JP4292903B2 - 液体塗布方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は導電ペースト、接着剤、シリコーンオイルなどの粘性のある液体を対象物に対して微少量ずつ塗布するのに適した液体塗布方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平８−２５７４８４号公報
【特許文献２】
特開平８−３１８２１０号公報
【特許文献３】
特開平１１−１５６２５９号公報
従来、電子部品などの表面に、液状樹脂や接着剤などの液体を所定量正確に塗布する方式として、ピン転写方式と呼ばれる液体塗布方法が知られている。
ピン転写方式とは、転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる方式であるが、粘性を有する液体の場合には、対象物に転着させる際に液体が転写ピンに残留するという問題がある。
特に、電子部品に１０μｇ〜数１０μｇ程度の微少量の液体を塗布する場合、転写ピンに液体が一部でも残留すると、対象物への塗布量が大きくばらつくことになる。
【０００３】
このような課題を解消するため、特許文献１では、先端部に液体が付着した転写ピンを対象物の表面に当てた後、転写ピンを僅かの高さだけ上昇させ、そこで転写ピンを一旦停止させた後、上昇させたり、あるいは一旦停止後、小さなストロークで細かく上下動させた後、上昇させる方法が提案されている。
しかし、この方法では、途中で一旦転写ピンを停止させるだけであり、転写ピンから液体を積極的に分離するための操作を行わないので、転写ピンへの液体の残留を確実に防止できないという欠点がある。
【０００４】
特許文献２には、先端に液体を付着させた転写ピンを対象物に接近または接触させ、転写ピンに超音波振動を印加しながら引き上げることにより、転写ピンへの液体の残留を防止した塗布方法が提案されている。
特許文献３も、特許文献２と同様に、スタンプピンを接着剤を蓄えた容器の上部へ移動させ、スタンプ面に接着剤を付着させた後、スタンプピンを上昇させ、スタンプピンを基板の位置まで移動させ、そこで再びスタンプピンを下降させ、スタンプ面に付着した接着剤を基板に転写する方法が提案されている。スタンプピンに付着した接着剤の糸引き現象を防止するため、スタンプピンの表面にシリコン薄膜などの撥水性を持つ薄膜を形成したり、バイブレータや超音波発生装置などの振動を与える方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２および３に記載の塗布方法では、共に転写ピンに超音波振動を印加することで、転写ピンからの液体の分離性を高めることが可能である。
しかしながら、特許文献２のように先端がテーパ状に尖った塗布ツールを使用した場合、液体を塗布ツールから対象物に転着させる際、塗布ツールの先端が対象物に当たり、対象物を傷つける可能性が高い。また、液体を送り出す際に塗布ツールの側面に液体が残ることがある。
また、特許文献３では、転写ピン（スタンプピン）の底面に液体を付着させるので、対象物を傷つける恐れは少ないが、単に超音波振動を印加しながら転写ピンを上昇させるだけでは、必ずしも転写ピンへの液体の残留を防止しえない。
すなわち、液体と転写ピンとの間には物性的な特有の条件があり、その条件を満足しないと、転写ピンへの液体の残留を確実に防止することができない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、液体と転写ピンとの間で物性的な特有の条件を満足させることにより、転写ピンから対象物へ液体の残留なく精度よく転写することができる液体塗布方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる液体塗布方法において、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、上記先端部に一定量の液体を付着させた転写ピンを対象物に対して降下させ、上記液体が対象物に接触する位置で転写ピンを停止させる工程と、上記停止状態で転写ピンに超音波振動を印加し、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とする工程と、上記接触角θを９０°以上とした状態で転写ピンを上昇させる工程と、を有する液体塗布方法を提供する。
また、請求項２に記載の発明は、転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる液体塗布方法において、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるように超音波振動を印加する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、上記先端部に一定量の液体を付着させた転写ピンを対象物に対して降下させ、上記液体が対象物に接触する位置で転写ピンを停止させる工程と、上記停止状態で転写ピンに超音波振動を印加し、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とする工程と、上記接触角θを９０°以上とした状態で転写ピンを上昇させる工程と、を有する液体塗布方法を提供する。
【０００８】
