Das kontaktlose DispenseJet® Verfahren

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Das kontaktlose DispenseJet® Verfahren
Das kontaktlose DispenseJet® Verfahren
für die präzise und wiederholgenaue Dosierung
Gerade im Halbleiter Packaging und der
Baugruppenfertigung lassen sich durch das
kontaktlose Dosieren von flüssigen oder
auch pastösen Medien mit dem
Dosierventil
zahlreiche
DispenseJet®
Vorteile gegenüber den traditionellen
Verfahren erzielen. In der Vergangenheit
erfolgte die Dosierung hauptsächlich durch
Siebdruck, Pintransfer oder durch die
klassische Nadel-Dosierung.
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
möglicht 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.
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.
Underfill
Nadeldosierung wird bevorzugt dort
eingesetzt, wo das Medium aufgrund der
Oberflächenbeschaffenheit der Baugruppe
nicht, oder nicht effektiv genug mit einem
Drucker appliziert werden kann, 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
Abb. 1 Funktionsprinzip DispenseJet® Ventil
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.
Aus der Abbildung 1 wird das
Funktionsprinzip 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“. Dadurch wird
maximale Flexibilität gewährleistet. Falls
ein noch höherer Durchsatz erforderlich
ist, 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 aber 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.
Abb. 2: Underfill von Stacked Die
Nadel gegenüber Jet Ventil
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.
Die Abbildung 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 – 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 – 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
der Düse 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.
Abb. 3: Unterschiedliche Jetting Anwendungen
Mit der „Jet On The Fly“ Technologie
können somit zahlreiche zusätzliche
Applikationen abgedeckt werden. Die
Abbildung 3 zeigt einige Beispiele von
Anwendungen die über die punktförmige
Dosierung von Klebstoffen hinausgehen
und die 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 Sieboder 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.
300 - 350µ aufwärts gearbeitet werden.
Die Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die
perfekte Geometrie der gejetteten Punkt
bei einem Durchmesser von ca. 300µ Im
Labor, bzw. Kleinserienmaßstab lassen
sich mit bestimmten Produkten sogar
Punkte mit einem Durchmesser von
weniger als 250µ 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 300µ aus, um das Medium
produktionssicher und wiederholgenau an
die vorgesehene Position zu jetten.
Gerd Schulze
Nordson – Asymtek
Electronics Systems Group
[email protected]
+49-162-2324750
Abb. 4: Leitklebstoff, ca. 300µ Durchmesser
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.