DE69802240T2

DE69802240T2 - Dosiervorrichtung für flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69802240T2
Application number: DE69802240T
Authority: DE
Inventors: Frans Baggerman; Silvan Schwarzbach
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: EP0891230A1; JP2000511464A; DE69802240D1; EP0891230B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervorrichtung für Flüssigkeiten mit einer an einem Ende offenen Glas-Kapillarröhre, die mit einem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist, mit Erhitzungsmitteln zum Erhitzen der Flüssigkeit in dem Behälter auf eine bestimmte Temperatur T&sub1;, und mit einem keramischen Betätigungselement, das mit einem Teil der äußeren Fläche der Röhre in engem Kontakt ist, wobei die Röhre und das Element unter Verwendung einer Klebesubstanz miteinander verbunden sind. Beispiel von Flüssigkeiten, die mit einer derartigen Vorrichtung dosiert werden können, sind geschmolzenes Zinnlot, Klebstoff und Flussmittel.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus dem US Patent 4.828.886, wobei die Flüssigkeit geschmolzenes Zinnlot ist. Eine Vorrichtung dieser Art wird im Allgemeinen bei sog. "Lötdüsenmaschinen" verwendet, die angewandt werden um kleine Zinnlotkügelchen auf bestimmte Flächen zu richten und abzufeuern, beispielsweise auf Flächen von Printplatten. Dazu wird geschmolzenes Zinnlot in der Glas- Kapillarröhre mit Hilfe des keramischen Auslösers (beispielsweise eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Auslösers) aus dieser Röhre geschossen, wobei dieser Auslöser benutzt werden kann, in Reaktion auf ein geeignetes elektrisches Eingangssignal der Röhre kleine Druckimpulse zuzuführen. Solche Druckimpulse verursachen eine geringfügige vorübergehende Zusammenziehung der Röhrenwand, was zu dem kraftvollen Ausstoß eines Tropfens des Zinnlots aus dem offenen Ende der Röhre (weg von dem Behälter) führt. Auf diese Art und Weise aus der Röhre ausgestoßenes Zinnlot wird ständig unter Druck nachgefüllt mit frischem Zinnlot aus dem Behälter.
Da die Amplitude der mechanischen Verlagerung des Auslösers relativ gering ist, könnte jeder beliebige mechanische Spielraum zwischen dem Auslöser und der Röhre eine wesentliche Verringerung der Effizienz des Flüssigkeitsausstoßprozesses herbeiführen; folglich werden die Röhre und das Auslöserelement vorzugsweise miteinander verbunden, damit ein einwandfreier mechanischer Kontakt gewährleistet ist. In der Praxis wird dies dadurch erreicht, dass eine Schicht eines polymeren Klebstoffes (wie eines Epoxypolymers) zwischen der Röhre und dem Auslöser angebracht wird.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass im Laufe der Zeit die Zuverlässigkeit des Flüssigkeitsausstoßprozesses oft die Neigung hat, schlechter zu werden, was zu wesentlichen Schwankungen in der Tropfengröße oder in dem Tropfenbereich der ausgestoßenen Flüssigkeit führt.
Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung diesen Nachteil zu verringern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, wobei der Flüssigkeitsausstoßprozess im Wesentlichen eine konstante Charakteristik zeigt als eine Funktion der(vergangenen) Zeit.
Dies und andere Aufgabe werden erzielt mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, mit dem Kennzeichen, dass die Klebsubstanz ein Zinnlot ist mit einem Schmelzpunkt über T&sub1;.
Bei Versuchen, die zu der vorliegenden Erfindung geführt haben, haben die Erfinder bemerkt, dass bei der bekannten Vorrichtung im Laufe der Zeit ein gewisser Spielraum zwischen der Kapillarröhre und dem Auslöser entstand, was zu einer schlechteren mechanischen Kopplung der beiden führte. Bei weiterer Untersuchung stellte es sich heraus, dass ein derartiger Spielraum dem (örtlichen) Fehler der polymeren Klebeschicht zwischen der Röhre und dem Auslöser zuzuschreiben war. Zunächst dachte man, dass ein derartiger Fehler dem wiederholten Dehnen und Schrumpfen der Klebeschicht während der Dehnung und Schrumpfung des Auslösers zuzuschreiben war. Einige detailliertere Untersuchungen unter kontrollierten Bedingungen haben aber gezeigt, dass der Fehler der Klebesubstanz von vorwiegend chemischer Art war, und zwar wegen der hohen Betriebstemperaturen der Vorrichtung (typischerweise in der Größenordnung von etwa 230ºC), dass organische Lösungsmittel in dem Kleber dazu neigten langsam zu verdunsten oder zu sublimieren, was zu einer wesentlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Klebers führte.
