개선된 인쇄 헤드는 챔버로부터 점성 재료를 배출하기 위한 직접적인 압력 제어 시스템을 가지는 챔버를 포함한다. ‘점성’ 재료는, 챔버 내의 분배 영역으로부터의 충진 및 분배를 위한 다른 외부 힘들이 없는 상태에서 재료가 자연적으로 유동하지 않도록, 주어진 구성 및 조건들 하에서 충분한 점도를 가지는 재료이다. 이러한 개시의 점성 재료 인쇄 헤드는 챔버를 가지고, 그러한 챔버를 통해서 점성 재료가 전달된다. 인쇄 헤드는, 땜납 페이스트 카트리지와 같은 점성 재료의 공급원과 커플링될 수 있는, 적어도 하나의 공급원 포트 및 점성 재료가 챔버를 빠져나갈 때 통과하는 분배 슬롯을 포함한다.
 

전자 기판 상에 점성 재료를 인쇄하기 위한 스텐실 프린터가, 내부에 형성되는 구멍들을 구비하는 스텐실, 및 상기 스텐실 위에 배치되고 상기 스텐실의 구멍들 내부에서 점성 재료를 침착하도록 구성되는 인쇄 헤드를 포함한다. 인쇄 헤드는, 세장형 챔버를 한정하는 하우징, 점성 재료가 상기 세장형 챔버 내로 유동하는 것을 허용하도록 배치되는 유입구를 갖는 통로를 한정하는 공급원 포트, 점성 재료가 상기 세장형 챔버의 외부로 유동할 수 있도록 하는 배출구를 제공하는 슬롯을 한정하는 한 쌍의 블레이드, 상기 세장형 챔버 내의 점성 재료의 부피를 감소시키도록 상기 세장형 챔버 내에서 이동할 수 있는 세장형 플런저, 및 상기 세장형 챔버 내부의 점성 재료의 압력을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다.

명세서

배경 기술
전형적으로, 땜납 페이스트가 상부에 침착(deposit)되는 패드들의 패턴 또는 일부 다른 전도성 표면을 가지는 회로 기판이 스텐실 프린터 내로 자동적으로 공급되고; 땜납 페이스트를 회로 기판 상으로 인쇄하기에 앞서서 회로 기판을 스텐실 프린터의 스텐실 또는 스크린과 적절하게 정렬시키기 위해서, 회로 기판 상의 하나 이상의 작은 홀들 또는 마크들(‘기점들(fiducials)’로서 공지됨)이 이용된다. 일부 시스템들에서, 회로 기판을 스텐실과 정렬시키기 위해서, 광학적 정렬 시스템이 이용된다.
회로 기판이 프린터 내의 스텐실과 적절하게 정렬되면, 회로 기판이 스텐실로 상승되고, 땜납 페이스트가 스텐실 상으로 분배되며, 그리고 와이퍼 블레이드(또는 고무 롤러(squeegee))가 스텐실을 횡단하여 땜납 페이스트를 스텐실 내의 구멍들을 통해서 그리고 기판 상으로 강제한다. 고무 롤러가 스텐실을 가로질러 이동됨에 따라, 땜납 페이스트가 블레이드의 전방에서 구르는(roll) 경향을 가지고, 그러한 구르는 경향은 땜납 페이스트의 혼합 및 전단(shearing)을 바람직하게 유도하여, 스크린 또는 스텐실 내의 구멍들의 충진을 돕는 바람직한 점도를 획득하게 한다. 전형적으로, 땜납 페이스트는 표준형 카트리지로부터 스텐실 상으로 분배된다.
일부 스텐실 프린터들에서, 고무 롤러 아래에 남아 있는 임의의 과다 땜납 페이스트는, 스텐실이 완전히 횡단한 후에 고무 롤러가 제2 회로 기판 상에서의 인쇄를 위해서 그 초기 위치로 복귀될 때, 스텐실 상에 남아 있게 된다. 일부 스텐실 프린터들에서, 제2 고무 롤러가 제1 고무 롤러의 이동 방향에 반대되는 방향을 따라서 스텐실을 가로질러 이동한다. 제1 고무 롤러 및 제2 고무 롤러은, 각각의 연속적인 회로 기판 상에서의 인쇄를 위해서, 스텐실의 구멍들 위에서 땜납 페이스트의 롤을 연속적으로 통과시키기 위해 교번적인(alternating) 기판들에서 이용된다. 2개의 고무 롤러들을 이용하는 스텐실 프린터들에서, 제조일(manufacturing day)의 마지막에, 또는 스텐실이 교환될 때, 전형적으로 과다한 땜납 페이스트가 스텐실 상에 남아 있게 되고 반드시 수작업으로 제거하여야 한다는 문제점이 여전히 존재한다. 또한, 이러한 공지된 프린터들에서, 요구되는 점도를 유지하는 것이 어려운데, 이는 휘발성 용매들이 땜납 페이스트로부터 빠져나가고, 그에 의해서 땜납 페이스트의 점도에 영향을 미치기 때문이다. 이러한 스텐실 프린터들에서, 고무 롤러 블레이드들은, 고무 롤러가 스텐실을 가로질러 이동하게 됨에 따라, 땜납 페이스트 상으로 하향 압력을 인가하여 땜납 페이스트를 스텐실 내의 구멍들을 관통하도록 힘을 가하기 위해, 스텐실에 대해서 미리 결정된 각도로 위치하게 된다. 블레이드의 각도는 블레이드가 스텐실을 횡단하는 속도를 기초로 그리고 블레이드로부터 땜납 페이스트 상으로의 요구되는 하향 압력을 기초로 선택된다. 고무 롤러가 스텐실을 횡단할 때, 땜납 페이스트 상에서 일정한 압력을 유지하는 것이 바람직하나; 전형적인 프린터에서, 압력은, 생산 실행(run) 전체에 걸친 통한 페이스트 점도의 변동들로 인해서 그리고 고무 롤러 구동 디바이스에 의해서 인가되는 압력으로 인한 고무 롤러의 변형에 의해서 유발되는 고무 롤러 각도의 변동들로 인해서, 변화된다.
