用于通过位移测量来控制喷射分配的方法和设备与流程

这里公开的发明涉及将粘性介质喷射到基板上。特别地，本发明涉及一种方法以及一种喷射器和一种系统，其中监测喷射器的冲击装置的位移。

背景技术：

1、本领域已知喷射器和方法用于将粘性介质或流体的液滴喷射到诸如印刷线路板(pwb)的基板上，例如焊膏、焊剂或粘合剂，从而形成例如可以用于将电子部件连接到基板的沉积物。这种喷射器通常包括用于在其喷射之前容纳一定体积的粘性介质的腔室、与喷嘴空间连通的喷射喷嘴以及用于通过喷嘴冲击和喷射以液滴形式的来自腔室的粘性介质的冲击装置。此外，可以使用进料器将介质供给到喷嘴空间中。沉积的粘性介质在基板上不同位置的量或体积可以通过在彼此的顶部上施加几个液滴来改变，从而形成更大的沉积物，或者通过改变喷射的液滴的体积来改变，例如通过将较大或较小体积的粘性介质供给到腔室中。

2、高生产精度和可靠性是制造例如印刷电路板(pcb)组件的重要因素。特别地，由于喷射过程对最终产品例如pcb组件的性能和质量的影响，喷射过程的可靠性例如准确性和可重复性是令人感兴趣的。太小体积的沉积介质或者不良形状或定位的沉积物可以例如导致干燥的接头或松动的部件，而太大体积的沉积介质可能导致例如由焊球或者由于粘合剂或底部填充物的污染造成的接触不良引起的短路。

3、为了提高过程可靠性和性能，需要改进对沉积介质的应用的控制，以便降低无意的被切短(shortcut)、污染和错误体积的风险。

技术实现思路

1、所公开的技术的目的是提供喷射液滴到基板上的改进的和更可靠的应用。

2、所公开的技术的该目的和其他目的通过具有独立权利要求中限定的特征的方法、喷射器和系统来实现。所公开的技术的不同实施方式在从属权利要求中限定。

3、所公开的技术的冲击装置包括“自由移动”的活塞，即活塞在其运动方面不受阀、座或止动件限制，并且该运动由电压和/或电流随时间控制并且具有返回位置或结束位置，其往复运动随时间变化，即行程长度随时间变化。

4、通过随时间监测电压和电流并且根据所公开的技术的方面与位移传感器进行比较，硬件和粘性介质本身的变化(比如导致返回位置和行程长度的不希望的变化的喷射介质等中的流变差异)可以通过调节施加的电压和/或电流来控制冲击装置和活塞的往复运动而以闭环方式被检测和补偿。

5、所公开的技术的喷射器还具有通向进料器的通道的开放连接或入口，因为没有阀或座将在任何时间关闭连接。因此，通道始终保持开放。

6、所公开的技术的喷射原理基于剪切和撞击介质并向前和向后移动介质。与通过冲击装置关闭通道的其他所谓的喷射阀和以正位移方式的座相比，仅通过喷嘴喷射出正向流动。

7、所公开的技术的喷射器与其他喷射器(例如具有座或止动件以形成封闭系统的喷射器)之间的其他重要差异是所公开技术的喷射器的活塞由施加的电压和/或电流驱动，它们随时间控制活塞的整个往复运动，包括向前和向后运动，这使腔室中的粘性介质向前和向后移动。

8、通过随时间监测电压和电流并且根据所公开技术的方面与位移传感器进行比较，可以检测和补偿喷射介质等中的流变差异。

9、每种介质结合喷嘴直径和形状都有一个过程窗口，其中喷射质量和性能最佳。质量包括几个方面：粘性下降、稳定的液滴配方、达到预期目标的高精度、体积稳定性和直径稳定性等。该过程窗口由电压和电流随时间控制，并且可补偿硬件和粘性介质本身的变化。

10、因此，根据所公开的技术的第一方面，提供了一种用于将粘性介质喷射到基板上的方法。该方法包括以下步骤：将粘性介质提供给喷射器的喷射腔室，操作冲击装置以冲击腔室中的一定体积的粘性介质，使得粘性介质通过连接到腔室的喷嘴朝向基板喷射，以及监测冲击期间冲击装置的位移。该方法可以包括以下动作：

