JP2018110266A - 基板上に材料を堆積させる材料堆積システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント回路基板等の基板上に材料を堆積させるシステムにおいて、液滴サイズを均一にかつ大幅に縮小すること。【解決手段】電子基板上１２に材料を堆積させる材料堆積システム１０が、フレーム２０と、フレームに結合され堆積作動中に電子基板を支持する支持体２２と、フレームに結合されたガントリ２４と、ガントリに結合された堆積ヘッド１４とを備える。堆積ヘッドは、ガントリの移動によって支持体上で可動で、材料を保持するチャンバー１１１０と、チャンバーから材料を押し出すアクチュエーター１１３０と、チャンバーから突出しかつニードルオリフィス内で終端するニードル１２０と、ニードルオリフィスの両側部に対向配置され空気の調時パルスを生成する少なくも２つのエアジェットとを含む。【選択図】図３Ｃ

Description

本開示は、包括的には、プリント回路基板等の基板上に材料を堆積させるシステムおよび方法に関し、より詳細には、電子基板上に、はんだペースト、エポキシ樹脂、アンダーフィル材、封入材その他の組立材料を堆積させる装置および方法に関する。

［関連出願］
本願は、2011年6月29日に出願され本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第13/135215号「Pulsed Air-Actuated Micro-Droplet on Demand Ink Jet」および2010年8月25日に出願され本発明の譲受人に譲渡された米国仮特許出願第61/376942号「Pulsed Air-Actuated Micro-Droplet on Demand Ink Jet」の関連出願であり、これらの米国特許出願および米国仮特許出願の優先権を主張する。これらの米国特許出願および米国仮特許出願は、本明細書に引用することにより、全ての目的において、その全体が本明細書の一部をなす。

多様な用途に向けて、計測した量の液体またはペーストを供給するために用いられる、いくつかのタイプの従来技術の供給システムが存在する。そのような用途の１つは、集積回路チップおよび他の電子構成要素を電子基板とも称される回路基板に組み付けることである。本願では、液体エポキシ樹脂やはんだペーストまたは他の関連する材料から成るドットを回路基板上に供給するために自動供給システムが使用される。自動供給システムは、構成要素を回路基板に機械的に固定するアンダーフィル材および封入材を線状に供給するたにも使用される。アンダーフィル材および封入材は、その組立体の機械的特徴および環境的特徴を向上させるために用いられる。

別の用途は、回路基板上に、非常に少量、すなわちドットを供給することである。材料のドットを供給することが可能な１つのシステムにおいて、ディスペンサーユニットが、螺旋溝を有する回転オーガを用いて、ノズルから回路基板上に材料を圧出する。そのようなシステムの１つが、本開示の譲受人の子会社であるマサチューセッツ州フランクリン所在のSpeedline Technologies社が所有し、「LIQUID DISPENSING SYSTEM WITH SEALING AUGERING SCREW AND METHOD FOR DISPENSING」という発明の名称の特許文献１に開示されている。

オーガ式ディスペンサーを使用する作動において、回路基板上に材料のドットまたは線を供給する前に、供給ユニットを回路基板の表面に向けて下降させ、材料のドットまたは線を供給した後、上昇させる。このタイプのディスペンサーを用いて、少ない正確な量の材料を非常に正確に配することができる。ディスペンサーを回路基板に対して垂直方向に下降および上昇させることは、通常、ｚ軸移動として知られるが、このことに必要な時間は、供給作動を実行するのに必要な時間の一因となる可能性がある。具体的には、オーガ式ディスペンサーの場合、材料のドットまたは線を供給する前に供給ユニットを下降させ、それにより、材料が回路基板に接触する、すなわち回路基板を「濡らす」。このように濡らす工程は、供給作動を実行する追加の時間の一因となる。

また、自動ディスペンサーの分野では、粘性材料のドットを回路基板に向けて発射する、すなわち噴射することが既知である。このようなジェット式システムでは、材料が回路基板に接触する前にノズルから分離することを可能にするのに十分な慣性によって、離散した微量の粘性材料がノズルから噴出される。上述したように、オーガ式塗布システムまたは他の従来的な旧式の供給システムの場合、ノズルから材料のドットを放出する前に、そのドットによって回路基板が濡れることが必然である。噴出式の場合、ドットを、離散ドットパターンとして濡らすことなく、基板上に堆積することができるか、または代替的には、ドットを、融合していくぶん連続的なパターンになるように互いに十分近くに配することができる。このようなジェット式システムの１つが、本開示の譲受人であるイリノイ州グレンビュー所在のIllinois Tool Work社が所有する「METHOD AND APPARATUS FOR DISPENSING A VISCOUS MATERIAL ON A SUBSTRATE」という発明の名称の特許文献２に開示されている。

微小噴射技術の分野では、インクジェットプリンターは、旧来、１つまたは複数のインクジェットヘッドを用いて、印刷媒体（紙等）上にインクの液滴を正確に射出し、テキスト、グラフィックイメージその他の表示（indicia）を生成する。各ヘッドの微細外側オリフィスから印刷媒体に液滴を射出し、それにより、印刷媒体上にテキスト、グラフィックイメージその他の表示を形成する。好適な制御システムが、インク液滴の生成を同期する。インク液滴が実質的に均一なサイズであることと、また、液滴が印刷媒体上に一貫して塗布されることで、印刷が歪まないようになっていることとが重要である。特に、電子基板上に材料を堆積する時、液滴が電子基板上に正確に塗布されることも重要である。