一般に、接着剤、導電ペースト、シリコーンオイルなどの粘性を持つ液体ではその表面張力γが数十（ｍＮ／ｍ）であるのに対し、転写ピン（表面処理済みの金属材料の場合）の単位面積当たりの表面自由エネルギーＥは数百（ｍＮ／ｍ）程度であるから、Ｅ＞γであり、液体が転写ピンの表面に対して濡れる。つまり、転写ピンの表面と液体との接触角θが９０°より小さい。そのため、転写ピンを対象物に近づけた状態から引き上げると、転写ピンに液体の一部が残留してしまい、塗布量が安定しない。
ところが、転写ピンを対象物に近づけた状態で停止させ、この停止状態で転写ピンに超音波振動を印加すると、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θが９０°以上となる。この状態で転写ピンを上昇させると、液体が転写ピンの表面から簡単に分離し、転写ピンに液体を残留させずに対象物へ転写することができる。
転写ピンに液体が残留しないので、対象物への塗布量が安定するとともに、転写ピンに残留した液体を除去する作業も不要となる。
なお、超音波振動の方向は、縦方向（転写ピンの軸方向）でもよいし、横方向（転写ピンの軸線と直交方向）、さらには斜め方向でもよい。
【０００９】
請求項３のように、超音波振動の印加により、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とした後、所定の待機時間を設けた後に転写ピンを上昇させるようにしてもよい。
つまり、転写ピンの先端部と液体との接触角θが９０°以上となった時、即座に転写ピンを上昇させてもよいが、所定の待機時間を設ければ、より確実に転写ピンから液体を分離でき、液体を対象物に完全に転写できる。
上記の待機時間としては、例えば０．１秒程度でよい。
【００１０】
請求項４のように、次の関係式が成立する超音波振動を印加するのがよい。
２Ｍ（πｆＡ）2 ＞γL Ｓ ・・・（１）
但し、Ｍ：転写ピンの先端部底面への液体付着量（ｋｇ）、ｆ：超音波の周波数（Ｈｚ）、Ａ：超音波の振幅（ｍ）、γL ：液体の表面自由エネルギー（Ｊ／ｍ2 ）、Ｓ：液体の表面積（ｍ2 ）である。
上記不等式の左辺は超音波エネルギーを表し、右辺は液体の全表面エネルギーを表す。超音波振動の周波数および振幅を大きくすれば、それだけ転写ピンと液体との分離性は向上するが、大きなエネルギーを必要とするとともに、転写ピンの支持装置にも影響を与える。
上記式を満足する超音波振動を与えることで、比較的小さなエネルギーで、転写ピンの表面と液体との接触角θを９０°以上とする時間を短縮できる。
【００１１】
請求項１では、転写ピンの先端部に液体を付着させるために、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、を有することを特徴とする。
転写ピンの先端部に液体を付着させる場合、例えば液中に転写ピンの先端部を浸漬させる方法もあるが、これでは転写ピンの先端部底面だけでなく、先端部の周囲にも付着することになる。先端部の周囲に付着した液体の量は毎回変動するので、塗布量にばらつきが発生しやすい。
そこで、請求項１では、均一に均された液面に転写ピンを接触させ、先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御し、その後で転写ピンを上昇させる。転写ピンを液体中に挿入すると、転写ピンの側面と液体との接触角αは挿入深さに伴って大きくなり、やがて接触角αは９０°以上になる。さらに転写ピンを深く挿入すると、接触角αは９０°より小さくなり、液体が転写ピンの側面に濡れ広がる。
そこで、接触角αが９０°以上になった深さで転写ピンを停止させ、その位置から転写ピンを引き上げることで、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させることができる。先端部底面に付着した液体の量Ｍは、次式のように底面積によって決まるので、安定した塗布量に制御できる。
【数１】
但し、ρ：液体密度、β：転写ピン先端部底面と液体との接触角、Ｄ：転写ピンの先端部底面の直径、Ｍ：転写ピンの先端部底面に付着する液体の量。
請求項１にかかる方法は、降伏応力を有しない液体に適用するのが望ましい。降伏応力を有しない液体とは、液体流動させるのに必要な応力が０の液体のことであり、例えばアンダーフィル剤やシリコーンオイルなどがある。
【００１２】
請求項２のように、転写ピンの先端部に液体を付着させるために、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるように超音波振動を印加する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、を有するものでもよい。
請求項１では、転写ピンの位置を制御することで、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるようにしたが、請求項２では超音波振動を印加することで、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αを９０°以上としたものである。つまり、転写ピンを液体に挿入した時には接触角αが９０°より小さくても、超音波振動を印加することで液体が転写ピンの側面に対して弾かれ、接触角αが９０°以上となる。この時に転写ピンを引き上げると、先端部底面のみに液体を付着させることができる。超音波振動の方向は縦方向でもよいし、横方向あるいは斜め方向でもよい。
この場合も、（２）式と同様に、液量を転写ピンの先端部底面の直径Ｄによって一定に定量できる。
請求項２にかかる方法は、降伏応力を有する液体に適用するのが望ましい。降伏応力を有する液体とは、液体流動させるのに必要な応力が０ではない液体のことであり、例えば接着剤、導電性ペースト、封止用樹脂、クリームはんだ、セラミックスラリー、ワックスなどがある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる液体塗布装置の一例を示す。
図において、１は転写ピンであり、その下端部には軸部１ａが一体に形成されている。転写ピン１はＳＵＳなどの金属材料よりなり、軸部１ａは例えば直径が０．４ｍｍ程度の細径な円柱形に形成されている。軸部１ａの表面には、表面自由エネルギーをできるだけ低くするため、フッ素コーティング処理が施されている。
【００１４】
転写ピン１は、駆動装置２に連結されており、上下方向に駆動されるとともに、高さ位置が高精度に制御される。駆動装置２としては、例えばボイスコイルモータや、電動モータとボールネジ機構との組み合わせなどを用いることができる。転写ピン１の上部には、所定の縦振動Ｕ（例えば６０ｋＨｚ、５μｍ0-P ）を転写ピン１に印加する超音波振動子３が取り付けられている。
【００１５】
転写ピン１の下方には、水平方向に移動可能なテーブル４，５が設けられ、一方のテーブル４上には液体Ｌを貯留した容器６が載置され、他方のテーブル５上には液体Ｌを塗布する対象物７が載置されている。この実施例の液体Ｌは、例えば粘度：５０Ｐａ・ｓ、密度：０．９７６ｍｇ／ｍｍ3 のシリコーンオイルである。容器６には、貯留された液体Ｌの液面を均すための液面均し手段（図示せず）が設けられ、１回の転写毎に液面を均す操作を実施する。
【００１６】
図２は転写ピンの先端部に液体を付着させる動作を示す原理図である。
図２の（ａ）は、容器６を転写ピン１の直下になる位置へテーブル４を水平移動させ、駆動装置２によって転写ピン１を降下させ、転写ピン１の軸部１ａの底面を容器６の液体Ｌの均一に均された液面に接触させた状態を示す。この状態では、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°より小さい。
図２の（ｂ）は、駆動装置２によって転写ピン１をさらに降下させ、軸部１ａを液体Ｌの液面より僅かに浸漬させ、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置（例えば浸漬深さ４０μｍ以下程度）に制御した状態を示す。
図２の（ｃ）は、軸部１ａを液体Ｌの液面から引き上げた状態を示す。上記のように軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°以上の状態から軸部１ａを引き上げると、軸部１ａの底面のみに液体を付着させることができる。この時、軸部１ａには一定量の液体Ｌが付着する。
【００１７】
図２の（ｂ）では、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピン１を制御したが、上記の方法以外にも、接触角αを９０°以上とすることが可能である。
すなわち、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°より小さい位置へ浸漬した状態で、転写ピン１に縦方向の超音波振動Ｕ（図２の（ｂ）に破線矢印で示す）を印加すると、やがて接触角αが９０°以上になるので、この時点で転写ピン１を引き上げれば、図２と同様に、軸部１ａの底面のみに液体Ｌを付着させることができる。
【００１８】
軸部１ａの底面に付着した液体の量Ｍは、液体密度をρ（ｍｇ／ｍｍ3 ）、軸部１ａの底面と液体との接触角をβ（°）、軸部１ａの底面の直径をＤ（ｍｍ）とすると、次式によって求めることができる。
【数２】
例えば、ρ＝０．９７６ｍｇ／ｍｍ3 、β＝７０°、Ｄ＝φ０．４ｍｍとすると、約１０μｇの液体Ｌが軸部１ａの底面に付着する。
【００１９】
図３は転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作を示す。
図３の（ａ）は、転写ピン１の軸部１ａを対象物７に近づけ、液体Ｌを対象物７に接触させた状態を示す。この状態では、軸部１ａの側面と液面との接触角θは９０°より小さい。
図３の（ｂ）は、転写ピン１に縦方向の超音波振動Ｕを印加した状態を示す。超音波振動Ｕの印加により、液体Ｌのみかけ上の表面張力が大きくなり、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θが９０°以上となる。接触角θが９０°以上となった後、僅かな待機時間（例えば０．１ｓ）を設けた後に転写ピン１を引き上げる。
超音波振動の印加条件は、次の式が成立するように設定する。すなわち、転写ピンの先端部底面への液体付着量Ｍ（ｋｇ）、超音波の振幅Ａ（ｍ）、超音波の周波数ｆ（Ｈｚ）、液体の表面自由エネルギーγL （Ｊ／ｍ2 ）、液体の表面積Ｓ（ｍ2 ）とすると、
２Ｍ（πｆＡ）2 ＞γL Ｓ ・・・（１）
である。
例えば、Ｍ＝１０μｇ、γL ＝２１．３×１０-3Ｊ／ｍ2 、Ｓ＝０．１９×１０-6ｍ2 の場合、ｆ＝６０ｋＨｚ、Ａ＝５μｍ0-Pとすれば、接触角θを９０°以上とすることができる。
図３の（ｃ）は転写ピン１を引き上げる状態を示す。引上げる途中も、超音波振動Ｕを転写ピン１に印加するのがよい。これにより、液体Ｌは完全に対象物７に転着され、軸部１ａには液体Ｌが残留しない。すなわち、（２）式で求めた液体Ｌの量Ｍが全て対象物７に乗り移るので、高精度な塗布を実現できる。