11、将粘性介质提供(110)给喷射器(1)的喷射腔室(5)，所述喷射腔室包括将粘性介质提供给腔室的通向进料器(12)的通道的开放连接或入口；

12、操作(120)冲击装置(6、7)，其配置成与粘性介质直接接触，并且在腔室中自由往复运动，由施加到作用在冲击装置上的致动器的电压和/或电流控制，直接冲击并移动腔室中的一定体积的粘性介质，使得粘性介质通过连接到腔室的喷嘴(4)朝向基板喷射；以及

13、监测(130)冲击装置的位移，以便补偿由硬件和粘性介质本身中的至少一个变化引起的返回位置的变化。在所公开的技术的某些方面中，通过上述方法通过调节施加到作用于冲击装置上的致动器的电压和/或电流(以便调节返回位置和行程长度)的后续动作和影响粘性介质进入喷射腔室的进料速率的输入数据中的至少一个来补偿返回位置的变化。

14、根据第二方面，提供了一种用于将粘性介质喷射到基板上的喷射器。喷射器包括：适于容纳粘性介质的喷射腔室；连接到腔室的喷嘴；冲击装置，其适于冲击腔室中的一定体积的粘性介质，使得粘性介质通过喷嘴朝向基板喷射；以及传感器，其布置成输出反映冲击期间冲击装置的位移的传感器参数。

15、根据第三方面，提供了一种用于将粘性介质喷射到基板上的系统，包括根据第二方面的喷射器和适于基于传感器参数控制冲击装置的操作的控制单元。

16、根据某些方面，所公开的技术提供了一种用于将粘性介质喷射到基板(23)上的方法，该方法包括：

17、将粘性介质提供(110)给喷射器(1)的喷射腔室(5)，所述喷射腔室包括将粘性介质提供给腔室的通向进料器(12)的通道的开放连接或入口；

18、操作(120)冲击装置(6、7)，其配置成与粘性介质直接接触，以直接冲击并移动腔室中的一定体积的粘性介质，使得粘性介质通过连接到腔室的喷嘴(4)朝向基板喷射；以及

19、监测(130)冲击装置在喷射腔室内进行往复运动的位移。

20、根据某些方面，所公开的技术提供了一种用于将粘性介质喷射到基板(23)上的方法，该方法包括：

21、将粘性介质提供(110)给喷射器(1)的喷射腔室(5)，所述喷射腔室包括将粘性介质提供给腔室的通向进料器(12)的通道的开放连接或入口；

22、操作(120)冲击装置(6、7)，其配置成与粘性介质直接接触，从而直接冲击并移动腔室中的一定体积的粘性介质，使得粘性介质通过连接到腔室的喷嘴(4)朝向基板喷射；以及

23、监测(130)冲击装置在喷射腔室中的位移。

24、根据所公开的技术的某些方面，上述监测方法步骤包括监测冲击装置的位置以确定冲击装置的位置(例如行程或向前冲击运动的结束位置或返回位置)。

25、根据所公开的技术的某些方面，上述监测方法步骤包括在冲击装置的向前冲击运动和冲击装置受控缩回到初始位置中的至少一个期间在时域中监测冲击装置相对于其组件壳体(10)的一系列位置。

