrund der Wärmeleitung durch den Metallkörper des beheizten Erweiterungselementes innerhalb des Strö- mungskanals 412 und innerhalb der röhrenförmigen Ventilsitzbaugruppe 416.
Das Öffnen des Ventils durch das Zurückziehen des Ventilschaftes 430 und des Ventilkopfes 432 von dem Sitz 38 wird mittels Druckluft aus dem Magnetventil in die Luftkammer unterhalb des Luftkolbens 514 verrichtet. Der Luftkolben, welcher an dem Ventilschaft 430 mittels der Trägerstruktur 516 befestigt ist, bewegt sich gegen die Kraft der Kompressionsfeder 532 um einen durch den Raum zwischen der Grundfläche des Mikro-Einstellgerätes 538 und des oberen Endes 546 des Ventilschaftes 430 bestimmten Abstand in eine Richtung weg vom Ventilsitz 420. Die Mikro-Einstellung erlaubt es, diesen Abstand abhängig von der benötigten Größe der Tropfen genau einzustellen.
Das Verschließen des Ventilkopfes 432 gegen den Ventilsitz 420 muss in einem sehr kurzen Zeitabschnitt erfolgen, das heißt in weniger als etwa 22,6 Millisekunden und vorzugsweise in weniger als etwa 10,3 Millisekunden. Die Luft in der Luftkammer 504 unterhalb des Luftkolbens 514 wird durch einen Abluftkanal (nicht gezeigt) in das Magnetventil 515 abgelassen. Gleichzeitig bewegt die Kompressionsfeder 532 den Ventilkopf 432 schnell in eine geschlossene Position gegen den Ventilsitz 420. In derselben Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel trennt die Stoßkraft des schließenden Ventilkopfes 432 gegen den Ventilsitz 420 den Strom flüssigen oder viskosen Materials, der von der Düse 456 ausgegeben wird, um einen Tropfen des Materials zu bilden.
Während die zweite Ausführungsform der Spendervorrichtung 400 effektiv bei der Ausgabe geringer Mengen flüssigen oder viskosen Materials wirkt, wurden weitere Verbesserungen an der röhrenförmigen Ventilsitzbaugruppe 416 und an der Düsenbaugruppe 424 der zweiten Vorrichtung 400 vorgenommen. Bezug nehmend auf 17 und 18 ist eine modifizierte röhrenförmige Ventilsitzbaugruppe 600 dargestellt, die die röhrenförmige Ventilsitzbaugruppe 416 der zweiten Vorrichtung 400 ersetzen kann. 19, 20 und 21 zeigen eine modifizierte Düsenbaugruppe 602, die die Düsenbaugruppe 424 der zweiten Vorrichtung 400 ersetzen kann.
Die röhrenförmige Ventilsitzbaugruppe 600 aus 17 und 18 ist aus einem röhrenförmigen Element 601 mit einem Einlassende 604 und einem Auslassende 606 und einer abgestuften axialen Bohrung 607 gebildet, die einen sich hindurch erstreckenden Strömungskanal 608 bildet. Die abgestufte axiale Bohrung 607 schließt eine obere Bohrungswand 609 mit einem ersten Durchmesser und eine untere Bohrungswand 610 mit einem zweiten Durchmesser ein, der kleiner als der erste Durchmesser ist. Ein Ventilsitz 612 ist an dem Übergang von der oberen Bohrungswand 609 und der unteren Bohrungswand 610 angeordnet und befindet sich dichter an dem Auslassende 606 als an dem Einlassende 604. Eine Vielzahl von länglichen Führungen 614A, 614B, 614C sind integral mit der ersten Bohrungswand 609 der röhrenförmigen Ventilsitzbaugruppe 600 ausgeformt und springen einwärts in den Strömungskanal 608 vor, um den Ventilkopf 444' während der Auf- und Abbewegung innerhalb der röhrenförmigen Ventilsitzbaugruppe 600 zu führen. Die gesamte Beschreibung hindurch kennzeichnen mit Strich indizierte Nummern Strukturelemente, die im wesentlichen mit den Strukturelementen identisch sind, die durch dieselben ungestrichenen Nummern gekennzeichnet sind. Während drei längliche Führungen 614A, 614B, 614C dargestellt sind, gehört es zum vorliegenden Erfindungsgedanken, eine unterschiedliche Anzahl von Führungen jeder beliebigen Form zu verwenden. In den 19, 20, 21 ist eine röhrenförmige Ventilsitrbaugruppe 600 gezeigt, die zusammengesetzt und durch Mittel, wie zum Beispiel Presspassung und Löten, innerhalb des Auslassabschnittes 414' des Erweiterungselementes 428' befestigt ist. Das Einlassende 604 des Strömungskanals 608 steht in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal 412' der Durchflussbohrung 410' und die gegenüberliegende Auslassöffnung 606 steht in Strömungsverbindung mit der Düsenbaugruppe 602, die mittels Gewinde an dem Erweiterungselement 428' befestigt dargestellt ist.
