液滴吐出裝置及方法與流程

2023-09-15 11:36:10

技術領域

本發明涉及不管其填料的含有如何均精度良好地微量吐出自水、溶劑、試劑等的低粘性材料到焊料膏體、銀膏體、粘結劑等的高粘性材料的液體材料的液滴吐出裝置及方法。

背景技術：

作為使用往復移動的柱塞並自吐出口吐出少量的液體材料的液滴吐出裝置，到目前為止提出了各種的技術。

作為使柱塞的前端接觸於閥座而吐出的類型的液滴吐出裝置，例如在專利文獻1中公開了作為在使液體材料自噴嘴離開之後著陸於工件的液滴吐出裝置，柱塞的側面非接觸地配設於在連接於噴嘴的出口附近具有閥座的流路內，通過柱塞的前端向閥座移動並抵接於閥座，從而以液滴的狀態自噴嘴吐出液體材料的裝置。

然而，若使柱塞抵接於閥座，則存在柱塞磨損而發生形狀變化的問題、產生磨損粉或磨損片而汙染液體材料或者夾在柱塞與閥座之間而妨礙良好的吐出的問題。

因此，作為將柱塞的前端不接觸於閥座而吐出的液滴吐出裝置，申請人提出了通過使柱塞進出移動及進出停止，從而對液體材料賦予慣性力並以液滴的狀態吐出的液滴吐出裝置，其具備將進出停止時的柱塞的前端部的位置規定於處於其進出方向的液室的內壁附近的柱塞定位機構(專利文獻2)。

另外，在專利文獻3中公開了通過將由驅動裝置使杆端面以極小的衝程(stroke)並且以高加速度及大的力在室內部前後位移所形成的壓力波在室中的材料內傳播，從而配置自噴嘴開口吐出材料的流體的滴的裝置。

然而，近年來，在謀求電子器械類的小型化、輕量化中，搭載於其的電子部件的小型化、輕量化正在進展。例如，從2005年前後起搭載有能夠大幅地減少安裝面積的稱為「0402部件」的安裝尺寸400μm×200μm的部件。0402部件，現狀是由金屬版的焊料印刷來進行安裝，但是，存在在與大型部件的混合存在中需要半蝕刻等的工夫的問題。另外，也存在要求塗布量(塗布厚度)的個別控制的問題。因此，利用印刷的安裝的成品率惡化。再有，為了確保印刷性，有時部件配置出現限制。

在使用往復移動的柱塞的液滴吐出裝置中，由於能夠通過柱塞的動作控制液體材料，因此，不會發生這些問題。然而，到目前為止，在該種裝置中還未實現使柱塞不抵接於閥座，微量(例如，著陸直徑為數十～數百μm)並且高精度地滴狀吐出小型部件所需要的焊料膏體等的液體。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：國際公開第98/10251號小冊子

專利文獻2：國際公開第2008/108097號小冊子

專利文獻3：國際公開第98/16323號小冊子

技術實現要素：

發明所要解決的問題

本發明的課題在於，在使用往復移動的柱塞的液滴吐出裝置中，使柱塞不抵接於液室內壁(閥座)並高精度地吐出微量的液滴。

另外，在相同的液滴吐出裝置中，吐出自低粘度遍及高粘度的各種液體也是本發明要解決的問題。

解決問題的技術手段

第1發明為液滴吐出裝置，其特徵在於，具備前端構成吐出口的吐出路、柱塞、插入有柱塞的液室、使柱塞進退運動的柱塞驅動機構、以及規定柱塞的前端部的位置的柱塞定位機構，通過在柱塞的前端部與液室的內壁非接觸的狀態下使柱塞前進移動，從而對液體材料賦予慣性力並以液滴的狀態吐出，通過使柱塞前進移動，從而自吐出口擠出形成所期望的液滴所需要的量的液體材料，接著，通過使柱塞後退移動，從而切斷自吐出口擠出的液體材料並形成微量的液滴。

第2發明的特徵在於，在第1發明中，吐出路由前端構成吐出口的第1流路、以及與第1流路及液室連通且直徑大於第1流路的第2流路構成。

第3發明的特徵在於，在第2發明中，在通過使柱塞後退移動從而切斷自吐出口擠出的液體材料之後，進一步使柱塞後退移動，在吐出路的第1流路內或第2流路內形成氣液界面，使柱塞的移動停止。

第4發明的特徵在於，在第1發明中，在通過使柱塞後退移動從而切斷自吐出口擠出的液體材料之後，進一步使柱塞後退移動並在吐出路內形成氣液界面，使柱塞的移動停止。

第5發明的特徵在於，在第3或4發明中，在吐出路內形成氣液界面，通過自停止移動的時候的柱塞的位置使柱塞前進移動，從而自吐出口擠出形成所期望的液滴所需要的量的液體材料，接著通過使柱塞後退移動，從而切斷自吐出口擠出的液體材料並連續形成微量的液滴。

第6發明的特徵在於，在第1～5發明的任一個發明中，吐出口的內徑為數十μm以下。

第7發明為液滴吐出方法，其特徵在於，是使用液滴吐出裝置，通過在柱塞的前端部與液室的內壁非接觸的狀態下，使柱塞前進移動，從而對液體材料賦予慣性力並以液滴的狀態吐出的液滴吐出方法，液滴吐出裝置具備前端構成吐出口的吐出路、柱塞、插入有柱塞的液室、使柱塞進退運動的柱塞驅動機構、以及規定柱塞的前端部的位置的柱塞定位機構，液滴吐出方法具有：擠出工序，通過使柱塞前進移動，從而自吐出口擠出形成所期望的液滴所需要的量的液體材料；以及切斷工序，通過使柱塞後退移動，從而切斷自該吐出口擠出的液體材料並形成微量的液滴。

第8發明的特徵在於，在第7發明中，在切斷工序後進一步具有使柱塞後退移動而在吐出路內形成氣液界面並使柱塞的移動停止的吸入工序。

第9發明的特徵在於，在第7或8發明中，液體材料是含有固體物質的液體材料，將擠出工序中的柱塞的前端部與液室的內壁的距離設定成大於固體物質。

第10發明的特徵在於，在第7～9發明的任一個發明中，吐出口的內徑為數十μm以下。

第11發明的特徵在於，在第7～10發明的任一個發明中，液體材料的粘度為10000mPa·s以上。

第12發明的特徵在於，在第7～11發明的任一個發明中，擠出工序中的柱塞的前進移動距離大於緊接於該工序之後的柱塞的前端部與液室的內壁的距離。在此，擠出工序中的柱塞的前進移動距離優選為緊接於該工序之後的柱塞的前端部與液室的內壁的距離的3倍以上，更加優選為6倍以上，特別優選為10倍以上。

發明的效果

根據本發明，能夠高精度地吐出一直以來無法不使柱塞(閥體)抵接於液室內壁(閥座)來吐出的微量的液滴。

另外，由於閥體與閥座不接觸，因而不產生摩擦片或微粒(particle)，沒有它們混入到材料中的擔憂，可以進行無汙染的微量吐出。

另外，即使在液體材料含有填料(filler)等的固體物質的情況下，也可以防止固體物質的壓毀或破損所造成的吐出精度的降低，並且可以不損失液體材料的機能、性質來吐出。

附圖說明

圖1是用於說明柱塞的位置與液體材料的狀態的關係的、液滴吐出裝置的主要部分的側面剖視圖，(a)顯示第1階段，(b)顯示第2階段，(c)顯示第3階段，(d)顯示第4階段，(e)顯示第5階段，(f)顯示第6階段，(g)顯示第7階段，(h)顯示第8階段。

圖2是柱塞及吐出路的形狀的變形構成例，(a)顯示第1構成例，(b)顯示第2階構成例，(c)顯示第3構成例，(d)顯示第4構成例，(e)顯示第5構成例，(f)顯示第6構成例，(g)顯示第7構成例，(h)顯示第8構成例。

圖3是具備柱塞定位機構的液滴吐出裝置的側面剖視圖，(a)顯示使移動構件進出的狀態，(b)顯示使移動構件後退的狀態。

具體實施方式

本發明涉及通過插入於與液室連通的插入孔且前端非接觸於液室內的內壁而進退移動的柱塞的進退移動，從而自形成於柱塞的進出方向的吐出路的前端的吐出口吐出液體材料的技術。若使用本發明的技術，即不管其填料的含有如何均能夠從吐出口以液滴的狀態高精度且微量地吐出自低粘性遍及高粘性的液體材料。

根據本發明，可以微量吐出自水、溶劑、試劑等的低粘性材料到焊料膏體、銀膏體、粘結劑等的高粘性材料的液體材料。本發明具有也能夠應用於不適合於焊膏(cream solder)那樣的噴墨中的吐出的高粘度的液體材料的特徵。在此，所謂高粘度的液體材料，是指例如粘度10000～500000mPa·s的液體。特別是使柱塞(閥體)不抵接於液室內壁(閥座)而以滴狀微量吐出粘度20000mPa·s～500000mPa·s的液體，進一步而言粘度30000mPa·s～500000mPa·s的液體，是在一直以來的工業水平中無法實現的。

所謂本發明中的微量吐出，是指例如著陸直徑為數十～數百μm的液滴、或者體積為1nl以下(優選為0.1～0.5nl以下)的液滴的吐出。本發明具有即使是數十μm以下(優選為30μm以下)的吐出口徑也可以形成液滴的特徵。

以下，根據圖1說明用於實施本發明的方式的一個例子。

圖1是液滴吐出裝置(分配器(dispenser))的主要部分剖視圖。首先，對液滴吐出裝置的主要部分(吐出部)的構造進行說明。

圖1所示的吐出部具備柱塞(plunger)30、液室50、插入孔51、送液路52及吐出路12。

液室50是柱塞的前端部31所位於的充滿液體材料的空間。圖1所示的液室50具有上面、側面及底面並構成為圓筒形狀。

在液室50的上面設置有插入孔51。柱塞30插入於插入孔51，柱塞30的前端位於液室50內。液室50的寬度(直徑)寬於柱塞30的寬度(直徑)，柱塞30的外周與液室50的側面一直處於非接觸的狀態。柱塞30連接於未圖示的柱塞驅動機構，以相對於吐出路12靠近或遠離的方式進行直線前進運動。圖1中，將前端部31的形狀作為平面，但是，並不限定於此，例如，也可以作為球狀，或者作為凹狀，或者作為前端尖細形狀，或者在與吐出路12相對的位置設置突起。在圖2(a)～(g)中，顯示柱塞的前端部31的形狀例。

在液室50的側面設置有送液路52。液體材料自未圖示的液體材料貯留容器等的液體材料供給部，經由該送液路52，被供給至液室50。

在液室50的底面設置有與外部連通的吐出路12。通過柱塞的進出移動，從而液體材料自吐出路12前端的吐出口11被吐出至外部。吐出口11的內徑例如為10～100μm。吐出路12的形狀不限定於圓柱狀，也可以作為設置前端變細那樣的錐的形狀(參照圖2(e)、(g))。另外，也可以由具有吐出口的第1流路21以及直徑大於第1流路的第2流路22構成(參照圖2(f))，此時，也可以將第2流路22形成為圓錐臺形狀(參照圖2(a)～(d))。在與吐出路的吐出口側相比使液室側為大徑的情況下，實現了流入吐出路的液體材料被加速了的效果。

在吐出路的長度過長的情況下，無法良好地進行液滴的切斷，特別是在高粘度的液體材料中，容易發生該問題。因此，優選吐出路12由將孔設置於液室內的壁面53的孔口(orifice)而形成。吐出路的長度例如為100μm～1000μm。另外，也可以在液室內的壁面53設置直徑大於柱塞30的凹陷，在更接近於吐出口的位置形成與柱塞的前端部31相對的面。此時，自與柱塞的前端部31相對的凹陷內的面至吐出口11為止成為吐出路12(參照圖2(f))。另外，也可以將壁面53作為吐出路12所位於的中央部分成為薄壁的曲面(參照圖2(g))。

作為柱塞驅動機構，可以例示馬達、壓電元件、彈簧等的彈性體、利用氣壓等的致動器。柱塞驅動機構能夠根據用途採用適當的機構，但是，在想吐出自低粘度遍及高粘度的各種的液體的情況下，優選使用能夠在一定範圍內調整柱塞的衝程的機構(壓電元件以外的驅動機構)。進行微量吐出的時候的柱塞的衝程例如為5～1000μm，但是，優選在吐出高粘度的液體的時候加長衝程，例如為50～1000μm。

最進出位置上的柱塞的前端部的位置由柱塞定位機構規定。為了對處於柱塞的進出方向的液體材料賦予充分的慣性力，柱塞的端面和與柱塞的前端部31相對的液室的壁面53的距離優選設定成充分狹窄。由於隨著吐出路(噴嘴)的內徑變小，需要加大柱塞賦予液體材料的力，因此，伴隨於此，柱塞的端面與液室的壁面的距離(間隙)也需要變小。

例如，為了由高粘度的液體形成著陸直徑300μm以下的液滴，間隙優選設定在1～50μm的範圍內，更加優選設定在1～30μm的範圍內。然而，在液體材料中含有填料等的固體物質的情況下，設定最進出位置，以使間隙大於固體物質。例如在液體材料為具有平均粒徑10μm的顆粒的焊膏的情況下，間隙需要大於10μm(優選使間隙為固體物質的大小(粒徑)的1.5倍以上)。這是因為，會產生焊料的顆粒被壓毀，層疊於吐出路的流入口附近而使吐出精度顯著降低的問題。

柱塞定位機構也規定最後退位置上的柱塞的前端部的位置。其原因在於，在吐出低粘度的液體材料的情況下，若以某種程度的速度移動柱塞，則能夠賦予形成液滴所需要的慣性力，但是，在吐出高粘度的液體材料的情況下，為了更高速地移動柱塞，需要將衝程設定成更長。一般而言，在微量吐出粘度高的液體(例如，粘度10000mPa·s以上的液體)的時候，需要將衝程設定成充分大於間隙。柱塞的衝程優選為其最進出位置上的間隙的3倍以上，更優選為6倍以上，特別優選為10倍以上。

一邊參照圖3一邊說明柱塞定位機構的一個例子。在此說明的柱塞定位機構公開於專利文獻2。

柱塞的最進出位置的決定按照如下順序進行。

首先，將電磁切換閥72切換成外部與前方活塞室43連通的狀態，旋轉移動構件40，移動構件40成為移動至最前方的狀態。由於前方活塞室43向外部開放，因此，活塞33通過盤簧45的作用而相對於主體71向前方移動，前方抵接部32抵接於前方止動器(stopper)41而停止。接著，通過旋轉測微器(micrometer)69並使後方止動器42前進而接觸於後方抵接部34，從而固定柱塞30和主體71。

向前方移動主體71，在後方止動器42與後方抵接部34接觸的狀態下固定。柱塞30的前端部31在接觸於液室50的內壁的接觸位置13固定。旋轉移動構件40，向後方僅移動移動構件40並規定最進出位置，將驅動單元70固定於底座構件73。

通過以上的作業，可以將柱塞30的進出時停止位置調整為柱塞30的前端部31不接觸於液室50的所期望的位置。

柱塞的最後退位置的決定按照如下順序進行。

旋轉測微器46，使後方止動器42後退，決定吐出時的柱塞30的後退時移動量。若決定了柱塞30的後退時移動量，則以測微器46不旋轉的方式，由未圖示的固定螺絲等的旋轉鎖緊構件來固定測微器46。通過以上的作業，柱塞30的最後退位置的設定作業完成。

本發明的液滴吐出裝置，代表性的是以一邊相對移動工件與吐出口一邊吐出液體材料的方式進行使用。液滴吐出裝置安裝於XYZ驅動機構，與載置了工件的工作檯相對移動。本發明中，由於液體成為液滴並自吐出口分離，並著陸於工件，因此，可以將吐出口保持於一定的高度並水平移動。

如果也存在在一個作業位置吐出一滴的情況，則有時也通過將多滴吐出至相同的場所來確保所期望的量。由於如果增加每一注(shot)的吐出量則著陸直徑變寬，因此，在不想加寬著陸直徑的情況下，優選以數注確保所期望量。本發明的液滴吐出裝置能夠高速且連續地吐出微量的液體，例如，可以以每秒100注以上的高速節拍進行動作。

其次，說明柱塞的位置與液體材料的狀態的關係。

圖1(a)顯示吐出動作開始時的初始狀態。在該初始狀態中，柱塞30的前端部31在一連串的吐出動作中，處在相對於吐出路12最遠的位置的動作開始位置。另外，液室50及吐出路12處於被液體材料充滿的狀態。此時，吐出路12的吐出口11側，也可以是吸入微量的外氣(空氣)的狀態。

圖1(b)顯示自圖1(a)的柱塞的動作開始位置使柱塞前進移動並使吐出路12內的液體材料到達至吐出口(吐出路12的吐出口側端面)的狀態。

此時，通過柱塞30的前進移動，液室50內的液體材料被送入至吐出路12內，吐出路12內的液體材料到達吐出路12前端的吐出口11。由此，存在於吐出路12內的外氣(空氣)向外吐出。

圖1(c)顯示自圖1(b)的柱塞的位置進一步使柱塞前進移動的狀態。在該狀態下，到達吐出口的液體材料不向吐出口的外側被切斷而被擠出。

圖1(d)顯示在自圖1(c)的柱塞的位置進一步使柱塞前進移動之後使柱塞的前進移動停止的狀態。

此時，液體材料不是在自液室50至最前端為止之間被切斷，而是進一步自作為吐出路12的前端的吐出口11向外側被擠出。

還有，優選至此為止的柱塞30的前進移動強勢地進行，柱塞30的停止急遽地停止。

在該狀態下，柱塞30的前端部31在一連串的吐出動作中，處於相對於吐出路12最近位置的最進出位置。通過柱塞30移動至最進出位置，從而形成所期望的大小的液滴所需要的量的液體材料向吐出口11的外側被擠出。最進出位置根據液體材料的種類或形成的液滴的大小而不同，但是，無論在哪種情況下，柱塞30的前端部31均不接觸於液室內面。

圖1(e)顯示自圖1(d)的柱塞的位置(最進出位置)使柱塞略微後退移動的狀態。

若柱塞30後退移動，則佔據液室50內的柱塞的容積的比例減少，向朝著液室50內的方向的力作用在吐出路12內的液體材料。伴隨於此，向吐出路12內拉回的力也作用在存在於吐出口11的外側的液體材料(與吐出路12內的液體材料相連接的擠出後的液體材料)。因此，在自吐出口擠出的液體材料上，向柱塞的前進方向的慣性力起作用，並且向柱塞的後退方向的力發生作用，從而開始形成液滴。即，自與吐出路12內的液體材料相連接的吐出口11擠出的液體材料在吐出口附近的部分受到切斷作用。

圖1(f)顯示自圖1(e)的柱塞的位置進一步使柱塞後退移動的狀態。

若進一步使柱塞30後退移動，則相對於自吐出口11擠出的液體材料的切斷作用進一步加強。由此，自與吐出路12連續的吐出口11擠出的液體材料在吐出口附近的部分被切斷，形成液滴。

圖1(f)中，將從吐出路12連續的一側的液體材料的切斷位置附近與切斷了的一側的液體材料的切斷位置附近的任一者均描繪成細絲狀。一般而言，高粘性材料中多成為這樣的絲狀，但是，也依賴於材料的特性、溫度、或溼度等的環境條件等，由於是高粘性材料，因此，未必顯示這樣的絲狀的方式。

圖1(g)顯示自圖1(f)的柱塞的位置進一步使柱塞後退移動的狀態。自吐出口11擠出的液體材料中殘留於吐出路12側的液體材料通過柱塞30的後退移動而被吸入至吐出路12內。