26、根据所公开技术的某些方面，上述监测冲击装置的位移的方法步骤包括以下步骤：

27、确定冲击期间冲击装置的行程长度；和

28、基于确定的行程长度与参考长度值之间的比较来计算校正因子；

29、其中，所述校正因子用于调节冲击装置的后续操作。

30、根据所公开技术的某些方面，上述监测冲击装置的位移的方法步骤包括：

31、确定冲击期间冲击装置的行程长度；和

32、基于确定的行程长度与参考长度值之间的比较来计算校正因子；

33、其中，所述校正因子用于统计处理和校正。

34、根据所公开技术的某些方面，上述监测冲击装置的位移的方法步骤包括：

35、确定冲击期间冲击装置的速度和加速度中的至少一个；和

36、基于确定的加速度与参考加速度值之间的比较来计算校正因子；

37、其中，所述校正因子用于调节冲击装置的后续操作与统计处理和校正中的至少一个。

38、根据所公开技术的某些方面，上述监测冲击装置的位移的方法步骤包括：

39、确定冲击期间冲击装置的速度和加速度中的至少一个；和

40、基于确定的位置(例如行程或向前冲击运动的结束位置或返回位置)、速度和/或加速度与参考位置、速度和/或加速度值之间的比较来计算校正因子；

41、其中，所述校正因子用于调节冲击装置对正在进行的喷射打印作业的后续操作。

42、根据所公开技术的某些方面，上述监测冲击装置的位移的方法步骤包括：

43、确定冲击期间冲击装置的位置(例如行程或向前冲击运动的结束位置或返回位置)、速度和加速度中的至少一个；和

44、基于确定的位置、速度和/或加速度与参考位置、速度和/或加速度值之间的比较来计算校正因子；

45、其中，所述校正因子用于对下一个行程的冲击装置的后续操作进行实时调节。

46、根据所公开技术的某些方面，提供了一种用于将粘性介质喷射到基板上的系统，该系统包括：

47、根据权利要求9所述的喷射器(1)；和

48、控制单元(32)，其适于基于传感器参数控制冲击装置的操作，其中所述控制单元适于：

49、基于传感器参数，确定冲击期间冲击装置在任何给定时间的速度、加速度、位置(例如行程或向前冲击运动的结束位置或返回位置)或行程长度中的至少一个；

50、基于确定的速度、加速度、位置(例如行程或向前冲击运动的结束位置或返回位置)和/或行程长度与参考值之间的比较来计算校正因子；以及

51、使用所述校正因子来调节冲击装置的后续操作。

52、根据所公开技术的某些方面，提供了一种用于将粘性介质喷射到基板(23)上的喷射器(1)，该喷射器包括：

53、喷射腔室(5)，其适于容纳粘性介质；

54、连接到所述腔室的喷嘴(4)；

55、冲击装置(6、7)，其适于冲击腔室中的一定体积的粘性介质，使得粘性介质通过喷嘴朝向基板喷射；以及

56、传感器(15)，其布置成输出反映冲击期间冲击装置的位移的传感器参数。

57、根据上述喷射器的某些方面，传感器包括在腔室(5)内，并且布置成用于冲击装置的位置(例如行程或向前冲击运动的结束位置或返回位置)、速度和加速度中的至少一个的非接触测量。

58、根据所公开技术的某些方面，所述喷射器和系统设置有控制单元，该控制单元适于：

59、基于从检测器接收的信号或传感器参数，在时域中确定冲击期间冲击装置的不同位置的运动曲线；

60、基于确定的运动曲线和参考运动曲线之间的比较来计算至少一个校正因子；以及

61、使用所述校正因子来调节冲击装置的后续操作，以便在冲击装置的时域中实现调节的运动曲线。

62、冲击装置的冲击影响待喷射的粘性介质中的压力。腔室中的压力可以例如通过冲击装置对粘性介质的直接冲击强度、行程长度和粘性介质的流变特性(较高粘度可以例如导致较高压力，反之亦然)来确定。由冲击装置引起的压力还可以取决于腔室中存在的粘性介质的量、形成喷射器的部件的机械公差、在其运动期间作用在冲击装置上的摩擦力等。因此，冲击装置的位移可用于间接获得关于腔室中的压力以及影响当前使用的特定喷射器和/或粘性介质的操作的其他参数的知识。

63、本发明基于以下认识：当控制冲击装置的后续运动时，冲击装置的实际位移可用作输入。通过监测冲击期间的位移，可以响应于监测的位移(以及腔室中间接监测的压力)来调节喷射器的操作，以便补偿不同喷射器之间的个体差异和/或待喷射的介质的流变特性的变化。喷射器可以例如在机械公差、摩擦和对腔室的供应速率方面有所不同，而粘性介质的粘性特性可以在例如总粘度、剪切稀化性能和触变性方面变化。因此，在行程期间监测的位移可以以闭环方式使用，以在喷射过程期间在例如冲击装置的速度和行程强度方面调节后续操作，以动态地提高喷射的质量和可靠性。

64、可替代地或另外，所监测的位移可用于对具有不同流体动力学行为的粘性介质和/或不同类型的粘性介质校准或调节喷射参数，即控制喷射所需的硬件操作的参数。在示例性校准过程中，可以在喷射某种类型粘性介质的一个或多个样品(在一个或多个喷射器中)期间监测位移。然后可以使用监测的位移来确定一组喷射参数，这些参数可用于随后喷射该特定类型的粘性介质。

65、因此，应当理解，本发明不仅可以用于或多或少地连续或实时监测喷射过程，而且可以用于对不同类型的粘性介质或喷射器校准喷射过程。喷射的实时监测可以在喷射器用于生产时进行，而校准例如对于每种类型的粘性介质或喷射器可以以预定的间隔进行一次质量检查，或者在操作者启动时。