Unter den verschiedenen alternativen Klebern, die von den Erfindern untersucht wurden, war ein Zinnlot mit einem hohen Schmelzpunkt, spezifisch Sn&sub5;Pb93,5Ag1,5 (Schmelzpunkt etwa 296-301ºC). Bei durchgeführten Versuchen, wobei dieses Material als Klebesubstanz zwischen der Kapillarröhre und dem Auslöser verwendet wurde, hat es sich herausgestellt, dass die mechanische Kupplung zwischen der Röhre und dem Auslöser als Funktion der Zeit nach wie vor ausgezeichnet Eigenschaften aufwies. Sich die Bedeutung dieser erfinderischen Neuigkeit realisierend machten die Erfinder Versuchen mit anderen Zinnloten mit einem hohen Schmelzpunkt, beispielsweise Sn&sub5;Pb92,5Ag2,5 (Schmelzpunkt etwa 287-296ºC) und Bi (Schmelzpunkt etwa 271ºC), und erhielten ähnliche befriedigende Ergebnisse.
Nach der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder gefunden, dass die Qualität des Klebers zwischen der Kapillarröhre und dem Auslöser abhängig ist von der Effizienz, mit der die betreffenden Flächen der Röhre und des Auslösers durch das Zinnlot mit dem hohen Schmelzpunkt benetzt wurden. Zur Gewährleistung einer einwandfreien Benetzung werden die Flächen der Röhre und des Auslösers, die miteinander verbunden werden sollen, vorzugsweise metallisiert. Eine derartige Metallisierung kann unter Anwendung von stromlosen Ablagerungstechniken, wie physikalischen oder chemischen Aufdampftechniken, Zerstäubungstechniken, ablativen Ablagerungstechniken, stromlosen nasschemischen Metallisierungstechniken usw. durchgeführt werden.
Eine besondere Ausführungsform einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art weist das Kennzeichen auf, dass eine Metallisierung verwirklicht worden ist unter Anwendung wenigstens eines Metalles, selektiert aus der Gruppe, die durch Cr, Ni, Au, Ti und deren Legierungen gebildet wird. Diese Metall haben einen Ausdehnungskoeffizienten, der vergleichbar ist mit denen typischer Zinnlote mit einem hohen Schmelzpunkt. Eine besonders gute Haftung an der Kapillarröhre kann erhalten werden unter Verwendung von metallisierenden Dreierschichten, wie Cr/CrxNi1-x/Ni und Cr/CrxNi1-x/NiyAu1-y (x ≠ 0, y ≠ 0).
Im Falle einer Zinnlotdüsenvorrichtung wird T&sub1; typischerweise einen Wert in der Größenordnung von etwa 180-260ºC haben. Behältermetalle geeignet zum Dosieren mit Hilfe der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfassen dann Zinnlote wie Pb&sub3;&sub8;Sn&sub6;&sub2;, Sn&sub5;&sub2;In&sub4;&sub8; und Sn96,5Ag3,5 beispielsweise, wobei solche Zinnlote einen Schmelzpunkt von etwa 220ºC haben. Im Allgemeinen liegt, der Schmelzpunkt des Zinnlotes, das als Klebesubstanz zwischen der Kapillarröhre und dem Auslöser benutzt wird vorzugsweise (aber nicht unbedingt) um wenigstens etwa 15-20ºC höher als T&sub1;.
Geeignete Glasmaterialien zum Herstellen der Kapillarröhre bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung haben einen hohen Schmelzpunkt, Gläser mit einem hohen Arbeitspunkt, wie NONEX (OSRAM, GENERAL ELECTRIC, PHILIPS) und LIG 142. Andererseits enthalten geeignete piezoelektrische Keramiken zum Herstellen des Auslösers der Vorrichtung Materialien mit einer hohen Curie- Temperatur, wie bestimmte Pb-Zr-Ti-Oxide. Solche Materialien sind in dem betreffenden Fachbereich durchaus bekannt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Zinnlotdüsenvorrichtung zum Gebrauch beispielsweise bei der Herstellung von Printplatten mit gedruckten Schaltungen, oder bei der Befestigung von integrierten Schaltungen (Chips) an die betreffenden leitenden Spuren in dem Chip-Gehäuse. Eine derartige Vorrichtung umfasst:
- eine Trägerhalterung (wobei der Träger beispielsweise eine Printplatte mit gedruckter Schaltung oder ein Chip-Gehäuse ist),
- eine Flüssigkeitsdosiervorrichtung zum Erzeugen und Abfeuern von Tropfen geschmolzenen Zinnlots (zu dem Träger),
Mittel zum Erzeugen einer relativen Bewegung der Trägerhalterung gegenüber der Flüssigkeitsdosiervorrichtung, damit Zinnlottropfen an verschiedenen Stellen auf den Träger geschossen werden können.
Die Feuerung von Zinnloptropfen auf diese Art und Weise kann angewandt werden zum Befestigen von Stiften eines elektrischen Elementes oder einer integrierten Schaltung an den leitenden Spuren oder auf den Inseln eines Trägers. Nach der vorliegenden Erfindung weist eine derartige Vorrichtung das Kennzeichen auf, dass die Flüssigkeitsdosiervorrichtung so ist, wie in einem der Ansprüche 1-6 beansprucht. Diese Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat eine zuverlässigere Leistung in Termen von Konsistenz der Zinnlot-Tropfengröße und Zinnlot-Tropfenbereich, so dass die Vorrichtung genaue Lötarbeit an Trägern mit äußerst feinem Raster leisten kann, mit reduziertem Auftritt von Kurzschlüssen oder lockeren Kontakten (verursacht durch außergewöhnliche Schwankungen in der Zinnlottropfengröße).
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer Flüssigkeitsdosiervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung eines Teils einer Zinnlotdüsenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Element in den Figuren sind mit denselben Bezugszeichen angegeben.

