DE69523164T2

DE69523164T2 - METHOD AND DEVICE FOR APPLYING A FLUID TO A SURFACE

Info

Publication number: DE69523164T2
Application number: DE69523164T
Authority: DE
Inventors: Johannes Van Veen; Joris Wesseling
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2015-06-28
Also published as: JPH10505280A; DE69523164D1; EP0784514A1; EP0784514B1; WO1997001393A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auftragen eines Fluids auf eine Oberfläche wobei das unter Druck gebrachte Fluid durch eine hohle Nadel hindurch aus einem Behälter auf die Oberfläche aufgetragen wird. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Durchführen des genannten Verfahrens.The present invention relates to a method for applying a fluid to a surface, wherein the pressurized fluid is applied to the surface from a container through a hollow needle. The invention also relates to a device for carrying out the said method.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus DE-A-37 28 054.Such a method is known from DE-A-37 28 054.

Ein oft auftretendes Problem bei dem bekannten Verfahren ist Verstopfung der hohlen Nadel. Wenn das Fluid eine Lötpaste ist, wird Verstopfung insbesondere durch Segregation der Lötpaste in der Nähe des Übergangs von dem Behälter in die Nadel verursacht. Das Flussmittel trennt sich dann von den Lötpulverkugeln, weil die spezifische Masse der Lötpulverkugeln höher ist als die des Flussmittels. Dies führt dazu, dass die Lötpulverkugeln sich in dem unteren Teil des Behälters ansammeln und dadurch den Eingang zu der Nadel versperren. Wenn die Paste Druckimpulsen ausgesetzt wird, damit die Paste angebracht werden kann, werden die Lötpulverkugeln zusätzlich zusammengepresst, was den Verstopfungsprozess noch weiter fördert. Wenn das Fluid ein Klebstoff ist, wird die Verstopfung verursacht durch einevorzeitige Aushärtung des Klebstoffes, insbesondere weil Druckimpulse die Temperatur ansteigen lassen. Der Druck, dem das Fluid ausgesetzt wird, kann hauptsächlich von dem hydrostatischen Druck des Fluids selber herrühren oder außerdem von einem externen Druck, der von separaten Druckmitteln erzeugt wird.A problem that often occurs with the known method is clogging of the hollow needle. If the fluid is a solder paste, clogging is caused in particular by segregation of the solder paste near the transition from the container to the needle. The flux then separates from the solder powder balls because the specific mass of the solder powder balls is higher than that of the flux. This causes the solder powder balls to accumulate in the lower part of the container and thereby block the entrance to the needle. If the paste is subjected to pressure pulses so that the paste can be applied, the solder powder balls are additionally compressed, which further promotes the clogging process. If the fluid is an adhesive, clogging is caused by premature curing of the adhesive, in particular because pressure pulses cause the temperature to rise. The pressure to which the fluid is subjected may result primarily from the hydrostatic pressure of the fluid itself or also from an external pressure generated by separate pressure media.

Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verstopfung der hohlen Nadel zu vermeiden, insofern dies möglich ist.It is an object of the present invention to avoid blockage of the hollow needle, as far as possible.

Dazu weist das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Nadel beim Auftragen von Fluid einer Längsschwingung ausgesetzt wird.For this purpose, the method according to the present invention is characterized in that the needle is subjected to a longitudinal vibration when applying fluid.

Es hat sich herausgestellt, dass wenn die Nadel auf die oben genannte Art und Weise ins Schwingen gebracht wird, die homogene Verteilung der Fluidanteile nach wie vor befriedigend ist. Das Fluid behält besser den flüssigen Zustand. Eine homogene Verteilung vermeiden eine Verstopfung der Nadel, wodurch der Prozess nicht unterbrochen zu werden braucht um die Nadel zu reinigen oder zu ersetzen.It has been found that if the needle is made to oscillate in the manner described above, the homogeneous distribution of the fluid components is still satisfactory. The fluid retains its liquid state better. A homogeneous distribution prevents the needle from becoming clogged, which means that the process does not need to be interrupted to clean or replace the needle.

Eine Abwandlung des oben genannten Verfahrens weist das Kennzeichen auf, dass die Nadel einer Schwingung ausgesetzt wird, deren Frequenz zwischen 1 und 100 Hz liegt und wobei die Dauer der Nadelbewegung in Richtung der Oberfläche länger ist als die Dauer der Nadelbewegung weg von der Oberfläche. Dadurch wird das Fluid einer Pumpwirkung in Richtung der Oberfläche ausgesetzt, auf die das Fluid aufgetragen werden soll. Das Auftragen des Fluids auf die Oberfläche kann sogar ausschließlich mit Hilfe der oben beschriebenen Pumpwirkung durchgeführt werden. Wenn externer Druck ausgeübt wird, kann dieser Druck durch die Pumpwirkung geringer sein als in dem Fall, wo die Nadel nicht einer Längsschwingung ausgesetzt ist. Wenn das oben beschriebene Verfahren angewandt wird zum Auftragen einer Lötpaste auf eine Oberfläche, ist die Amplitude der Schwingung vorzugsweise von derselben Größenordnung wie die Korngröße von Lötkugeln in der Paste. Dies ermöglicht es, dass Lötkugeln einzeln aufgetragen werden.A variation of the above-mentioned method is characterized in that the needle is subjected to an oscillation whose frequency is between 1 and 100 Hz and the duration of the needle movement towards the surface is longer than the duration of the needle movement away from the surface. As a result, the fluid is subjected to a pumping action towards the surface to which the fluid is to be applied. The application of the fluid to the surface can even be carried out exclusively by means of the pumping action described above. If external pressure is applied, this pressure due to the pumping action can be lower than in the case where the needle is not subjected to longitudinal oscillation. When the above-described method is used to apply a solder paste to a surface, the amplitude of the oscillation is preferably of the same order of magnitude as the grain size of solder balls in the paste. This enables solder balls to be applied individually.

Eine andere Abwandlung des Verfahrens weist das Kennzeichen auf, dass die Nadel einer Schwingung ausgesetzt wird, deren Frequenz zwischen 1 und 30 kHz liegt. Bei diesen hohen Frequenzen kann das Fluid in der Nadel nicht den Nadelbewegungen folgen, und zwar wegen der Massenträgheit. Dies verringert die Reibung zwischen der Nadel und dem Fluid, wodurch die ausgestoßene Menge je Zeiteinheit zugenommen hat.Another variation of the method is characterized by the fact that the needle is subjected to vibration at a frequency between 1 and 30 kHz. At these high frequencies, the fluid in the needle cannot follow the needle movements due to inertia. This reduces the friction between the needle and the fluid, thereby increasing the amount ejected per unit of time.

Wenn das Verfahren angewandt wird zum Auftragen von Lötpaste auf eine Oberfläche ist die Schwingungsamplitude vorzugsweise von derselben Größenordnung wie die Korngröße der Lötkugeln in der Paste.When the method is used to apply solder paste to a surface, the vibration amplitude is preferably of the same order of magnitude as the grain size of the solder balls in the paste.

Eine Vorrichtung zum Auftragen eines Fluids auf eine Oberfläche mit einer hohlen Nadel, durch die im Betrieb das unter Druck gebrachte Fluid auf die Oberfläche aufgetragen wird, weist das Kennzeichen auf, dass diese Vorrichtung eine Schwingungseinrichtung aufweist, die mit der Nadel gekuppelt ist, so dass diese Nadel in der Längsrichtung ins Schwingen gebracht wird.A device for applying a fluid to a surface with a hollow needle through which, in operation, the pressurised fluid is applied to the surface, is characterized in that this device comprises a Has a vibration device which is coupled to the needle so that this needle is caused to vibrate in the longitudinal direction.

Vorzugsweise umfasst die Schwingungseinrichtung einen piezoelektrischen Wandler, der mit der Nadel verbunden ist. Dies ermöglicht es, dass die Nadel auf eine konstruktionsmäßig einfache Art und Weise ins Schwingen gebracht wird. Offenbar sind andere Schwingungseinrichtungen durchaus möglich, wie elektromagnetische oder mechanische Wandler.Preferably, the vibration device comprises a piezoelectric transducer connected to the needle. This enables the needle to be made to vibrate in a structurally simple manner. Obviously, other vibration devices are quite possible, such as electromagnetic or mechanical transducers.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. They show:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Auftragen von Lötpaste auf eine Oberfläche einer Printplatte,Fig. 1 a device for applying solder paste to a surface of a printed circuit board,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Bewegung der Nadel, wenn diese mit einer niedrigen Frequenz schwingt und der piezoelektrische Wandler mit einer Sägezahnspannung moduliert ist,Fig. 2 is a schematic representation of the movement of the needle when it oscillates at a low frequency and the piezoelectric transducer is modulated with a sawtooth voltage,

Fig. 3 eine andere Vorrichtung zum Auftragen von Lötpaste auf eine Oberfläche einer Printplatte.Fig. 3 shows another device for applying solder paste to a surface of a printed circuit board.