【００２０】
図４は、転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作の他の例を示す。
図３の（ｂ）では、軸部１ａの側面に液体Ｌが付着しない状態で超音波振動Ｕを印加することにより、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上としたが、図４に示すように、軸部１ａの側面に液体Ｌが付着した状態で超音波振動Ｕを印加しても、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上とすることが可能である。
この場合も、転写ピン１を引き上げると、軸部１ａには液体Ｌが残留しない。
【００２１】
図５は、転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作のさらに他の例を示す。
図３，図４では、転写ピン１に超音波振動Ｕを印加することにより、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上とした例を示したが、図５では軸部１ａの底面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上としたものである。
図５の（ａ）は、底面に液体Ｌが付着した軸部１ａを示す。
図５の（ｂ）は、軸部１ａを対象物７に近づけ、液体Ｌを対象物７に接触させた状態を示す。この時の軸部１ａは、図３の（ｂ）に比べて対象物７から離れた位置にあり、液体Ｌは軸部１ａの底面から外側へはみ出していない。
図５の（ｃ）は縦方向の超音波振動Ｕを印加した状態を示す。超音波振動Ｕの印加により、軸部１ａの底面と液体Ｌとの接触角θが９０°以上となる。
図５の（ｄ）は、軸部１ａを引き上げた状態を示し、対象物７に全ての液体Ｌが転写され、軸部１ａには液体Ｌが残留しない。
【００２２】
上記実施例では、転写ピン１の先端部（軸部１ａ）の底面のみに液体Ｌを付着させる例を示したが、底面だけでなく側面にも液体を付着させてもよい。但し、側面に液体が付着すると、液体が転写ピンに残留しやすくなるとともに、液体の塗布量のばらつきが発生しやすくなる。これに対し、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させれば、上記の問題を解消できるので、望ましい。
【００２３】
図１に示す液体塗布装置では、転写ピン１の下方に可動テーブル４，５を設け、このテーブル４，５上に液体容器６および対象物７をそれぞれ配置し、転写ピン１は上下方向にのみ駆動され、容器６と対象物７が水平方向に駆動される例を示したが、これに限るものではない。例えば転写ピン１および駆動装置２をロボットのアームなどに取り付け、転写ピン１を水平方向に移動させることにより、液体容器６から液体Ｌを受け取り、対象物７へ転写するようにしてもよい。その他、転写ピン１、容器６、対象物７の駆動機構は任意に設定できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、液体を付着させた転写ピンを液体が対象物に接触する位置で停止させた状態で転写ピンに超音波振動を印加することにより、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とし、その後で転写ピンを引き上げるようにしたので、液体が転写ピンの表面から簡単に分離し、転写ピンに液体を残留させずに対象物へ転写することができる。
そのため、対象物への高い塗布精度を維持できるとともに、転写ピンに残留した液体を除去する作業も不要となるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体塗布装置の一例の概略図である。
【図２】転写ピンの先端部に液体を付着させる動作を示す原理図である。
【図３】転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作の原理図である。
【図４】転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作の他の実施例の原理図である。
【図５】転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作のさらに他の例の原理図である。
【符号の説明】
１ 転写ピン
１ａ 軸部
２ 上下駆動装置
３ 超音波振動子
４，５ テーブル
６ 容器
７ 対象物
Ｌ 液体
【発明の属する技術分野】
本発明は導電ペースト、接着剤、シリコーンオイルなどの粘性のある液体を対象物に対して微少量ずつ塗布するのに適した液体塗布方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平８−２５７４８４号公報
【特許文献２】
特開平８−３１８２１０号公報
【特許文献３】
特開平１１−１５６２５９号公報
従来、電子部品などの表面に、液状樹脂や接着剤などの液体を所定量正確に塗布する方式として、ピン転写方式と呼ばれる液体塗布方法が知られている。
ピン転写方式とは、転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる方式であるが、粘性を有する液体の場合には、対象物に転着させる際に液体が転写ピンに残留するという問題がある。
特に、電子部品に１０μｇ〜数１０μｇ程度の微少量の液体を塗布する場合、転写ピンに液体が一部でも残留すると、対象物への塗布量が大きくばらつくことになる。
