具有改進的邊緣清晰度的用於分配粘性流體的流體分配器及方法

2023-12-03 02:15:36

專利名稱：具有改進的邊緣清晰度的用於分配粘性流體的流體分配器及方法
技術領域：
本發明一般地涉及用於分配粘性流體的流體分配器，且特別地涉 及構造為以改進的精確性和邊緣清晰度將粘性流體分配到基片上的流 體分配器。
背景技術：
非接觸流體分配器經常用於將微量的粘性材料施加到基片上。例 如，非接觸流體分配器用於將多種小量的粘性材料施加到例如印刷電
路板(PCB)或半導體載體或晶片的電子基片上。存在從非接觸分配器 將粘性材料分配到基片上的多種應用。在半導體包裝組件中，存在用 於底部填充、在球柵陣列內的焊球強化、圍堰和填充操作、晶片封裝、 底部填充晶片尺度包裝、腔填充分配、管芯接附分配、蓋板密封分配、 無流動底部填充、助焊劑噴射和分配熱化合物等使用的應用。對於表 面安裝技術PCB生產，表面安裝粘合劑、焊膏、傳導粘合劑和阻焊層材 料可以從非接觸分配器以及選擇性助焊劑噴射來分配。保形塗料(敷
形塗料)也可以使用非接觸分配器選擇地施加。也存在如下領域內的 應用盤驅動工業、用於醫療電子器件的生命科學應用和一般工業應 用，以用於結合、密封、形成墊圈、塗覆和潤滑。
常規的自動流體分配系統包括安裝在機器人上的非接觸流體分配 器，該機器人具有鉸接臂，該臂將分配器相對於接收基片移動。系統 裝配為精確地將粘性材料的量再生產地從流體分配器分配到每個基片 上的目標位置處。在常規流體分配器內的流動和流體的排出通過闊組 件調節，閥組件的特徵是在流體通道內的閥座和可移動的閥元件以選 擇地接觸閥座來提供不同的打開和關閉條件，這分別允許和中斷了材料到分配孔的流動。因此，在打開和關閉位置之間的周期性移動導致 間歇的流動不連續性，這對於在產品或產品包裝的表面上生成流體圖 案是必需的。
常規的自動流體分配器依賴於多種技術以將粘性流體分配在例如 PCB的電子器件基片上的大表面積上。為避免與從基片表面突出的物體 接觸，流體分配器懸掛在基片上方且在分配液體時相對於基片移動。 一個解決方法涉及將在表面上選擇的區進行掩蓋且將流體無差別地噴 射到整個表面上。另一個解決方法為使用霧化噴射，該噴射具有很好 確定的扇寬。然而，此解決方法限制於低粘性的流體且沉積在基片上 的薄膜厚度隨著扇形噴射的邊緣之間的位置而變化。其他的解決方法 使用了能夠將流體以帶有良好確定的寬度的圖案(例如，螺旋形圖案) 分配的噴嘴或使用狹縫噴嘴。然而，對於霧化噴射或帶有圖案的流體 應用來說邊緣清晰度可能很差。
因此，可能希望提供能夠以改進的邊緣清晰度精度和精確的構造 厚度在基片的大表面區上施加粘性流體的流體分配器。

發明內容
根據本發明的一個實施例，提供了用於將加壓流體施加在靜止的 基片上以形成塗層的裝置。所述裝置包括至少一個流體分配器和機械 地與流體分配器(多個流體分配器)連接的多軸臺。每個流體分配器 包括執行器、包含加壓流體的流體室、與執行器連接的閥元件和與流 體室在閥座處連接的流體通路。每個流體分配器的執行器構造為將閥 元件相對於閥座在打開位置和關閉位置之間移動，在打開位置時允許 加壓流體從流體室流入到流體通路內，且在關閉位置時閥元件接觸闊 座以在流體室和流體通路之間建立流體密封。多軸臺構造為將流體分 配器(多個流體分配器)相對於靜止的基片移動。
所述裝置進一步包括至少一個與至少一個流體分配器機械地連接的噴嘴板。每個噴嘴板包括與流體通路連接的流體腔，和與流體室連 接的多個噴嘴。當每個流體分配器的閥元件處於打開位置時，相應的 流體腔構造為接收加壓流體以用於從多個噴嘴排出。
流體分配器(多個流體分配器)和噴嘴板能夠將多個不同類型的 流體分配且允許嚴格控制基片上的膜構造或厚度。流體分配器(多個 流體分配器)和噴嘴板能夠具有精確的邊緣清晰度，至少部分地因為 直線或梯形的圖案從噴嘴噴射分配，這些圖案在流體分配器(多個流 體分配器)相對於基片移動時重疊且限定了沉積在基片上的帶狀流體。 作為結果，流體分配器(多個流體分配器)能夠將流體分配到基片上 的更密集地包裝的物體上。
優選地，所述執行器包括承載所述閥元件的電樞、靜止的磁極件 和圍繞所述電樞和所述磁極件纏繞的電磁線圈，所述電磁線圈被選擇 地通電以用於生成能夠將所述電樞相對於所述磁極件移動的電磁場以 提供所述閥元件相對於所述閥座的打開位置和關閉位置。
優選地，所述至少一個流體分配器包括圍繞所述電樞的電樞管， 和設置在所述電樞管和所述電磁線圈之間的介電層。
優選地，所述電磁線圈包括多個直接纏繞在所述介電層上的繞組。
優選地，所述驅動器電路構造為以脈寬調製改變電流受限的輸出 信號的佔空因數，以確定所述閥元件在所述打開位置和關閉位置之間 移動的速度。
優選地，所述驅動器電路構造為在200 Hz或更高的頻率下對電流 受限的輸出信號進行脈寬調製使得佔空因數小於50%，且所述至少一
個流體分配器通過所述多軸臺被懸掛使得所述多個噴嘴位於在靜止的 基片上方大於0.25英寸的高度處。優選地，所述驅動器電路構造為與脈寬調製一起將電流受限的輸 出信號的頻率進行頻率調製。
優選地，所述多軸臺包括構造為在平面內移動所述多個流體分配 器的x-y定位器，和構造為在垂直於所述平面的方向上定位所述多個流 體分配器的z定位器。
優選地，所述噴嘴布置在第一平行行和第二平行行內，且在所述 第一平行行內的所述噴嘴在位置上相對於在所述第二平行行內的所述 噴嘴移位，使得所述噴嘴具有交錯的布置。