Ausführungsform 1

Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Teil einr Flüssigkeits(Zinnlot)dosiervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Der Deutlichkeit der Zeichnung halber ist die Zeichnung nicht maßstabgerecht. Die Vorrichtung umfasst eine Glas-Kapillarröhre 1 mit zwei offenen Enden 1a, 1b. Das Ende 1a ragt in einen Behälter 3 für flüssiges Metall, während das Ende 1b sich verengt zu einer Düse (typischerweise mit einer Öffnung in der Größenordnung von etwa 50-80 um). Es gibt ebenfalls einen piezoelektrischen (oder elektrostriktiven) keramischen Auslöser 5, der in diesem Fall die Form einer Zylinderhülse hat, die einen Teil der Röhre 1 umgibt und gegen die Wand 7 derselben drückt.
Die Vorrichtung umfasst außerdem (nicht dargestellte) Erhitzungsmittel zum Erhitzen eines Metallkörpers auf eine Temperatur TI über dem Schmelzpunkt dieses Metalls; de4rartige Mittel sind im Stand der Technik eingehend beschrieben. In diesem betreffenden Fall beträgt T&sub1; 250ºC. Der Körper aus Flüssigmetall erzeugt von den Erhitzungsmitteln, ist in dem Behälter 3 gespeichert und wird unter Druck in die Röhre 1 gepresst. Wenn in Reaktion auf einen elektrischen Spannungsimpuls der Auslöser 5 gegen die Wand 7 sich zusammenzieht, wird ein (nicht dargestellter) Tropen geschmolzenen Metalls kraftvoll aus der Düse 1b abgefeuert. Solche Tropfen haben typischerweise einen Durchmesser von etwa 50-100 um und eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1-3 m/s und können typischerweise mit einer Frequenz im Bereich von Tropfen-auf-Abruf bis zu etwa 1 kHz erzeugt werden.
Zur Gewährleistung einer einwandfreien mechanischen Kupplung zwischen der Wand 7 der Röhre 1 und dem Auslöser 5 wird zwischen denselben eine Schicht 9 aus Klebematerial vorgesehen. Nach der vorliegenden Erfindung besteht diese Schicht 9 aus einem metallischen Zinnlot mit einem Schmelzpunkt, der über T&sub1; liegt, beispielsweise Sn&sub5;Pb92,5Ag2,5 (Schmelzpunkt etwa 287-296ºC). Zur Verbesserung der Zinnlotbenetzung der Außenfläche der Wand 7 und der Innenfläche des keramischen Auslösers 5 werden Metallisierungsschichten 11 und 13 auf die erste bzw. zweite Wand angebracht, wenigstens über diejenigen Teile, die mit der Klebschicht 9 in Verbindung stehen. In diesem betreffenden Fall enthält die Schicht 11 Cr und die Schicht 13 enthält Ni.
Weil die Zinnlotschicht 9 mit dem hohen Schmelzpunkt thermisch stabiler ist als die üblicherweise verwendeten polymeren Kleber (wie Epoxidharze) schafft die Schicht 9 eine Kupplung zwischen der Röhre 1 und dem Auslöser 5, die auf befriedigende Art und Weise beständig ist gegen Verschlechterung durch Alterung.