【０００３】
このような課題を解消するため、特許文献１では、先端部に液体が付着した転写ピンを対象物の表面に当てた後、転写ピンを僅かの高さだけ上昇させ、そこで転写ピンを一旦停止させた後、上昇させたり、あるいは一旦停止後、小さなストロークで細かく上下動させた後、上昇させる方法が提案されている。
しかし、この方法では、途中で一旦転写ピンを停止させるだけであり、転写ピンから液体を積極的に分離するための操作を行わないので、転写ピンへの液体の残留を確実に防止できないという欠点がある。
【０００４】
特許文献２には、先端に液体を付着させた転写ピンを対象物に接近または接触させ、転写ピンに超音波振動を印加しながら引き上げることにより、転写ピンへの液体の残留を防止した塗布方法が提案されている。
特許文献３も、特許文献２と同様に、スタンプピンを接着剤を蓄えた容器の上部へ移動させ、スタンプ面に接着剤を付着させた後、スタンプピンを上昇させ、スタンプピンを基板の位置まで移動させ、そこで再びスタンプピンを下降させ、スタンプ面に付着した接着剤を基板に転写する方法が提案されている。スタンプピンに付着した接着剤の糸引き現象を防止するため、スタンプピンの表面にシリコン薄膜などの撥水性を持つ薄膜を形成したり、バイブレータや超音波発生装置などの振動を与える方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２および３に記載の塗布方法では、共に転写ピンに超音波振動を印加することで、転写ピンからの液体の分離性を高めることが可能である。
しかしながら、特許文献２のように先端がテーパ状に尖った塗布ツールを使用した場合、液体を塗布ツールから対象物に転着させる際、塗布ツールの先端が対象物に当たり、対象物を傷つける可能性が高い。また、液体を送り出す際に塗布ツールの側面に液体が残ることがある。
また、特許文献３では、転写ピン（スタンプピン）の底面に液体を付着させるので、対象物を傷つける恐れは少ないが、単に超音波振動を印加しながら転写ピンを上昇させるだけでは、必ずしも転写ピンへの液体の残留を防止しえない。
すなわち、液体と転写ピンとの間には物性的な特有の条件があり、その条件を満足しないと、転写ピンへの液体の残留を確実に防止することができない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、液体と転写ピンとの間で物性的な特有の条件を満足させることにより、転写ピンから対象物へ液体の残留なく精度よく転写することができる液体塗布方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる液体塗布方法において、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、上記先端部に一定量の液体を付着させた転写ピンを対象物に対して降下させ、上記液体が対象物に接触する位置で転写ピンを停止させる工程と、上記停止状態で転写ピンに超音波振動を印加し、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とする工程と、上記接触角θを９０°以上とした状態で転写ピンを上昇させる工程と、を有する液体塗布方法を提供する。
また、請求項２に記載の発明は、転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる液体塗布方法において、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるように超音波振動を印加する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、上記先端部に一定量の液体を付着させた転写ピンを対象物に対して降下させ、上記液体が対象物に接触する位置で転写ピンを停止させる工程と、上記停止状態で転写ピンに超音波振動を印加し、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とする工程と、上記接触角θを９０°以上とした状態で転写ピンを上昇させる工程と、を有する液体塗布方法を提供する。
【０００８】
一般に、接着剤、導電ペースト、シリコーンオイルなどの粘性を持つ液体ではその表面張力γが数十（ｍＮ／ｍ）であるのに対し、転写ピン（表面処理済みの金属材料の場合）の単位面積当たりの表面自由エネルギーＥは数百（ｍＮ／ｍ）程度であるから、Ｅ＞γであり、液体が転写ピンの表面に対して濡れる。つまり、転写ピンの表面と液体との接触角θが９０°より小さい。そのため、転写ピンを対象物に近づけた状態から引き上げると、転写ピンに液体の一部が残留してしまい、塗布量が安定しない。
ところが、転写ピンを対象物に近づけた状態で停止させ、この停止状態で転写ピンに超音波振動を印加すると、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θが９０°以上となる。この状態で転写ピンを上昇させると、液体が転写ピンの表面から簡単に分離し、転写ピンに液体を残留させずに対象物へ転写することができる。
転写ピンに液体が残留しないので、対象物への塗布量が安定するとともに、転写ピンに残留した液体を除去する作業も不要となる。
なお、超音波振動の方向は、縦方向（転写ピンの軸方向）でもよいし、横方向（転写ピンの軸線と直交方向）、さらには斜め方向でもよい。
【０００９】