既存のインクジェット技術は、サーマルジェットであるかピエゾジェットであるかにかかわらず、水性インク等の低粘性液体（通常２センチポアズ〜１５センチポアズ）を用いてしか、また短い印刷距離の場合にしか、微小液滴を噴射できない。したがって、旧式のインクジェットシステムは、上述したより粘性のある材料を供給するのに特に適していない。このような既存のインクジェット技術では、表面張力に打ち勝つのに十分な圧力を伴う圧力パルスが流体チャンバーに印加され、それにより、インクジェットノズルから小液滴が形成され噴出される。しかし、ドロップオンデマンド要件を伴って、より粘性の高い液体（１００センチポアズよりも高い）を噴射する、既知のインクジェット方法は存在しない。

基本タイプのインクジェットヘッドの１つにおいて、例えば、米国特許第4,106,032号「APPARATUS FOR APPLYING LIQUID DROPLETS TO A SURFACE BY USING A HIGH SPEED LAMINAR AIR FLOW TO ACCELERATE THE SAME」に開示すように、インク液滴はオンデマンドで生成される。上記米国特許の開示全体は、引用することにより、本明細書の一部をなす。このようなドロップオンデマンドインクジェットヘッドでは、インクジェットヘッドのインクチャンバー内のインクが、圧電結晶に印加される電気パルスから発生する圧力波に応答して、インクチャンバー壁のインク通路を通って流れ、インクチャンバー壁の外面に配置されている液滴形成用内部オリフィス出口にインク液滴を形成する。インク液滴は、液滴形成用オリフィス出口から、空気チャンバーを通って、印刷媒体に通じるインクジェットヘッドのメイン外側オリフィスに向かって進む。圧力下の連続的な空気が、空気チャンバーに送出され、インク液滴を空気チャンバーを通して印刷媒体まで圧出する。

しかし、このような従来技術のドロップオンデマンドインクジェットヘッドは、例えば、米国特許第4,613,875号「AIR ASSISTED INK JET HEAD WITH PROJECTING INTERNAL INK DROP-FORMING ORIFICE OUTLET」および米国特許第4,728,969号「AIR ASSISTED INK JET HEAD WITH SINGLE COMPARTMENT INK CHAMBER」において論じられているように、多数の不都合点、欠点、および／または制限を被る。これらの特許の開示全体は、引用することにより、本明細書の一部をなす。そのような従来技術のドロップオンデマンドインクジェットヘッドの改善を試みて、圧電結晶によって引き起こされる圧力波に応答してインク液滴が形成されるのに起点となるインク液滴形成用オリフィス出口が、インクチャンバーに設けられる。この内部オリフィス出口は、外側オリフィスに向かって延在する突出構造部の中心にある。この突出構造部は、切頭円錐形状またはメサ様形状である。上記米国特許に述べられているように、突出部の頂部（オリフィス出口）を通過して流れる空気により、インクが突出部の頂部以外のいかなるものも濡らすことが防止され、その結果、各圧力波に応答して、非常に均一なインク液滴形成が生じ、単一の均一なドットが印刷媒体上に生成される。

既存の微小噴射技術は、ピエゾジェットであるか、容積式であるか、時間制約式であるかにかかわらず、小液滴のサイズと、好適な噴射流体の流体粘性の範囲とに固有の制限を有し、したがって、電子基板上にこのような粘性材料を塗布するディスペンサーおよびシステムに組み込むことは成功されていない。

米国特許第5,819,983号 米国特許第7,980,197号

本開示の１つの態様は、電子基板上に材料を堆積させる材料堆積システムに関する。１つの実施形態において、本材料堆積システムは、フレームと、フレームに結合されているとともに、堆積作動中に電子基板を支持する支持体と、フレームに結合されたガントリと、ガントリに結合された堆積ヘッドとを備える。この堆積ヘッドは、ガントリの移動によって支持体上で可動である。この堆積ヘッドは、材料を保持するチャンバーと、チャンバーから材料を押し出すように構成されているアクチュエーターと、チャンバーから突出しているとともにニードルオリフィス内で終端するニードルと、ニードルオリフィスの向かい合う側に配置されている少なくとも２つのエアジェットとを含む。アクチュエーターに応答して、ニードルオリフィスに所望体積の材料が形成され、少なくとも２つのエアジェットのそれぞれは、空気の調時パルスを生成し、所望体積の材料から微小液滴を生成し、微小液滴を高速に加速する。

材料堆積システムの実施形態は、前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記少なくとも２つのエアジェットからの前記空気の調時パルスを同期させる制御システムを更に備えることができる。前記制御システムは、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、前記少なくとも２つのエアジェットを起動する。前記制御システムは、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止する。前記材料は、低粘性材料および高粘性材料を含むことができる。前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さくすることができる。

本開示の別の態様は、電子基板上に材料を堆積させる方法に関する。１つの実施形態において、本方法は、
ガントリによって可動な堆積ヘッドの下方に電子基板を位置決めし、前記堆積ヘッドのチャンバーに材料を供給し、前端にオリフィスを形成した前記堆積ヘッドのニードルを前記チャンバーから突出させ、前記堆積ヘッドのアクチュエーターによって前記チャンバーから材料を押し出し、前記ニードルオリフィスに所望体積の材料を形成し、前記ニードルオリフィスの向かい合う側に少なくとも２つのエアジェットを配置し、空気の調時パルスを生成して前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速して、前記微小液滴を堆積させることとを含む。

前記方法の実施形態は、前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記少なくとも２つのエアジェットからの前記空気の調時パルスを制御システムで同期させることを更に含むことができる。前記方法は、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、前記少なくとも２つのエアジェットを起動することを更に含むことができる。前記方法は、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止するステップを更に含むことができる。前記材料は、低粘性材料および高粘性材料を含むことができる。前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さくすることができる。

