JP2019150798A - 液体材料の塗布方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度液体材料の塗布を高速かつ安定的に制御することができる、液体塗布方法および装置を提供すること。【解決手段】液体材料を吐出する吐出ノズルと、上記吐出ノズル内を往復するプランジャと、を含み、上記プランジャと上記吐出ノズルとの間のオリフィス部に凹凸を有する液体塗布装置を用いる。粒子を含む液体材料を保持する吐出ノズルに対して、プランジャを近づける工程と、上記吐出ノズルの面、または、上記プランジャ面の凹凸に、上記粒子を入れ込み膜状に変形させる工程と、上記吐出ノズルより上記粒子を含む液体材料を吐出する工程と、を含む液体塗布方法を用いる。【選択図】図３

Description

本発明は、はんだペーストや銀ペーストの他、蛍光体ペースト、接着剤などの機能性粒子が含まれる高粘度液体材料の塗布を高速かつ安定的に制御することができる、液体材料の塗布方法および装置に関するものである。

プランジャの往復動作によって、液体材料を吐出するジェットタイプの液体塗布装置が知られている。
プランジャを往復動作させるための駆動源としては、モータやエアー、バネ、圧電素子などのアクチュエータが用いられることが多い。圧電素子は、高速動作が可能であるが、その変位量は小さいため、変位拡大機構と組み合わせて変位量を大きくして用いられることが一般的である。
例えば、特許文献１や特許文献２に記載のものが知られている。

近年では、生産性向上の観点から塗布作業の安定性が強く求められており、このタイプの液体塗布装置において、一定時間内のメンテナンス回数を低減させる要求が高まっている。さらに、各種の液体材料に含まれる機能性粒子のサイズは小さいほど高価になるため、より大きな粒子サイズへの対応が強く求められている。

そのため、大きな粒子が含まれる液体材料でも安定的に塗布できる、液体塗布装置が必要となっている。

以下、従来の液体塗布装置について、図１Ａ〜図１Ｄおよび図２を参照しながら説明する。

従来の液体塗布装置の塗布工程は、図１Ａ〜１Ｄの順にプロセスが進む。塗布装置の断面図を図２に示す。ノズル穴４から液体材料２を吐出する液体塗布装置は、ノズル穴４と連通し、液体材料が供給される供給タンク８と、先端部が供給タンク８内を往復動作するプランジャ５と、プランジャ５を往復動作させるリニアソレノイド７と、を備える。

吐出ノズル１に対してプランジャ５を衝突させることによって、供給タンク８内の液体材料２はノズル穴４の近傍で圧力が高まり、ノズル穴４から吐出され、基板３上に塗布される。

その際、吐出終了直前に液体材料２をノズル穴４内に吸引して、吐出と逆の流れを発生させることによって、ノズル穴４の近傍で吐出された液体材料２を強制的に引きちぎることができる。その結果、液体材料２の切れ位置をノズル穴４の近傍の所定の箇所に制御することができ、液体材料２が複数箇所で切れて、離脱することによる液体材料２の飛び散りの発生を防ぐことができることを特徴とする。

従来の吐出機構においては、粒子が含まれる液体材料２をノズル穴４より吐出させるためには、ノズル穴４の近傍に液体材料２を滞留させることなく、ノズル穴４の近傍に供給された液体材料２をプランジャ５によって、確実に押し出すことが必要である。

特開２０１５−０５１３９９号公報 特許第３９０４６６８号公報

しかし、従来の吐出機構においては、ノズル穴４の近傍の液体材料２の圧力を所定値まで高めるためには、吐出ノズル１に対してプランジャ５を衝突させることが必要であった。

この時、この衝突動作時において、吐出ノズル１とプランジャ５の間に粒子が介在する場合には、ノズル穴４の近傍の圧力が所定値まで十分高まらずに吐出不良が発生する。また、衝突時の衝撃で液体材料２に含まれる粒子が破壊され、ノズル穴４の近傍に付着することによって、ノズル穴４の近傍の圧力が不均一となって吐出曲がりや目詰まりが発生する。したがって、従来の装置では、粒子が含まれる液体材料２を、安定的に吐出させることは困難である。

本発明の課題は、このような従来の課題を解決するものであり、高速かつ安定的に粒子が含まれる液体材料を塗布することができる液体材料の塗布方法および装置を提供することを課題としている。

上記目的を達成するために、液体材料を吐出する吐出ノズルと、上記吐出ノズル内を往復するプランジャと、を含み、上記プランジャと上記吐出ノズルとの間のオリフィス部に凹凸を有する液体塗布装置を用いる。

また、粒子を含む液体材料を保持する吐出ノズルに対して、プランジャを近づける工程と、上記吐出ノズルの面、または、上記プランジャ面の凹凸に、上記粒子を入れ込み膜状に変形させる工程と、上記吐出ノズルより上記粒子を含む液体材料を吐出する工程と、を含む液体塗布方法を用いる。

本発明の構成によれば、電子デバイスの製造などの産業用途において、機能性粒子が含まれる高粘度液体材料の塗布を高速かつ安定的に制御することができ、必要な箇所に最適な量を任意パターンで塗布することができる。

従来の液体塗布方法の工程図 従来の液体塗布方法の工程図 従来の液体塗布方法の工程図 従来の液体塗布方法の工程図 従来の液体塗布装置の断面図 本発明における実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズルの断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズルの断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズルの断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズルの断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズルの断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズルの断面図 本発明における実施の形態の吐出ノズル接液面の拡大図 本発明における実施の形態の吐出ノズル接液面の拡大図 本発明における実施の形態の吐出ノズル接液面の拡大図 本発明における実施の形態の吐出部の拡大図 本発明における実施の形態の吐出部の拡大図 本発明における実施の形態の吐出部の拡大図 本発明における実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明における実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明における実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明における実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明における実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明における実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明における実施の形態の吐出部の拡大図 本発明における実施の形態の吐出部の拡大図 本発明における実施の形態の液体塗布装置の断面図

＜液体塗布装置の構成＞
図３は、本発明における実施の形態の液体塗布装置１００の断面図であり、基本構成について以下に説明する。

ノズル穴４から液体材料２の吐出液滴１０６を吐出する液体塗布装置１００は、供給タンク８から連通する吐出ノズル１まで液体材料２を供給する液体材料供給機構１０８と、吐出ノズル１先端のノズル穴４の近傍の圧力を高める加圧機構１０７と、を備える。

液体材料供給機構１０８は、ノズル穴４を有する吐出ノズル１と連通して液体材料２が供給される供給流路１０４と、液体材料２が貯蔵される供給タンク８と、供給タンク８の内圧を制御する圧力コントローラ１０５と、を備える。

加圧機構１０７は、先端部が供給流路１０４内を往復動作するプランジャ５と、プランジャ５を往復動作させるアクチュエータ１０１と、アクチュエータ１０１用のコントローラ１０２と、プランジャ５の往復動作を規正するプランジャガイド６と、供給流路１０４からの液体材料２の流出を防止するシール材１０３と、を備える。

以下に、各構成要素の特徴について説明する。

＜液体材料供給機構１０８＞
供給タンク８に貯蔵された液体材料２は、圧力コントローラ１０５によって供給タンク８の内圧を高めることによって、供給流路１０４および吐出ノズル１を通じてノズル穴４に供給される。

供給タンク８の内圧を高めるために、エアーやプランジャだけでなく、スクリューポンプを用いることが多い。

供給流路１０４は、ノズル穴４と同様の材料を用いることができ、流路断面はΦ０．５〜１０ｍｍ程度の円形状でも、同程度の断面積の矩形状でも構わないが、加工性や粒子滞留、気泡溜りの防止などの観点から、断面形状が大きく変化しない円形状が好ましい。

供給流路１０４は、液体材料２が貯蔵される供給タンク８と、ノズル穴４を連通して供給タンク８に貯蔵された液体材料２をノズル穴４まで供給する機能を担っている。

なお、別の供給機構を用いてもよい。

＜吐出ノズル１＞
吐出ノズル１は、超硬合金やステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属のみならず、セラミックやＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＴＦＥなどの樹脂材料でも構わないが、液体材料２が吐出される際に含有粒子材料との磨耗で劣化したり、液体材料２に侵食・溶出されたりすることのない素材の選定が重要である。