Ausführungsform 2

Bei der Ausführungsform 1 kann die Klebschicht 9 aus Zinnlot mit einem hohen Schmelzpunkt wie folgt angebracht werden, nach der Anordnung der Metallisierungsschichten 11 und 13:
(1) Die Kapillarröhre 7 wird auf eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 250ºC erhitzt, nachdem der Auslöser 5 in seine Lage um die Röhre herum angeordnet worden ist,
(2) Ein Gemisch aus dem gewählten Zinnlot mit hohem Schmelzpunkt (in diesem Fall Sn&sub5;Pb92,5Ag2,5) und einem geeigneten Flussmittel (wie PHILIPS 628 oder 528)wird erhitzt zum Bilden einer Flüssigkeit, die einem der Halse (Extremitäten) des zwischenliegenden Raumes zwischen der Wand 7 und dem Auslöser 5 zugeführt werden kann;
(3) Wenn die Kapillarröhre 1 danach abkühlen darf, wird, die auf diese Art und Weise angebrachte Flüssigkeit durch Kapillarwirkung in den genannten zwischenliegenden Räum gesaugt, wodurch bei Verfestigung die Schicht 9 gebildet wird.

Ausführungsform 3

Fig. 2 zeigt eine schaubildliche Darstellung eines Teils einer Zinnlotdüsenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Eine flache Trägerhalterung 2 ist senkrecht zu der Längsachse L der Kapillarröhre 1 einer Flüssigkeitsdosiervorrichtung der in der Ausführungsform 1 beschrieben Art vorgesehen. Die Halterung 2 kann in der x- und in der y-Richtung innerhalb einer Ebene P senkrecht zu L verlagert werden, und zwar derart, dass es möglich ist einen Zinnlottropfen aus der Röhre 1 auf jede (x,y)-Koordinatenstelle auf der Halterung 2 abzufeuern.

Claims

1. Dosiervorrichtung für Flüssigkeiten mit einer an einem Ende offenen Glas-Kapillarröhre, die mit einem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist, mit Erhitzungsmitteln zum Erhitzen der Flüssigkeit in dem Behälter auf eine bestimmte Temperatur T&sub1;, und mit einem keramischen Auslöseelement, das mit einem Teil der äußeren Fläche der Röhre in engem Kontakt ist, wobei die Röhre und das Element unter Verwendung einer Klebesubstanz miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebesubstanz ein Zinnlot ist mit einem Schmelzpunkt, der über T&sub1; liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseelement über wenigstens denjenigen Teil der Fläche, der mit der Klebesubstanz in Berührung ist, metallisiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarröhre über wenigstens denjenigen Teil der äußeren Fläche, der mit der Klebesubstanz in Berührung ist, metallisiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallisierung verwirklicht wird unter Verwendung eines Metalles, selektiert aus der Gruppe, die durch Cr, Ni, Au, Ti und deren Legierungen gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass T&sub1; in dem Bereich von 180-260ºC liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit geschmolzenes Zinnlot ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Kleber ist.

8. Zinnlotdüsenvorrichtung mit

- einer Trägerhalterung,

- einer Flüssigkeitsdosiervorrichtung zum Erzeugen und Abfeuern von Tropfen geschmolzenen Zinnlots,

- Mittel zum Erzeugen einer relativen Bewegung der Trägerhalterung gegenüber der Flüssigkeitsdosiervorrichtung, damit Zinnlottropfen an verschiedenen Stellen auf den Träger geschossen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsdosiervorrichtung ist, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht.