(57)【要約】  供給ヘッドは、内部チャンバを画定するハウジングと、チャンバに形成されている入口とを備える。入口は、加圧された粘性材料を材料供給源からチャンバに供給する。供給ヘッドは、チャンバに配置されるピストンと、チャンバの下端部においてハウジングに固定されるノズルとを更に備える。ノズルは、チャンバと同軸方向に延びるオリフィスを有し、ハウジング及びノズルのうちの一方がチャンバの底壁を画定する。供給ヘッドは、チャンバの底壁に設けられた弁座を更に備える。弁座は、チャンバの底壁の上方に位置する弁座面を有する本体を備え、本体は、供給動作中に粘性材料が弁座面を通って流れることを可能にするようにノズルのオリフィスと同軸の開口を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に材料を供給するように構成されているディスペンサの供給ヘッドであって、
内部チャンバを画定するハウジングと、
前記チャンバに形成されている入口であって、加圧された粘性材料を材料供給源から前記チャンバに供給するように構成されている入口と、
前記チャンバに配置されるとともに前記チャンバ内で軸方向に可動なピストンと、
前記チャンバの下端部において前記ハウジングに固定されるノズルであって、該ノズルは、前記チャンバと同軸方向に延びるオリフィスを有し、前記ハウジング及び該ノズルのうちの一方が前記チャンバの底壁を画定する、ノズルと、
前記チャンバの前記底壁に設けられた弁座であって、該弁座は、前記チャンバの前記底壁の上方に位置する弁座面を有する本体を備え、前記本体は、供給動作中に粘性材料が前記弁座面を通って流れることを可能にするように、前記ノズルの前記オリフィスと同軸の開口を有する、弁座と、
を備える、供給ヘッド。
【請求項２】
前記弁座面は、前記ピストンの下端部の形状に対応する形状になっている、請求項１に記載の供給ヘッド。
【請求項３】
前記弁座面の形状は弧状である、請求項１に記載の供給ヘッド。
【請求項４】
前記弁座面の直径は、およそ１．２ｍｍである、請求項３に記載の供給ヘッド。
【請求項５】
前記弁座の前記開口の直径は、およそ０．２０ｍｍである、請求項４に記載の供給ヘッド。
【請求項６】
前記底壁は、前記ハウジングの一部である、請求項１に記載の供給ヘッド。
【請求項７】
前記弁座は、前記ハウジングの一部である、請求項６に記載の供給ヘッド。
【請求項８】
前記底壁は、前記ノズルの一部である、請求項１に記載の供給ヘッド。
【請求項９】
前記弁座は、前記ノズルの一部である、請求項８に記載の供給ヘッド。
【請求項１０】
前記チャンバ内の粘性材料は、１０３．４ｋＰａ（１５ｐｓｉ）以上で加圧される、請求項１に記載の供給ヘッド。
【請求項１１】
前記チャンバ内の粘性材料は、１０３．４ｋＰａ〜２４１．３ｋＰａ（１５ｐｓｉ〜３５ｐｓｉ）で加圧される、請求項１に記載の供給ヘッド。
【請求項１２】
前記弁座面は、前記底壁の上方１ｍｍを超える距離に位置する、請求項１に記載の供給ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、プリント回路基板等の基材上に粘性材料を供給する方法及び装置に関し、より詳細には、基材上に少量の粘性材料を供給することが可能な噴射器型ディスペンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
多様な用途に向けて、計測した量の液体又はペーストを供給するのに用いられる、いくつかのタイプの従来技術の供給システム又はディスペンサが存在する。そのような用途の１つは、集積回路チップ及び他の電子構成要素を、回路基板上に組み付けることである。本願では、液体エポキシ樹脂、若しくははんだペースト、又は何らかの他の関連材料のドットを回路基板上に供給するのに、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及び封入材の線を供給するのにも使用される。アンダーフィル材及び封入材は、その組付けの機械的特性及び環境的特性を向上させるように用いられる。
【０００３】
そのような供給システムの別の用途は、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。
【０００４】
また、自動ディスペンサの分野では、粘性材料のドットを回路基板に向けて発射することが既知である。そのようなシステムは、「噴射器」型システムと称されることもある。このような噴射器型システムでは、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、オーガ式応用形態又は他の以前の従来的な供給システムの場合、材料を回路基板に付着させ、それにより、ディスペンサを引き離すと材料のドットがノズルから分離するように、材料のドットで回路基板を濡らすことが必要である。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、基材上に堆積することができるか、又は代替的には、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。このようなシステムの１つの例が、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 Works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。
【０００５】
図１は、全体として１０で示されている既知の噴射器型供給ヘッドの構成を示している。図示のように、供給ヘッド１０は、チャンバ１４を有するハウジング１２を備える。粘性材料は、ハウジング１２の頂部近くに設けられている供給口１６によってチャンバ１４内に導入される。チャンバ１４の底部にはノズル１８が設けられており、粘性材料は、従来のようにノズルを通して供給される。供給ヘッド１０は、チャンバ１４の底部でノズル１８の上方に設けられている弁座２２に係合するように構成されている往復ピストン又はバルブ２０を更に備える。この構成では、ピストン２０が、弁座２２に係合する際、ノズル１８を通して一定量の粘性材料を噴出するようになっている。
【０００６】
図２は、弁座２２における往復ピストン２０の端部の接触点を示している。噴射器型システムに関する１つの欠点は、チャンバ１４内の弁座２２を囲む空間における圧力を制御するのが困難であることである。図２に示すように、弁座２２は、ハウジング１２の底壁２４に形成されている。この構成は、弁座２２の周りの空間に圧力が集中するように促し、結果として、ピストン２０が弁座に係合する場合に粘性材料が弁座のオリフィスに勢いよく流れ込む。弁座２２の周りでのこの圧力蓄積は、供給時の供給ヘッド１０の繰返し精度の制御性に悪影響を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，８１９，９８３号
【特許文献２】米国特許第７，９８０，１９７号
【発明の概要】
【０００８】
本開示の１つの態様は、基材上に材料を供給するように構成されているディスペンサの供給ヘッドに関する。１つの実施形態において、前記供給ヘッドは、内部チャンバを画定するハウジングと、前記チャンバに形成されている入口とを備える。前記入口は、加圧された粘性材料を材料供給源から前記チャンバに供給するように構成されている。前記供給ヘッドは、前記チャンバに配置されるとともに前記チャンバ内で軸方向に可動なピストンと、前記チャンバの下端部において前記ハウジングに固定されるノズルとを更に備える。前記ノズルは、前記チャンバと同軸方向に延びるオリフィスを有し、前記ハウジング及び該ノズルのうちの一方が前記チャンバの底壁を画定する。前記供給ヘッドは、前記チャンバの前記底壁に設けられた弁座を更に備える。前記弁座は、前記チャンバの前記底壁の上方に位置する弁座面を有する本体を備え、前記本体は、供給動作中に粘性材料が前記弁座面を通って流れることを可能にするように、前記ノズルの前記オリフィスと同軸の開口を有する。
【０００９】
前記供給ヘッドの実施形態は、前記弁座面を前記ピストンの下端部の形状に対応する形状にすることを更に含むことができる。前記弁座面の形状は弧状とすることができる。前記弁座面の直径は、およそ１．２ｍｍとすることができる。前記弁座の前記開口の直径は、およそ０．２０ｍｍとすることができる。１つの実施形態において、前記底壁は、前記ハウジングの一部とすることができ、前記弁座は、前記ハウジングの一部である。別の実施形態において、前記底壁は、前記ノズルの一部であり、前記弁座は、前記ノズルの一部である。前記チャンバ内の粘性材料は、１０３．４ｋＰａ（１５ｐｓｉ）以上で加圧することができ、特に１０３．４ｋＰａ〜２４１．３ｋＰａ（１５ｐｓｉ〜３５ｐｓｉ）で加圧することができる。前記弁座面は、前記底壁の上方１ｍｍを超える距離に位置することができる。
【００１０】
本開示のよりよい理解のために図が参照される。図は、参照することにより本明細書の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の設計の噴射器型供給ヘッドの概略断面図である。
【図２】図１に示す供給ヘッドの拡大断面図である。
【図３】本開示の一実施形態の弁座を備える供給ヘッドの概略断面図である。
【図４】図３に示す供給ヘッドの拡大断面図である。
【図５】弁座の拡大断面図である。
【図６】弁座の拡大上面図である。
【図７】本開示の別の実施形態の弁座を備える供給ヘッドの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
単に例示のためであり、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、又は図面に示される構成の細部及び構成要素の配置には限定されない。本開示は、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又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及び用語は、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「含む（including）」、「備える（comprising）」、「有する（having）」、「含有する（containing）」、「伴う（involving）」及びそれらの変形の用語を使用することは、その対象となるもの及びその均等物並びに追加のものを包含することを意味する。
【００１３】
通常の用途では、ディスペンサを用いて粘性材料（例えば、接着剤、封止材、エポキシ樹脂、はんだペースト、アンダーフィル材料等）又は半粘性材料（例えば、はんだ付け用フラックス等）を、プリント回路基板又は半導体ウェハー等の電子基材の上に供給する。代替的に、ディスペンサを、自動車のガスケット材料の塗布用又は或る特定の医療用途等の他の用途に用いることができる。本明細書において用いられるように、粘性材料又は半粘性材料に言及することは例示的であり非限定的であることを意図していることは理解されるべきである。ディスペンサは、１つ又は複数の供給ユニット又はヘッドと、ディスペンサの動作を制御するコントローラとを備えることができる。
【００１４】
また、ディスペンサは、基材を支持するベース又は支持体を有するフレームと、供給ヘッドを支持し動かすようにフレームに移動可能に結合された供給ヘッドガントリと、例えば、較正手順の一部として、粘性材料の供給量を計量し、コントローラに重量データを提供する重量測定装置又は重量計とを備えることができる。ディスペンサにおいて、移動ビーム等のコンベヤシステム又は他の移送機構を用いて、基材をディスペンサへ装填すること、及びディスペンサから装填解除することを制御することができる。コントローラの制御下において、モーターを用いてガントリを移動させ、供給ヘッドを基材上の所定の場所に位置決めすることができる。ディスペンサは、オペレータに対して様々な情報を表示する、コントローラに接続されたディスプレイユニットを備えることができる。供給ヘッドを制御する任意選択の第２のコントローラを備えることができる。
【００１５】
上記のように、供給動作を実行するのに先立って、基材、例えば、プリント回路基板は、供給システムのディスペンサに対して位置合わせされるか、又は他の方法で整合されなくてはならない。ディスペンサはビジョンシステムを更に備え、ビジョンシステムは、そのビジョンシステムを支持し動かすようにフレームに移動可能に結合されているビジョンシステムガントリに結合されている。ビジョンシステムガントリは、供給ヘッドガントリから離されて示しているが、供給ヘッドと同じガントリシステムを用いることができる。説明したように、ビジョンシステムは、基準又は他の特徴及びコンポーネントとして知られている、基材上の目印の場所を検証するのに利用される。位置決めされると、コントローラは、供給ヘッドのうちの一方又は双方の動きを操作して材料を電子基材上に供給するようにプログラムすることができる。
【００１６】
本開示のシステム及び方法は供給ヘッドの構造に関する。本明細書において提供されているシステム及び方法の説明は例示的な電子基材（例えば、プリント回路基板）に言及しており、この電子基材はディスペンサの支持体上に支持されている。１つの実施形態において、供給動作はコントローラによって制御され、コントローラは、材料ディスペンサを制御するように構成されるコンピュータシステムを含むことができる。別の実施形態においては、コントローラはオペレータによって操作することができる。
【００１７】
本開示の実施形態は、供給ヘッドのチャンバの最下面から高い位置に接触点が置かれた弁座を備える供給ヘッドに関する。弁座をチャンバの底壁に対して高い位置に置くことにより、粘性材料の圧力集中が弁座及びピストンから離れるので、１ピストンストローク当たりで少量の材料を供給することが可能になる。供給ヘッドのチャンバ内で弁座が高い位置にあることにより、１ピストンストローク当たりで高重量の粘性材料（例えば１．０００ｍｇ以上の材料）若しくは体積、又は１ピストンストローク当たりで低重量の粘性材料（例えば０．０１０ｍｇ〜１．０００ｍｇの材料）、又は超低重量の粘性材料（例えば０．０１０ｍｇ未満の材料）若しくは体積を供給する能力が向上する。また、供給ヘッドのチャンバ内で弁座が高い位置にあることにより、供給不良が最小限になるか又は排除される。
【００１８】
図面を、より詳細には図３を参照すると、本開示の１つの実施形態の供給ヘッドが、全体として１００で示されている。図示のように、供給ヘッド１００は、全体として１０２で示されているハウジングであって、供給ヘッドの作動部品を収容するように設計されているハウジングを備える。１つの実施形態において、ハウジング１０２は、円筒壁１０４と、ハウジングの頂端部を画定する頂壁１０６と、ハウジングの底端部を画定する底壁１０８とを備える。ハウジング１０２の円筒壁１０４と頂壁１０６と底壁１０８とはともに、はんだペースト等の粘性材料を収容するように構成されている、粘性材料供給源１１２と流体連通する内部チャンバ１１０を画定する。１つの実施形態において、粘性材料は、ハウジング１０２の円筒壁１０４の頂部近くで、ハウジングの円筒壁に形成されている供給口１１４によって、チャンバ１１０内に導入される。供給口１１４は、粘性材料供給源１１２と流体連通しており、前記粘性材料供給源１１２は、粘性材料を加圧してチャンバ１１０に供給するように構成されている粘性材料の供給カートリッジとすることができる。
【００１９】
図３に示す実施形態では、供給ヘッド１００は、ハウジング１０２の底壁１０８に取り付けられるノズル１１６を更に備える。ノズル１１６は、図３において軸Ａで特定される垂直軸に沿って延びるオリフィス１１８を有し、このオリフィスは、ハウジングの底壁１０８に形成されている同軸の開口１２０を介して、ハウジング１０２のチャンバ１１０と流体連通する。この構成では、供給動作中に基材上に粘性材料を噴出するために、粘性材料がノズル１１６のオリフィス１１８を通して供給されるようになっている。ノズル１１６は、所望の用途に応じてノズルのオリフィス１１８の直径を変化させるために交換することができ、それによりひいては、供給動作中に供給ヘッド１００のノズルから基材上に噴出される液滴の大きさを変化させることができる。
【００２０】
供給ヘッド１００は、ハウジングのチャンバ１１０内に配置される往復ピストン又はバルブ１２２を更に備える。ピストン１２２は、チャンバ１１０内でのピストンの上下運動を駆動するように構成されているアクチュエータに好適に接続されている上端部１２４を有する。１つの実施形態において、コントローラは、チャンバ１１０内でのピストン１２２の往復運動を制御するように、アクチュエータの動作を制御する。ピストン１２２は、図示の実施形態ではチャンバ１１０の底壁１０８に設けられている弁座（全体として１２８で示されている）と合致するように構成されている下端部１２６を更に有する。この構成では、ピストン１２２が、弁座１２８に係合する際、ノズル１１６のオリフィス１１８を通して一定量の粘性材料を噴出するようになっている。供給ヘッド１００の説明が進むと明らかになるように、弁座１２８は、ピストン１２２の下端部１２６と弁座との間の接触点がチャンバ１１０の底壁１０８に対して高い位置にあるように設計されている。弁座１２８をチャンバ１１０の底壁１０８の上方に位置決めすることにより、粘性材料の圧力集中が弁座及びピストン１２２から離れるので、供給ヘッド１００の１ピストンストローク当たりで低体積の材料を供給する能力が向上する。
【００２１】
図４を参照すると、弁座１２８は、供給ヘッド１００のハウジング１０２の底壁１０８上に示されている。１つの実施形態において、弁座１２８は、ハウジング１０２の底壁１０８と一体に形成することができる。この実施形態では、弁座１２８は、素材から、例えばステンレス鋼から、ハウジング１０２の底壁１０８とともに機械加工される。別の実施形態において、弁座１２８は、ハウジング１０２の底壁１０８に固定、例えば溶接することができる。図示の実施形態では、弁座１２８は、ハウジングの底壁の上方に位置するとともにピストン１２２の下端部１２６に面する弁座面１３２を有する本体１３０を備える。弁座面１３２は、ピストン１２２の下端部１２６と合致するような輪郭になっている。
【００２２】
本体１３０は、ノズル１１６のオリフィス１１８及び底壁１０８の開口１２０と同軸の開口１３４を更に有し、供給動作中に粘性材料が弁座本体１３０の弁座面１３２を通って流れることを可能にする。図示の実施形態では、開口１３４の直径はおよそ０．２０ｍｍである。ハウジング１０２の底壁１０８の開口１２０の大きさは、弁座本体１３０の開口１３４と一致するように選択することができる。弁座の開口１３４及びハウジング１０２の底壁１０８の開口１２０の直径は、十分な量の粘性材料がオリフィスに入るように、ノズル１１６のオリフィス１１８の直径と協働するように選択することができることが理解されるべきである。通常のノズル構成では、底壁の開口１２０及び弁座の開口１３４よりも小さいオリフィスを有するノズルが設けられることが更に理解されるべきである。
【００２３】
図５及び図６は、本開示の実施形態の例示的な弁座１２８を示している。図示のように、弁座１２８の本体１３０は、ハウジング１０２の底壁１０８に載るように構成されている基部１３６と、弁座面１３２が機械加工される弁座部１３８とを有する。弁座本体１３０の基部１３６は、供給ヘッド１００のハウジング１０２の底壁１０８に固定される底面１４０を含む。上述したように、弁座本体１３０の基部１３６は、任意の既知の方法によってハウジング１０２の底壁１０８に好適に固定することができる。弁座本体１３８は、動作中にピストン１２２による繰返しの係合を受けることが可能である好適な材料から作製することができる。１つの実施形態において、弁座本体１３０は、ステンレス鋼から作製することができる。
【００２４】
図４に最もよく示されているように、弁座面１３２は、ピストン１２２の下端部１２６の形状に対応する形状になっている。図示の実施形態では、ピストン１２２の下端部１２６の形状は弧状であり、それにより、弁座面１３２の形状も弧状になっている。１つの例示的な実施形態において、弁座面１３２の直径はおよそ１．２ｍｍである。弁座本体１３０は、弁座面１３２が底壁１０８の頂面１４２の上方１ｍｍを超える距離に位置するような形状になっている。図示の実施形態では、弁座面１３２は、底壁１０８の頂面１４２の上方１．４４ｍｍかつ弁座本体１３０の基部１３６の頂面１４４の上方０．６４ｍｍの距離に位置する。弁座部１３８は、弁座面１３２を隔離する面取り縁部を備える。弁座１２８の上述の寸法は例示にすぎず、特定の用途に応じて変更することができる。
【００２５】
図７を参照すると、本開示の別の実施形態の供給ヘッドが、全体として１５０で示されている。供給ヘッド１５０の構成部品は、供給ヘッド１５０の底壁及びノズルの構成を除き、供給ヘッド１００と実質的に同様である。図７に示す実施形態では、供給ヘッド１５０のハウジング１０２は、底壁部１５４とノズル部１５６と弁座部１５８とを含むように一体に形成されている、全体として１５２で示されている底壁を備える。図示のように、ノズル部１５６は、底壁部１５４及び弁座部１５８に形成されている同軸の開口１６２を介してハウジング１０２のチャンバ１１０と流体連通するオリフィス１６０を有する。１つの実施形態において、底壁部１５４及び弁座部１５８に形成されている開口１６２の直径は、ノズル部１５６のオリフィス１６０の直径よりも大きい（例えばおよそ０．２０ｍｍである）。ノズル部１５６のオリフィス１６０は、供給動作中に基材上に堆積される材料の所望の量に合わせて選択することができる。
【００２６】
供給ヘッド１００と同様に、供給ヘッド１５０のピストン１２２の下端部１２６は、弁座部１５８の弁座面１６４と合致するように構成されている。図示のように、弁座面１６４は、底壁部１５４に対して高い位置にあり、そのため、ピストン１２２の下端部１２６と弁座面との間の接触点が、チャンバ１１０の底壁部に対して高い位置にある。図示の実施形態では、底壁部１５４とノズル部１５６と弁座部１５８とは、１つのピースとして一体に形成されている。この実施形態では、底壁１５２は、素材から、例えばステンレス鋼から機械加工されて、底壁部１５４とノズル部１５６と弁座部１５８とを形成する。
【００２７】
本開示の実施形態の弁座設計は、より大きい圧力での供給ヘッドの動作を可能にすることが認識されるべきである。供給される材料の粘度に応じて、通常の供給ヘッドは、比較的低い圧力、例えば６．９ｋＰａ〜６８．９ｋＰａ（１ｐｓｉ〜１０ｐｓｉ）で動作する。しかしながら、本開示の弁座設計では、供給ヘッドは、材料の粘度に応じて、チャンバ内の粘性材料を１０３．４ｋＰａ（１５ｐｓｉ）以上で加圧するように構成されている。より詳細には、供給ヘッドは、再度述べるが供給される材料の粘度に応じて、１０３．４ｋＰａ〜２４１．３ｋＰａ（１５ｐｓｉ〜３５ｐｓｉ）のチャンバ圧力で動作することができる。
【００２８】
このように本開示の少なくとも１つの実施形態を記載したが、当業者には、種々の代替形態、変更形態、及び改良形態が容易に想起される。そのような代替形態、変更形態、及び改良形態は、本開示の範囲及び趣旨内にあることが意図されている。したがって、前述の記載は、単に例であり、限定を意図していない。添付の特許請求の範囲及びその均等物においてのみ、限定が規定される。
【図１】
2017527436.tif 000003
【図２】
2017527436.tif 000004
【図３】
2017527436.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017527436.tif 000009
【国際調査報告】
2017527436.tif 000010
2017527436.tif 000011
2017527436.tif 000012