また、所望の吐出液滴サイズに応じて、ノズル穴４の内径はΦ０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲から選定されることが多い。液体材料２の粘度やチキソ性、表面張力、ノズル面との接触角などの物性に応じて、ノズル穴４の長さは０．０５ｍｍ〜５ｍｍの範囲から選定されることが多い。

図３においては、簡略化のため、ノズル穴４はコーン形状として図示してあるが、図４Ａ〜４Ｆに記載のような形状であっても構わない。

さらには、液体材料２に含まれる機能性粒子の付着および破壊を回避するために、吐出ノズル１における液体材料２との対向面には、液体材料２に含まれる機能性粒子の大きさと液体材料２の粘度に応じて、０．１μｍ〜５０μｍ程度の凹凸１０（図６Ａ〜図６Ｃで説明）を形成することが好適である。

この凹凸１０の形状は、図５Ａ〜図５Ｃに記載のように正弦波状や矩形波状、三角波状などの規則的な形状のみならず、その組み合わせであっても、不規則な形状であっても構わない。

さらに、吐出ノズル１における凹凸１０は、図６Ａ〜図６Ｃに記載のように吐出ノズル１と液体材料２が対向する面の全面に形成されても、一部のみに形成されても構わない。プランジャ５の表面の凹凸１０も同様である。

液体材料２の粘度が例えば１０Ｐａ・ｓｅｃ以上と比較的高い場合においては液体材料２の流動性が比較的低いため、液体材料２に含まれる機能性粒子の大きさに比べて十分に小さな凹凸１０を形成することが必要である。例えば１〜５０μｍ程度の大きさの機能性粒子を含む時には、０．１〜５μｍ程度の凹凸を形成することが好ましい。

これによって、液体材料２が当接する吐出ノズル１の壁面に液相の薄膜が形成されるため、機能性粒子が吐出ノズル１の壁面と衝突することによる損傷を抑制することが可能となる。

なお、凹凸１０は、オリフィス部１０９の内、液圧が高い（流路が狭い）部分に設けるのが好ましい。図６Ａ〜図６Ｃの場合、傾斜している部分である。この部分のみが好ましい。

液体材料２の粘度が、例えば１０Ｐａ・ｓｅｃ未満と比較的低い場合においては液体材料２の流動性が比較的高いため、液体材料２に含まれる機能性粒子の大きさに比べて十分に大きな凹凸を形成することが必要である。例えば０．０１〜１０μｍ程度の大きさの機能性粒子を含む時には、０．１〜５０μｍ程度の凹凸を形成することが好ましい。

これによって、吐出ノズル１とプランジャ５の先端がより近接した位置となった場合においても、機能性粒子が吐出ノズル１の凹凸内を出入りすることができるため、機能性粒子が吐出ノズル１とプランジャ５の先端の間に挟まって衝撃荷重を受けることによる損傷を抑制することが可能となる。

＜加圧機構１０７＞
シール材１０３を介して液体材料２と当接するプランジャ５は、アクチュエータ１０１用のコントローラ１０２で往復動作を制御されることによって、ノズル穴４の近傍に供給された液体材料２をノズル穴４の外側に押し出して吐出液滴１０６として吐出される。

なお、プランジャ５は、吐出ノズル１に接触せず、吐出ノズル１より外部へはでない。

アクチュエータ１０１は、ノズル穴４の近傍の液体材料２の圧力を高めるためにプランジャ５を往復動作させる駆動源として用いられ、モータやエアー、圧電素子など圧電アクチュエータが用いられることが多い。

圧電素子は、高速動作が可能であるが、その変位量は小さいため、ヒンジ機構やテコ機構、リンク機構、あるいはクサビ機構などの変位拡大機構と組み合わせて変位量を大きくして用いられることが好ましい。

プランジャ５には、吐出ノズル１と同様の材料を用いることができるが、含有粒子材料で摩耗したり、液体材料２に侵食・溶出されたりすることのない素材を選定する必要がある。

シール材１０３は、含有粒子材料で劣化したり、液体材料２に侵食・溶出されたりすることのない素材を選定する必要があるだけでなく、液体材料２がプランジャガイド６側に漏れず、プランジャ５の往復動作への影響を最小限に抑制しなければならない。

また、プランジャ５を高速駆動させるためには、比重の小さな素材を選定して、プランジャ５の体積を可能な限り小さく設計することによって、プランジャ５自身の質量を最小限に低減させて軽量化を行うことが好ましい。