Die Düsenbaugruppe 602, wie in 19, 20 und 21 dargestellt, schließt einen Düsenaufsatz 426' ein, der typischerweise mit einem Innengewinde versehen ist und aus Messing oder Edelstahl gebildet ist. Eine längliche Düse 616 ist innerhalb einer Bohrung 448' durch das geschlossene Ende 450' des Düsenaufsatzes 426' befestigt. Die Düse 616 ist eine zylindrische Röhre mit einer länglichen Mündung 622, die typischerweise aus Edelstahlmaterial gefertigt ist und innerhalb der Bohrung 448' des Düsenaufsatzes 426' so montiert ist, dass das obere Ende 618 der Düse bündig mit der inneren Grundfläche 454' des geschlossenen Endes 450' abschließt. Ein gegenüberliegendes unteres Ende 620 der Düse 616 ragt über die Außenoberfläche 458' des Düsenaufsatzes 426' hinaus. Die Düse 616 ist innerhalb der Bohrung 448' auf eine Weise befestigt, wie zum Beispiel Hineinpressen dieser in die Bohrung 448' und durch Laser-Schweißen, Kleben oder Hartlöten in dieser Position, so dass die Innenoberfläche, das heißt die längliche Mündung 622, der Düse 616 nicht beschädigt wird. Die Düse 616 ist üblicherweise aus einer dünnwandigen Röhre mit einem Außendurchmesser von etwa 0,3048 mm (0,012 inch) bis etwa 1,27 mm (0,050 inch) und einer Länge von etwa 5,08 mm (0,02 inch) bis etwa 2,54 mm (0,100 inch) gefertigt. Die längliche Mündung 622 weist typischerweise einen Durchmesser von etwa 0,0508 mm (0,002 inch) bis etwa 0,4064 mm (0,016 inch) auf. Die längliche Mündung 622 hat ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von bis zu etwa 50 zu 1, vorzugsweise von wenigstens etwa 25 zu 1 und am meisten bevorzugt von wenigstens etwa 3 zu 1. Das Ende 620 der Düse 616 und die längliche Mündung 622, die zum Ende 620 hin offen ist, ist vorzugsweise mit einer niederenergetischen Oberflächenbeschichtung beschichtet, die ein Polymer, wie zum Beispiel Teflon, Silikon oder eine Keramik, aufweist. Die niederenergetische Oberflächenbeschichtung dient der Verbesserung der Flüssigkeitsströmung durch die längliche Mündung 622 und der Verringerung der an der Oberfläche des Ende 620 anhaftenden Flüssigkeitsmenge. Ferner weist die Beschichtung eine Oberflächenspannung auf, welche sich dem Benetzen durch das von dem Ende der Düse herabhängenden Materials widersetzt, was umgekehrt bewirkt, dass der Strang einen kleineren Durchmesser hat und einen kleineren Tropfen bildet. Dieser Effekt könnte auch mittels eines polierten Oberflächenfinish am Ende 620 oder durch eine komplette Konstruktion der Düse 616 aus Plastik erreicht werden. Das zur Konstruktion der Düse 616 verwendete Röhrenmaterial weist eine dünne Wand auf, weil das von der Düse ausgegebene Material an dem unteren Ende 620 hängen bleibt und dabei den von der Düse ausgegebenen Materialstrom beeinflusst, so dass dieser einen im wesentlichen dem äußeren Durchmesser der Düse gleichenden Durchmesser aufweist.