本開示の更なる態様は、電子基板上に材料を堆積させる材料堆積システムに関する。１つの実施形態において、本材料堆積システムは、フレームと、該フレームに結合され堆積作動中に電子基板を支持する支持体と、フレームに結合されたガントリと、ガントリに結合された堆積ヘッドとを備える。この堆積ヘッドは、ガントリの移動によって支持体上で可動である。この堆積ヘッドは、材料を保持するチャンバーと、チャンバーから材料を押し出すように構成されているアクチュエーターと、チャンバーから突出し先端にオリフィスが形成されたニードルと、該ニードルのオリフィスの向かい合う側に配置され、空気の調時パルスを生成し、所望体積の材料から微小液滴を生成し、微小液滴を高速に加速する手段とを含む。

前記材料堆積システムの実施形態は、前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記空気の調時パルスを同期させる制御システムを更に備えることができる。前記制御システムは、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、少なくとも２つのエアジェットを起動する。前記制御システムは、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止する。前記材料は、低粘性材料および高粘性材料を含むことができる。前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さくすることができる。

添付の図面は実際の縮尺どおりに描くことは意図していない。添付図面において、同一または概ね同一の各構成要素は同様の符号によって指示されている。図面を明瞭にするために、全ての図面において全ての構成要素に符号が付されていない場合がある。

材料堆積システムまたは材料塗布システムの概略側面図である。 本開示の一実施形態のガントリシステムおよび材料堆積ヘッドを具現している例示的な材料堆積システムの斜視図である。 本開示の方法およびシステムによる微小液滴の形成の概略図である。 本開示の方法およびシステムによる微小液滴の形成の概略図である。 本開示の方法およびシステムによる微小液滴の形成の概略図である。 本開示の方法およびシステムによる微小液滴の形成の概略図である。 インクチャンバーから突出しているニードルと、このニードルのオリフィス出口に所望体積のインクを曝すように用いられるアクチュエーターとの例示的な一実施形態の概略図である。 本開示の一実施形態のニードルを示す斜視図である。 上記ニードルの上面図である。 上記ニードルの側面図である。 図５Ｂの矢視線5D-5Dに沿う断面図である。 図５Ｂの矢視線5E-5Eに沿う断面図である。

例示のためだけであり、普遍性を制限するものではないが、ここで、添付の図面を参照しながら本開示が詳細に記述される。本開示は、その応用形態に関して、以下の説明に記載されるか、または図面に示される構成の細部および構成要素の配置には限定されない。本開示において記載される原理は、他の実施形態でも使用可能であり、種々の方法において実践または実行することができる。また、本明細書において用いられる言い回しおよび用語は、説明することを目的としており、制限するものと見なされるべきではない。本明細書において「〜を含む」、「〜を備える」、「〜を有する」、「〜を含有する」、「〜を伴う」およびそれらの変形の用語を使用することは、この前に記載される物品と、その相当品および追加の物品とを包含することを意味する。

本開示の種々の実施形態は、材料堆積システム、すなわち材料塗布システム、そのような材料堆積システムを備える装置、および材料を堆積させる方法に関する。具体的には、本開示の実施形態は、プリント回路基板等の電子基板上に、半粘性材料および粘性材料等の材料を供給するのに用いられるディスペンサーに関する。そのような材料は、限定はしないが、はんだペースト、エポキシ樹脂、アンダーフィル材、および封入材を含み、これらの全ては、プリント回路基板の作製において使用される。導電インク等の、他のより粘性の低い材料も使用してもよい。

図１は、本開示の１つの実施形態に係る、概して１０で示されているディスペンサー等の材料堆積システムを概略的に示している。材料堆積システム１０を用いて、粘性材料（例えば、１００センチポアズよりも粘性の高い材料）をプリント回路基板または半導体ウェハー等の電子基板１２上に堆積する。電子基板１２は、太陽電池セル等の他の基板を更に含んでもよい。また、材料堆積システム１０を用いて、導電インク等の、他のより粘性の低い材料（半粘性材料）を電子基板１２上に堆積してもよい。代替的に、自動車のガスケット材を塗布するためまたは或る特定の医療用途等の他の用途において、材料堆積システム１０を用いてもよい。本明細書において用いられるとき、より粘性の低い半粘性材料または粘性材料への言及は、例示的であり、別様に明記されない限り、限定的であることは意図されていないことが理解されるべきである。

材料堆積システム１０は、時には供給ユニットとも称され概して１４で示されている堆積ユニット、すなわち堆積ヘッドと、材料堆積システムの作動を制御するコントローラー１８とを備える。単一の堆積ヘッドが示されているが、２つ以上の堆積ヘッドを設けてもよいことが理解されるべきである。材料堆積システム１０は、基板１２を支持するベース２２を有するフレーム２０と、フレーム２０に可動に結合され、堆積ヘッド１４を支持するとともに移動させるガントリシステム２４とをも備える。堆積ヘッド１４およびガントリシステム２４は、コントローラー１８に結合され、コントローラーの指示下で作動する。材料堆積システム１０において、コンベヤーシステム（図示せず）、またはウォーキングビーム等の他の移送機構を用いて、材料堆積システムに対する回路基板の装填および装填解除を制御してもよい。ガントリシステム２４は、コントローラー１８の制御下でモーターを用いて移動させ、堆積ユニット１４を回路基板上の所定の場所に位置決めすることができる。

材料堆積システム１０は、任意選択で、コントローラー１８に結合されユーザーに対して種々の情報を表示するディスプレイユニット２６を備えてもよい。別の実施形態において、堆積ユニットを制御する任意選択の第２のコントローラーがあってもよい。材料堆積システム１０は、ニードルを清掃するときの収集カップ２８を更に備える。これは以下でより詳細に記載される。図示のように、収集カップ２８は、フレーム２０に対して可動である可動スライド３０上に配置される。

図２を参照すると、概して３０で示されている例示的な材料堆積システムを、マサチューセッツ州フランクリン所在のSpeedline Technologies社が提供するXYFLEXPRO（商標）ディスペンサープラットフォームによって構成してもよい。材料堆積システム３０は、材料堆積システムの構成部品を支持するフレーム３２を備える。構成部品としては、限定はしないが、材料堆積システムのキャビネット３４内に配置されるコントローラー１８等のコントローラーと、概して３６で示され、低粘性材料（例えば、５０センチポアズ未満）、半粘性材料（例えば、５０センチポアズ〜１００センチポアズ）、粘性材料（例えば、１００センチポアズ〜１０００センチポアズ）、および／または高粘性材料（例えば、１０００センチポアズよりも高い）を堆積する堆積ヘッド、すなわち供給ヘッドとが挙げられる。堆積ヘッド３６は、コントローラー１８の制御下で、概して３８で示されているガントリシステムによって直交軸に沿って可動としてもよく、それにより、上述したように時には電子基板または回路基板と称される場合がある基板１２等の回路基板上に、材料を供給することが可能になる。カバー４０が開位置において示され、堆積ヘッド３６およびガントリシステム３８を含む材料堆積システム３０の内部構成部品が露呈している。

材料堆積システム３０に送られる、基板１２等の回路基板は、通常、或るパターンのパッド、または材料が堆積される他の通常は導電性の表面域を有する。材料堆積システム３０は、材料堆積システムの各側にわたって設けられている開口４２を通してアクセス可能であり、回路基板をｘ軸方向に、材料堆積システム内の堆積位置まで移送するコンベヤーシステム（図示せず）も備える。いくつかの実施態様において、材料堆積システム３０は、概して４４で示され、回路基板が堆積ヘッド３６の下方の堆積位置にある場合、その回路基板の隣に位置決めされる周辺ステーション組立体を有する。材料堆積システム３０のコントローラーによって指示されると、コンベヤーシステムは、周辺ステーション組立体４４の隣かつ堆積ヘッド３６の下方の場所に、回路基板を配する。堆積ヘッド３６の下方の上記場所に到達すると、回路基板は、製造作動、例えば堆積作動に向けた適所にある。

材料堆積システム３０は、概して４６で示され、回路基板を位置合わせするとともに、回路基板上に堆積されている材料を検査するビジョン検査システム（vision inspection system）を更に備える。回路基板上での材料の堆積を成功させるように、回路基板と堆積ヘッド３６とがコントローラー１８によって位置合わせされる。ビジョン検査システム４６からの読取り値に基づき、堆積ヘッド３６および／または回路基板を移動させることにより、位置合わせが達成される。堆積ヘッド３６と回路基板とが正しく位置合わせされると、堆積ヘッドは堆積作動を実行するように操作される。堆積作動の後、ビジョン検査システム４６によって回路基板の任意選択の検査を行って、適量の材料が堆積されていることと、その材料が回路基板上の適切な場所に堆積されていることとを保証してもよい。ビジョン検査システム４６は、基準部、チップ、基板穴、チップ縁その他の認識可能なパターンを回路基板上に使用して、適切な位置合わせを確定することができる。回路基板の検査後、コントローラーは、コンベヤーシステムを使用した次の場所への回路基板の移動を制御し、上記次の場所において、基板組立てプロセスにおける次の作動を実行してもよい。例えば、回路基板上に電気部品を配置してもよいし、基板上に堆積されている材料を硬化してもよい。

いくつかの実施形態において、材料堆積システム３０は以下のように作動してもよい。回路基板は、コンベヤーシステムを用いて、材料堆積システム３０内の堆積位置に装填してもよい。回路基板は、ビジョン検査システム４６を用いることにより、堆積ヘッド３６と位置合わせされる。次に、堆積ヘッド３６は、コントローラーによって始動されて堆積作動を行ってもよい。この堆積作動において、材料が回路基板上の正確な位置に堆積される。堆積ヘッド３６が堆積作動を実行すると、回路基板はコンベヤーシステムによって材料堆積システム３０から移送してもよく、それにより、第２の後続の回路基板を材料堆積システム内に装填することができる。

図３Ａ〜図３Ｄを参照すると、図３Ａは、本開示のインクジェットシステム１１０のインクジェットヘッドを具現している堆積ヘッドを示している。本明細書においてインクジェットシステム１１０を説明するのに「インク」および「インクジェット」という用語が用いられているが、「インク」および「インクジェット」という用語は、このシステム、およびこのシステムによって堆積される材料に関して限定的であるものとされないことが理解されるべきである。図３Ａに示すように、堆積ヘッドには、ニードルのオリフィス出口に所望体積の材料が初期形成され、エアジェットから空気の調時パルスが発生している。図３Ｂは、エアジェットからのパルス空気による微小液滴の初期形成を示している。図３Ｃは、上記インクの供給とニードルのオリフィス出口とからの上記微小液滴の分離と、この微小液滴の印刷媒体に向けた加速とを示している。図３Ｄは、インクジェットヘッドの外側オリフィスから出射する完成した微小液滴と、空気の調時パルスの終止とを示している。

したがって、図３Ａ〜図３Ｄは、本開示のシステム１１０の例示的なインクジェットヘッドの、インク液滴形成部の断面図を概略的に示している。見て取ることができるように、ニードル１２０の端部は、オリフィス出口１３０内で終端している。オリフィス出口１３０に空気の調時パルスを向けるように、第１のエアジェット１４０および第２のエアジェット１５０が、オリフィス出口３０の向かい合う側に位置決めされている。例示的なインクジェットヘッドの外側オリフィス１６０は、ニードル１２０のオリフィス出口１３０の下方に配置されている。外側オリフィス１６０は、ニードル１２０、およびニードル１２０のオリフィス出口１３０と軸方向に位置合わせされている。