Die Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt wird, umfasst einen Behälter 1 mit einem Ausgang 2. Die Schwingungsvorrichtung 3 hat ein Gehäuse 4, in dem ein piezoelektrischer Wandler 5 untergebracht ist. Dieser Wandler umfasst eine flache Scheibe, deren Rand zwischen Gehäuseteilen 6 geklemmt ist. Durch die Mitte der Scheibe und senkrecht zu derselben erstreckt sich eine hohle Nadel 7. Die Nadel ist an der Scheibe befestigt. Das Gehäuse 4 hat eine Verbindungshülse 8, mit deren Hilfe das Gehäuse an dem Ausgang 2 des Behälters 1 befestigt werden kann, beispielsweise mit Hilfe von Gewinde. Wenn das Gehäuse auf dem Behälter angeordnet ist, erstreckt sich die hohle Nadel durch den Ausgang 2 bis in den Behälter. Zwischen dem Gehäuse und der hohlen Nadel ist ein Abdichtungsring 9 vorgesehen. Ein Schlauch 10 verbindet den Behälter mit einem Druckgenerator 11.The device with which the method is carried out comprises a container 1 with an outlet 2. The vibration device 3 has a housing 4 in which a piezoelectric transducer 5 is housed. This transducer comprises a flat disc, the edge of which is clamped between housing parts 6. A hollow needle 7 extends through the center of the disc and perpendicular to it. The needle is attached to the disc. The housing 4 has a connecting sleeve 8, with the aid of which the housing can be attached to the outlet 2 of the container 1, for example by means of thread. When the housing is arranged on the container, the hollow needle extends through the outlet 2 into the container. A sealing ring 9 is provided between the housing and the hollow needle. A hose 10 connects the container to a pressure generator 11.

Die Vorrichtung funktioniert nun wie folgt:The device now works as follows:

Unter dem Einfluss von Druck wird die Lötpaste 12 in dem Behälter durch die hohle Nadel 7 hindurch gepresst und auf die Oberfläche 13 der Printplatte 14 aufgetragen. Der Druck wird im Allgemeinen pulsieren ausgeübt. Beim Auftragen der Paste wird der piezoelektrische Wandler 5 durch eine Spannung ins Schwingen gebracht, wodurch die hohle Nadel 7 in der Längsrichtung schwingt.Under the influence of pressure, the solder paste 12 in the container is forced through the hollow Needle 7 is pressed through and applied to the surface 13 of the printed circuit board 14. The pressure is generally exerted in a pulsating manner. When the paste is applied, the piezoelectric transducer 5 is caused to oscillate by a voltage, causing the hollow needle 7 to oscillate in the longitudinal direction.

Wenn die Nadel mit einer relativ niedrigen Frequenz (1-100 Hz) schwingt, kann die Spannung derart moduliert werden, dass die Nadel langsam in Richtung der Oberfläche bewegt und schnell zurückkehrt. Dies kann mit Hilfe einer Sägezahnspannung erreicht werden. Auf diese Art und Weise wird die Paste einer Pumpwirkung ausgesetzt, was die Auftragung der Paste erleichtert. Dies ist mit Hilfe von Fig. 2 schematisch dargestellt. Wenn die Nadel mit einer relativ hohen Frequenz (1-30 kHz) schwingt, kann die Lötpaste in der Nadel den schnellen Bewegungen der Nadel nicht folgen. Befriedigende Ergebnisse werden ebenfalls erzielt mit einer Frequenz von 6- 7 kHz, mit einem Druck auf die Paste von 0,5 Bar und mit einem Nadeldurchmesser von 0,2 mm. Die Pastenausgabe beträgt etwa 40% mehr als wenn die Nadel nicht ins Schwingen gebracht wird. Für eine weitere Verbesserung der Pumpwirkung kann eine Schwingung der Nadel kombiniert werden mit einer Sägezahnschwingung, wie oben beschrieben.If the needle oscillates at a relatively low frequency (1-100 Hz), the voltage can be modulated so that the needle moves slowly towards the surface and returns quickly. This can be achieved by means of a sawtooth voltage. In this way, the paste is subjected to a pumping action, which facilitates the application of the paste. This is shown schematically with the help of Fig. 2. If the needle oscillates at a relatively high frequency (1-30 kHz), the solder paste in the needle cannot follow the rapid movements of the needle. Satisfactory results are also achieved with a frequency of 6-7 kHz, with a pressure on the paste of 0.5 bar and with a needle diameter of 0.2 mm. The paste output is about 40% more than when the needle is not oscillated. To further improve the pumping effect, an oscillation of the needle can be combined with a sawtooth oscillation, as described above.