Die Düsenbaugruppe 602 ist an das Ende des Erweiterungselementes 428' so montiert, dass die untere Innenoberfläche 454' des Düsenaufsatzes 426' gegen die Grundfläche 460' des Erweiterungselementes 428' gepresst wird. Dies verhindert, dass das ausgegebene flüssige oder viskose Material zwischen der Berührungsfläche des Erweiterungselementes 428' und der unteren Innenoberfläche 454' des Düsenaufsatzes 426' austritt.
Wieder Bezug nehmend auf 19, 20 und 21 erstreckt sich ein Ventilschaft 430' in den Strömungskanal 608 der Ventilsitzbaugruppe 600. Der Ventilschaft 430' weist an einem Ende ein Ventil 432' auf, welches dichtend mit dem Ventilsitz 612 in Eingriff steht, um die Auslassöffnung 606 der Ventilsitzbaugruppe 600 zu verschließen, wie in 18 gezeigt. Der obere Abschnitt des Ventilschaftes 430' ist innerhalb eines Kontrollmechanismus 436, wie oben diskutiert, angeordnet. Der Kontrollmechanismus 436 bewegt den Ventilschaft 430' und das Ventil 432' aus dem und in den geschlossenen Eingriff mit dem Ventilsitz 612 auf und ab. Das Ventil 432' hat eine erste, um den Abstand "d" vom Ventilsitz 612 beabstandete Position, wie in 19 gezeigt, eine zweite Position "e", wie in 20 gezeigt, die weniger von dem Ventilsitz 612 beabstandet ist als die erste Position "d", und eine dritte Position in geschlossenem Eingriff mit dem Ventilsitz 612, wie in 21 gezeigt. Die erste Position "d" ist etwa 1,27 mm (0,050 inch) von dem Ventilsitz 612 entfernt lokalisiert. Die zweite Position "e" ist in einer Entfernung von weniger als etwa dem dreifachen Durchmesser der Düsenmündung 622 und vorzugsweise in einer Entfernung von weniger als etwa dem 1,5-fachen Durchmesser der Düsenmündung 622 gelegen. Das heißt, die zweite Position ist weniger als etwa 0,9144 mm (0,036 inch) bis etwa 3,81 mm (0,150 inch) und vorzugsweise weniger als etwa 0,0762 mm (0,03 inch) bis etwa 0,61 mm (0,024 inch) vom Ventilsitz 612 entfernt gelegen.
