具有固定的柔性隔膜密封件的分配单元的制作方法

具有固定的柔性隔膜密封件的分配单元
1.发明背景
1.技术领域
2.本公开内容总体上涉及用于在比如印刷电路板等基板上分配粘性材料的设备和方法，更特别地涉及用于用分配单元在基板上分配材料的设备和方法，该分配单元具有设置在流体壳体内的往复活塞和固定的柔性隔膜密封件，该固定的柔性隔膜密封件被配置成在内部流体压力与大气之间提供密封。
2.

背景技术：

3.存在用于为多种应用分配精确量的液体或糊膏的若干种类型的分配系统。一种这样的应用是将集成电路芯片和其他电子部件组装到电路板基板上。在此应用中，使用自动分配系统将点状液体环氧树脂或焊膏或其他一些相关材料分配到印刷电路板上。自动分配系统还用于分配线状底部填充材料和封装剂，底部填充材料和封装剂可以用于将部件机械地紧固到印刷电路板。上述示例性分配系统包括由伊利诺伊工具公司电子组装设备子公司(illinois tool works electronic assembly equipment，itweae)(在马萨诸塞州的霍普金顿设有办事处)制造和分销的分配系统。
4.在典型的分配系统中，将分配单元安装到移动组件或机架，以便使用由计算机系统或控制器控制的伺服电机来使分配单元沿着三个相互正交的轴线(x轴、y轴和z轴)移动。为了将点状液体分配在印刷电路板或其他基板上的期望位置处，使分配单元沿着同一平面内的水平的x轴和y轴方向移动，直到分配单元位于期望位置上方。然后沿着垂直定向的竖直的z轴方向降低分配单元，直到分配单元和分配系统的喷嘴/喷针处于基板上方适当的分配高度。分配单元分配点状液体，然后沿着z轴升高，沿着x轴和y轴移动到新的位置，并且沿着z轴降低以分配下一点状液体。对于比如如上所述的底部填充物的封装或分配等应用，当分配单元沿着线状材料的期望路径在x轴和y轴上移动时，分配单元典型地受控制以分配线状材料。对于一些类型的分配单元(比如喷射泵)，可能不需要在分配操作之前和之后进行z轴移动。
5.图1展示了典型分配单元1的一部分，该分配单元具有支撑壳体2、由支撑壳体支撑的流体壳体3、与流体壳体流体连通以将粘性材料递送到流体壳体的入口源4、设置在流体壳体的端部处的喷嘴组件5、以及定位在流体壳体内并被配置成通过喷嘴组件分配材料的竖直设置的往复活塞6。某些分配材料可能含有导电材料(银)或绝缘材料(硅石)的悬浮颗粒。这些颗粒可能被吸入到往复活塞6与典型的u形杯密封件7之间的滑动界面中。随着时间的推移，u形杯密封件7可能磨损和/或颗粒可能堆积在活塞6与密封件之间并形成泄漏路径。


技术实现要素：

6.本公开内容的一个方面涉及用于在电子基板上分配粘性材料的分配系统。在一个
实施例中，分配系统包括框架和联接到框架的支撑件。支撑件被配置成在分配操作期间接纳并支撑电子基板。分配系统进一步包括被配置成分配粘性材料的分配单元组件和联接到框架的机架。机架被配置成支撑分配单元组件并使分配单元组件在x轴和y轴的方向上移动。分配单元组件包括被配置成分配粘性材料的分配单元。分配单元包括支撑壳体和由支撑壳体支撑的流体壳体。流体壳体包括腔室和入口，该入口被配置成将粘性材料从材料给送管递送到腔室。分配单元进一步包括喷嘴组件，该喷嘴组件可释放地固定到壳体并被配置成封闭流体壳体的一端。分配单元进一步包括部分地设置在流体壳体的腔室内的往复活塞。活塞被配置成从喷嘴组件分配粘性材料。分配单元进一步包括固定的柔性隔膜密封件，该固定的柔性隔膜密封件被配置成固定到流体壳体和活塞。
7.分配组件的实施例可以进一步包括将隔膜密封件配置成包括：内毂，该内毂的大小被设计成装配在形成于活塞中的直径减小的凹口内；外毂，该外毂的大小被设计成压配合在流体壳体内；以及柔性隔膜部分，该柔性隔膜部分连接内毂和外毂。柔性隔膜部分可以被配置成当活塞在流体壳体内上下往复运动时挠曲。喷嘴组件可以进一步包括喷嘴螺母、喷嘴和喷嘴适配器。喷嘴螺母可以螺纹固定到支撑壳体的下部部分，并被配置成将喷嘴、喷嘴适配器和阀座固定在喷嘴螺母与流体壳体的下端部之间。分配单元可以进一步包括o形环，以将阀座与流体壳体的底部密封。阀座可以包括大致圆柱形的构件，该大致圆柱形的构件具有锥形表面和形成在其中的小直径孔。
