Präzise und wiederholgenaue Dosierung

Kontaktloses DispenseJet Verfahren

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Gerade im Halbleiter Packaging und der Baugruppenfertigung lassen sich durch das kontaktlose Dosieren von flüssigen oder auch pastösen Medien mit dem DispenseJet Dosierventil zahlreiche Vorteile gegenüber den traditionellen Verfahren erzielen. In der Vergangenheit erfolgte die Dosierung hauptsächlich durch Siebdruck, Pintransfer oder durch die klassische Nadeldosierung.

Gerd Schulze, Nordson-Asymtek, Hardegsen

Siebdruck und Pintransfer waren die bevorzugten Verfahren, wenn es galt, einen möglichst hohen Durchsatz bei gleichzeitig guter Präzision zu erzielen. Die klassische Nadeldosierung wurde eigentlich nur dann verwendet, wenn es aufgrund des Produkt Layouts keine Möglichkeit zum Drucken oder zum Pintransfer gegeben hat, oder aber die Werkzeugkosten, gerade bei kleinen Serien, in keinem Verhältnis zum erzielten Nutzen gestanden haben.
Das bevorzugte Einsatzgebiet für Dosieranlagen ist überall dort, wo definierte Volumen eines Materials möglichst exakt und reproduzierbar innerhalb eines Packages oder einer Baugruppe dosiert werden muss, oder aber dort, wo eine möglichst hohe Flexibilität (low volume – high mix) gefordert ist. In diesen Fällen können Dispenser ihre Vorteile voll ausspielen.
Underfill
Nadeldosierung wird bevorzugt dort eingesetzt, wo das Medium aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit der Baugruppe nicht, oder nicht effektiv genug mit einem Drucker appliziert, also kein ausreichender Kontakt zwischen dem Klebstoff und dem Produkt hergestellt werden kann. Genau dies ist beispielsweise bei Underfill Anwendungen der Fall. Aber auch wenn aufgrund einer hohen Produktvielfalt eine große Anzahl von unterschiedlichen Sieben, Schablonen und/oder Transfer Werkzeugen erforderlich ist, kann die Dosierung eine sinnvolle Alternative darstellen. Zumal in der Regel aufwändige Einrichtarbeiten bei einem Produktwechsel nicht mehr erforderlich sind.
Jet Dosierung
Bei der ersten Anwendung, die bereits vor Jahren erfolgreich mit dem DispenseJet Ventil innerhalb der Elektronikindustrie eingeführt worden ist, handelt es sich um die kontaktlose Dosierung von SMD Klebstoff. Dies entspricht zwischenzeitlich dem aktuellen Stand der Technik, und wird als Standard von zahlreichen Unternehmen im In- und Ausland eingesetzt.
Der Einsatzbereich der DispenseJet Technologie konnte durch permanente Weiterentwicklung von Hard- und Software deutlich erweitert werden, und gewinnt gerade in der letzten Zeit enorm an Bedeutung. Da mit diesem Verfahren eine Vielzahl von unterschiedlichen Medien mit unterschiedlichsten Dosiermustern appliziert werden kann, ist ein sehr universeller Einsatz möglich.
Das Funktionsprinzip ist in Bild 1 ersichtlich: Aus einer Standardkartusche wird das zu dosierende Medium dem Ventil mit geringem Druck zugeführt. Anders als bei Zeit/Druck-gesteuerten Dosierventilen dient der geringe Vordruck jedoch lediglich dem Füllen des Ventils und wird nicht zur Dosierung verwendet. Als Verschlussmechanismus dient ein spezieller Kugelsitz. Beim Ansteuern des Ventils wird die Kugel aus ihrem Sitz gehoben, das Material fließt nach, tritt jedoch noch nicht aus der Düse aus. Erst im Schließvorgang wird durch die in ihren Sitz zurückkehrende Kugel ein definiertes Volumen verdrängt, und durch die Düse auf die Oberfläche des jeweiligen Substrates „gejettet“. Je nach Anwendung kann ein mehr oder weniger großer Abstand zwischen der Düse und dem Substrat gewählt werden. Um eine gleichmäßige und wiederholgenaue Applikation zu ermöglichen, ist das Ventil mit einer integrierten Temperaturregelung ausgerüstet. Je nach Bedarf wird erwärmt oder gekühlt, um eine gleichmäßige Temperatur des Mediums während der Applikation sicherzustellen. Dadurch wird eine präzise Kontrolle der Viskosität und der Fließeigenschaften des Mediums gewährleistet.