Fig. 3 zeigt eine andere Schwingungsvorrichtung. In dieser Figur sind entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben wie in Fig. 1. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Nadel 7 mit Hilfe eines Nockenmechanismus 15 einer Niederfrequenz-Längsschwingung ausgesetzt. Ein Schenkel 16 ist schwenkbar mit dem Gehäuse 4 der Schwingungsvorrichtung 3 verbunden. Die Nadel 7 hat einen Stift 17, der mit einer Öffnung 18 in dem Schenkel zusammenarbeitet. Der Schenkel 16 erstreckt sich quer zu der Nadel 7. Eine sich drehende Nockenscheibe 19 setzt den Schenkel 16 und folglich die Nadel 7 in eine längliche Schwingung. Eine Feder 20 zwingt den Schenkel 16 gegen die Nockenfläche 21 der Nockenscheibe. Die Nockenfläche kann derart gewählt werden, dass die Bewegung der Nadel weg von der Oberfläche der Printplatte schneller ist als die Bewegung der Nadel zu der Oberfläche hin, was an sich wieder eine Pumpwirkung mit sich bringt.Fig. 3 shows another vibration device. In this figure, corresponding elements are indicated with the same reference numerals as in Fig. 1. In the present embodiment, the needle 7 is subjected to a low frequency longitudinal vibration by means of a cam mechanism 15. A leg 16 is pivotally connected to the housing 4 of the vibration device 3. The needle 7 has a pin 17 which cooperates with an opening 18 in the leg. The leg 16 extends transversely to the needle 7. A rotating cam disc 19 sets the leg 16 and consequently the needle 7 in an elongated vibration. A spring 20 forces the leg 16 against the cam surface 21 of the cam disc. The cam surface can be selected such that the movement of the needle away from the surface of the printed circuit board is faster than the movement of the needle towards the surface, which in itself brings about a pumping effect.

Der Druckgenerator ist vorzugsweise eine Fluidpumpe, beispielsweise eine axiale Strömungspumpe, weil eine derartige Pumpe einen durchaus definierten Druck erzeugt. Eine Luftdruckpumpe ist aber ebenfalls möglich. Die Pumpe kann unmittelbar einen Teil der Vorrichtung bilden oder sie kann gegenüber dieser Vorrichtung extern sein und über biegsame Schläuche mit dem Behälter verbunden sein. Der Behälter kann ebenfalls extern sein und er kann über einen biegsamen Schlauch mit der Nadel verbunden sein. Dies verringert die Gesamtmasse des sich bewegenden Systems, wodurch die Geschwindigkeit gesteigert werden kann.The pressure generator is preferably a fluid pump, for example an axial flow pump, because such a pump has a well-defined Pressure is generated. An air pressure pump is also possible. The pump can form an immediate part of the device or it can be external to this device and connected to the container by flexible hoses. The container can also be external and it can be connected to the needle by a flexible hose. This reduces the overall mass of the moving system, which can increase the speed.

Claims

1. Method for applying a fluid (12) to a surface (13) wherein the pressurized fluid is applied to the surface from a container (1) through a hollow needle (7), characterized in that the needle is subjected to a longitudinal vibration when applying fluid.

2. Method according to claim 1, characterized in that the needle is subjected to an oscillation whose frequency is between 1 and 100 Hz and the duration of the needle movement in the direction of the surface (13) is longer than the duration of the needle movement away from the surface.

3. Method according to claim 2, wherein the fluid (12) is a solder paste, characterized in that the amplitude of the oscillation is of the same order of magnitude as the grain size of the solder balls in the paste.

4. Method according to claim 1, characterized in that the needle (7) is subjected to an oscillation whose frequency is between 1 and 30 kHz.

5. Method according to claim 1, characterized in that the fluid (12) is subjected to a pulsating pressure which occurs together with the vibration of the needle (7).

6. Device for applying a fluid (12) to a surface with a hollow needle (7) through which, in operation, the pressurized fluid is applied to the surface, characterized in that the device has a vibration device (3) which is coupled to the needle in order to make it vibrate in the longitudinal direction.

7. Device according to claim 6, characterized in that the oscillation device (3) has a piezoelectric transducer (5) which is connected to the needle.

8. Device according to claim 7, characterized in that the piezoelectric transducer (5) is operated by a voltage whose frequency is between 1 and 100 Hz, the amplitude of the voltage varying between two extreme values, the duration between the low value and the high value deviating from the duration between the high value and the low value.

9. Device according to claim 6, characterized in that the oscillation device (3) has a cam mechanism (19).

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that pressure means (11) are provided for pressurizing the fluid in the container.