전술한 바와 같은, 상기 문제점들 중 일부에 응답하여, 개선된 땜납 페이스트 인쇄 헤드들이 미국 특허 제5,947,022 호, 제6,324,973 호, 제6,453,810 호, 및 제6,955,120 호에 개시되어 있고, 이러한 특허들 각각의 전체가 여기에서 참조로서 포함된다. 이러한 특허들은, 땜납 페이스트를 공급하는 제거 가능한 카트리지들이 커플링되는 포트들을 포함하는 챔버를 갖는 이동 가능한 인쇄 헤드를 개시한다. 땜납 페이스트가 제거 가능한 카트리지들로부터 챔버 내로, 이어서 분배 슬롯 외부로, 스텐실을 통해서 그리고 회로 기판 상으로 요구되는 패턴으로 전달된다.

발명의 내용  

해결하려는 과제  
특히, 인쇄 헤드의 전체 폭을 가로질러, 압력 제어가 개선되고, 큰 가요성(flexibility)을 가지고, 유지보수가 감소되며, 그리고 운영자에게 증가된 가치를 제공하는 인쇄 헤드가 현재 요구되고 있다.

과제의 해결 수단   
여기에서 개시되는 개선된 인쇄 헤드는 챔버로부터 점성 재료를 배출하기 위한 직접적인 압력 제어 시스템을 가지는 챔버를 포함한다. ‘점성’ 재료는, 챔버 내의 분배 영역으로부터의 충진 및 분배를 위한 다른 외부 힘들이 없는 상태에서 재료가 자연적으로(단순한 중력 원리들 하에서) 유동하지 않도록, 주어진 구성 및 조건들 하에서 충분한 점도를 가지는 재료이다. 이러한 개시의 점성 재료 인쇄 헤드(또한 ‘분배 헤드’라고 공지됨)는 챔버를 가지고, 그러한 챔버를 통해서 점성 재료(예를 들어, 땜납 페이스트)가 전달된다. 인쇄 헤드는, 땜납 페이스트 카트리지와 같은 점성 재료의 공급원과 커플링될 수 있는, 적어도 하나의 공급원 포트 및 점성 재료가 챔버를 빠져나갈 때 통과하는 분배 슬롯을 포함한다.
인쇄 헤드는 프레임에 장착될 수 있고, 상기 프레임에는 스텐실이 또한 장착된다. 스텐실은 인쇄 헤드의 분배 슬롯과 기판(예를 들어, 인쇄 회로 기판) 사이에 배치된다. 그에 따라, 점성 재료가 스텐실 내의 구멍들을 통해서 그리고 기판의 표면 상의 선택된 위치들 상으로 인쇄 헤드로부터 분배될 수 있다.
본 개시의 양태들은 전자 기판 상에 여러 가지 재료를 인쇄하기 위한 스텐실 프린터에 관한 것이다. 일 실시예에서, 스텐실 프린터는, 구멍들이 내부에 형성된 스텐실, 및 상기 스텐실 위에 배치되고 스텐실의 구멍들 내에 점성 재료를 침착하도록 구성되는 인쇄 헤드를 포함한다. 인쇄 헤드는, 세장형 챔버를 한정하는 하우징, 점성 재료가 상기 세장형 챔버 내로 유동하는 것을 허용하도록 배치되는 유입구를 가지는 통로를 한정하는 공급원 포트, 점성 재료가 상기 세장형 챔버의 외부로 유동할 수 있게 하는 배출구를 제공하는 슬롯을 한정하는 블레이드들의 쌍, 상기 세장형 챔버 내의 점성 재료의 부피를 감소시키도록 상기 세장형 챔버 내에서 이동 가능한 세장형 플런저, 및 상기 세장형 챔버 내의 점성 재료의 압력을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다.
스텐실 프린터의 실시예들은 요구되는 압력에서 점성 재료를 유지하기 위해서 세장형 플런저의 동작을 제어하기 위해 인쇄 헤드와 커플링되는 제어기를 더 포함한다. 인쇄 헤드는 상기 제어기의 제어 하에서 세장형 챔버 내에서 세장형 플런저의 이동을 구동시키기 위한 모터를 더 포함할 수 있을 것이고, 상기 모터는 인쇄 헤드의 하우징에 그리고 제어기에 커플링된다. 적어도 하나의 센서가 세장형 챔버의 벽을 따라서 제공되는 압력 변환기를 포함할 수 있을 것이다. 스텐실 프린터는 상기 세장형 플런저와 상기 세장형 챔버 내에 배치되는 점성 재료 사이에 위치하게 되는 가요성 멤브레인을 더 포함할 수 있을 것이다. 블레이드들이 서로를 향해서 각도를 이룰 수 있을 것이다. 스텐실 프린터는 상기 세장형 챔버의 길이를 따라서 배치되는 3개의 센서들을 더 포함할 수 있을 것이다.