Höherer Durchsatz oder Präzision
Ein wesentlicher Vorteil des DispenseJet gegenüber anderen Dosierverfahren ist die höhere Geschwindigkeit, und natürlich das es keinen Kontakt mehr zu dem Substrat gibt. Applikationsabhängig beträgt die Taktzeit zwischen zwei Dosierungen deutlich weniger als 10 msec. Dadurch wird eine wesentlich höhere Dosierleistung ermöglicht. Überall dort, wo größere Volumina dosiert werden müssen, lassen sich problemlos mehrere Punkte übereinander „jetten“, wodurch maximale Flexibilität gewährleistet ist. Falls ein noch höherer Durchsatz erforderlich wird, lassen sich die Anlagen durchaus mit mehreren Jet Ventilen ausstatten.
Aber möglicherweise ist je nach Anwendung die Präzision ja wichtiger als der maximale Durchsatz? Mit den neuesten Software-Funktionen kann der Prozessingenieur je nach Anforderung die Anlage ganz einfach in Richtung Präzision oder aber in Richtung Durchsatz abstimmen. In Abhängigkeit der Plattform beträgt der dafür zur Verfügung stehende Bereich:
± 13 µ bei 15.000 Punkten/Stunde bis zu ± 58 µ bei 50.000 Punkten/Stunde.
Durch die kontaktlose Dosierung besteht keine Notwendigkeit mehr für eine zusätzliche Leiterplattenunterstützung innerhalb der Dosieranlage. Darüber hinaus werden auch die Probleme eliminiert, die durch Dosiernadeln oder Höhenmessungen verursacht werden können, wenn beispielsweise in vorherigen Prozessen bereits Klebstoff oder Lotpaste appliziert worden ist, und deshalb die Landefläche genauestens ausgewählt werden muss. Da sich der DispenseJet oberhalb des Substrates befindet, kann es hierbei zu keiner Verschleppung, Beschädigung oder Kontamination mehr kommen.
Start und Stopp
Bei dem ersten Anwendungsfall, für den das Jet Ventil ursprünglich entwickelt worden ist, handelt es sich um das Jetten von kleinen Punkten und das Dosieren von SMD Klebstoffen. Bei diesen Anwendungen fährt das Ventil eine zuvor programmierte Position an, bleibt kurz stehen, dosiert den Punkt und fährt dann zur nächsten Dosierposition. Somit bestand lediglich die Möglichkeit, einzelne Punkte im Stillstand zu applizieren. Der Einsatz hat sich dementsprechend auf einige wenige Anwendungen beschränkt, bei denen lediglich ein definiertes Volumen punktförmig appliziert werden musste. Dies ist beispielsweise für SMD Klebstoff oder auch die Dosierung von leitfähigem Klebstoff erforderlich. Zu diesem Zeitpunkt war es jedoch noch nicht möglich, kontinuierliche Linien oder andere Geometrien in einem Ablauf zu applizieren.
Jetting On The Fly
Durch die permanente Weiterentwicklung steht bei den aktuellen Anlagen jetzt auch das so genannte „Jetting On The Fly“ zur Verfügung. Unter diesem Begriff versteht man, dass das DispenseJet Ventil in einer kontinuierlichen Bewegung verfahren wird und dabei fortlaufend dosiert. Da Punktdurchmesser und Punktabstand exakt aufeinander eingestellt werden können, lassen sich so homogene und geschlossene Linien und andere Geometrien präzise und reproduzierbar applizieren.