8.本公开内容的另一方面涉及被配置成在电子基板上分配粘性材料的分配系统的分配单元。在一个实施例中，分配单元包括支撑壳体和由支撑壳体支撑的流体壳体。流体壳体包括腔室和入口，该入口被配置成将粘性材料从材料给送管递送到腔室。分配单元进一步包括喷嘴组件，该喷嘴组件可释放地固定到壳体并被配置成封闭流体壳体的一端。分配单元进一步包括部分地设置在流体壳体的腔室内的往复活塞。活塞被配置成从喷嘴组件分配粘性材料。分配单元进一步包括固定的柔性隔膜密封件，该固定的柔性隔膜密封件被配置成固定到流体壳体和活塞。
9.分配单元的实施例可以进一步包括将隔膜密封件配置成包括：内毂，该内毂的大小被设计成装配在形成于活塞中的直径减小的凹口内；外毂，该外毂的大小被设计成压配合在流体壳体内；以及柔性隔膜部分，该柔性隔膜部分连接内毂和外毂。柔性隔膜部分可以被配置成当活塞在流体壳体内上下往复运动时挠曲。喷嘴组件可以进一步包括喷嘴螺母、喷嘴和喷嘴适配器。喷嘴螺母可以螺纹固定到支撑壳体的下部部分，并被配置成将喷嘴、喷嘴适配器和阀座固定在喷嘴螺母与流体壳体的下端部之间。分配单元可以进一步包括o形环，以将阀座与流体壳体的底部密封。阀座可以包括大致圆柱形的构件，该大致圆柱形的构件具有锥形表面和形成在其中的小直径孔。
10.本公开内容的又一方面涉及在电子基板上分配粘性材料的方法。在一个实施例中，该方法包括：将电子基板递送到分配位置；捕获电子基板的至少一个图像；分析电子基板的至少一个图像以确定电子基板的位置；以及用分配单元执行分配操作，该分配单元包括：支撑壳体；流体壳体，该流体壳体由支撑壳体支撑，该流体壳体包括腔室和入口，该入口被配置成将粘性材料从材料给送管递送到腔室；喷嘴组件，该喷嘴组件可释放地固定到壳体并被配置成封闭流体壳体的端部；往复活塞，该往复活塞部分地设置在流体壳体的腔室内，该活塞被配置成从喷嘴组件分配粘性材料；以及固定的柔性隔膜密封件，该固定的柔性
隔膜密封件被配置成紧固到流体壳体和活塞。
11.该方法的实施例可以进一步包括将隔膜密封件配置成包括：内毂，该内毂的大小被设计成装配在形成于活塞中的直径减小的凹口内；外毂，该外毂的大小被设计成压配合在流体壳体内；以及柔性隔膜部分，该柔性隔膜部分连接内毂和外毂。柔性隔膜部分可以被配置成当活塞在流体壳体内上下往复运动时挠曲。
附图说明
12.下面参照附图讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图并非旨在按比例绘制。附图被包括在内以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，但并不旨在定义对任何特定实施例的限制条件。附图以及说明书的其余部分用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，在各个附图中展示的每个相同或几乎相同的部件由相同的附图标记表示。出于清楚的目的，并非在每个附图中对每个部件都加以标记。在附图中：
13.图1是分配单元的一部分的横截面视图，示出了传统的活塞和密封件设计；
14.图2是分配系统的示意图；
15.图3是分配单元的一部分的横截面视图，示出了具有本公开内容的实施例的固定的柔性隔膜密封件的活塞；
16.图4是分配单元的一部分的放大横截面视图，示出了隔膜密封件；
17.图5是分配单元的一部分的分解立体图；
18.图6a是没有隔膜密封件的活塞的部分的立体图；以及
19.图6b是具有隔膜密封件的图6a所示的活塞的部分的立体图。
具体实施方式
20.本公开内容的各种实施例涉及粘性材料分配系统、包括分配系统的装置。本文公开的实施例涉及用于通过具有分配单元的分配系统在电子基板上分配材料的技术，该分配单元具有固定的柔性隔膜密封件，该固定的柔性隔膜密封件被配置成在流体腔室内的加压流体与大气之间密封分配单元的往复活塞。随着时间的推移，现有分配单元中使用的典型滑动型密封件可能磨损并产生泄漏。这导致不期望的频繁的维护间隔和/或密封件更换。在本公开内容的一个实施例中，固定在任一端部处的弹性体隔膜与活塞产生密封。当活塞来回移动时，弹性体挠曲，而不是像u形杯类型的密封件中那样相对于活塞滑动。因为密封件没有滑动界面，所以不会磨损和产生泄漏路径。