66、由于粘性介质在喷射过程中受到显著变化的剪切速率，因此在喷射过程的不同阶段可以应用不同的流变方案。从一个观点来看，如果粘性介质在相对低的剪切速率下剪切变薄是有利的，例如低于100s-1，以便于泵送粘性介质并将其送入腔室。从另一个观点来看，如果粘性介质在相对高的剪切速率下剪切增厚是有利的，例如高于10.000s-1，以促进形成明确限定的形状和/或体积的喷射液滴，并防止在离开喷嘴出口时和/或在冲击基板时变形或喷射。

67、因此，粘性介质的剪切增厚可以由冲击装置的运动(且因此改变的剪切速率)确定或至少受其影响。粘性介质的流变行为可特别取决于例如冲击的强度、冲击装置的加速度和行程长度。通过改变运动的这些参数中的一个或多个，可以相应地改变流变行为(比如剪切增厚)。增加运动的速度和/或加速度可以例如导致焊膏的粘度增加(或剪切增厚)，而降低的速度和/或加速度可导致粘度降低。因此，本发明允许更好地控制粘性介质的粘度。由于在通过喷嘴的喷射期间粘性介质的粘度可能影响喷射液滴的速度和形状，因此可以控制液滴在其到达基板的途中倾向于例如喷射、变形或扩散。

68、可以进一步相对于上限和/或下限监测冲击装置的位移或加速度，其中越界位移可以指示喷射器的故障模式。相对大的位移或加速度可以例如表示腔室中的粘性介质的不存在或数量不足。这可能例如是由于粘附在粘性介质中的空气空隙、介质供应到喷嘴腔室的不连续性或有缺陷的喷射器引起的。另一方面，相对小的位移或低加速度可指示喷嘴堵塞或阻塞。通过移动特性在预定范围之外检测到的两种失效模式都可能导致基板上的喷射粘性介质的漏射和/或量不足。在现有技术中，在粘性介质沉积之后，即在下游检查步骤中或在产品的最终测试期间，可以检测到有缺陷的打印结果(即缺少沉积物或沉积错误或不充分的体积)。因此存在这样的风险：在检测到错误之前处理具有有缺陷的打印结果的若干基板，因此必须重新加工或丢弃。因此，本发明的优点在于，它提供了在喷射过程或喷射程序期间监测液滴喷射的可能性，使得可以在喷射过程中实时或至少早地检测喷射过程的中断或干扰。因此，可以在将处理线下游的基板向前之前检测到打印结果的潜在缺陷，这可以提高产量，降低废品率并减少基板的再加工。

69、本发明的有利之处还在于它提供了节省附加的下游检查步骤的可能性，例如手动检查或自动光学检测(aoi)。减少生产线的工具数量和/或操作员的数量可以有利地降低生产成本。

70、此外，本发明提供了通过在不进行单独检查的情况下将粘性介质的液滴补充喷射到基板上来校正打印错误的可能性。

71、在本技术的上下文中，应注意术语“粘性介质”应理解为包括例如焊膏、焊剂、粘合剂、导电粘合剂、或用于将部件紧固在基板上的任何其他种类介质或流体、导电油墨、电阻膏等的介质。对于至少一些焊膏应用，焊膏可包括按体积计约40％至约60％的焊球。剩余的体积可以是焊剂。焊球的直径通常为约20微米，或者直径为约10至约30微米(包括端点)。

72、术语“喷射的液滴”或“喷射”应理解为粘性介质的体积，其被迫通过喷射喷嘴并响应于冲击装置的冲击而朝向基板移动。然而，应当理解，响应于冲击装置的单个行程，可以从喷嘴排出多个液滴。

73、如本文所讨论，术语“沉积物尺寸”是指沉积物将覆盖的工件比如基板上的区域。液滴体积的增加通常导致沉积高度以及沉积物尺寸的增加。

74、“工件”可以是板(例如印刷电路板(pcb))、柔性pcb或印刷线路板(pwb)、用于球栅阵列(bga)的基板、柔性基板(例如纸)、芯片级封装(csp)、四方扁平封装(qfp)、晶片、倒装芯片等。