プランジャ５は、アクチュエータ１０１の駆動エネルギを液体材料２の吐出エネルギに変換する機能を担っている。プランジャ５がノズル穴４近傍で往復運動することによって、プランジャ５の先端と吐出ノズル１を近接させてオリフィス部１０９が形成される。なお、オリフィス部１０９は、吐出ノズル１とプランジャ５との間の空間を示す。特に、プランジャ５が吐出ノズル１に一番近づいた時の両者間の空間である。

このオリフィス部１０９は、ノズル穴４の近傍の液体材料２に印加された圧力が供給流路１０４の上流側に漏れないようにして、ノズル穴４の近傍の液体材料２の圧力を高めることができる。これによって、ノズル穴４から液体材料２の吐出液滴１０６を吐出させることができる。

プランジャ５の先端形状は、図３に記載のような平坦形状でも構わないが、図７Ａ〜図７Ｆに記載のような形状でもあっても構わない。

さらには、液体材料２に含まれる機能性粒子の付着および破壊を回避するために、吐出ノズル１と同様にプランジャ５の先端面には、液体材料２に含まれる機能性粒子の大きさと液体材料２の粘度に応じて、０．１μｍ〜５０μｍ程度の凹凸を形成することが好適である。

オリフィス部１０９を構成する、プランジャ５と当接する吐出ノズルの１面に同様の凹凸が形成される場合には、プランジャ５側の凹部と吐出ノズル１側の凸部が噛み合わないようにすることが好ましい。したがって、図８Ａおよび図８Ｂに記載のようにプランジャ５側の凹凸１０を吐出ノズル１側の凹凸１０の位相に合わせたり、周期をずらしたりすることがより好ましい。

図８Ａおよび８Ｂには、プランジャ５の先端と吐出ノズル１の両方ともが三角波状の凹凸形状を記載しているが、図５Ａ〜図５Ｃに記載のような任意の凹凸形状の組み合わせでも構わない。特に、凸部の幅は凹凸１０の高低差の２分の１以下とすることがより好ましい。

さらに、プランジャ５の先端における凹凸１０は、図６Ａ〜図６Ｃに記載のようにプランジャ５と液体材料２が当接する面の全面に形成されても、一部のみに形成されても構わない。特に、オリフィス部１０９における吐出ノズル１の凹凸１０を、相対するプランジャ５の先端の凹凸１０に比べて大きく設定することがより好ましい。

これによって、吐出ノズル１とプランジャ５の先端がより近接した位置となった場合においても、吐出ノズル１とプランジャ５の先端の間により大きな隙間を確保することができるため、機能性粒子が吐出ノズル１とプランジャ５の先端の間に挟まって衝撃荷重を受けることによる損傷を抑制することが可能となる。

さらには、プランジャ５が吐出ノズル１に対して近接するように相対移動する際に、プランジャ５の先端の凹凸１０に機能性粒子を取り込み、滞留させてしまうことを抑制することができ、安定的に機能性粒子が含まれる液体材料を塗布することが可能となる。

上記と同じ理由で、オリフィス部１０９に面するプランジャ５と吐出ノズル１の少なくともいずれかの面が弾性材料で構成されるのが好ましい。
例えば、ゴム材、樹脂材料などである。

＜塗布動作＞
次に、粒子を含む液体材料２の塗布動作について、以下に説明する。

＜供給＞
プランジャ５の先端が、粒子を含む液体材料２が供給される供給流路１０４内を上方向に動作する際にノズル穴４の近傍に液体材料２が供給される。供給流路１０４に直結する、液体材料の供給タンク８に対して、０．１〜５００ｋＰａ程度の背圧をかけることによって、液体材料２の供給速度を高めて、より短い吐出間隔で高粘度材料を塗布することが可能となる。

背圧が高いほど液体材料２の供給速度は大きくなる一方、粒子含有ペースト材料の場合には固形分と液体成分が分離してしまうことが問題となるため、背圧は３００ｋＰａ程度以下であることが好ましい。また、背圧が３００ｋＰａ以下であっても、ノズル穴４から液体材料２が染み出た状態になると、気液界面のメニスカス面が不安定となり、安定な液滴吐出ができなくなる場合があるため、液体材料２と吐出条件に応じた背圧設定が不可欠である。