請求項３のように、超音波振動の印加により、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とした後、所定の待機時間を設けた後に転写ピンを上昇させるようにしてもよい。
つまり、転写ピンの先端部と液体との接触角θが９０°以上となった時、即座に転写ピンを上昇させてもよいが、所定の待機時間を設ければ、より確実に転写ピンから液体を分離でき、液体を対象物に完全に転写できる。
上記の待機時間としては、例えば０．１秒程度でよい。
【００１０】
請求項４のように、次の関係式が成立する超音波振動を印加するのがよい。
２Ｍ（πｆＡ）2 ＞γL Ｓ ・・・（１）
但し、Ｍ：転写ピンの先端部底面への液体付着量（ｋｇ）、ｆ：超音波の周波数（Ｈｚ）、Ａ：超音波の振幅（ｍ）、γL ：液体の表面自由エネルギー（Ｊ／ｍ2 ）、Ｓ：液体の表面積（ｍ2 ）である。
上記不等式の左辺は超音波エネルギーを表し、右辺は液体の全表面エネルギーを表す。超音波振動の周波数および振幅を大きくすれば、それだけ転写ピンと液体との分離性は向上するが、大きなエネルギーを必要とするとともに、転写ピンの支持装置にも影響を与える。
上記式を満足する超音波振動を与えることで、比較的小さなエネルギーで、転写ピンの表面と液体との接触角θを９０°以上とする時間を短縮できる。
【００１１】
請求項１では、転写ピンの先端部に液体を付着させるために、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、を有することを特徴とする。
転写ピンの先端部に液体を付着させる場合、例えば液中に転写ピンの先端部を浸漬させる方法もあるが、これでは転写ピンの先端部底面だけでなく、先端部の周囲にも付着することになる。先端部の周囲に付着した液体の量は毎回変動するので、塗布量にばらつきが発生しやすい。
そこで、請求項１では、均一に均された液面に転写ピンを接触させ、先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御し、その後で転写ピンを上昇させる。転写ピンを液体中に挿入すると、転写ピンの側面と液体との接触角αは挿入深さに伴って大きくなり、やがて接触角αは９０°以上になる。さらに転写ピンを深く挿入すると、接触角αは９０°より小さくなり、液体が転写ピンの側面に濡れ広がる。
そこで、接触角αが９０°以上になった深さで転写ピンを停止させ、その位置から転写ピンを引き上げることで、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させることができる。先端部底面に付着した液体の量Ｍは、次式のように底面積によって決まるので、安定した塗布量に制御できる。
【数１】
請求項１にかかる方法は、降伏応力を有しない液体に適用するのが望ましい。降伏応力を有しない液体とは、液体流動させるのに必要な応力が０の液体のことであり、例えばアンダーフィル剤やシリコーンオイルなどがある。
【００１２】
請求項２のように、転写ピンの先端部に液体を付着させるために、均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるように超音波振動を印加する工程と、上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、を有するものでもよい。
請求項１では、転写ピンの位置を制御することで、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるようにしたが、請求項２では超音波振動を印加することで、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αを９０°以上としたものである。つまり、転写ピンを液体に挿入した時には接触角αが９０°より小さくても、超音波振動を印加することで液体が転写ピンの側面に対して弾かれ、接触角αが９０°以上となる。この時に転写ピンを引き上げると、先端部底面のみに液体を付着させることができる。超音波振動の方向は縦方向でもよいし、横方向あるいは斜め方向でもよい。
この場合も、（２）式と同様に、液量を転写ピンの先端部底面の直径Ｄによって一定に定量できる。
請求項２にかかる方法は、降伏応力を有する液体に適用するのが望ましい。降伏応力を有する液体とは、液体流動させるのに必要な応力が０ではない液体のことであり、例えば接着剤、導電性ペースト、封止用樹脂、クリームはんだ、セラミックスラリー、ワックスなどがある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる液体塗布装置の一例を示す。
図において、１は転写ピンであり、その下端部には軸部１ａが一体に形成されている。転写ピン１はＳＵＳなどの金属材料よりなり、軸部１ａは例えば直径が０．４ｍｍ程度の細径な円柱形に形成されている。軸部１ａの表面には、表面自由エネルギーをできるだけ低くするため、フッ素コーティング処理が施されている。
【００１４】
転写ピン１は、駆動装置２に連結されており、上下方向に駆動されるとともに、高さ位置が高精度に制御される。駆動装置２としては、例えばボイスコイルモータや、電動モータとボールネジ機構との組み合わせなどを用いることができる。転写ピン１の上部には、所定の縦振動Ｕ（例えば６０ｋＨｚ、５μｍ0-P ）を転写ピン１に印加する超音波振動子３が取り付けられている。
【００１５】
転写ピン１の下方には、水平方向に移動可能なテーブル４，５が設けられ、一方のテーブル４上には液体Ｌを貯留した容器６が載置され、他方のテーブル５上には液体Ｌを塗布する対象物７が載置されている。この実施例の液体Ｌは、例えば粘度：５０Ｐａ・ｓ、密度：０．９７６ｍｇ／ｍｍ3 のシリコーンオイルである。容器６には、貯留された液体Ｌの液面を均すための液面均し手段（図示せず）が設けられ、１回の転写毎に液面を均す操作を実施する。
【００１６】
図２は転写ピンの先端部に液体を付着させる動作を示す原理図である。
図２の（ａ）は、容器６を転写ピン１の直下になる位置へテーブル４を水平移動させ、駆動装置２によって転写ピン１を降下させ、転写ピン１の軸部１ａの底面を容器６の液体Ｌの均一に均された液面に接触させた状態を示す。この状態では、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°より小さい。
図２の（ｂ）は、駆動装置２によって転写ピン１をさらに降下させ、軸部１ａを液体Ｌの液面より僅かに浸漬させ、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置（例えば浸漬深さ４０μｍ以下程度）に制御した状態を示す。
図２の（ｃ）は、軸部１ａを液体Ｌの液面から引き上げた状態を示す。上記のように軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°以上の状態から軸部１ａを引き上げると、軸部１ａの底面のみに液体を付着させることができる。この時、軸部１ａには一定量の液体Ｌが付着する。
【００１７】
図２の（ｂ）では、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピン１を制御したが、上記の方法以外にも、接触角αを９０°以上とすることが可能である。
すなわち、軸部１ａの側面と液面との接触角αが９０°より小さい位置へ浸漬した状態で、転写ピン１に縦方向の超音波振動Ｕ（図２の（ｂ）に破線矢印で示す）を印加すると、やがて接触角αが９０°以上になるので、この時点で転写ピン１を引き上げれば、図２と同様に、軸部１ａの底面のみに液体Ｌを付着させることができる。
【００１８】
軸部１ａの底面に付着した液体の量Ｍは、液体密度をρ（ｍｇ／ｍｍ3 ）、軸部１ａの底面と液体との接触角をβ（°）、軸部１ａの底面の直径をＤ（ｍｍ）とすると、次式によって求めることができる。
【数２】
【００１９】
図３は転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作を示す。
図３の（ａ）は、転写ピン１の軸部１ａを対象物７に近づけ、液体Ｌを対象物７に接触させた状態を示す。この状態では、軸部１ａの側面と液面との接触角θは９０°より小さい。
図３の（ｂ）は、転写ピン１に縦方向の超音波振動Ｕを印加した状態を示す。超音波振動Ｕの印加により、液体Ｌのみかけ上の表面張力が大きくなり、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θが９０°以上となる。接触角θが９０°以上となった後、僅かな待機時間（例えば０．１ｓ）を設けた後に転写ピン１を引き上げる。
超音波振動の印加条件は、次の式が成立するように設定する。すなわち、転写ピンの先端部底面への液体付着量Ｍ（ｋｇ）、超音波の振幅Ａ（ｍ）、超音波の周波数ｆ（Ｈｚ）、液体の表面自由エネルギーγL （Ｊ／ｍ2 ）、液体の表面積Ｓ（ｍ2 ）とすると、
２Ｍ（πｆＡ）2 ＞γL Ｓ ・・・（１）
である。
例えば、Ｍ＝１０μｇ、γL ＝２１．３×１０-3Ｊ／ｍ2 、Ｓ＝０．１９×１０-6ｍ2 の場合、ｆ＝６０ｋＨｚ、Ａ＝５μｍ0-Pとすれば、接触角θを９０°以上とすることができる。
図３の（ｃ）は転写ピン１を引き上げる状態を示す。引上げる途中も、超音波振動Ｕを転写ピン１に印加するのがよい。これにより、液体Ｌは完全に対象物７に転着され、軸部１ａには液体Ｌが残留しない。すなわち、（２）式で求めた液体Ｌの量Ｍが全て対象物７に乗り移るので、高精度な塗布を実現できる。
【００２０】
図４は、転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作の他の例を示す。
図３の（ｂ）では、軸部１ａの側面に液体Ｌが付着しない状態で超音波振動Ｕを印加することにより、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上としたが、図４に示すように、軸部１ａの側面に液体Ｌが付着した状態で超音波振動Ｕを印加しても、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上とすることが可能である。
この場合も、転写ピン１を引き上げると、軸部１ａには液体Ｌが残留しない。
【００２１】
図５は、転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作のさらに他の例を示す。
図３，図４では、転写ピン１に超音波振動Ｕを印加することにより、軸部１ａの側面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上とした例を示したが、図５では軸部１ａの底面と液体Ｌとの接触角θを９０°以上としたものである。
図５の（ａ）は、底面に液体Ｌが付着した軸部１ａを示す。
図５の（ｂ）は、軸部１ａを対象物７に近づけ、液体Ｌを対象物７に接触させた状態を示す。この時の軸部１ａは、図３の（ｂ）に比べて対象物７から離れた位置にあり、液体Ｌは軸部１ａの底面から外側へはみ出していない。