본 개시의 다른 양태는 땜납 페이스트를 인쇄하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 인쇄 헤드의 세장형 챔버로 점성 재료를 공급하는 것; 상기 점성 재료를 기판 상으로 변위시키기 위해 세장형 플런저로 상기 점성 재료에 압력을 인가하는 것; 및 상기 점성 재료를 요구되는 압력에서 유지하기 위해 상기 세장형 챔버 내의 압력을 감지하는 것을 포함한다.
상기 방법의 실시예들은, 상기 세장형 챔버 내부에서 점성 재료의 압력을 제어하기 위해 상기 세장형 챔버 내부에 배치되는 복수의 압력 변환기들로부터 취해진 판독 값들(readings)을 평균화하는 것에 의해, 상기 세장형 챔버 내부의 압력을 감지하는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 상기 세장형 플런저와 상기 세장형 챔버 내부에 배치되는 점성 재료 사이에 가요성 멤브레인을 배치하는 것을 더 포함할 수 있을 것이다. 상기 방법은 점성 재료를 요구되는 압력에서 유지하면서 상기 세장형 챔버로 점성 재료를 공급하는 것을 더 포함할 수 있을 것이다.
상기 압력을 감지하는 것은 상기 세장형 챔버의 좌측 측부(side)에서 그리고 상기 세장형 챔버의 우측 측부에서 이루어질 수 있을 것이다. 상기 방법은 인쇄 행정 도중에 상기 세장형 챔버로부터 방출되는 점성 재료의 양을 적극적으로(positively) 제어하는 것을 더 포함할 수 있을 것이다. 점성 재료가 땜납 페이스트일 수 있을 것이고, 상기 방법은, 상기 땜납 페이스트가 상기 기판 상에서의 선택적인 침착을 위해서 상기 세장형 챔버로부터 방출될 때, 상기 스텐실을 통해서 땜납 페이스트를 통과시키는 것을 더 포함할 수 있을 것이다.
본 개시의 다른 양태는 세장형 챔버를 한정하는 하우징, 점성 재료가 상기 세장형 챔버 내로 유동하는 것을 허용하도록 배치되는 유입구를 가지는 통로를 한정하는 공급원 포트, 점성 재료가 상기 세장형 챔버의 외부로 유동할 수 있도록 배출구를 제공하는 슬롯을 한정하는 블레이드들의 쌍, 상기 세장형 챔버 내의 점성 재료의 부피를 감소시키도록 상기 세장형 챔버 내에서 이동 가능한 세장형 플런저, 및 상기 세장형 챔버 내의 점성 재료의 압력을 검출하기 위한 수단을 포함한다.
인쇄 헤드의 실시예들은, 상기 점성 재료를 요구되는 압력에서 유지하기 위해서, 상기 세장형 플런저의 동작을 제어하기 위해 상기 인쇄 헤드와 커플링되는 제어기를 더 포함할 수 있을 것이다. 상기 인쇄 헤드는 상기 제어기의 제어 하에서 세장형 챔버 내에서 세장형 플런저의 이동을 구동시키기 위한 모터를 더 포함할 수 있을 것이고, 상기 모터는 인쇄 헤드의 하우징에 그리고 제어기에 커플링된다. 압력을 검출하기 위한 수단이 세장형 챔버의 벽을 따라서 제공되는 압력 변환기를 포함할 수 있을 것이다. 인쇄 헤드가 상기 세장형 챔버 내에서 상기 세장형 플런저 아래에 배치된 가요성 멤브레인을 더 포함할 수 있을 것이다. 블레이드들이 서로를 향해서 각도를 이룰 수 있을 것이다. 상기 압력을 검출하기 위한 수단이 상기 세장형 챔버의 길이를 따라서 배치되는 3개의 센서들을 포함할 수 있을 것이다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
설명의 목적들을 위해서, 회로 기판 상으로 땜납 페이스트를 인쇄하기 위해서 이용되는 스텐실 프린터를 참조하여, 본 개시의 실시예들을 이하에서 설명한다. 장치 및 연관된 방법들이 또한 다양한 기판들 상에서 아교들(glues), 접착제들 및 봉합제들(encapsulants)과 같은 다른 점성 재료들을 분배하거나 인쇄하는 것을 필요로 하는 다른 용도들에서 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 장치는, 칩-스케일(chip-scale) 패키지들을 위한 언더필(underfill)로서 이용하기 위한 에폭시를 인쇄하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 이러한 개시의 실시예들의 인쇄 헤드들은 스텐실 프린터들에서 이용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 스텐실 프린터가 프랭크린(Franklin)에 소재하는 Speedline Technologies, Inc.가 제공하는 Accelaⓡ 또는 Momentumⓡ 계열의 스텐실 프린터 플랫폼을 포함할 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예들의 인쇄 헤드는 자동화된 스텐실 인쇄 동작들을 위한 제어된 인쇄 재료의 도포를 제공하도록 디자인된다. 전술한 바와 같이, 인쇄 재료가 땜납 페이스트, 접착제들 또는 다른 인쇄 재료들일 수 있을 것이다. 상기 재료는 주변 분위기로부터 보호되고 조정되며, 제어된 압력 하에서 스텐실에 의해 도포된다. 인쇄 재료는 세장형 하우징 내에 봉입되고(enclosed), 상기 세장형 하우징의 유일한 개구부는 하단부 상에 위치되며, 상기 하단부에서 상기 개구부가 스텐실에 대해서 근접하여 유지된다. 인쇄 헤드은 하우징의 상단부 상의 세장형 플런저를 포함하고, 상기 플런저는 스텐실 상으로 재료를 제공하기 위한 제어된 압력을 인가하기 위한 수단을 제공한다. 몇 개의 압력 센서들이 하우징의 길이를 따라서 제공되어, 챔버 내의 내부 재료 압력을 측정한다. 동작 도중에, 고려하여야 하는 2개의 힘들이 존재하고, 제1 힘은 스텐실에 대해서 푸싱하는(pushing) 물리적 하우징의 힘이고, 제2 힘은 스텐실에 대한 하우징의 챔버 내부의 재료로 인가되는 압력이다. 제1 힘은 인쇄 헤드 z-축 제어에 의해서 제어되고 제2 힘은 하우징 플런저에 의해서 제어된다.
이제 도면들, 보다 구체적으로 그림 1을 참조하면, 본 개시의 실시예의 스텐실 프린터가 전체적으로 ‘10’으로 지시된다. 도시된 바와 같이, 스텐실 프린터(10)는, 스텐실 프린터의 구성요소들을 지지하는 프레임(12)을 포함한다. 스텐실 프린터의 구성요소들은, 부분적으로, 제어기(14), 디스플레이(16), 스텐실(18) 및 전체적으로 ‘20’으로 지시되는, 인쇄 헤드 조립체 또는 인쇄 헤드를 포함할 수 있을 것이고, 상기 인쇄 헤드는 이하에서 더 구체적으로 설명되는 방식으로 땜납 페이스트를 도포하도록 구성된다.



그림 1에 도시된 바와 같이 그리고 이하에서 설명된 바와 같이, 스텐실 및 인쇄 헤드는 프레임(12)에 적절하게 커플링 또는 그렇지 않으면 연결될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 인쇄 헤드(20)는 인쇄 헤드 갠트리(22) 상에 장착될 수 있을 것이고, 상기 인쇄 헤드 갠트리(22)는 프레임(12) 상에 장착될 수 있을 것이다. 인쇄 헤드 갠트리(22)는, 인쇄 헤드(20)가 제어기(14)의 제어 하에서 y-축 방향으로 이동되는 것 및 스텐실(18)과 결합함에 따라 압력을 인쇄 헤드 상에 인가하는 것을 가능하게 한다. 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이, 인쇄 헤드(20)는, 스텐실(18) 위에 배치될 수 있을 것이며 그리고 스텐실과의 접촉 및 밀봉식 맞물림 상태로 z-축 방향을 따라서 하강될 수 있을 것이다.
스텐실 프린터(10)는 또한 인쇄 회로 기판(종종, ‘인쇄 배선 보드’, ‘기판’, 또는 ‘전자 기판’으로서 여기에서 지칭된다)을 스텐실 프린터 내의 인쇄 위치로 이송하기 위한 레일들(24, 26)을 가지는 컨베이어 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 여기에서, 레일들(24, 26)은 종종 ‘트랙터 피드(feed) 메커니즘’으로서 지칭될 수 있을 것이고, 그러한 트랙터 피드 메커니즘은, 여기에서 ‘인쇄 네스트(nest)’로서 지칭될 수 있는, 스텐실 프린터의 작업 지역으로 회로 기판들을 피딩, 로딩, 또는 그렇지 않으면 전달하도록, 그리고 인쇄 네스트로부터 회로 기판들을 언로딩하도록 구성된다.
스텐실 프린터(10)는, 회로 기판이 인쇄 동작 중에 안정될 수 있도록 회로 기판을 상승시키고 고정하는, 회로 기판을 지지하기 위한 지지 조립체(28)를 가진다. 특정 실시예들에서, 기판 지지 조립체(28)는, 회로 기판이 인쇄 위치에 있을 때, 회로 기판 아래에 배치되는 특별한 기판 지지 시스템, 예를 들어, 중실형(solid) 지지부, 복수의 핀들 또는 가요성 공구(tooling)를 더 포함할 수 있을 것이다. 기판 지지 시스템은, 부분적으로, 인쇄 동작 중에 회로 기판의 휘어짐 또는 왜곡을 방지하도록 회로 기판의 내부 영역들을 지지하기 위해 이용될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 인쇄 헤드(20)는, 인쇄 동작 중에 땜납 페이스트를 인쇄 헤드로 제공하는 분배기와 같은 공급원으로부터, 예를 들어 땜납 페이스트 카트리지로부터 땜납 페이스트를 받아들이도록 구성될 수 있을 것이다. 땜납 페이스트를 공급하기 위한 다른 방법들이 카트리지 대신에 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 땜납 페이스트가 블레이드들 사이에 수작업으로 배치될 수 있을 것이고 또는 외부 공급원으로부터 배치될 수 있을 것이다. 부가적으로, 특정 실시예에서, 제어기(14)는, 스텐실 프린터(10)의 동작을 제어하기 위한 용도 맞춤형 소프트웨어와 함께, Microsoft DOS 또는 Windows XP 동작 시스템과 같은, 적절한 운영 시스템을 가지는 개인용 컴퓨터를 이용하도록 구성될 수 있을 것이다. 제어기(14)는, 회로 기판들을 제조하기 위한 생산 라인을 제어하기 위해서 이용되는, 마스터 제어기로 네트워크될 수 있을 것이다.