優選地，所述噴嘴的每個包括排出通路，所述排出通路包括內徑 和等於至少三倍的內徑的長度。
優選地，所述噴嘴的每個包括排出通路，所述排出通路具有大約6
密耳或更小的內徑。
根據本發明的另一實施例，提供了用於將加壓流體分配到靜止的 基片上以限定塗層的方法。所述方法包括將加壓流體的第一多個小滴 從第一多個噴嘴分配到靜止的基片上，且將加壓流體的第二多個小滴 從第二多個噴嘴分配到靜止的基片上。所述方法進一步包括將第一多
個噴嘴和第二多個噴嘴相對於靜止的基片移動同時將第一多個小滴和 第二多個小滴排出。
噴嘴板的構造與高頻運行和低佔空因數一起導致從噴嘴噴出的流 體在大致上平行於在每個噴嘴內的排出通路的中心線的方向上行進。 流體腔具有優化為最小化死體積且能夠實現高頻運行的尺寸。
優選地，脈寬調製的輸出信號具有50%或更小的佔空因數，且脈寬調製的輸出信號以至少200 Hz的頻率被輸送到執行器。
所述方法進一步包括將加壓流體周期地供給到與噴嘴的第一部 分連接的第一流體室；和將加壓流體周期地供給到與噴嘴的第二部分
連接的第二流體室。
所述方法進一步包括將加壓流體從第一流體室分配到噴嘴的第 一部分；和將加壓流體從第一流體室分配到噴嘴的第二部分。
所述方法中將噴嘴相對於靜止的基片移動進一步包括將噴嘴在 平面內移動；和設定噴嘴相對於平面的高度。


在此合併且形成了此申請書的一部分的附示了本發明的實施 例，且與以上給出的本發明的一般描述和以下給出的實施例的詳細描 述一起用於解釋本發明的原理。
圖l是根據本發明的實施例的具有並置空間關係的多個分配器的 透視圖。
圖2是大致沿圖l中的線2-2截取的截面視圖，其中所示分配器描繪
為處於關閉狀態。
圖3是大致沿圖l中的線3-3截取的截面視圖，其中所示分配器描繪
為處於關閉狀態。
圖4是與圖1的分配器一起使用的噴嘴板的一部分的透視圖，其中
噴嘴板描繪為從分配器移除。
圖5是圖4的噴嘴板的底視圖。 圖6是圖2的一部分的放大視圖。
圖7是包括根據本發明的實施例的包括圖1至圖6的流體分配器的
流體分配系統的示意性表示。
圖8是根據替代實施例的分配器和噴嘴板的部分截取的側視圖。圖9是圖8的分配器和噴嘴板的部分截取的端視圖。
圖10是與圖8的分配器一起使用的噴嘴板的透視圖，其中噴嘴板描
繪為從分配器移開。
圖ll是根據本發明的另一個替代實施例的分配器和噴嘴板的一部 分的透視圖，該替代實施例包括將噴嘴板與分配器間隔開的延伸部。
圖12是大致沿圖11的線12-12截取的截面視圖。
具體實施例方式
參考圖1至圖3，多個流體槍或分配器IO、 12、 14構造為單獨的分 配頭且可以在流體分配機或系統110中(圖7)使用以用於間歇地將一 定量的粘性流體分配到靜止的基片120上(圖7)。流體分配器IO、 12、 14可以用於分配環境溫度的粘性流體，包括冷的粘合劑或膠，以及可 以用於分配加熱的粘性液體，例如保形塗料、助焊劑和熱熔性粘合劑。 流體分配器IO、 12、 14以已知的方式運行，以用於間歇地將粘性流體 以離散的量分配在靜止的基片120上。如在圖l中示出，流體分配器IO、 12、 14並排定位在堆內或並置，以限定流體分配系統110的分配頭，且 與噴嘴板18關聯。流體分配器IO、 12、 14的緊湊性且特別是流體分配 器IO、 12、 14的狹窄性允許將相鄰流體分配器10、 12、 14之間的間隔 最小化和並置的流體分配器IO、 12、 14的更密集包裝。
流體分配器IO、 12、 14的每個具有大體上相同的構造。因此，流 體分配器10的如下描述被理解為等同地應用於流體分配器12和14。在 替代實施例中，另外的流體分配器(未示出)可以與流體分配器IO、 12、 14成為一組。流體分配器的總數將根據分配應用隨時變化。單獨 的流體分配器IO、 12、 14具有狹窄的寬度(例如，大約0.33英寸)，使 得多個單元可以並置布置，它們跨越了基片120的整個寬度或基片120
的寬度的一部分。
參考圖2和圖3，流體分配器10包括模塊體16、流體室22和流體入 口24，所述流體入口24構造為將流體室22與加熱歧管連接，所述加熱歧管與流體供給源25連通。在壓力下從流體供給源25供給的流體被允 許通過流體入口24到流體室22內。流體分配器10配備有電磁執行器， 該電磁執行器包括可移動電樞26，沿縱向軸線30與電樞26對齊的靜止 的磁極件28和在流體室22內的返回彈簧32，所述返回彈簧32在遠離磁 極件28的方向上偏置電樞26。整體閥杆34從電樞26軸向延伸。凸緣36 從閥杆34徑向向外突出。返回彈簧32在限定在流體室22內側的肩部38 和凸緣36之間以壓縮的狀態被捕獲。
電磁線圈40周向地圍繞帶有孔的電樞管41纏繞，電樞26和磁極件 28布置在該孔內。電磁線圈40的繞組與驅動器電路54電連接，所述驅 動器電路54將電磁線圈40以受控方式通電和斷電以操作流體分配器 10。布置在U形助焊劑返回件44和電磁線圈40之間的散熱器42吸收通電 的電磁線圈40生成的熱量。不同流體分配器IO、 12、 14的散熱器42接 觸，使得熱量可以在散熱器42之間傳遞且傳遞到帶有相對大的熱容量 的另外的體(未示出)，以用於從流體分配器IO、 12、 14吸收熱量， 且因此冷卻流體分配器IO、 12、 14。