21.在一个实施例中，隔膜密封件被配置成包括外凸缘、柔性幅板和内凸缘，它们全部由弹性体材料一起模制而成。在组装时，外凸缘被压在两个壳体之间，以形成静态密封。内凸缘装配到设置在活塞轴上的凹口中，以防止组装之后在轴上滑动。流体压力作用在内凸缘上，从而将其压靠在轴上并有效地密封密封件与轴之间的界面。当活塞轴向移动时，两个凸缘之间的柔性连接板挠曲，从而允许活塞自由移动，但仍在内部流体压力与大气之间提供密封。
22.仅出于说明的目的而不是限制通用性，现在将参照附图详细描述本公开内容。本公开内容不将其应用限于在以下描述中阐述或在附图中展示的部件的构造和布置的细节。
本公开内容中阐述的原理能够用于其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。同样，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。对本文中以单数形式说到的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或动作的任何引用也可以涵盖包括多个示例、实施例、部件、元件或动作的实施例，并且对本文中任何实施例、部件、元件或动作的复数形式的任何引用也可以涵盖仅包括单个示例、实施例、部件、元件或动作的实施例。单数或复数形式的引用并不旨在限制当前公开的系统或方法、它们的部件、动作或元件。本文中“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及附加的项。对“或”的引用可以被解释为包括性的，以使得使用“或”描述的任何术语可以指示所描述术语中的单一术语、多个术语以及所有术语中的任一者。另外，在本文件与通过引用并入本文的文件之间的术语用法不一致的情况下，并入的引用文件中的术语用法是对本文件的术语用法的补充；对于矛盾的不一致性，以本文件中的术语用法为准。
23.图2示意性地展示了根据本公开内容的一个实施例的总体上以10表示的分配系统。分配系统10用于将粘性材料(例如，粘合剂、封装剂、环氧树脂、焊膏、底部填充材料等)或半粘性材料(例如，焊剂等)分配到电子基板12(比如印刷电路板或半导体晶片)上。分配系统10可以替代性地用于其他应用中，比如用于施加汽车衬垫材料或在某些医疗应用中或用于施加导电油墨。应当理解，在本文中对粘性材料或半粘性材料的引用是示例性的，并且旨在是非限制性的。在一个实施例中，分配系统10包括：总体上分别以14和16表示的第一分配单元和第二分配单元；以及控制器18，用于控制分配系统的操作。应当理解，分配单元在本文中也可以被称为分配泵和/或分配头。虽然示出了两个分配单元，但是应当理解，可以采用单一分配单元或多个分配单元。
24.分配系统10可以进一步包括：框架20，该框架具有用于支撑电子基板12的基座或支撑件22；分配单元机架24，该分配单元机架可移动地联接到框架20以便支撑分配单元14、16并使其移动；以及重量测量装置或称重秤26，该重量测量装置或称重秤例如用于作为校准程序的一部分而称量所分配的粘性材料的量，并将重量数据提供给控制器18。可以在分配系统10中使用传送机系统(未示出)或其他输送机构(比如步进梁)以控制电子基板到分配系统的装载和从分配系统的卸载。可以在控制器18的控制下使用电机来移动机架24，以将分配单元14、16定位在电子基板上方的预定位置处。分配系统10可以包括连接到控制器18以用于向操作者显示各种信息的显示单元28。可以存在用于控制分配单元的可选的第二控制器。而且，每个分配单元14、16可以被配置有z轴传感器，以检测分配单元设置在电子基板12上方或设置在安装于电子基板上的特征上方的高度。z轴传感器联接到控制器18以将由传感器获得的信息转送到控制器。
25.在执行如上所述的分配操作之前，必须将电子基板(例如，印刷电路板)与分配系统的分配单元对准或以其他方式配准。分配系统进一步包括视觉系统30，在一个实施例中，该视觉系统联接到视觉系统机架32，该视觉系统机架可移动地联接到框架20以便支撑视觉系统并使其移动。在另一个实施例中，视觉系统30可以设置在分配单元机架24上。如所描述的，采用视觉系统30来验证电子基板上的界标(被称为基准)或部件的位置。一旦确定位置，控制器可以被编程以操纵分配单元14、16中的一个或多个分配单元的移动以在电子基板上分配材料。