하나의 구성에서, 스텐실 프린터(10)는 이하와 같이 동작한다. 회로 기판이 컨베이어 레일들(24, 26)을 이용하여 스텐실 프린터(10) 내로 로딩된다. 지지 조립체(28)가 회로 기판을 인쇄 위치로 상승시키고 고정한다. 이어서, 인쇄 헤드의 블레이드들이 요구되는 압력으로 스텐실(18)과 접촉할 때까지, 인쇄 헤드(20)가 z-축 방향을 따라 하강된다. 이어서, 인쇄 헤드(20)가 인쇄 헤드 갠트리(22)에 의해서 스텐실(18)을 가로질러 y-축 방향으로 이동된다. 인쇄 헤드(20)가 스텐실(18) 내의 구멍들을 통해서 그리고 회로 기판 상으로 땜납 페이스트를 침착시킨다. 일단 인쇄 헤드가 구멍들을 가로질러 스텐실(18)을 완전히 횡단하면, 인쇄 헤드가 스텐실로부터 상승되고 회로 기판이 컨베이어 레일들(24, 26) 상으로 다시 하강된다. 회로 기판이 스텐실 프린터(10)로부터 해방 및 이송되고, 그에 따라 제2 회로 기판이 스텐실 프린터 내로 로딩될 수 있을 것이다. 제2 회로 기판 상에 인쇄하기 위해서, 인쇄 헤드가 z-축 방향을 따라서 하강되어 스텐실과 접촉되고, 제1 회로 기판을 위해서 이용되었던 방향과 대향하는 방향을 따라서 스텐실(18)을 가로질러 이동하게 된다.
여전히 그림 1을 참조하면, 인쇄에 앞서서 그리고 인쇄 후에 회로 기판을 검사하기 위해 스텐실(18)을 회로 기판과 정렬시키기 위한 목적으로, 이미징 시스템(30)이 제공될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 이미징 시스템(30)은 회로 기판이 지지되는 지지 조립체(28)와 스텐실(18) 사이에 배치될 수 있을 것이다. 이미징 시스템(30)은 그러한 이미징 시스템을 이동시키기 위한 이미징 갠트리(32)에 커플링된다. 일 실시예에서, 이미징 갠트리(32)가 프레임(12)에 커플링되고, y-축 방향을 따른 회로 기판 위에서의 이미징 시스템(30)의 후진 및 전진 이동을 제공하기 위해서 프레임(12)의 측부 레일들 사이에서 연장되는 빔을 포함한다. 이미징 갠트리(32)는 이미징 시스템(30)을 수용하는 운반 디바이스를 더 포함할 수 있을 것이고, x-축 방향을 따라서 빔의 길이를 따라 이동하도록 구성된다. 이미징 시스템(30)을 이동시키기 위해 이용되는 이미징 갠트리(32)의 구성은 땜납 페이스트 인쇄의 분야에서 잘 알려져 있다. 이미징 시스템(30)이, 회로 기판 또는 스텐실 각각의 미리 규정된 지역들의 이미지를 캡쳐하기 위해서, 스텐실(18) 아래의 그리고 회로 기판 위의 임의 위치에 배치될 수 있도록, 배열이 이루어진다. 다른 실시예들에서, 이미징 시스템을 인쇄 위치 외부에 배치할 때, 이미징 시스템은 스텐실 및 회로 기판 위에 또는 아래에 배치될 수 있을 것이다.



그림 2 및 그림 3을 참조하면, 인쇄 헤드(20) 및 인쇄 헤드 갠트리(22)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 인쇄 헤드 갠트리 및 인쇄 헤드(20)의 y-축 방향을 따르는 이동을 달성하기 위해서, 인쇄 헤드 갠트리(22)는 레일들(34, 36)의 쌍을 따라서 탑재된다. 구동 모터(미도시)에 커플링된 볼 스크류(38)가, y-축 방향으로 레일들을 따라서 인쇄 헤드 갠트리(22)의 이동을 구동하기 위해, 제공된다. 다른 실시예에서, 벨트 및 풀리 메커니즘이 볼 스크류 구동 메커니즘 대신 제공되어 레일들을 따르는 인쇄 헤드 갠트리(22)의 이동을 달성할 수 있을 것이다. 구동 조립체(40)가 제공되어, 인쇄 헤드 갠트리(22)에 대해서 z-축 방향을 따라 인쇄 헤드(20)를 이동시킨다. 제어기(14)의 명령시에, 인쇄 행정을 실시하기 위해서 볼 스크류(38)가 인쇄 헤드 갠트리(22) 및 인쇄 헤드(20)를 이동시키도록, 배열이 이루어진다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 인쇄 헤드(20)는 인쇄 헤드(20)가 y-축 방향으로 이동함에 따라, 인쇄 행정 도중에 스텐실의 구멍들 내에서 점성 재료(예를 들어, 땜납 페이스트)를 침착시키기 위해서, 스텐실(18)과 맞물리도록 하기 위해 z-축 방향으로 이동하도록 구성된다.
인쇄 헤드 갠트리(22)는 인쇄 헤드(20)의 작업 구성요소들을 지지한다. 도시된 바와 같이, 인쇄 헤드(20)는 인쇄 헤드가 인쇄 헤드 갠트리 상에서 중앙에 배치되도록 인쇄 헤드 갠트리(22)에 적절하게 고정되는 지지 브래킷(42)을 포함한다. 인쇄 헤드(20)는 지지 브래킷(42)에 고정되는 세장형 챔버 하우징(44), 플런저(46) 및 상기 챔버 하우징에 대해서 수직으로 플런저를 이동시키도록 설계되는 플런저 액추에이터 조립체(48)를 더 포함한다.