在代表性實施例中，電磁線圈40與電樞管41電絕緣，例如通過將 諸如介電層43的電絕緣屏障布置在電磁線圈40的繞組和電樞管41的外 表面之間。介電層43可以通過聚醯亞胺層限定。 一個合適的聚醯亞胺 層是Kapton⑧聚醯亞胺膜，該膜商業上可從DuPontTM處獲得。在另一個 實施例中，電磁線圈40或電樞管41的外表面可以塗敷以薄的介電塗層。 在再另一個實施例中，電樞管41可以由陽極氧化鋁構建，其中電樞管 41的陽極化的外表面作為在電樞管41和電磁線圈40之間的電絕緣屏障 而起到介電作用。
介電層43消除了與電磁線圈40聯合使用的繞線軸的需要，這又可 以允許使用較大規格的線以用於電磁線圈40的繞組，因為作為省略繞 線軸的結果，可獲得更大的填充空間。大規格的線通過減少在通電的 電磁線圈40內生成的熱量而降低了線圈電阻且提高了電磁執行器的效率。這可有益於電磁線圈40的高頻運行。
當電磁線圈40的繞組被驅動器電路54通電和斷電時，布置在閥杆 34的自由端處的閥元件46與電樞26和閥杆34的移動同時移動。在代表 性實施例中圖示為具有球形或半球形形狀的閥元件46構造為在到排出 通路50的入口處接合閥座48。通過安裝板51固定在模塊體16和噴嘴板 18之間的閥座構件49上承載了閥座48 。
當電磁線圈40以來自驅動器電路54的脈衝電力通電時，流過電磁 線圈40的繞組的電流產生了電磁場。電磁場的場線限制於電樞26和磁 極件28以及模塊體16和助焊劑返回件44。場強度與流過電磁線圈40的 繞組的電流的大小成比例。當電磁線圈40的繞組以在合適的方向上流 動的充足的電流通電時，電磁場產生了足以克服通過返回彈簧32施加 的偏置力的吸引力，且將可移動電樞26向靜止的磁極件28移動。閥杆 34沿電樞26移動到打開位置，在打開位置處閥元件46與閥座48分開。 在打開位置處，流體能夠在壓力下從流體室22流入到通向噴嘴板18的 排出通道50內。
從流體室22排出的粘性流體通過從流體供給源25經由流體入口24 流入到流體室22內的新鮮流體供給而連續地補充。從流體供給源25通 過流體入口24引入的粘性流體也將流體室22加壓，這促進了流體從流 體室22到排出通路50內的流動。流體供給源25可以是以一個或多個常 規的加熱器加熱的流體歧管，加熱器例如為筒式電阻加熱器，且該流 體歧管配備有一個或多個常規的溫度傳感器，例如電阻溫度檢測器 (RTD)，電熱調節器，或熱電耦，從而提供反饋信號以用於溫度控 制器對於供給到加熱器(多個加熱器)的電力的調節。
當流體分配器10分配流體時，電樞26相對於磁極件28的位置通過 連續地將保持電流供給到電磁線圈40而得以維持。如果到電磁線圈40 的電流恆定，則電磁場同樣恆定且不隨時間變化。恆定的電磁場維持了足以抵抗返回彈簧32的偏置力的吸引力，該返回彈簧32在使電樞26 返回的方向上起作用以使閥元件46與閥座48接觸。
當從驅動器電路54輸送到電磁線圈40的繞組的電流被移除或降低 時，返回彈簧32將軸向力施加到電樞26上，電樞26將閥杆34向閥座48 移動。如在圖2中示出，當閥杆34被返回彈簧32的作用移動到完全關閉 的位置時，閥元件46接觸閥座48。從流體室22到排出通路50內的流體 流動終止，直至分配次序被初始化。在流體分配器10的此關閉的情況 中，填充流體室22的流體是靜態的且被加壓的。
系統控制器52提供了對於流體分配器10、 12、 14以及包含了流體 分配器IO、 12、 14的流體分配系統110 (圖7)的總體控制，該系統控 制器52協調了移動和動作。本領域一般技術人員將理解，系統控制器 52可以是可編程邏輯控制器(PLC)，數位訊號處理器(DSP)或另一 個帶有能夠執行存儲在存儲器內的軟體且執行在此所述功能的中央處 理器的基於微處理器的控制器。
人機接口 (HMI)設備126 (圖7)以已知的方式運行地連接到系 統控制器52。 HMI設備126可以包括輸出設備，例如字母數字顯示器、 觸控螢幕、和其他視覺指示器，還具有輸入設備和控制器，例如字母數 字鍵盤、指向設備、鍵區、按鍵、控制鈕等，它們能接受來自操作者 的指令或輸入且將鍵入的輸入傳遞到系統控制器52的中央處理單元。 系統控制器52也可以與控制面板130 (圖7)連接，控制面板130可以包 括用於手動初始化一定功能的按鍵，例如在設定、標定和流體材料裝 載期間。
參考圖2至圖6，與分配器IO、 12、 14連接的噴嘴板18包括主體58， 所述主體58具有面向模塊體16的上遊表面60和面向產品的下遊表面 62，流體從流體分配器10分配到該產品上。以螺栓孔64為代表的螺栓 孔在上遊表面60和下遊表面62之間延伸。以緊固件19、 20 (圖2)為代表的緊固件突出通過螺栓孔64，且緊固件19、 20的頭部接收在螺栓孔 64的埋頭區域內，使得頭部不突出超過下遊表面62的平面。安裝板51 也包括與螺栓孔64和分配器10、 12、 14的每個的模塊體16內的螺紋開 口對齊的開口，所述螺紋開口接收了緊固件19、 20的尖端。