26.本公开内容的系统和方法涉及将材料分配到电子基板(例如，印刷电路板)上。本文提供的系统和方法的描述涉及被支撑在分配系统10的支撑件22上的示例性电子基板12(例如，印刷电路板)。在一个实施例中，分配操作由控制器18控制，该控制器可以包括被配置成控制材料分配单元的计算机系统。在另一个实施例中，控制器18可以由操作者操纵。控制器18被配置成操纵视觉系统机架32的移动以使视觉系统移动，以便获得电子基板12的一个或多个图像。控制器18被进一步配置成操纵分配单元机架24的移动以使分配单元14、16移动来执行分配操作。
27.本文公开的方法进一步支持使用各种类型的分配单元，包括但不限于螺杆泵、活塞泵和喷射泵。
28.在一个实施例中，本文描述的示例性分配系统可以实施由马萨诸塞州的霍普金顿的itweae销售的分配系统。
29.参照图3和图5，本公开内容的实施例的分配单元的一部分总体上以40表示。如图所示，分配单元40包括支撑壳体42、由支撑壳体支撑的流体壳体44和总体上以46表示的喷嘴组件，该喷嘴组件可释放地紧固到支撑壳体并封闭流体壳体的一端。具体地说，沿着轴线a联接到致动器的支撑壳体42被配置成支撑流体壳体44，该流体壳体接纳供分配的粘性材料。流体壳体44通过喷嘴组件46紧固在适当位置中，在一个实施例中，该喷嘴组件包括喷嘴螺母48、喷嘴50、喷嘴适配器52和阀座54，流体壳体的下部部分搁置在该阀座上。流体壳体44限定了与材料给送管58流体连通的圆柱形腔室56，该材料给送管适应于接收来自材料供应组件的材料。如图所示，材料给送管58通过流体壳体中形成的入口60而将粘性材料(例如，焊膏或环氧树脂)引入流体壳体44的腔室56内。
30.在一些实施例中，喷嘴组件46可以被配置为没有阀座，而仅包括喷嘴螺母48、喷嘴50和喷嘴适配器52。
31.分配单元40进一步包括部分地设置在流体壳体44的腔室56内的往复活塞62。活塞62具有上端部和下端部，该上端部通过弹簧和柱塞以向下方式因轭状物而偏移，或者直接被偏移到由致动器致动的气动缸，该下端部被配置成接合阀座54。活塞62被配置成被接纳在流体壳体44的腔室56内并在其中沿着轴线a可滑动地移动。
32.在一个实施例中，喷嘴适配器52螺纹固定到支撑壳体42的下部部分，并被配置成将阀座54固定在喷嘴适配器52与流体壳体44的下端部之间。喷嘴螺母48螺纹固定到喷嘴适配器52的下部部分，并被配置成将喷嘴50紧固到阀座54。如图5所示，设置o形环64以将阀座54与流体壳体44的底部密封。阀座54包括大致圆柱形的构件，该大致圆柱形的构件具有锥形表面和小直径孔(例如，直径为0.010英寸)，流体通过该小直径孔朝向喷嘴移动。在一个实施例中，阀座54可以由硬质材料(比如碳化钨)制成。这种布置使得当活塞62向下移动以接合阀座54时，粘性材料从形成在喷嘴中的小直径孔(例如，直径为0.005英寸)喷射到基板(例如，电路板12)上。
33.在特定实施例中，喷嘴组件46可以作为完整组件(喷嘴螺母48、喷嘴50)提供给分配系统10的最终用户，以辅助清洁喷嘴组件。具体地说，通过拧松喷嘴螺母48，可以将用过的喷嘴组件46从分配单元40的支撑壳体42完全移除，并用新的(干净的)喷嘴组件替换。此外，喷嘴适配器52、阀座54、o形环64和流体壳体44可以作为组件而提供，以辅助流体维护。
34.在一些实施例中，对于不包括阀座的喷嘴组件46，o形环64在喷嘴50与流体壳体44
的底部之间提供密封。
35.在操作中，往复活塞62可在流体壳体44的腔室56内在上部位置与下部位置之间移动。分配介质(例如，焊膏或环氧树脂)在压力下从材料给送管58通过入口60被引入到流体壳体44的腔室56中，并且分配材料通过流体壳体44流动到阀座54上方的开放空间。在下部位置中，活塞62坐靠在阀座54上，而在上部位置中，活塞从喷嘴组件46的阀座升起。在一个实施例中，致动器组件包括压电致动器、气动致动器或音圈马达中的一种(它联接到活塞62)，并且致动器组件的操作使得活塞在上部位置与下部位置之间移动。当活塞62移动到抵靠住阀座54上的降低位置时，通过形成在喷嘴中的小直径孔分配一小滴材料。