그림 3을 참조하면, 챔버 하우징(44)은 상벽(52) 및 2개의 측벽들(54, 56)을 가지는 직사각형 본체(50)를 포함한다. 챔버 하우징(44)의 본체(50)의 단부들은 단부 캡들(58, 60)의 쌍에 의해서 폐쇄되고, 상기 캡 단부들은 개별적인 재료 공급 카트리지들(62, 64)을 지지한다. 구체적으로, 그림 3에 도시된 바와 같은 좌측 공급 카트리지(62)는, 챔버 하우징(44)의 좌측 측부로 점성 재료를 전달하기 위해 단부 캡(58)에 고정되는 피팅(66)에 연결되고 그러한 피팅에 의해서 지지된다. 유사하게, 우측 공급 카트리지(64)는, 챔버 하우징(44)의 우측 측부로 점성 재료를 전달하기 위해 단부 캡(60)에 고정되는 피팅(68)에 연결되고 그러한 피팅에 의해서 지지된다. 점성 재료는 챔버 하우징(44)의 양 단부들로 전달되어 적절한 양의 점성 재료가 분배 동작 중에 챔버 하우징 내에 배치되는 것을 보장하도록, 배열이 이루어진다. 보다 긴 인쇄 헤드들의 경우에, 하나 이상의 부가적인 공급 카트리지가 챔버 하우징(44)의 길이를 따라서 적절하게 제공되어 점성 재료를 챔버 하우징의 내부 영역들로 전달할 수 있을 것이다.



이제 특히 그림 4 및 그림 5를 참조하면, 세장형 플런저(46)가 챔버 하우징(44) 내에 제공되는 세장형 챔버 내부에 밀봉식으로 조립되도록 그리고 챔버 하우징의 상벽(52) 내에 형성되는 개구부(70)를 통해서 접근 가능하도록 설계된다. 도시된 바와 같이, 세장형 플런저(46)는, 세장형 챔버 내에서 왕복 이동하는 좁은 본체 부분(72) 및 상기 본체 부분 보다 더 넓은 상단부 플랜지 부분(74)을 포함한다. 플런저 액추에이터 조립체(48)는 세장형 플런저(46)의 상단부 플랜지 부분(74)에 고정되는 플런저 액추에이터(76), 지지 브래킷(42)에 대한 플런저 액추에이터의 z-축 이동을 가능하게 하기 위한 한 쌍의 볼 스크류(78, 80), 벨트(86)에 의해서 구동되는 한 쌍의 풀리(82, 84), 및 지지 브래킷 상에 장착되는 단일 스텝퍼 모터(88)를 포함한다. 스텝퍼 모터(88)는 지지 브래킷(42)의 상면 상에 장착되는 것으로 도시되어 있으나; 다른 실시예에서, 공간 절약을 위해서 스텝퍼 모터는 플런저 액추에이터(76)에 의해 형성되는 공간 내에서 지지 브래킷 아래에 장착될 수 있을 것이다. 제어기(14)에 커플링된 회로 기판(90)이 제공되어, 스텝퍼 모터(88)뿐만 아니라 인쇄 헤드(20)의 다른 구성요소들의 동작을 제어한다. 스텝퍼 모터(88)의 동작 시에, 벨트(86) 및 풀리들(83, 84)이 그들의 각각의 볼 스크류들(78, 80)을 회전시켜 플런저 액추에이터(76)를 z-축 방향으로 이동시키도록, 배열이 이루어진다. 동작될 때, 세장형 플런저(46)의 본체 부분(72)은 챔버 하우징(44)의 챔버 내로 진입하여 점성 재료에 압력을 인가한다.



그림 6 및 그림 7을 참조하면, 그리고 부가적으로 그림 8을 참조하면, 인쇄 헤드(20)의 챔버 하우징(44)은 챔버 하우징의 본체(50) 내에 형성되는 챔버(92)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 챔버(92)는 개구부(70)를 통해서 접근 가능하며 그리고 각각의 공급 카트리지(62 또는 64)와 유체 소통하는 포트(예를 들어, 그림 6 및 그림 7에 도시된 포트(94))로부터 점성 재료를 받아들이도록 구성된다. 플런저가 플런저 액추에이터 조립체(48)에 의해서 z-축 방향으로 하향 이동될 때, 챔버(92) 내의 점성 재료는 세장형 플런저(46)에 의해서 가압된다.