ここで図３Ａを参照すると、圧電結晶、ピストン、または、インクをインクチャンバーからニードル１２０内にニードル１２０を通してパルス的に送出することが可能な任意の他の好適なアクチュエーター等の好適なアクチュエーターによって、ニードル１２０のオリフィス出口１３０に、所望体積１７０のインク１８０の初期形成分が形成される。アクチュエーターの力は、ニードル出口から小液滴を完全に噴出させるのに十分である必要はない。所望体積１７０は、ニードル１２０のオリフィス出口１３０から張り出している、略半球状のインク突出分として示されている。所望体積１７０の形成の前、または所望体積１７０の形成と同時に、第１のエアジェット１４０および第２のエアジェット１５０が一斉に起動されて、空気の調時パルスを所望体積１７０に向かって送出する。

結果として、図３Ｂに示すように、エアジェット１４０および１５０からのパルス空気の力が所望体積１７０を絞り、ついに、図３Ｃに示すように、所望体積１７０がニードル１２０内のインク１８０の残留分から分離し、このようにして微小液滴１７０ａが作り出される。図３Ｃに示すように、エアジェット１４０および１５０からのパルス空気の力は、外側オリフィス１６０から印刷媒体に向けて微小液滴１７０ａを続けて加速する。

微小液滴１７０ａが形成され、外側オリフィス１６０から圧出されると、図３Ｄに示すように、エアジェット１４０および１５０が停止する。上述した方法を用い、空気の調時パルスを用いて微小液滴１７０ａを生成し加速することにより、オリフィス出口１３０の直径よりも小さい微小液滴を生成し、適切な噴射に向けて十分高速に、かつより長い印刷距離を置いて加速することができる。このことは高粘性液体の場合であっても当てはまる。図３Ｄに示されている時点での空気の調時パルスの終止により、微小液滴１７０ａは、高速で印刷媒体まで移動する際、その完全性を保つことが確実になる。連続的な高速の空気流は、インク液滴を剪断変形させるか、そのインク液滴の後に続くインクの長い「尾」を生じさせるか、またはそうでなければ、インク液滴の完全性に悪影響を与え、印刷媒体に対する不適切なまたはそうでなければ欠陥のある塗布を引き起こす。

ここで図４を参照すると、開示されている方法およびシステムの例示的な一実施形態が示されている。インクチャンバー１１１０を有するピストンハウジング１１００が示されている。インクチャンバー１１１０は、直径Ｄ_oを有するピストンハウジングオリフィス１１２０内で終端している。ニードル１２０は、ピストンハウジングオリフィス１１２０に好適に取り付けられている。ニードル１２０は、ピストンハウジングオリフィスＤ_oと同じかまたは略同じ直径を有する。ニードル１２０は、或る長さ、すなわち液体長さＳ_oを更に規定している。ピストン１１３０は、ピストンハウジング１１００の内部に作動的に位置決めされ、その内部において、ピストンストローク距離Ｓ_pで可動である。ピストン１１３０は、ピストン直径Ｄ_pを有する。ピストン１１３０は、ピストン１１３０をオンデマンドで作動させる好適なピストン制御システムによって動かされることが理解されるべきである。ピストン１１３０はピストンストローク距離Ｓ_pを移動し、所望体積のインクをインクチャンバー１１１０から、図３Ａに示すように、ニードル１２０内に、そしてニードル１２０を通して、ニードルオリフィス出口１３０から押し出す。

図４のアクチュエーターはピストン１１３０として示されているが、任意の好適なアクチュエーターを用いて、図３Ａに示すように、ニードル１２０から所望体積のインクを押し出してもよいことが理解されるべきである。例えば、ピストンの代わりに圧電結晶を用いてもよい。

多数の要因が、インク液滴のサイズ、すなわち小液滴径と、印刷媒体へのインク液滴の噴射とに影響を与える。そのような要因としては、加速時間Δ_t、オリフィス領域Ａ_o、ピストン領域Ａ_p、ピストン加速度ａｐ、オリフィス直径Ｄ_o、ピストン直径Ｄ_p、ピストンにかかる力Ｆ_p、ピストン質量Ｍ_p、液柱長さＳ_o、ピストンストロークＳ_p、平均液体速度Ｕ_o、オリフィスにおける液体最終速度Ｕ_o,f、オリフィスにおける液体初期速度Ｕ_o,i、平均ピストン速度Ｕ_p、ピストン最終速度Ｕ_p,f、ピストン初期速度Ｕ_p,i、液体濃度ρ、および表面張力σが挙げられる。ここで開示されている方法およびシステムによれば、インク液滴のサイズ、またはより具体的には小液滴の直径Ｄ_dは、以下の等式を用いて計算することができることが確定されている。

このように、小液滴の体積は、液体濃度に対する表面張力の比に比例することを認識することができる。小液滴の体積は、加速度に反比例する。小液滴の体積は、ピストン直径の平方根すなわちＤ_p2に対する、オリフィス直径の立方根すなわちＤ_o3の比に比例する。また、より高い加速度によって、より少ない小液滴の体積が生成されることを認識することができる。より高い加速度を得るには、一般的に、より長いストローク長が必要とされ、そうでなければ、膨大な量のエネルギーが供給されなければならない。一方、より長いストロークにより、より多い小液滴の体積が生成される。少ない小液滴の体積を得るには、短いストロークを用いなければならないが、このとき、通常、高い加速度を得ることができない。しかし、本方法および本システムは、少ない小液滴の体積を生成するのに短いストロークを用いるが、同時に高い小液滴速度を達成することが可能である。

ここで開示されている方法およびシステムでは、必ず、微小体積のインクのみがニードルオリフィス出口に生じ、エアジェットからの空気の調時パルスは、微小体積を抽出するのに用いられる。エアジェットからの空気の調時パルスは、小液滴を３４０ｍ／秒（音速）まで加速することが可能である。したがって、エアジェットからの空気の調時パルスは、高粘性液体から微小液滴を抽出するのに必要なエネルギーを供給して、これらの微小液滴を高速に加速する。また、空気の調時パルスは、オリフィスをきれいに保ち、液滴を、印刷媒体に移動する際に真っ直ぐ進むようにし、余分の離脱力を付与する。