＜プランジャ移動＞
プランジャ５がノズル穴４に近接する下方向に動作する際に、ノズル穴４の近傍の液体材料２の圧力が上昇して液体材料２の吐出液滴１０６がノズル穴４より吐出される。ここで、プランジャ５の上下動作中においてもノズル穴４の近傍の液体材料２の圧力が低下しないように、プランジャ５に密着してシール材１０３が設置される。プランジャ５の下方向への動作速度が速いほど、ノズル穴４の近傍の液体材料２の圧力を急速に上昇させることができるため、ノズル穴４から先頭で飛び出す液体材料２の吐出速度を上昇させることが可能となる。

なお、液体材料２中に粒子は、凹凸１０に一部が確保され、膜状となる。他の粒子は、膜状の表面を流れ、吐出ノズル１より吐出される。

＜吐出＞
さらに、ノズル穴４から先頭の液体材料２が飛び出し始めた後にプランジャ５を上方向に速く動作させることによって、後続する液体材料２の吐出速度を低下させることもできる。これによって、高粘度の液体材料２でも吐出液滴１０６の糸曳きを短くすることが可能となり、より微量な吐出液滴１０６を安定して吐出させることができる。
＜変形例＞
図３においては、プランジャ５先端が供給流路１０４内の液体材料２に当接して上下に往復動作する構成となっているが、図９に示す２ように、プランジャ５の先端が直接的に液体材料２に当接せず、ダイアフラム２０１面を上下に往復動作させる構成とすることも可能である。
＜効果＞
以上のような実施の形態の液体塗布装置および方法によって、液体材料２に含まれる機能性粒子をノズル穴４の近傍に滞留させることなく、ノズル穴４の近傍に供給された液体材料２をプランジャ５で確実に押し出すことができ、吐出曲がりや目詰まりの発生を抑制して液体材料２をノズル穴４より安定的に吐出させることが可能となる。

これによって、長期連続駆動が不可欠となる電子デバイス製造などの産業用途で用いることが可能となる。

本発明の塗布ノズルヘッドおよびそれを具備する液体塗布装置は、凹凸面や曲面などの立体構造物への３Ｄ塗布や、多品種少量の電子デバイス製造における生産性向上などの目的で、任意パターン塗布するための塗布ノズルヘッドおよびそれを具備する液体塗布装置として用いられる。

１ 吐出ノズル
２ 液体材料
３ 基板
４ ノズル穴
５ プランジャ
６ プランジャガイド
７ リニアソレノイド
８ 供給タンク
１０ 凹凸
１００ 液体塗布装置
１０１ アクチュエータ
１０２ コントローラ
１０３ シール材
１０４ 供給流路
１０５ 圧力コントローラ
１０６ 吐出液滴
１０７ 加圧機構
１０８ 液体材料供給機構
１０９ オリフィス部
２０１ ダイアフラム

Claims (7)

1. 液体材料を吐出する吐出ノズルと、
   前記吐出ノズル内を往復するプランジャと、を含み、
   前記プランジャと前記吐出ノズルとの間のオリフィス部に凹凸を有する液体塗布装置。
2. 前記オリフィス部に面する前記プランジャの面と前記吐出ノズルの面とのうち、前記吐出ノズルの面の方が、前記プランジャの面より大きな凹凸形状を有する、請求項１に記載の液体塗布装置。
3. 前記オリフィス部に面する前記プランジャと前記吐出ノズルの少なくともいずれかの面が弾性材料で構成される請求項１または２記載の液体塗布装置。
4. 前記オリフィス部において、前記液体に最も高い液圧が発生する部分に、前記凹凸がある請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体塗布装置。
5. 前記プランジャの駆動源として圧電アクチュエータを用いる請求項１〜４のいずれかに記載の液体塗布装置。
6. 前記プランジャは、前記吐出ノズルに接触せず、前記吐出ノズルから外部へ出ない請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体塗布装置。
7. 粒子を含む液体材料を保持する吐出ノズルに対して、プランジャを近づける工程と、
   前記吐出ノズルの面、または、前記プランジャの面の凹凸に、前記粒子を入れ込み膜状に変形させる工程と、
   前記吐出ノズルより前記粒子を含む液体材料を吐出する工程と、を含む液体塗布方法。
   

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