Auf der Grundlage von Tests der mit der modifizierten röhrenförmigen Ventilsitzbaugruppe 600 und der modifizierten Düsenbaugruppe 602 ausgestatteten Spendervorrichtung 400 wird davon ausgegangen, dass der erfolgreiche Betrieb der Spendervorrichtung eine empfindliche Balance zwischen dem Erreichen des erfolgreichen Effektes des Abtrennens des Stromes viskosen, von der Düse 616 ausgegebenen Materials in einen Punkt und des unerfolgreichen Effektes des Abtrennens des Stromes in mehrere Stücke darstellt, was Satellitenbildung, Verspritzen oder Zerstäuben zur Folge hat. Durch Tests wurde ermittelt, dass der Punkt flüssigen oder viskosen Materials eigentlich als Strang oder Säule flüssigen oder viskosen Materials, ausgegeben von dem Auslassende 620 der Düse 616, geformt ist. Dieser Strang reißt ab, wenn die auf ihn wirkenden, durch das schnelle Schließen des Ventils 432' gegen den Sitz 612 erzeugten Kräfte seinen Widerstand übersteigen. Es ist wichtig, den Strang flüssigen oder viskosen Materials, der sich von dem Auslassende 620 der Düse 616 erstreckt, zu trennen, ohne Fasern zu bilden oder den Strang zu zerschlagen, so dass er in verschiedene Orte zerfällt. Unter manchen Umständen kann der Strang an ein oder zwei Stellen zerbrechen und noch immer einen akzeptablen Punkt bilden, da sich das zweite und/oder dritte Stück unmittelbar hinter dem ersten und/oder zweiten Stück befindet, so dass sie zusammenschmelzen. Trotzdem sollte diese Art des Verhaltens minimiert werden, weil es Satelliten zur Folge haben kann.
Die Spendervorrichtung 400 wird durch Aufbauen von Druck auf den Fluss flüssigen oder viskosen Materials, das stromaufwärts der Düse 616 bereitgestellt wird, betrieben, um den Fluss in einen von der Düse 616 ausgegebenen Strom zu beschleunigen und um dann das Ventil 432' schnell gegen den Sitz 612 zu schließen, um den Strom zu verzögern und die Kraft zum Trennen des Stromes in einen Materialtropfen zu bewirken. Folglich existiert hier eine komplexe dynamische Balance zwischen Scher-Fließkräften in der Düse und längsgerichteten Fließkräften in dem extrudierten Strom. Die Beträge, mit denen diese Kräfte erzeugt werden, liegen jenseits jeder verfügbaren Messtechnik.
Ein zur Berechnung der Punkttrennung entwickeltes Basismodell hat eine untere Abschätzung von 600 Meter/sec² zum Abtrennen eines Punktes zum Ergebnis. Dieses Modell ist eine einfache Abwägung zwischen der Fließspannung (strength) des Stranges und den internen Kräften infolge der Verzögerung und der Masse des Stranges. Das Modell basiert auf der Annahme, dass die längsgerichtete Fließspannung ("elongational yield stress") drei mal der Scher-Fließspannung ("shear yield stress") entspricht, was für ein rein viskoses Material zutreffend wäre. Das Modell ist unter den folgenden Annahmen entwickelt:
d = Durchmesser des Punktes
r = Radius des Punktes = d/2
c = Durchmesser des Stranges
h = Länge des Stranges h(d, c) = 4r(d)³/6r(c)²
ρ = adhäsive Dichte 1 × g/cm²
σ = adhäsive Fließspannung = 500 × 3 Pa (Pascal)
M = Masse des Stranges M(d, c) = ρ × π × r(c)² × h(d, c)
F(c) = benötigte Trennkraft σ_y × π × r(c)²
a(d, c) = benötigte Beschleunigung zur Erzeugung der Kraft F(c)/M(d, c).
Wenn der Durchmesser d des zu untersuchenden Punktes 0,020 inch beträgt, gilt
c = 0,1524 mm (0,006 inch)
h = 1,8796 mm (0,074 inch)
M(d, c) = 3,432 × 10^–5 g
F(c) = 2,736 × 10^–5 kg m sec^–2
a(d, c) = 797 m/sec²
Auf dieselbe Weise wurden die obigen Parameter für Punktdurchmesser in einem Bereich von 0,2032 mm (0,008 inch) bis 1,016 mm (0,040 inch) berechnet. Die Ergebnisse sind in einem Diagramm in 22 gezeigt.
23 ist ein Diagramm, welches ein typischeres Längendehnungsverhalten zeigt, das in höheren Schätzwerten für die Beschleunigung resultiert, weil bei sehr geringen (0,001 s^–1) Längendehnungswerten die elastischen Beiträge vernachlässigbar sind, und die Längendehnungs-Viskosität dreimal der Scherviskosität entspricht. Bei höheren Werten ist die Längendehnungsfestigkeit (Viskosität am Faserabrisspunkt) vielfach höher als 3.
Um die benötigte Beschleunigung und Verzögerung zu entwickeln, erfordert der Fluss einen komplexen Scherungsfluss durch die Spendervorrichtung. Das Ventil 432' beschleunigt eingangs abwärts von der ersten Position "d", die am weitesten von dem Ventilsitz 612 entfernt ist, in die zweite Position "e". Diese Entfernung erlaubt dem Ventilstempel 430' auf die benötigte Geschwindigkeit zu beschleunigen, bevor eine signifikante Menge des Materials die Düse 616 verlässt. Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Ventils 432' muss wenigstens etwa 50 cm/sec und vorzugsweise wenigstens 80 cm/sec und am meisten bevorzugt über 100 cm/sec betragen, um an dem Ventil 432' einen lokal hohen Druck zu erzeugen. Die flüssige oder viskose Flüssigkeit kann entweder zurück zu dem Einlassende 604 des röhrenförmigen Elementes 601, das heißt in Richtung der Quelle des flüssigen oder viskosen Materials, oder in Richtung des Auslassendes 606 gelangen. Obgleich die Quelle unter Druck steht, das heißt etwa 68948 Pa (10 psi), bewirkt der Effekt des wesentlich größeren Durchflussquerschnittes (des ringförmigen Bereiches zwischen dem Ventilstempel 430' und der Wandung der Durchflussbohrung 607) als der Durchflussquerschnitt durch 612, dass das meiste, das heißt etwa 90%, des Materials zurück in Richtung der Quelle fließt. Computersimulationen von Flüssigkeitsdynamik haben zum Beispiel gezeigt, dass die Ge schwindigkeit der zurückfließenden Flüssigkeit in Richtung der Quelle etwa 70 cm/sec beträgt, während die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Düse etwa 10 cm/sec beträgt. Wenn sich das Ventil 432' näher an die zweite Position heranbewegt, das heißt etwa 1,5 bis etwa 3 Düsendurchmesser vom Sitz 612 entfernt, wird der zum Durchfluss verfügbare Bereich zwischen dem Ventil 432' und dem Sitz immer begrenzter. Während dieses Betriebsabschnitt nimmt die Geschwindigkeit der durch die Düse 616 fließenden Flüssigkeit auf etwa 20 cm/sec zu und der Druckabfall in dem Ventilsitzbereich beträgt etwa 482639 Pa (70 psi). Wenn das Ventil 432' sich immer dichter an den Sitz 612 heranbewegt, nimmt der Flüssigkeitsstrom zwischen dem Ventil und dem Sitz weiter ab. Dies reduziert umgekehrt die Menge des Flüssigkeitsstromes, der zur Quelle zurückkehrt, das heißt etwa 75%, und bewirkt einen Anstieg der Durchflussrate aus der Düse 616 auf etwa 20 cm/sec. Nachdem das Ventil 432' durch die zweite Position "e" in Richtung des Ventilsitzes 612 hindurchläuft, gibt es keine nennenswerte Flussbegrenzung zwischen dem Ventil 432' und dem Sitz 612, was umgekehrt bewirkt, dass sich die Flussgeschwindigkeit 100 cm/sec nähert und ein Druckabfall von etwa 3447378 Pa (500 psi) zwischen dem Ventil 432' und dem Sitz 612 ausbildet. In diesem Stadium ist der Fluss in der Düse 616 auf etwa 30 cm/sec beschleunigt. In dieser Berechnung sind die Geschwindigkeiten primär eine Funktion der Geometrie und der Geschwindigkeit des Ventils 432' und des Ventilstellorgans 430' und sind nahezu unabhängig von dem spezifischen Material. Die Druckabfallwerte stehen direkt im Verhältnis zu dem gewählten Flüssigkeit-Viskositätsmodell. Diese Abschätzungen basieren auf einem Modell, in dem die Viskosität (Poise) = 661 + 3725/Schergefälle ("shear rate"). Das ist typisch für viele mit der "Dot Gun" aufgetragenen Epoxidharzmaterialien. Sobald das Ventil 432' gegen den Ventilsitz 612 anliegt, wird sofort das Verdrängen des Materials gestoppt und der Strömungskanal 608 geschlossen, um den Materialstrom von der Quelle zurückzuhalten. Das flüssige oder viskose Material in der Düse 616 hört sofort auf zu fließen. Wenn der Strang flüssigen oder viskosen Materials außerhalb der Düse 616 sich mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/sec bewegt und ein Teil davon in 0,1 Millisekunden anhält, beträgt die Beschleunigung über 600 m/sec². Dies ist wesentlich höher als die Abschätzung von 3000 m/sec², die sich in dem zuvor diskutierten Basismodell ergab. Während es keinen definitiven Beweis dafür gibt, dass das Material in 1 ms, 0,1 ms oder 0,01 ms anhält, wird angenommen, dass 0,1 ms eine vernünftige Abschätzung ist.
Die Schlüsselvariablen, welche die Beschleunigung und Verzögerung des Punktes und somit die Kräfte auf den Punkt beeinflussen, sind die folgenden:

a) Die Masse des zu formenden Punktes, welche durch die Dichte der Flüssigkeit und die Größe des Punktes gegeben ist;
b) der Durchmesser des gebildeten Stromes, der durch den benetzten Bereich an der Düsenspitze bestimmt ist;
c) der durch das Ventil entwickelte Druck, der bestimmt ist durch den Durchmesser des Ventils, die Geschwindigkeit und die Viskosität der Flüssigkeit;
d) der Druckabfall in der Düsenmündung, der durch die Länge und den Durchmesser der Mündung bestimmt ist;
e) der Druckabfall vom Ventil zurück zu der Quelle, der durch die Länge des ringförmigen Bereiches zwischen dem Stempel und dem Gehäuse, dem Durchmesser des Stempels und dem Durchmesser des Gehäuses bestimmt ist; und
f) der Druckabfall zwischen dem Ventil und dem Sitz als Funktion der Ventilstellung, der durch den Ventildurchmesser und den Sitzdurchmesser bestimmt ist.

Es ist ersichtlich, dass erfindungsgemäß Vorrichtungen und Verfahren zur Ausgabe kleiner Tropfen flüssigen oder viskosen Materials bereitgestellt wurden, die die hierin zuvor dargelegten Aufgaben, Möglichkeiten und Vorteile befriedigen. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausgabe geringer Mengen oder Tropfen flüssigen oder viskosen Materials dadurch verwirklicht, dass eingangs geringe Mengen des flüssigen oder viskosen Materials erhitzt werden, bevor das Material durch eine längliche Mündung einer beheizten Düse ausgegeben wird. Dann wird ein Ventil schnell gegen einen Sitz geschlossen, um simultan eine gewünschte Menge flüssigen oder viskosen Materials von der Mündung zu verdrängen und einen Tropfen des Materials von der Düse mittels der in das Material durch Schließen des Ventils gegen den Ventilsitz eingebrachten Energie zu verdrängen. Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Anzahl der Tropfen eines flüssigen oder viskosen Materials, die durch eine längliche Mündung einer Düse auf ein Substrat ausgegeben werden, indem wenigstens zwei der Tropfen dazu gebracht werden, aufeinander zu fallen und sich zu verbinden, um einen fertigen Tropfen einer gewünschten Form auf dem Substrat zu bilden. Eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Höhe der Oberseite eines oder mehrerer Tropfen flüssigen oder viskosen Materials über der Oberfläche eines Substrates, auf welches der Tropfen ausgegeben wurde, durch Einstellen der Temperatur der Düsenheizung. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Aufbringen einer Vielzahl von Tropfen eines Flussmittels auf die Oberfläche eines Substrates, wie zum Beispiel einer Leiterplatte, so dass die Tropfen des Flussmittels zusammenfließen, um einen gleichförmigen Film einer gewünschten Größe und Dicke zu bilden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Spendervorrichtung mit einer Heizbaugruppe, die lösbar zum einfachen Entfernen an dem Spendergehäuse befestigt ist, wenn der Ausgabebereich und die Düse der Vorrichtung gereinigt werden. Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine veränderte Sitzbaugruppe, in der das Ventil drei Stellungen in Bezug auf den Ventilsitz aufweist, und eine veränderte Düsenbaugruppe, in der die Düse aus einer dünnwandigen Röhre konstruiert ist und mit Plastik beschichtet sein kann.

Claims

Verfahren zur Abgabe von Tröpfchen flüssigen Materials, das die folgenden Schritte umfasst: Zuführen flüssigen Materials zu einem Einlassende eines ersten Strömungskanals (36, 412), der sich durch eine Ventilbaugruppe (32, 416) erstreckt, die einen nahe einem Auslassende des ersten Strömungskanals (36, 412) vorgesehenen Ventilsitz (38, 612) und ein hin- und herbewegbares, innerhalb des ersten Strömungskanals positioniertes Ventil (92, 432, 444) aufweist, Füllen eines zweiten Strömungskanals (96, 418, 608), der sich durch eine Düsenanordnung (40, 424, 602) erstreckt, mit dem flüssigen Material, wenn das Ventil (92, 432, 444) in einer ersten, vom Ventilsitz (38, 420, 612) beabstandeten Position ist, wobei der zweite Strömungskanal (96, 418, 608) einen Einlassabschnitt zur Aufnahme des flüssigen Materials aus dem Auslassende des ersten Strömungskanals (36, 412) und einen Auslassabschnitt mit einer Mündung (100, 622) aufweist, die sich durch eine längliche Düse (40, 446, 602) erstreckt, aus der das flüssige Material abgegeben wird, Bewegen des Ventils (92, 432, 444) aus der ersten Position in eine Position; in der es auf dem Ventilsitz (38, 420, 612) sitzt und dabei einen Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal abschneidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Ventils – das Beschleunigen des Ventils (92, 432, 444) aus der ersten Position in eine zweite Position umfasst, die vom Ventilsitz (38, 420, 612) weniger beabstandet ist als die erste Position, wodurch ein Teil der Mehrheit des flüssigen Materials im ersten Strömungskanal (36, 412) auf das Einlassende des ersten Strömungskanals zu fließt und das verbleibende flüssige Material im ersten Strömungskanal (36, 412) vom Auslassende in den zweiten Strömungskanal (96, 418, 608) fließt und von einem Auslass der länglichen Düse (40, 424, 602) als ein Strom flüssigen Materials abgegeben wird, – das Bewegen des Ventils (92, 432, 444) aus der zweiten Position auf eine dritte Position hin, in der es auf dem Ventilsitz (38, 420, 612) sitzt, umfasst, wodurch der Strom flüssigen Materials auf das Einlassende des ersten Strömungskanals (36, 412) zu verringert wird und der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal (96, 418, 608) verstärkt wird, und – das Bewegen des Ventils (92, 432, 444) auf die dritte Position zu, in der das Ventil auf dem Ventilsitz (38, 420, 612) aufsitzt, wodurch der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal (96, 418, 608) abgeschnitten wird und der Strom flüssigen Materials, der aus dem Auslass der länglichen Düse (40, 424, 602) abgegeben wird, vom Auslassende der Düsenmündung abreißt und ein Tröpfchen bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich den Schritt des Festlegens der zweiten Position in einem Abstand von weniger als ungefähr dem dreifachen Durchmesser der Düsenmündung (100, 622) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das zusätzlich den Schritt des Festlegens der zweiten Position in einem Abstand von weniger als ungefähr dem 1,5-fachen Durchmesser der Düsenmündung (100, 622) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zusätzlich den Schritt des Bewegens des Ventils (92, 432) zwischen der ersten und der dritten Position in weniger als ungefähr 22,6 ms umfasst.
Vorrichtung zur Abgabe von Tröpfchen flüssigen Materials mit einer Ventilbaugruppe mit einem ersten, sich durch diese erstreckenden Strömungskanal, der einen Ventilsitz, der in der Nähe eines Auslassendes des Strömungskanals vorgesehen ist, ein in ihm angeordnetes, hin- und herbewegbares Ventil (92, 432, 444) und eine Düsenanordnung (40, 446) mit einem zweiten, sich durch diese erstreckenden Strömungskanal aufweist, der einen Einlassabschnitt aufweist, der an das Auslassende des ersten Strömungskanals und einen Auslassabschnitt angeschlossen ist, der aus einer länglichen Düse (40, 446, 602) mit einer durch diese verlaufenden Düsenmündung (100, 622) gebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass die längliche Düse (40, 446, 602) eine Düsenspitze mit einem Außendurchmesser von zwischen 0,031 und ungefähr 0,159 cm (0,0120 und ungefähr 0,0625 inch) aufweist und dadurch, dass die Vorrichtung zusätzlich einen Regelmechanismus zum Hin- und Herbewegen des Ventils (92, 432, 444) aus der Stellung, in der es auf dem Ventilsitz (38, 420, 612) sitzt, heraus und in diese Stellung hinein umfasst, und das Ventil in die Stellung, in der es auf dem Ventilsitz (92, 432, 444) sitzt, bewegt wird durch Beschleunigen aus einer vom Ventilsitz beabstandeten Stellung in eine zweite, vom Ventilsitz weniger als die erste Stellung beabstandete Stellung, wodurch ein Teil der Mehrheit des flüssigen Materials im ersten Strömungskanal (36, 412) auf das Einlassende des ersten Strömungskanals (36, 412) fließt und das verbleibende flüssige Material im ersten Strömungskanal vom Auslassende in den zweiten Strömungskanal (96, 418, 608) fließt und von einem Auslass der länglichen Düse (40, 446, 602) als ein Strom flüssigen Materials abgegeben wird, Bewegen aus der zweiten Position auf eine dritte Position zu, in der das Ventil auf dem Ventilsitz (38, 420, 612) aufsitzt, wodurch der Strom flüssigen Materials auf das Einlassende des ersten Strömungskanals (46, 412) zu verringert und der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal (96, 418, 608) verstärkt wird, und dann Bewegen in die dritte Position, in der das Ventil auf dem Ventilsitz (38, 420, 612) aufsitzt, wodurch der Strom flüssigen Materials durch den zweiten Strömungskanal abgeschnitten ist und der Strom flüssigen Materials, das aus dem Auslass der länglichen Düse (40, 446, 602) abgegeben wird, vom Auslassende der Düsenmündung (100, 622) abreißt und ein Tröpfchen bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Düsenmündung (100, 622) einen Durchmesser zwischen 0,005 und 0,041 cm (0,002 und 0,016 inch) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Düsenmündung (100, 622) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zumindest ungefähr 3 zu 1 hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Düsenmündung (100, 622) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zumindest ungefähr 25 zu 1 hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–8, wobei zumindest ein Teil der Düsenmündung (100, 622) mit einer eine niedrige Oberflächenenergie aufweisenden Beschichtung beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–9, wobei das Ventil (92, 432, 444) an einem Ende eines Ventilschafts montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–10, wobei der Regelmechanismus eine Schließkraft von 57,83–75,62 N (13–17 pounds) hat.