実施例として、図４に示されている実施形態が、３０Ｗのモーターオイルの微小液滴を噴射するのに用いられた。この実施例では、オリフィス直径Ｄｏは１５２μｍであり、ピストン直径Ｄ_pは８５０μｍであった。１００μｍのピストンストロークＳ_pを用いて、エアジェットからの空気の調時パルスにより、オリフィス直径Ｄ_oよりも小さい直径Ｄ_dを有する微小液滴を生成し、高速で加速した。上述した寸法は例示的な方法およびシステムの作動の例示であり、本明細書の教示から逸脱して、これらの寸法に種々の変更を行ってもよいことが理解されるべきである。

前述の論考は、開示されている方法およびシステムに関して例示的な様式で、高粘性液体に向けた、高速の微小液滴をオンデマンドでパルス空気駆動することに関する本教示を提示している。しかし、当業者には、本教示は、小液滴を生成して、基板に塗布する（例えば、塗装、はんだ付け、印刷等）任意のタイプの装置に適用してもよいことが明らかである。さらに、前述部分は最良の形態および／または他の例としてみなされるものを記載しているが、そこにおいて種々の変更を行ってもよいことと、本明細書に開示されている主題は、種々の形態および例において実施してもよいことと、本教示は数多くの用途において適用してもよいこととが理解される。本明細書には、上記数多くの用途のうちのいくつかのみが記載されている。

１つの例において、図５Ａ〜図５Ｅを参照すると、ノズル、すなわちニードルが概して２０００で示されている。図示のように、図５Ａおよび図５Ｂに示されている１つの実施形態において、ニードル２０００は３つの部材を含み、これらの３つの部材は、嵌め合わせられると複数の空気通路を形成する。これらの複数の空気通路は、流体供給ニードルオリフィス付近で周方向に出射する。これらの通路は、空気を、均一に、噴出される流体ストリームに対して平行に流れるように仕向ける。通路の開領域は、空気が通って流れるように均一に減少し、空気の速度を大幅に上昇させる。この高速流により、表面張力によってニードルオリフィスの外側に付着しているいかなる液体も、ニードルの外側から離脱して、空気流によって運び去られる。

ニードルの３つの部材が図５Ｃに示されており、ニードルの３つの部材には液体供給ニードル２０１０と、シート２０２０と、ノズル２０３０とが含まれる。シート２０２０は、流体圧送装置と嵌合して、液体通路とエアアシスト通路との間を閉鎖し、これらの通路の流れを分離して保ち、エアアシスト流の方向を、流体流に対して平行かつ同心の流れに形づくる。ノズル２０３０は、上記エアアシスト流を、供給される液体ストリームと同心に仕向け、また、エアアシスト流を安定させるとともに収容する通路を形成する。

図５Ｄは、エアアシスト入口ポート２０４０を示している。エアアシスト入口ポート２０４０は、エアアシスト流方向付けポート付近で周方向に空気流を分散させ、流れを等分する。供給ニードル２０１０と、ニードルの窪み面２０５０とに対して同心に出射するエアアシスト流は、ニードル供給チップから放流される。窪み面２０５０は、空気流を更に形づくり、いかなる液体をも方向付けるのに役立つ。

図５Ｅは、流体入口ポート２０８０と、供給ニードル出口ポート２０９０と、エアアシスト流方向付けポート２０７０のうちの１つとを示している。

この構成により、方向制御通路を通って流れるエアアシスト空気と、供給ニードル出口付近で出射するエアアシスト空気とが、「ベンチュリ効果」を発生するようになっている。「ベンチュリ効果」は、供給ニードルの最も先端において負圧を生成し、その先端に残っている場合があるいかなる残留流体も引き離す。この流体は、エアアシストストリームによって運び去り、廃棄物容器カップに収集して、廃棄することができる。

ディスペンサー等の材料堆積システムのニードル、すなわちノズルを清掃する方法が更に開示される。本方法は、システム１０または３０等の材料堆積システムを用いて堆積作動を実行することを含む。この材料堆積システムは、ガントリによって可動な堆積ヘッドの下方に電子基板を位置決めし、堆積ヘッドのチャンバーに材料を供給し、チャンバーから堆積ヘッドのピストンを突出させ、そして、堆積ヘッドのアクチュエーターによってチャンバーから材料を押し出し、ニードルオリフィスに、電子基板上に堆積される所望体積の材料を形成する。本方法は、ニードルオリフィスに向けられる空気によってニードルオリフィスを清掃することを更に含む。ニードルオリフィスを清掃するステップは、堆積作動の前に実行しても後に実行してもよい。清掃するステップは、２つ以上のエアジェットをニードルオリフィスの向かい合う側に位置決めし、ニードルオリフィスに向けられる空気のパルスを生成することとを含む。或る特定の実施形態において、制御システムが同期して２つのエアジェットから空気の調時パルスを生成し、ニードルオリフィスを清掃する。別の実施形態において、本方法は、ニードルを清掃する場合、堆積ヘッドを収集カップの上方に位置決めすることを更に含む。収集カップは可動スライド上に配置され、収集カップが堆積ヘッドの下方に移動するかまたは位置決めされる。

このように、本開示の実施形態の供給ヘッドは、作動エネルギーとして空気を用いて、供給ヘッドからの小液滴の放出をアシストすることが認識されるべきである。小型の装置が、ノズルの表面から小液滴を離脱させる剪断力を生成するために、ノズル出口の非常に近位でノズル出口に対して同心に嵌まっている。この装置は、流体の出口点でまたはこの出口点の非常に近くで、空気をノズルに衝突させるように構成されており、小液滴が、供給ニードル面まで飛ぶ間、意図した軌道から逸れる原因となるいかなる偏流または力も回避するようにノズルの回りで幾何学的に均整がとられている。エアアシストの効果は、印加される圧力を変えることにより変化させることができ、また、パルスモードにおいて、小液滴とノズルとの間の表面張力を更に途絶させるように実施することができる。パルスモードにおいて印加する場合、効率的な分離を確実にし、装置から出射する残留空気流を用いて小液滴を標的に向けて運ぶのをアシストするために、パルスおよび持続時間を調時することが非常に重要である。

或る特定の実施形態において、調時パルスは小液滴方向に対して直角に向けられ、小液滴のサイズの大幅な縮小を可能にする。１つの実施形態において、エアアシストは小液滴が噴出される余りにも前に開始されるべきではなく、そうでなければ、乱流が生じて小液滴の噴出と干渉する場合がある。さらに、エアアシストは、余りにも遅く印加するべきではなく、そうでなければ、所望の放出が起こらない場合があり、小液滴がノズルから出なくなる。空気のパルスは、後続の小液滴の噴出と干渉する残留圧力が存在しないように、十分短くすることができる。

本開示の教示は、電子基板上に材料を噴射するためにジェット式供給ヘッドを有する供給システムを含む任意のタイプの供給システムに適用してもよい。

このように、本開示の少なくとも１つの実施形態の幾つかの態様を説明してきたが、当業者には種々の改変、変更および改善が容易に思い浮かぶことは理解されたい。そのような改変、変更および改善は、本開示の一部であることを意図しており、本発明の精神および範囲内にあることを意図している。したがって、これまでの説明および図面は一例にすぎない。

１０ 材料堆積システム
１２ 電子基板
１４ 堆積ヘッド
１８ コントローラー
２０ フレーム
２２ ベース
２４ ガントリシステム
２６ ディスプレイユニット
２８ 収集カップ
３０ オリフィス出口
３２ フレーム
３４ キャビネット
３６ 堆積ヘッド
３８ ガントリシステム
４０ カバー
４２ 開口
４４ 周辺ステーション組立体
４６ ビジョン検査システム
１１０ インクジェットシステム
１２０ ニードル
１３０ ニードルオリフィス出口
１４０ 第１のエアジェット
１５０ 第２のエアジェット
１６０ 外側オリフィス
１７０ 材料
１７０ａ 微小液滴
１８０ インク
１１００ ピストンハウジング
１１１０ インクチャンバー
１１２０ ピストンハウジングオリフィス
１１３０ ピストン
２０００ ニードル
２０１０ 液体供給ニードル
２０２０ シート
２０３０ ノズル
２０４０ エアアシスト入口ポート
２０５０ 面
２０７０ ポート
２０８０ 流体入口ポート
２０９０ 供給ニードル出口ポート

このように、本開示の少なくとも１つの実施形態の幾つかの態様を説明してきたが、当業者には種々の改変、変更および改善が容易に思い浮かぶことは理解されたい。そのような改変、変更および改善は、本開示の一部であることを意図しており、本発明の精神および範囲内にあることを意図している。したがって、これまでの説明および図面は一例にすぎない。
なお、本発明は以下の特徴を以って実施することができる。
［特徴１］
電子基板上に材料を堆積させる材料堆積システムにおいて、
フレームと、
前記フレームに結合され堆積作動中に電子基板を支持する支持体と、
前記フレームに結合されたガントリと、
前記ガントリに結合された堆積ヘッドとを具備し、
前記堆積ヘッドは前記ガントリの移動によって前記支持体上で移動可能で、かつ、
材料を保持するチャンバーと、
材料を前記チャンバーから押し出すように構成されているアクチュエーターと、
前記チャンバーから突出しているとともに、ニードルオリフィス内で終端するニードルと、
前記ニードルオリフィスの向かい合う側に配置されている少なくとも２つのエアジェットとを備え、
前記アクチュエーターに応答して、前記ニードルオリフィスに所望体積の材料が形成され、
前記少なくとも２つのエアジェットの各々が、空気の調時パルスを生成して、前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速するようにした材料堆積システム。
［特徴２］
前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記少なくとも２つのエアジェットからの前記空気の調時パルスを同期させる制御システムを更に備える特徴１に記載の材料堆積システム。
［特徴３］
前記制御システムは、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、前記少なくとも２つのエアジェットを起動する特徴２に記載の材料堆積システム。
［特徴４］
前記制御システムは、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止する特徴３に記載の材料堆積システム。
［特徴５］
前記材料は低粘性材料および高粘性材料を含む特徴１に記載の材料堆積システム。
［特徴６］
前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さい特徴５に記載の材料堆積システム。
［特徴７］
電子基板上に材料を堆積させる方法において、
ガントリによって可動な堆積ヘッドの下方に電子基板を位置決めし、
前記堆積ヘッドのチャンバーに材料を供給し、
先端にオリフィスを形成した前記堆積ヘッドのニードルを前記チャンバーから突出させ、
前記堆積ヘッドのアクチュエーターによって前記チャンバーから材料を押し出し、前記ニードルオリフィスに所望体積の材料を形成し、
前記ニードルオリフィスの向かい合う側に少なくとも２つのエアジェットを配置し、
空気の調時パルスを生成して前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速して該微小液滴を堆積させることを含んで成る方法。
［特徴８］
前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記少なくとも２つのエアジェットからの前記空気の調時パルスを制御システムで同期させることを更に含む特徴７に記載の方法。
［特徴９］
前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、前記少なくとも２つのエアジェットを起動することを更に含む特徴８に記載のシステム。
［特徴１０］
前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止することを更に含む特徴９に記載のシステム。
［特徴１１］
前記材料は低粘性材料および高粘性材料を含む特徴７に記載の方法。
［特徴１２］
前記微小液滴は前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さい特徴１１に記載の方法。
［特徴１３］
電子基板上に材料を堆積させる材料堆積システムにおいて、
フレームと、
前記フレームに結合され、堆積作動中に電子基板を支持する支持体と、
前記フレームに結合されたガントリと、
前記ガントリに結合された堆積ヘッドとを具備し、
前記堆積ヘッドは、前記ガントリの移動によって前記支持体上で可動で、かつ、
材料を保持するチャンバーと、
材料を前記チャンバーから押し出すように構成されているアクチュエーターと、
前記チャンバーから突出し先端にオリフィスが形成されたニードルであって、前記アクチュエーターに応答して、該ニードルのオリフィスに所望体積の材料が形成されるようにしたニードルと、
前記ニードルオリフィスの向かい合う側に配置され、空気の調時パルスを生成して、前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速する手段とを含んで成る材料堆積システム。
［特徴１４］
前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記空気の調時パルスを同期させる制御システムを更に備える特徴１３に記載の材料堆積システム。
［特徴１５］
前記制御システムは、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、少なくとも２つのエアジェットを起動する特徴１４に記載の材料堆積システム。
［特徴１６］
前記制御システムは、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止する特徴１５に記載の材料堆積システム。
［特徴１７］
前記材料は、低粘性材料および高粘性材料を含む特徴１３の材料堆積システム。
［特徴１８］
前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さい特徴１７に記載の材料堆積システム。