인쇄 헤드(20)는, 피봇 메커니즘들(100, 102)에 의해서 각각의 단부 캡들(그림 6 및 그림 7에 도시된 단부 캡(58))에 피봇식으로 부착되는 한 쌍의 블레이드(96, 98)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드(96, 98)는 슬롯(104)을 형성하기 위해서 서로를 향하는 방향으로 각도를 이루고, 상기 슬롯(104)을 통해서 점성 재료가 분배된다. 동작 중에, 인쇄 헤드(20)는 구동 조립체(40)에 의해서 스텐실(18)과 맞물리도록 하강되고, 그에 따라 블레이드들(96, 98)이 미리 결정된 압력으로 스텐실과 맞물린다. 충분히 맞물리면, 세장형 플런저(46)에 의해서 가압되는 챔버(92) 내의 점성 재료가 스텐실 내에 형성되는 구멍들로 진입하여, 전자 기판 상에 점성 재료를 침착시킨다. 그림 6은 수평 평면에 대해서 30°로 각도를 이루는 블레이드들(96, 98)을 도시한다. 그림 7은 수평 평면에 대해서 45°로 각도를 이루는 블레이드들(96, 98)을 도시한다. 블레이드들(96, 98)의 각도는 전자 기판 상에 침착되는 점성 재료의 타입 및 다른 동작 매개변수들을 기초로 선택될 수 있을 것이다. 블레이드들(96, 98)에 연결되는 피봇 메커니즘들(100, 102)을 가지는 단부 캡들(58, 60)의 제공은, 상이한 각도들을 가지는 블레이드들의 신속한 해제 및 부착을 가능하게 한다.
그림 5를 다시 참조하면, 그리고 그림 6 및 그림 7을 부가적으로 참조하면, 챔버(92) 내부에서 점성 재료의 조절된 압력을 달성하기 위해서, 세장형 하우징(44)의 후방 측면(56)은, 각각 ‘106’으로 지시되는, 여러 개의 압력 변환기를 구비하게 된다. 이와 함께, 압력 변환기들(106)은, 예를 들어, 회로 기판(90) 및 제어기(14)를 이용하여 챔버 내의 압력을 평균화함으로써, 챔버 하우징(44)의 챔버(92) 내에서 압력을 측정하도록 구성된다. 비록 그림 5에 4개의 압력 변환기들(106)이 도시되어 있지만, 챔버(92) 내의 점성 재료의 압력을 측정하기 위해서, 임의의 수의 압력 변환기들이, 예를 들어, 3개의 압력 변환기들이 제공될 수 있을 것이다.
그림 6 및 그림 7에 도시된 바와 같이, 플런저(46)가 플런저 액추에이터 조립체(48)의 플런저 액추에이터(76)에 의해 세장형 챔버(92) 내로 z-축 방향을 따라 이동될 때, 챔버 내부의 점성 재료가 가압된다. 특정 실시예에서, 인쇄 헤드(20)로부터의 재료의 최적의 분배를 위해서, 요구되는 또는 미리 설정된 압력이 제공된다. 각각의 압력 변환기(106)는 ‘108’에서 제어기(14) 및/또는 회로 기판(90)에 커플링되고, 상기 제어기는 미리 설정된 압력을 달성하기 위해서 플런저 액추에이터를 조작하도록 구성된다. 구체적으로, 제어기(14)는, 플런저 액추에이터 조립체(48)를 이용한 플런저(46)의 동작 및 공급 카트리지들(62, 64)에 의해 챔버(92)로 제공되는 점성 재료의 공급을 제어하기 위해서, 압력 변환기들(106)로부터 취해진 판독 값들에 응답하도록 구성된다. 이러한 배열은 ‘폐쇄 루프’ 시스템으로 지칭될 수 있을 것이고, 그러한 폐쇄 루프 시스템에서 재료의 공급 및 재료의 가압은, 인쇄 헤드(20)의 이러한 기능을 제어하기 위해, 제어기(14)(및/또는 회로 기판(90))에 의해서 자동적으로 실행된다.



그림 9를 참조하면, 일 실시예에서, 가요성 멤브레인(110)이 세장형 플런저(46)와 세장형 챔버(92) 내에 배치되는 점성 재료 사이에 위치하게 된다. 가요성 멤브레인(110)은, 챔버(92) 내의 점성 재료의 압력을 보다 잘 제어하기 위해, 세장형 플런저(46)를 점성 재료로부터 분리하도록 제공된다.
특정 실시예에서, 세장형 챔버(92) 내의 세장형 플런저(46)의 이동을 구동하는 스텝퍼 모터(88)는, 챔버 내의 점성 재료(예를 들어, 땜납 페이스트)의 진동을 야기하도록 하기 위해, 제어기(14)(및/또는 회로 기판(90))에 의해서 프로그래밍될 수 있을 것이다. 플런저(46)의 진동은, 스텐실 내에 구비되는 빈 구멍들을 충진할 때, 인쇄 헤드(20)로부터 스텐실(18)로 점성 재료를 전달하는데 있어서 도움을 준다. 다른 실시예들에서, 압전 전기 디바이스와 같은 다른 디바이스가, 특히 더 높은 고주파로, 세장형 플런저(46)를 진동시키기 위해 이용될 수 있을 것이다. 그러한 디바이스는, 스텝퍼 모터(88), 세장형 플런저(46), 및 플런저 액추에이터 조립체(48)와 독립적일 수 있을 것이다.
동작 중에, 인쇄 헤드(20)의 동작의 몇몇 모드들이 달성될 수 있다. ‘인쇄 준비’ 모드에서, 재료의 적절한 충진이 인쇄 헤드(20)의 세장형 챔버(92)로 전달되고, 블레이드들(96, 98)이 제로(zero) 하우징 힘 및 제로 재료 압력으로 스텐실(18)을 터치한다. ‘인쇄’ 모드에서, 상기 세장형 챔버(92) 내에서 유지되는 점성 재료가 세장형 플런저(46)에 의해서 힘을 받게됨과 더불어, 블레이드들(96, 98)이 미리 규정된 힘으로 스텐실(18)과 맞물리거나 그렇지 않은 경우 스텐실(18)에 대항하도록 이동되는 가운데, 인쇄 헤드(20)는 인쇄 헤드 갠트리(22)에 의해서 스텐실 및 기판을 가로질러 미리 규정된 거리 및 속도로 구동된다.