75、在本技术的上下文中，应注意术语“喷射”应解释为非接触沉积过程，其利用流体射流来形成并射出粘性介质的液滴从喷射喷嘴到基板上，如与接触式分配过程相比，比如“流体润湿”。与分配器和分配过程相反，其中对于接触分配而言针与相对于表面的重力和粘附力相结合用于在表面上分配粘性介质，用于喷射或射出粘性介质的喷射器或喷射头组件应被解释为包括冲击装置的设备，比如冲击装置包括例如压电致动器和柱塞，用于在大于约1微秒但小于约50微秒的时间段内通过冲击装置(例如柱塞的快速移动)的快速运动(例如快速受控的机械运动)而在流体室中快速建立压力，从而提供腔室中的流体变形，其迫使粘性介质的液滴通过喷嘴。在一实施方式中，喷射控制单元间歇地向压电致动器施加驱动电压，从而引起其间歇性延伸，以及柱塞相对于喷射器或喷射组件头的组件壳体的往复运动。

76、粘性介质的“喷射”可以指用于喷射或射出粘性介质的液滴的过程，其中可以在至少一个喷射喷嘴运动的同时执行粘性介质的液滴喷射到表面上而不停止在要沉积粘性介质的工件或基板上的每个位置。

77、通常，喷射器是软件控制的。该软件需要关于如何将粘性介质施加到特定基底或根据给定(或者可选地，期望的或预定的)喷射方案或喷射过程的说明。这些说明称为“喷射程序”。因此，喷射程序支持将粘性介质的液滴喷射到基板上的过程，该过程也可称为“喷射过程”或“打印过程”。喷射程序可以通过在喷射过程之前离线执行的预处理步骤产生。

78、根据一些实施例，监测冲击装置的位移的步骤可包括以下中的一个或多个：

79、-确定冲击装置的行程长度；

80、-确定冲击装置的加速度；

81、-确定冲击装置的速度；以及

82、-确定冲击装置在不同时间的位置。

83、可以将所确定的参数与预定或存储的参考值进行比较，所述参考值可被提供在例如查找表中。比较的结果可以用于调节确定冲击装置的操作的至少一个操作参数，以便调节行程的长度、冲击装置的加速度或速度或者冲击装置在行程期间的不同时间的位置。操作参数的示例包括例如施加到致动器的电压，例如压电致动器，作用在冲击装置上，或供应到腔室的粘性介质的进料速率。在监测的冲击装置的位移指示腔室中的压力低于参考值的情况下，由致动器施加的力可以例如增加和/或增加供应到腔室的粘性介质的量，反之亦然。冲击装置的后续操作的调节可以例如通过计算用于调节冲击装置的操作参数的校正因子来实现。

84、根据实施例，传感器可以是光学传感器、电容传感器、磁传感器、线性可变差动变压器(lvdt)传感器、音圈或压电传感器。这些传感器也可以称为非接触传感器，并且可以配置成用于直接测量冲击装置的运动位移。光学传感器的例子包括例如光纤光子传感器，其相对较小、精确并具有相对较高的带宽，用于在例如100至500hz的相对较高的频率下捕获大量数据，可以在该频率下操作冲击装置。此外，光纤传感器可以相对容易地安装在喷射器中，因为它们可能比其他传感器需要更少的空间。

85、根据实施例，传感器可以配置成用于接触测量位移。这种传感器可以例如是应变传感器，其可以附接到冲击装置或与冲击装置一起移动的另一结构。

86、通过分析来自冲击装置的致动器的响应，可以在其他或替代实施例中执行监测冲击装置的位移。致动器可以例如是压电致动器，其可以适于产生电响应，该电响应指示冲击装置的运动和/或施加在冲击装置上的机械负载。因此，通过监测来自致动器的电响应，喷射过程可以根据例如喷射室中的压力和冲击装置通过喷嘴排出粘性介质的运动来评估。然后，该信息可以用作控制、校准或调节喷射过程的输入，而无需任何附加传感器。

87、所公开的技术可以体现为用于以这样的方式控制可编程计算机的计算机可读指令，使得它使喷射器或系统执行上述方法。这些指令可以以计算机程序产品的形式分发，该计算机程序产品包括存储指令的非易失性计算机可读介质。

88、应当理解，上述用于根据本发明第一方面的方法的实施例中的任何特征可以与根据本发明的其他方面的喷射器和系统组合。

89、当研究以下详细公开内容、附图和所附权利要求时，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，本发明的不同特征可以组合成除了下面描述的实施例之外的创建的实施例。