具有腔67、 68、 69形式的噴嘴室或增壓室(plenum)凹入到主體 58的上遊表面60內。腔67流體連通地與來自流體分配器10的排出通路 50的出口連接。類似地，腔68流體連通地與來自流體分配器12的排出 通路50的出口連接，且腔69流體連通地與來自流體分配器14的排出通 路50的出口連接。墊片71保持在流體分配器10、 12、 14的安裝板51和 噴嘴板18的上遊表面60之間。可以由不鏽鋼構建的墊片71包括與不同 的流體分配器IO、 12、 14的排出出口50對齊的開口。另外，例如O型圈 的密封構件73布置在環繞了來自流體分配器10、 12、 14的每個的排出 出口50的環形腔內，且在墊片71和相應的模塊體16之間被壓縮。例如O 型圈的另一個密封構件75位於每個安裝板51的外徑內的溝槽內，且在 每個安裝板51和流體分配器10、 12、 14的相應的一個的模塊體16之間 被壓縮。
腔67、 68、 69是平的、薄的且通常為矩形的，且具有大體上相同 的構造。因此，如下的對於噴嘴板18的主體58內的腔67的描述被理解 為等同地適用於腔68和69。腔67包括底表面70和側壁72，側壁72在底 表面70和上遊表面60之間延伸。來自排出通路50的出口定位為與腔67 在腔67的幾何中心或幾何中心附近處相交，以用於平衡到不同的通道 74的流體分配。通道74延伸通過噴嘴板18的厚度且與下遊表面62相交。 每個通道74具有靠近底表面70的第一區域76和其直徑大於第一區域76 的直徑的第二區域78。每個通道74的第一區域76通過由噴嘴板18的材 料形成的側壁限定。每個通道74的第二區域78與主體58的下遊表面62 相交。過濾網(未示出)可以提供在通道74上方的腔67、 68、 69的每 個內，以在被分配的流體進入腔67、 68、 69之前從其移除微粒物且防 止阻塞。另外的過濾器可以安裝在不同的位置處以用於從流體移除微粒。
一般地，腔67的體積被最小化以最小化用於噴嘴板18內的加壓流 體的死區體積，且保證腔67的加壓在短的期間內發生。例如，腔67可 以具有大約0.5mm的深度(大約0.01969英寸)，大約1.8mm的長度(大 約0.07087英寸)和大約7mm的寬度(大約0.2756英寸)，使得體積大 約為6.3mm3。然而，本發明不在數字上如此受限制。腔67的體積的優 化可以促進分配器10以相對高的頻率的運行，該相對高的頻率可以考 慮為顯著高於大約30Hz的頻率。
噴嘴板18進一步包括多個噴嘴80，所述噴嘴80從腔67接收流體。 噴嘴80的一個布置在通道74的每個的第二區域78內。噴嘴80的每個包 括第一通路82和較狹窄的第二通路84，第一通路82的特徵在於直徑大 致上等於相應的通道74的第一區域76的直徑，流體從第二通路排出。 第一通路82布置在每個通道74的第一區域76和第二通路84之間。
以交錯行或線85a、 85b成陣列布置以促進關閉包裝的噴嘴80突出 超過噴嘴板18的下遊表面62且向基片120突出。噴嘴80布置為帶有在噴 嘴板18的寬度上大致相等的間隔。在一個實施例中，在線85a內的鄰近 的噴嘴80和在線85b內的鄰近的噴嘴可以通過間隔s和間隔x分開，所述 間隔s大約為1.528 mm (大約0.06016英寸)，所述間隔x在垂直於噴嘴 80的兩個線85a、 85b之間的方向上可以大約為0.764 mm (大約0.03008
英寸)。
噴嘴80可以包括藍寶石噴嘴，該噴嘴優選地設計為外徑略微小於 各通道74的第二區域78的直徑，該藍寶石噴嘴粘著地結合到通道74內。 在替代的實施例中，噴嘴80可以由鈦或鈦合金形成，例如Ti-6Al-4V合 金，且粘著地結合到各通道74的第二區域78的內側。 一個用於精確地 形成這樣的噴嘴80的技術利用了 Swiss screw machine以轉動噴嘴80，但 本發明不限制於此。如在圖6中最佳地示出，在噴嘴80的每個內的第二通路84可以成形 為直圓柱體，其特徵為高度或長度h和內徑d。在一個實施例中，長度h 與內徑d的比值至少為3比l。在另一個實施例中，長度h與內徑d的比值 大約為6比1。可以在這些範圍的一個內進行比值的選擇以導致噴出的 流體流以相對直的路徑離開第二通路84，當噴嘴80在基片120上方以相 對大的高度盤旋時這可能是重要的。
典型地，在每個噴嘴80內的第二通路84的內徑d大約為6密耳或更 小。在一個特定的實施例中，第二通路84的內徑d可以大約為5密耳(千 分之一英寸)。在另一個特定的實施例中，第二通路84的內徑d可以大 約為4密耳。在再另一個特定的實施例中，第二通路84的內徑d可以大 約為1密耳，這可以允許將其特徵為相對薄的膜構造的材料應用在基片 120上(圖6)，其原因是所伴隨的噴出的流體小滴的小尺寸。
在分配情況期間，系統控制器52導致驅動器電路54將流體分配器 10的電磁線圈40的繞組通電，以將閥元件46相對於閥座48移動(即將 電樞26相對於磁極件28移動)，且將處於壓力下的新鮮的流體量引入 到腔67內。當閥元件46從閥座48升起時，新鮮的加壓流體的量流動通 過排出通路50到腔67內。此來流的加壓流體的量將駐留在腔67內的流 體的體積排出到通道74內。當閥元件46接觸閥座48時，駐留在腔67內 的流體不再被加壓且不發生從腔68到通道74內的流動。當系統控制器 52指令流體分配器10將一定量的加壓流體引入到腔67時，流體從所有 噴嘴80的第二通路84同時排出。每個引入到腔67內的流體的量導致相 應的全部量的流體在與腔67連通的不同通道74內被分配。每個分配的 量作為流體的滴從噴嘴80的一個被噴出。
具有大致上相等的大小的噴出的流體的小滴以通過在噴嘴80和基 片120之間的打開的行進空間的軌跡移動。衝擊了基片120的流體小滴 的相對緊湊的位置類似於噴嘴80在噴嘴板18上的布置。流體小滴一起流動且合併(例如匯合)在基片120上以限定直線的或梯形的流體帶。