Claims (18)

1. 電子基板上に材料を堆積させる材料堆積システムにおいて、
   フレームと、
   前記フレームに結合され堆積作動中に電子基板を支持する支持体と、
   前記フレームに結合されたガントリと、
   前記ガントリに結合された堆積ヘッドとを具備し、
   前記堆積ヘッドは前記ガントリの移動によって前記支持体上で移動可能で、かつ、
   材料を保持するチャンバーと、
   材料を前記チャンバーから押し出すように構成されているアクチュエーターと、
   前記チャンバーから突出しているとともに、ニードルオリフィス内で終端するニードルと、
   前記ニードルオリフィスの向かい合う側に配置されている少なくとも２つのエアジェットとを備え、
   前記アクチュエーターに応答して、前記ニードルオリフィスに所望体積の材料が形成され、
   前記少なくとも２つのエアジェットの各々が、空気の調時パルスを生成して、前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速するようにした材料堆積システム。
2. 前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記少なくとも２つのエアジェットからの前記空気の調時パルスを同期させる制御システムを更に備える請求項１に記載の材料堆積システム。
3. 前記制御システムは、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、前記少なくとも２つのエアジェットを起動する請求項２に記載の材料堆積システム。
4. 前記制御システムは、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止する請求項３に記載の材料堆積システム。
5. 前記材料は低粘性材料および高粘性材料を含む請求項１に記載の材料堆積システム。
6. 前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さい請求項５に記載の材料堆積システム。
7. 電子基板上に材料を堆積させる方法において、
   ガントリによって可動な堆積ヘッドの下方に電子基板を位置決めし、
   前記堆積ヘッドのチャンバーに材料を供給し、
   先端にオリフィスを形成した前記堆積ヘッドのニードルを前記チャンバーから突出させ、
   前記堆積ヘッドのアクチュエーターによって前記チャンバーから材料を押し出し、前記ニードルオリフィスに所望体積の材料を形成し、
   前記ニードルオリフィスの向かい合う側に少なくとも２つのエアジェットを配置し、
   空気の調時パルスを生成して前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速して該微小液滴を堆積させることを含んで成る方法。
8. 前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記少なくとも２つのエアジェットからの前記空気の調時パルスを制御システムで同期させることを更に含む請求項７に記載の方法。
9. 前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、前記少なくとも２つのエアジェットを起動することを更に含む請求項８に記載のシステム。
10. 前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止することを更に含む請求項９に記載のシステム。
11. 前記材料は低粘性材料および高粘性材料を含む請求項７に記載の方法。
12. 前記微小液滴は前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さい請求項１１に記載の方法。
13. 電子基板上に材料を堆積させる材料堆積システムにおいて、
    フレームと、
    前記フレームに結合され、堆積作動中に電子基板を支持する支持体と、
    前記フレームに結合されたガントリと、
    前記ガントリに結合された堆積ヘッドとを具備し、
    前記堆積ヘッドは、前記ガントリの移動によって前記支持体上で可動で、かつ、
    材料を保持するチャンバーと、
    材料を前記チャンバーから押し出すように構成されているアクチュエーターと、
    前記チャンバーから突出し先端にオリフィスが形成されたニードルであって、前記アクチュエーターに応答して、該ニードルのオリフィスに所望体積の材料が形成されるようにしたニードルと、
    前記ニードルオリフィスの向かい合う側に配置され、空気の調時パルスを生成して、前記所望体積の材料から微小液滴を生成し、該微小液滴を高速に加速する手段とを含んで成る材料堆積システム。
14. 前記アクチュエーターによって前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成することに伴い、前記空気の調時パルスを同期させる制御システムを更に備える請求項１３に記載の材料堆積システム。
15. 前記制御システムは、前記ニードルオリフィスに前記所望体積の材料を形成する前に、少なくとも２つのエアジェットを起動する請求項１４に記載の材料堆積システム。
16. 前記制御システムは、前記微小液滴を生成した後に、前記少なくとも２つのエアジェットを停止する請求項１５に記載の材料堆積システム。
17. 前記材料は、低粘性材料および高粘性材料を含む請求項１３の材料堆積システム。
18. 前記微小液滴は、前記ニードルオリフィスに等しいか或いは前記ニードルオリフィスよりも小さい請求項１７に記載の材料堆積システム。

Images