36.在一些实施例中，活塞62被配置成通过接合阀座54从而迫使材料穿过喷嘴的小直径孔，而使材料从喷嘴组件46的喷嘴50分配。
37.在其他实施例中，活塞62被配置成通过迫使腔室56内的材料穿过喷嘴的小直径孔，而使材料从无阀座54的喷嘴组件46的喷嘴50分配。
38.在一个实施例中，分配单元40向分配材料源提供加压空气，以通过材料给送管58将材料引入到分配单元的流体壳体44中。所提供的特定压力可以基于正使用的材料、正分配的材料体积以及分配单元40的操作模式来选择。在分配系统10的操作期间，用户通过分配平台的用户界面(即，显示单元28)而在电路板上限定分配区域。分配单元40可以用于分配点状和线状的材料。分配单元40用于分配通过分配系统10的多个分配循环形成的线状材料，并且用于使用单独的分配循环在电路板或其他基板上的选定位置处分配材料。对于线状材料，用户限定线的开始和停止位置，并且分配平台能够使分配单元40移动，沿着线施加材料。一旦定义了电路板上的所有分配区域并且使用分配单元控制面板设定了分配参数，分配系统就能够接纳电路板以进行处理。在将电路板移动到分配位置之后，分配系统10控制机架系统24将分配单元40定位在分配位置上方。在另一个实施例中，电路板可以在固定的分配单元下方移动。针对特定板的分配将继续，直到材料已被分配在板上的所有位置处。然后将该板从系统卸载，并且可以将新的板装载到系统中。
39.另外参照图4、图6a和图6b，分配单元40进一步包括总体上以70表示的固定的柔性隔膜密封件，该固定的柔性隔膜密封件被固定到流体壳体44和活塞62。具体来说，隔膜密封件70包括：内毂72，该内毂的大小被设定成装配在形成于活塞62中的直径减小的凹口66内；外毂74，该外毂的大小被设计成压配合在流体壳体44内；以及柔性隔膜部分76，该柔性隔膜部分连接内毂和外毂。隔膜密封件70的柔性隔膜部分76被配置成当活塞62在流体壳体44内上下往复运动时挠曲。在一个实施例中，用于产生隔膜密封件70的材料是被模制以产生隔膜密封件的弹性体材料，例如乙丙橡胶(epm)。也可以使用其他合适的材料，例如三元乙丙橡胶(epdm)、含氟弹性体材料(fkm)或热塑性氨聚酯弹性体材料(tpu)。
40.在所示的实施例中，内毂72围绕轴线a同心地定位在隔膜密封件70的外毂74内。如图4最清楚地示出，隔膜密封件70的内毂72相对于外毂74向下延伸，其中柔性隔膜部分76连接内毂的上部部分和外毂的中央部分或中间部分。这种构造使得活塞62和隔膜密封件70的内毂72能够相对于外毂74和流体壳体44进行灵活的相对运动。结果是流体壳体44内的流体压力引起隔膜密封件70的内毂72在活塞的凹口66内抵靠活塞62密封。这种设计的一个优点是，在操作(即，活塞在流体壳体44内的往复运动)期间，在活塞62上几乎没有摩擦。另一个优点是隔膜密封件70的生产成本低。又一个优点是隔膜密封件70与活塞62或流体壳体44没
有滑动界面，以消除或大幅减少界面之间的泄漏。
41.因此，应该观察到，内毂72与外毂74之间的柔性幅板(即，柔性隔膜部分76)的静态角度使得柔性幅板总是处于压缩状态下而从不处于拉伸状态下，以减小弹性体上的应力，从而提高密封件的寿命。当暴露于流体内的传统流体压力(高达60psi)时，柔性幅板的面积保持为最小以确保耐久性并使变形减至最小。
42.本公开内容的隔膜密封件70的实施例可以用于多种分配单元中，这些分配单元采用往复活塞来分配流体。隔膜密封件70能够延长所有应用的维护周期，或者在一些分配材料的情况下，能够提供没有泄露的硬件和工艺解决方案。
43.因此，应该观察到，本公开内容的实施例的固定的柔性隔膜密封件70特别适合于实现生产组装线上的分配泵的可接受的维护频率。通过消除传统u形杯类型的密封件(例如u形杯密封件7)的滑动界面，分配工具的维护频率可以围绕正分配的材料的寿命来安排，而不是围绕分配工具硬件来安排。
44.因此，已经描述了本公开内容的至少一个实施例的若干方面，将理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，先前的描述和附图仅作为示例。
45.权利要求书。