當流體分配器10相對於基片120移動時，流體分配器10連續地被激活以
分配連續的流體小滴的組作為重疊的帶，帶的總合具有被分配的流體 的帶的外觀。合併的流體小滴在基片上自平整，以限定具有相對均勻 的厚度的塗層或膜。
類似的考慮等同地適用於其他流體分配器12、 14，它們將加壓流 體分別供給到腔68和腔69。系統控制器52導致驅動器電路54將分配器 12和14的各電磁線圈40的繞組相互獨立地且也獨立於與流體分配器10 相關的電磁線圈40通電。以此方式，分配器IO、 12、 14的每個能夠獨 立地受控。
與腔67、 68、 69的每個相關的噴嘴80的個數將取決於分配應用而 變化。在一個實施例中，在噴嘴板1S內的腔67、 6S、 69的每個可以包 括九個噴嘴80，且在每個噴嘴S0內的第二通路84可以具有大約4密耳的 直徑。在另一個實施例中，在每個噴嘴板18內的腔67、 68、 69的每個 可以包括八個噴嘴80，且在每個噴嘴80內的第二通路84可以具有大約5 密耳的直徑。
在一個實施例中，在構造上類似於噴嘴板108 (圖IO)的具有單獨 的流體腔的噴嘴板能夠與單獨的分配器(例如分配器IO) —起使用， 以用於在基片120上沉積流體材料的窄帶。此構造可以例如適合於精確 地將保形塗層施加到窄的基片120上。
驅動器電路54包括電力切換電路，該電路提供了電流受控的輸出 信號到電磁線圈40的繞組。每個流體分配器IO、 12、 14的電磁線圈40 通過系統控制器52單獨地操作，在一個實施例中使用從驅動器電路54 的發送的電流受控的輸出信號的脈寬調製(PWM)來操作。為此目的， 驅動器電路54將供給到流體分配器10、 12、 14的每個的電磁線圈40的 繞組的電流的佔空因數進行調製。沉積在基片120上的膜的構造厚度能夠通過改變輸出信號的佔空因數而變化。
對於流體分配器IO、 12、 14的每個，驅動器電路54和系統控制器 52被使用以精確地調節和控制引入電流的施加，在引入電流後保持電 流以建立其中流體被排出的打開狀態，且從電磁線圈40去除電流以建 立關閉狀態。為此目的，驅動器電路54將快速引入電流施加到每個電 磁線圈40上以在分配周期的開始時快速地將各閥元件46移出與相應的 閥座48的接觸。另外，驅動器電路54維持降低的保持電流，該保持電 流保持了閥元件46處於打開位置，同時最小化了在分配期間在電磁線 圈40的繞組內疲勞生熱的量。最後，驅動器電路54提供對於電磁線圈 40的快速去磁，使得各閥元件46快速地移動為與其閥座48接觸，以在 分配周期的結束時建立關閉的狀態。這樣的驅動器電路例如在共同擁 有的美國專利No 6,978，978， 6，318,599、 No 5，812，355和No 4，467,182中 公開，在此通過參考將它們完整地合併。
在系統控制器52的控制下從驅動器電路54發送到每個電磁線圈40 的電流受控輸出信號的PWM導致各電樞26周期地且重複地相對於磁極 件28移動。這導致各閥元件46周期地在其打開位置和關閉位置之間相 對於相應的閥座48往復，且因此控制了小滴從由每個分配器IO、 12、 14使用的噴嘴80的排出或噴出。每當相應的閥元件46打開和關閉時， 一組小滴從由每個分配器IO、 12、 14使用的噴嘴80噴出。通過替換供 給到電磁線圈40的電流受控的輸出信號的佔空因數，不同的流體的量 能夠供給到腔67、 68、 69且隨後從噴嘴80排出作為每個具有與佔空因 數相關的大小的小滴的組。在確定小滴的大小時脈寬代表了一個因素， 因為在閥元件46的一個周期期間從噴嘴排出的流體的量直接取決於脈 寬。例如流體溫度、流體壓力等的其他因素也可以影響小滴的大小。
驅動器電路54能夠將PWM輸出信號的佔空因數從0X改變到100 %。在一個實施例中，PWM輸出信號的佔空因數可以小於50X，且在 另一個實施例中，PWM輸出信號的佔空因數可以大約為40X (即，40%的打開時間和60%的關閉時間)。在此方面，使用小於50%的佔空 因數可能促進排出的流體流直的行進路徑。供給到電磁線圈40的脈衝 的頻率可以為大約200 Hz到400 Hz。
使用PWM以從驅動器電路54向電磁線圈40以相對高的頻率且以 相對低的佔空因數輸送電流受控的輸出信號促進了從噴嘴80噴出的流 體流的直的行進路徑。作為結果，流體流更可能作為小滴在意圖中的 位置處衝擊基片120，這可能允許噴嘴80的分配高度與常規的分配系統 相比增加。這可能對於當噴射器IO、 12、 14相對於基片120移動時避開 在基片120上方以相對大的高度突出的物體或成分是有利的。例如，如 果電流受限的輸出信號佔空因數在50%以下且在200 Hz頻率或更高，則 所述至少一個流體分配器通過所述的多軸臺懸浮，使得所述多個噴嘴 位於靜止的基片上方大於0.25英寸的高度處。
替代地，流體分配器IO、 12、 14的每個的電磁線圈40通過系統控 制器52使用從驅動器電路54發出的電流受控的輸出信號的頻率調製來 獨立地操作。為此目的，驅動器電路54將供給到流體分配器10、 12、 14的每個的電磁線圈40的繞組的電流的頻率進行調製。頻率調製改變 了來自噴嘴80的小滴的相繼排出之間的時間，這有效地改變了從相同 的噴嘴80到基片120上噴出的連續的小滴的衝擊點之間的間隔，假定分 配頭以恆定的速度移動。在本發明的一個實施例中，頻率調製可以與 電流受控的輸出信號的PWM組合使用。