図５の（ｃ）は縦方向の超音波振動Ｕを印加した状態を示す。超音波振動Ｕの印加により、軸部１ａの底面と液体Ｌとの接触角θが９０°以上となる。
図５の（ｄ）は、軸部１ａを引き上げた状態を示し、対象物７に全ての液体Ｌが転写され、軸部１ａには液体Ｌが残留しない。
【００２２】
上記実施例では、転写ピン１の先端部（軸部１ａ）の底面のみに液体Ｌを付着させる例を示したが、底面だけでなく側面にも液体を付着させてもよい。但し、側面に液体が付着すると、液体が転写ピンに残留しやすくなるとともに、液体の塗布量のばらつきが発生しやすくなる。これに対し、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させれば、上記の問題を解消できるので、望ましい。
【００２３】
図１に示す液体塗布装置では、転写ピン１の下方に可動テーブル４，５を設け、このテーブル４，５上に液体容器６および対象物７をそれぞれ配置し、転写ピン１は上下方向にのみ駆動され、容器６と対象物７が水平方向に駆動される例を示したが、これに限るものではない。例えば転写ピン１および駆動装置２をロボットのアームなどに取り付け、転写ピン１を水平方向に移動させることにより、液体容器６から液体Ｌを受け取り、対象物７へ転写するようにしてもよい。その他、転写ピン１、容器６、対象物７の駆動機構は任意に設定できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、液体を付着させた転写ピンを液体が対象物に接触する位置で停止させた状態で転写ピンに超音波振動を印加することにより、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とし、その後で転写ピンを引き上げるようにしたので、液体が転写ピンの表面から簡単に分離し、転写ピンに液体を残留させずに対象物へ転写することができる。
そのため、対象物への高い塗布精度を維持できるとともに、転写ピンに残留した液体を除去する作業も不要となるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体塗布装置の一例の概略図である。
【図２】転写ピンの先端部に液体を付着させる動作を示す原理図である。
【図３】転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作の原理図である。
【図４】転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作の他の実施例の原理図である。
【図５】転写ピンの先端部に付着した液体を対象物に転着させる動作のさらに他の例の原理図である。
【符号の説明】
１ 転写ピン
１ａ 軸部
２ 上下駆動装置
３ 超音波振動子
４，５ テーブル
６ 容器
７ 対象物
Ｌ 液体
Claims (4)
- 転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる液体塗布方法において、
均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となる位置に転写ピンを制御する工程と、
上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、
上記先端部に一定量の液体を付着させた転写ピンを対象物に対して降下させ、上記液体が対象物に接触する位置で転写ピンを停止させる工程と、
上記停止状態で転写ピンに超音波振動を印加し、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とする工程と、
上記接触角θを９０°以上とした状態で転写ピンを上昇させる工程と、を有する液体塗布方法。 - 転写ピンの先端部に液体を付着させ、これを対象物に転着させる液体塗布方法において、
均一に均された液面に上記転写ピンの先端部を接触させ、転写ピンの先端部側面と液面との接触角αが９０°以上となるように超音波振動を印加する工程と、
上記転写ピンを上昇させることにより、転写ピンの先端部底面のみに液体を付着させる工程と、
上記先端部に一定量の液体を付着させた転写ピンを対象物に対して降下させ、上記液体が対象物に接触する位置で転写ピンを停止させる工程と、
上記停止状態で転写ピンに超音波振動を印加し、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とする工程と、
上記接触角θを９０°以上とした状態で転写ピンを上昇させる工程と、を有する液体塗布方法。 - 上記転写時の超音波振動の印加により、転写ピンの先端部底面または先端部側面と液体との接触角θを９０°以上とした後、所定の待機時間を設けた後に転写ピンを上昇させることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体塗布方法。
- 次の関係式が成立する超音波振動を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体塗布方法。
２Ｍ（πｆＡ）2 ＞γL Ｓ ・・・（１）
但し、Ｍ：転写ピンの先端部底面への液体付着量（ｋｇ）、ｆ：超音波の周波数（Ｈｚ）、Ａ：超音波の振幅（ｍ）、γL ：液体の表面自由エネルギー（Ｊ／ｍ2 、Ｓ：液体の表面積（ｍ2 ）である。
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