在下一次的吐出中配備並優選吐出路12的吐出口11側為吸入微量的外氣(空氣)的狀態。即，優選為氣液界面存在於吐出路12內的狀態。通過這樣做，能夠防止液體材料的乾燥，另外，能夠防止吐出作業待機時因滴液而汙染周邊環境。在此，應留意的是不將外氣(空氣)越過吐出路12而吸入至液室50。其原因在於，若將外氣(空氣)吸入至液室50，則對吐出精度帶來不良影響。

另外，在吐出路12通過具有第1流路21及第2流路22而成的情況下，在第1流路21與第2流路22的邊界不構成臺階的情況下，氣液界面也可以存在於第1流路21、第2流路22或它們的邊界的任一者(例如，圖2(a)、(b)那樣的流路形狀的情況)。另外，如圖2(f)所示，即使在第1流路21與第2流路22的邊界構成臺階的情況下，如果沒有形成氣泡，則也能夠將外氣(空氣)吸入至第2流路22。還有，也可以以錐平滑地連接圓柱形狀的第1流路21與圓柱形狀的第2流路22的邊界而構成。

圖1(h)顯示自圖1(g)的柱塞的位置進一步使柱塞後退移動並成為動作結束位置的狀態。圖1(a)～(h)是用於形成一滴的一連串的動作。結束一次吐出的時候的柱塞的位置成為較最進出位置更後退的位置。在該狀態下，吐出路12的吐出口11側吸入微量的外氣(空氣)。即使將外氣(空氣)吸入至吐出路12內，在空氣未到達液室50的範圍內，則也不會產生氣泡的問題。由於若外氣流入到液室50內，則成為吐出量的偏差等的原因，因此，需要避免。為了連續地進行下一個吐出動作，優選將柱塞的動作結束位置作為動作開始位置。

在完全地結束吐出動作的情況下，優選由柱塞30的前端部31堵塞吐出路12，防止液體材料自吐出口11流出。

以下，根據實施例說明本發明的詳細情況，本發明完全不限定於實施例。

實施例1

使用圖1所示的液滴吐出裝置，進行液滴的形成。實施例1所使用的液體材料是焊料膏體(粘度45000mPa·s)，含有平均顆粒6μm的填料。本實施例中吐出的1個液滴的量為0.2nl，著陸直徑為120μm。一邊相對移動工件與吐出口一邊以每秒100注的節拍將數十個液滴形成於工件上，由測定器進行測定之後，能夠確認形成有均勻的形狀的點。

實施例2

使用圖1所示的液滴吐出裝置，進行液滴的形成。實施例2所使用的液體材料是Ag膏體(粘度28000mPa·s)，含有1～10μm的框架狀的填料。本實施例中吐出的1個液滴的量為0.17nl，著陸直徑為100μm。一邊相對移動工件與吐出口一邊以每秒250注的節拍將數十個液滴形成於工件上，由測定器進行測定之後，能夠確認形成有均勻的形狀的點。

產業上的可利用性

根據本發明，可以使柱塞(閥體)不抵接於液室內壁(閥座)而精度良好且微量地吐出在電子、半導體的市場上困難的材料。例如，可以不壓毀含有焊料膏體那樣的軟的金屬材料的膏體材料，並且能夠沒有吐出裝置內的堵塞而連續地吐出。向對基板上的小型部件的搭載工序或太陽能電池的製造工序的應用等、本發明的應用範圍廣。

另外，由於閥體與閥座不接觸，因而不產生摩擦片或微粒，沒有它們混入到材料中的擔憂(即無汙染)，因此，也適合於食品或藥品行業等中的利用。

另外，由於不會沒有必要地破壞其構造而飛翔吐出填料等的顆粒、固體物質、凝膠體、構造體等，因此，可以有效地防止這些破壞物所造成的噴嘴堵塞。

符號的說明

11 吐出口

12 吐出路

13 接觸位置

21 第1流路

22 第2流路

30 柱塞

31 前端部

32 前方抵接部

33 活塞

34 後方抵接部

40 移動構件

41 前方止動器

42 後方止動器

43 前方活塞室

44 後方活塞室

45 盤簧

46 測微器

50 液室

51 插入孔

52 送液路

53 與柱塞相對的液室的壁面

71 主體

72 電磁切換閥

73 底座構件

74 吐出塊