Bild 2 zeigt ein Beispiel für die vielfältigen Vorteile der Jet, bzw. „Jet On The Fly“ Technologie anhand einer „Stacked Die“ Anwendung. Die einzelnen Punkte werden dosiert, während das Ventil in einer kontinuierlichen Bewegung verfahren wird, wobei die Punkt zu Punkt Taktzeit bei deutlich unter 10 msec liegt. Durch unterschiedliche Düsengrößen lassen sich je nach Anforderungen Punktvolumen von ca. 7,5 bis 210 nl pro Einzelschuss bei typischen Underfill Anwendungen realisieren. Da das Dosierventil oberhalb des Substrates verfahren wird und das Medium kontaktlos über einen gewissen Abstand aufgetragen wird, ist eine Bewegung in der Z-Achse nicht mehr erforderlich. Gegenüber der klassischen Nadeldosierung lassen sich allein dadurch bereits 1,5 bis 2 sec pro Dosiervorgang einsparen. Neben dem Wegfall von unnötigen Bewegungen der Z-Achse gibt es einen zusätzlichen gravierenden Vorteil: es besteht die Möglichkeit, die Packungsdichte der Baugruppe zu erhöhen, da die einzelnen Bauteile näher aneinander gesetzt werden können und trotzdem ausreichend Platz zur Verfügung steht, um Klebstoffe und/oder Underfill dosieren zu können.
Bei der Nadeldosierung ist es erforderlich, ausreichend Platz zwischen den einzelnen Bauteilen zur Verfügung zu stellen, damit die Nadel (mit zusätzlichem Sicherheitsabstand) zwischen den Bauteilen eintauchen und das Medium dosieren kann. Da sich bei dem Jet Verfahren die Düse jedoch oberhalb der Bauteile befindet, kann man die Öffnung dieser wesentlich dichter an der Kante der Bauteile positionieren, ohne dass es zu einer Beschädigung oder Kollision kommen kann. Dadurch lassen sich bei Underfill Prozessen wesentlich kleinere und präzisere Fillets realisieren, als es mit einer Nadel möglich ist. Mit der „Jet On The Fly“ Technologie können somit zahlreiche zusätzliche Applikationen abgedeckt werden. Bild 3 zeigt einige Beispiele von Anwendungen, die über die punktförmige Dosierung von Klebstoffen hinausgehen und mit diesem Verfahren bereits erfolgreich realisiert werden konnten. Wie bei allen Dosierverfahren gibt es natürlich auch in diesem Fall Einschränkungen, was die Auswahl von geeigneten Medien anbelangt. Es ist leicht vorstellbar, dass beispielsweise ein Klebstoff, der für Sieb- oder Schablonendruck eingestellt ist, nicht unbedingt optimal dosiert oder gejettet werden kann. Zwischenzeitlich bieten jedoch alle relevanten Materialhersteller entsprechende Materialien an, die für den Jet Prozess entwickelt oder modifiziert worden sind, um eine einwandfreie und zuverlässige Dosierung zu ermöglichen. Bezogen auf die Underfill Anwendungen wurden alle gängigen Produkte ausgiebig getestet und haben sich als Jet-fähig erwiesen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die meisten dieser Materialien von Haus aus eine geringe Eigenelastizität aufweisen, und auf eine hohe Fließgeschwindigkeit eingestellt sind. Dadurch lassen sie sich problemlos jetten, weisen einen guten Abriss an der Düse auf, und neigen nicht dazu einen Faden zu ziehen.
Punktgröße
Darüber hinaus gibt es eine große Anzahl von elektrisch leitfähigen Klebstoffen, die sich hervorragend mit dem DispenseJet verarbeiten lassen. In der Praxis kann je nach Material mit einer Punktgröße von ca. 300 bis 350 µ aufwärts gearbeitet werden. Die Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die perfekte Geometrie der gejetteten Punkte bei einem Durchmesser von ca. 300 µ. Im Labor, bzw. Kleinserienmaßstab lassen sich mit bestimmten Produkten sogar Punkte mit einem Durchmesser von weniger als 250 µ realisieren.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die permanente Weiterentwicklung von Hard- und Software das Anwendungsspektrum für diese Technologie deutlich erweitert werden konnte und nicht mehr nur auf die punktförmige Dosierung von Klebstoffen beschränkt ist. Durch die Möglichkeiten, die sich mit der „Jet On The Fly“ Funktion bieten, konnte der tatsächliche Durchsatz bei bestimmten Underfill Anwendungen in der Praxis gegenüber dem klassischen Nadeldosieren mehr als verdoppelt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die kontaktlose Dosierung und die höhere Präzision eine weitere Miniaturisierung der Baugruppen ermöglicht wird. Bei bestimmten Anwendungen reichen selbst Öffnungen von lediglich 300 µ aus, um das Medium produktionssicher und wiederholgenau an die vorgesehene Position zu jetten.
EPP 448
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