參考圖7，流體分配系統110包括櫃112,所述櫃112包括部分地通 過面板覆蓋的相互連接的水平和垂直梁的框架。流體分配器IO、 12、 14安裝在流體分配系統110內的多軸臺上，所述多軸臺包括由櫃112支 承的x-y臺定位器116和從x-y定位器116懸掛的z軸定位器114。 x-y定位 器116由一對獨立地可控的軸線驅動器(未示出)操作。類似地，z軸定 位器114通過另一個獨立地可控的軸線驅動器(未示出)操作。z軸定位 器114和x-y定位器116提供了三個用於流體分配器10、 12、 14的大體上垂直的運動軸線。z軸定位器114和x-y定位器116可以在實踐中包括任何 多種常規的機電和/或機械設備。
意圖於接收分配量的流體的基片120被傳送器128輸送到流體分配 器IO、 12、 14下方的靜止位置，但可以使用其他的輸送機構。x-y定位 器116能夠迅速地將分配器10、 12、 14作為一組相對於例如印刷電路板 的基片120的面對表面在x-y平面內以通過系統控制器52協調的高精度 協同控制來移動。z軸定位器114在垂直於x-y平面的方向上升起和降低 流體分配器IO、 12、 14以限定用於運動的三維笛卡爾坐標系。z軸定位 器114用於設定基片120上方的高度，從該高度處分配流體材料，使得 從基片120突出的物體當分配器10、 12、 14相對於基片120移動時不接 觸。典型地，z軸定位器114用於將流體分配器10、 12、 14放置在基片120 上方恆定的高度處，該高度避開了從基片120突出的物體。z軸定位器114 和x-y定位器116包括機電部件，例如馬達(例如伺服器)和驅動電路， 以移動流體分配器IO、 12、 14。然而，當流體分配器IO、 12、 14以單 一的固定高度懸掛時，流體可以被分配。
與系統控制器52、 x-y定位器116和z軸定位器114電連接的運動控 制器124 (圖2)控制流體分配器IO、 12、 14的三維移動。系統控制器 52典型地指令運動控制器124操作x-y定位器116和z軸定位器114以用於 以規定的方式移動流體分配器IO、 12、 14，此方式被重複以用於一系 列基片120。在一個實施例中，x-y定位器116能夠以直至大約40英寸/ 秒(大約l米/秒)的速度移動流體分配器IO、 12、 14。
在使用中，流體分配器IO、 12、 14的每個的電磁線圈40通過來自 在系統控制器52的控制下的驅動器電路54的電流受控的輸出信號被獨 立地控制。同時，流體分配器IO、 12、 14作為組由x-y定位器116在包含 有靜止基片120的平面上方給定的高度處移動。這將直線或梯形的流體 帶沉積在基片120上。當在基片120的表面上遇到物體或特徵時且根據 編程的塗層樣式，系統控制器52能夠通過中斷來自驅動器電路54的輸出脈衝的流動使得流體分配器IO、 12、 14的一個或多個不起作用，從
而促動少於全部流體分配器IO、 12、 14的流體分配器。流體不從閒置 的流體分配器IO、 12、 14排出。作為結果，流體分配器IO、 12、 14能 夠選擇地被激活，使得在基片120的表面上的某些物體、特徵或區域不 被流體覆蓋。這允許流體分配器IO、 12、 14選擇地將流體分配在基片 120上的區域內，而不改變流體分配器IO、 12、 14的運動方向。
例如，基片120上的部件或其他特徵可以具有小於穿過例如流體分 噴器12的流體分配器之一的噴嘴板18的噴嘴80的相應延伸度的寬度。 當流體分配器IO、 12、 14相對於基片120移動時，系統控制器52指定驅 動器電路54中斷到流體分配器12的輸出信號流，使得流體分配器12維 持關閉同時流體分配器IO、 12、 14在特徵上方且越過特徵移動，使得 特徵保持不被覆蓋。流體分配器10和14繼續將流體分配到與特徵相鄰 的基片上。流體分配器12在遇到特徵前關閉，且在通過特徵後再次供 給以控制信號，從而導致流體被排出以覆蓋基片120。
流體分配系統110克服了常規的塗敷系統中的許多缺陷，所述常規 的塗敷系統使基片在直線路徑上相對於帶有多個噴嘴的靜止的分配頭 平移。例如，這樣的常規的塗敷系統必須將基片的寬度與噴嘴陣列的 寬度匹配。另外，因為基片在單獨的方向上平移且不允許側向移動， 所以整個基片不能被塗敷。另外，此常規的分配方案缺少跟蹤圍繞基 片上意圖為不被覆蓋的區域的能力。
通常，常規的分配方案對於基片能夠相對於靜止的分配頭平移的 速度具有限制(每秒5英寸或更低)，且可能要求噴嘴帶有相對大的排 出通路(0.0155英寸或更大)。相比之下，流體分配系統110的多軸臺 能夠使分配頭相對於基片120以接近每秒40英寸(大約l米/秒)的速度 移動，此可能性的原因是流體分配器IO、 12、 14的高頻運行等。常規 的塗敷系統在其運行頻率上受到限制， 一般地為低於30Hz的頻率，此 限制可以通過流體分配系統110的特定的實施例來克服。常規的塗敷系統可以包括帶有相對大的流體腔和將該流體腔與分配器連接的一定長 度的管道的噴嘴板，而不是直接將噴嘴板18與流體分配器10、 12、 14 連接而不用幹涉管的長度且具有最小化的流體腔體積。
在替代的實施例中，流體分配系統110能夠包括不同類型的機構以 用於將流體分配器相對於基片120移動。例如，多軸臺可以通過可編程 機械機器人(未示出)替代，所述機器人具有承載了帶有分配器IO、 12、 14的分配頭的鉸接臂。可編程的機械機器人可以包括任何本領域 一般技術人員認可的普通構造，包括但不限制於笛卡爾構造和SCARA (選擇順應性裝配機器人手臂)構造。可編程機械機器人包括多種運 動控制器和電子系統設備，例如限位開關、傳感器、輸入輸出終端、 放大器、氣動閥、配件、螺線管、電源、可編程控制器和伺服馬達和 皮帶輪驅動器，以用於執行鉸接臂和分配頭的所需的多軸移動。
參考圖8至圖10，其中相同的參考數字涉及與圖1至圖7中相同的特 徵，且根據本發明的替代實施例，流體分配器85示出為能夠替換流體 分配器IO、 12、 14 (圖1至圖7)的一個或多個。流體分配器85包括與 噴嘴板18 (圖1至圖7)的噴嘴板108，但是，流體分配器85構造為使用 具有壓電執行器86的形式的轉矩馬達而不是電磁執行器運行。壓電執 行器86具有常規的構造，它通過杆臂89與軸或閥杆88機械地連接。閥 杆88通常相對於杆臂89法向突出。位於閥杆88的自由端處的閥元件90 通過壓電執行器86的運行而相對於承載在閥座構件92上的閥座91移 動。閥座構件92和閥元件91可以包括陶瓷材料，其成分被本領域一般 技術人員所了解。
閥座構件92連接到模塊體94，模塊體94包括容納了壓電執行器86 的內腔。閥座91限定了在排出通路95和流體室96之間接合處，流體室 96通過流體入口98與流體供給源25連接(圖2)。在壓力下從流體供給 源25供給的流體被允許通過流體入口98到流體室96內。密封構件97、 98、 99將提供了用於閥座構件92、模塊體94和噴嘴板108的流體密封封口。模塊體94包括細長的腔100，腔100被常規的加熱器(未示出)佔 據，例如筒式電阻加熱器。模塊體94也裝配有常規的溫度傳感器(未 示出)，例如RTD、電熱調節器、或熱電耦，從而提供了溫度控制器 調節供給到加熱器的電力中使用的反饋信號。
壓電執行器86通過絕緣線102、 104、 106與驅動器電路54電連接， 驅動器電路54將電流受限的輸出信號以脈寬調製、頻率調製或它們的 組合供給到執行器86，如以上關於供給到電磁線圈40的電力所描述。 絕緣線102電接地。絕緣線104與壓電執行器86的頂半部分電連接，且 絕緣線106與壓電執行器86的底半部分連接。當電力從驅動器電路54通 過絕緣線106供給到壓電執行器86的底半部分時建立了電場，所述電場 改變了執行器86的維度，使得杆臂89向上樞轉。壓電執行器86的向上 移動(也通過杆臂91的移動機械地放大)將閥元件90從閥座91升起， 使得加壓流體能夠從流體室96流入排出通路95內。當電力從驅動器電 路54通過絕緣線104供給到壓電執行器86的頂半部分時建立了電場，所 述電場改變了執行器86的尺寸，使得杆臂89向下樞轉。此向下移動(通 過杆臂89的移動機械地放大)將閥杆88向下移動以使得閥元件90與閥 座91接觸。
其他類型的壓電執行的分配器能夠與噴嘴板108結合使用。例如， 壓電致動的分配器可以包括將壓電執行器的輸出驅動力轉換為用於閥 杆88的有用位移的機械式放大器，所述有用位移大體上大於執行器的 相對小的輸出位移，該機械放大器在美國專利No. 6，157,115中描述，在 此通過參考將其完整合併。
如在圖10中最佳地示出，噴嘴板108包括僅一個流體腔107，流體 腔107在構造上和功能上類似於流體分配器67、 68、 69。腔107將排出 出口95與噴嘴80的陣列流體連通地連接，如以上關於噴嘴板18和腔67、 68、 69所解釋。防護構件109a、 109b附接到噴嘴板108的相對的側邊緣 上，該防護構件109a、 109b在分配器85通過多軸臺在x-y平面內相對於基片120移動時保護了噴嘴80不接觸。噴嘴80在防護構件109a、 109b之 間間隔開地定位。防護構件109a、 109b從噴嘴板108突出大於噴嘴80的 距離，這也防止了當分配器85沿z方向相對於基片120移動時基片120上 的部件或物體和噴嘴8 0之間的接觸。
系統控制器52的驅動器電路54能夠將輸送到壓電元件86的PWM 輸出信號的佔空因數從0%改變到100%。在一個實施例中，PWM輸出 信號的佔空因數可以小於50%,且在另一個實施例中，PWM輸出信號 的佔空因數可以大約為25% (即25%的開啟時間和75%的關閉時間)。 供給到電磁線圈40的脈衝的頻率可以為大約200 Hz到400 Hz，或可選地 直至大約l kHz或甚至更高。分配器85也可以使用從系統控制器52的驅 動器電路54輸送的頻率調製輸出信號或PWM和頻率調製輸出信號的組 合來操作。
參考圖11和圖12，其中相同的參考數字涉及與圖1至圖7中相同的 特徵，且根據本發明的替代實施例，類似於噴嘴板18 (圖1至圖7)的 噴嘴板134與將噴嘴板134與流體分配器10間隔的延伸部分136聯合使 用。延伸部分136在一端處包括安裝板138且在相對端處包括另一個安 裝板140和將安裝板138和140連接的杆142，所述安裝板138以流體密封 方式與分配器10的模塊體16連接。噴嘴板134包括主體144，該主體在 構造上和功能上類似於主體58 (圖1至圖7)，且包括在構造上和功能 上等價於噴嘴80 (圖1至圖7)的噴嘴146。在一個實施例中，噴嘴板134 的主體144可以在延伸部分136的最遠離分配器10的自由端處雷射焊接 到安裝板140。
中心地限定在延伸部分136內側的中心孔149延伸了分配器10的流 體室22。中心孔149在承載在閥座構件154的閥座152處結合了排出通路 150。類似於閥杆134的閥杆156從電樞26突出到中心孔149內。當電磁 線圈40的繞組被系統控制器152的電源通電和斷電時電樞26和閥杆156 被移動。閥座152在關閉狀態中被閥杆156的自由端處的閥元件46接觸。排出通路150與限定在噴嘴板134內的流體腔158連通。當分配器IO 運行時，噴嘴146將連續量的加壓流體從流體腔158排出。具有相對窄 的外形的延伸部分136將噴嘴板134從分配器10所具有的較大外形分 開。這允許噴嘴板134放置在基片120上的鄰近的高外形部件之間，這 有效地降低了當在這樣的高外形部件之間分配流體時噴嘴146在基片 120上方的高度。這可以促進將流體更精確地分配在基片120上。
為描述的目的，例如"向上"、"垂直"、"水平"、"右側"、 "左側"等方向性詞語與附圖聯合使用以用於清晰性目的。如所熟知，
液體分配設備可以大體上定向在任何方向，因此這些方向性詞語不應 用於意味著任何用於與本發明一致的設備的特定的絕對方向。
雖然本發明已通過對於多種實施例的描述圖示且同時這些實施例 已經以相當的細節描述，但申請人的目的不是約束或以任何方式限制 所附權利要求的範圍到這樣的細節。另外的優點和修改將對於本領域 一般技術人員是容易地顯見的。本發明在其更廣的方面中因此不限制 於特定的細節、代表性方法和示出且描述的圖示的例子。因此，可以 偏離這樣的細節而不偏離申請人的一般發明構思的精神或範圍。
權利要求
1. 一種用於將加壓流體施加到靜止的基片上的裝置，所述裝置包括至少一個流體分配器，包括執行器、包含加壓流體的流體室、與所述執行器連接的閥元件、流體通路、在所述流體室和所述流體通路之間的閥座，所述執行器構造為將所述閥元件相對於所述閥座在打開位置和關閉位置之間移動，在該打開位置時允許加壓流體從所述流體室流入到所述流體通路內，且在該關閉位置時所述閥元件接觸所述閥座以在所述流體室和所述流體通路之間建立流體密封；與所述至少一個流體分配器機械地連接的多軸臺，所述多軸臺構造為將所述至少一個流體分配器相對於靜止的基片移動；和與所述多個流體分配器的相應的一個機械地連接的至少一個噴嘴板，所述至少一個噴嘴板包括與所述流體通路連接的流體腔，和與所述流體室連接的多個噴嘴，所述流體腔構造為當所述至少一個流體分配器的所述閥元件處於打開位置時從所述至少一個流體分配器接收加壓流體，以用於從所述多個噴嘴排出。
2. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述執行器包括承載所述閥元件的閥杆、至少一個壓電執行器和將所述至少一個壓電執行器與所 述閥杆連接的杆臂，所述至少一個壓電執行器選擇地被通電以用於將 所述杆臂偏轉以移動所述閥杆來提供所述閥元件相對於所述閥座的打 開位置和關閉位置。
3. 根據權利要求l所述的裝置，進一步包括與所述執行器電連 接的驅動器電路，所述驅動器電路構造為將電流受限的輸出信號傳送 到所述至少一個流體分配器的所述執行器，所述電流受限的輸出信號 被脈寬調製以用於調節所述閥元件在所述打開位置和關閉位置之間的 移動。
4. 根據權利要求l所述的裝置，進一步包括與所述執行器電連接的驅動器電路，所述驅動器電路構造為將電流受限的輸出信號傳送到所述流體分配器的每個的所述執行器，所述電流受限的輸出信號被 頻率調製以用於調節所述閥元件在所述打開位置和關閉位置之間的移動。
5. 根據權利要求l所述的裝置，進一步包括設置在所述噴嘴板 和分配器之間的延伸部分，所述延伸部分將所述噴嘴板從所述分配器 間隔開，且所述延伸部分包括將所述流體腔與所述流體通路連接的孔。
6. —種將加壓流體分配到靜止的基片上以限定塗層的方法，所述 方法包括將加壓流體的多個小滴從多個噴嘴排出到靜止的基片上；和 在排出小滴時將噴嘴相對於靜止基片移動。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中排出小滴進一步包括將脈 寬調製的輸出信號輸送到流體分配器的執行器。
8.根據權利要求6所述的方法，其中排出小滴進一步包括將頻 率調製的輸出信號輸送到流體分配器的執行器。
9. 根據權利要求6所述的方法，進一步包括 將加壓流體從第一流體分配器供給到噴嘴的第一部分；和將加壓流體與供給到第一多個噴嘴的加壓流體獨立地從第二流體 分配器供給到噴嘴的第二部分。
10. 根據權利要求6所述的方法，進一步包括調節小滴的尺寸，使得小滴在基片上合併在一起以形成限定塗層 的連續層。
全文摘要
具有改進的邊緣清晰度的用於分配粘性流體的流體分配器及方法。當分配頭通過多軸臺相對於靜止的基片移動時，加壓流體以脈衝的形式周期性地供給到分配頭的噴嘴板內的噴嘴。小滴從噴嘴排出且衝擊在基片上。小滴合併在一起以限定塗層。來自一個或多個噴嘴組的排出能夠臨時地懸掛以避免當鄰近的區域繼續接收流體小滴時塗敷在基片上的部件或區域。
文檔編號B05B9/04GK101422763SQ200810171038
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者威廉·L·小哈斯勒, 約·D·德勞 申請人:諾信公司