‘인쇄’ 모드에 있는 동안, 세장형 챔버(92)의 내부 재료 압력이 모니터링되고, 그리고 세장형 플런저(46)의 위치가 제어기(14)(및/또는 회로 기판(90))에 의해서 미리 규정된 압력을 유지하도록 연속적으로 조정된다. 또한, 발진적인(oscillatory) 또는 진동적인 운동이, 스텐실(18)의 구멍들 내로 점성 재료가 균일하게 이송 및 팩킹되는 것을 돕기 위해, 플런저(46)에 인가될 수 있다. 이러한 운동은 또한 제어기(14)(및/또는 회로 기판(90))의 제어 하에서 이루어질 수 있을 것이다.
‘재료 충진’ 모드에서, 인쇄 헤드(20)의 블레이드들(96, 98)은, 지지된 스텐실(18) 또는 편평한 표면에 대항하여 미리 규정된 힘으로 유지된다. 초기에, 세장형 플런저(46)는 인쇄 동작 이동 단부의 하단부에 또는 그 아래에 있거나 기존 충진 재료의 상단부를 터치한다. 점성 재료가 각각의 공급 카트리지들(62, 64)에 의해서 포트(94)를 통해서 세장형 챔버(92) 내로 공급될 때, 내부 재료 압력이 모니터링되고 세장형 플런저(46)가 상승되어 미리 규정된 충진 압력을 유지한다. 그에 따라, 세장형 플런저(46)의 이동은 제어기(14)(및/또는 회로 기판(90))에 의해서 재료 충진과 조화된다. 세장형 플런저(46)가 인쇄 동작 이동 범위의 상부에 도달할 때까지, 충진이 계속된다. 재료 충진이 진행되는 동안, 전술한 바와 같은 발진 운동이, 하우징 챔버(92) 전체에 걸쳐 재료가 균일하게 분포하는 것을 돕기 위해, 플런저(46)에 인가될 수 있다.
‘세정’ 모드에서, 세장형 플런저(46)는, 플런저 및 하우징의 세정을 돕기 위해, 세장형 하우징(44)의 챔버(92) 외부로 상승될 수 있다. ‘상승된’ 모드에서, 세장형 하우징(44)은, 스텐실들의 세정 또는 교환을 돕기 위해, 스텐실(18)로부터 상승될 수 있다. ‘상승된’ 모드는 인쇄 헤드(20)와 스텐실(18) 사이의 부착을 완화시키기 위해서 z-축 운동 루틴(routine)을 활용할 수 있다.
일 실시예에서, 인쇄 헤드는 각 단부에, 인쇄 동작 중에 땜납 페이스트를 인쇄 헤드에 제공하는 표준형 3-온스(ounce) 또는 6-온스 땜납 페이스트 카트리지들을 수용하도록 구성되는, 공급원 포트들을 포함한다. 카트리지들은 각각 공압 공기 호스의 일단부에 커플링되고, 공기 호스의 타단부는, 카트리지로부터 인쇄 헤드 내로 땜납 페이스트에 힘을 가하는, 공기 압축기와 커플링된다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 인쇄 헤드가 다른 표준형, 또는 비-표준형의 땜납 페이스트의 카트리지들 또는 다른 공급원들을 수용하도록 구성될 수 있다. 피스톤과 같은 기계적인 디바이스가, 카트리지로부터 인쇄 헤드 내로 땜납 페이스트에 힘을 가하기 위해서, 공기 압축기에 부가하여 또는 공기 압축기 대신에 이용될 수 있을 것이다.
임의의 수의 공급원 포트들이, 보다 많거나 보다 적은 카트리지들을 인쇄 헤드와 커플링시키기 위해, 인쇄 헤드 상에 제공될 수 있다. 카트리지들의 수는 인쇄 헤드의 길이 및 이용되는 카트리지의 용량을 기초로 선택된다.
부분적으로, 상부에서 인쇄하고자 하는 전자 기판들(예를 들어, 회로 기판)의 폭을 기초로, 인쇄 헤드의 길이가 결정된다. 만약 회로 기판의 크기가 변경된다면, 새로운 회로 기판을 위한 크기의 길이를 가지는 새로운 인쇄 헤드에 의해, 인쇄 헤드가 대체될 수 있을 것이다. 슬롯의 일부를 부분적으로 커버링하는 것에 의해, 보다 적은 회로 기판들을 수용하도록 분배 슬롯의 유효 길이(여기에서 상기 길이는 도시된 단면의 평면에 수직인 축을 따라서 측정된다)가 또한 감소하게 될 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 분배 슬롯이 약 20㎝ 내지 약 60㎝(8-24 인치) 길이이다.
전술한 바와 같이, 인쇄 헤드는, 세장형 챔버를 한정하는 하우징을 포함한다. 일 실시예에서, 챔버는 가요성 멤브레인(그림 9 참조)에 의해서 활성 영역 및 분배 영역으로 격리된다. 특별한 실시예들에서, 분배 영역은 20-60㎝의 길이 및 약 1㎝의 직경/폭을 가진다. 멤브레인은 라텍스 또는 실리콘과 같은 가요성 폴리머로 형성될 수 있다.
추가적으로 설명되는 바와 같이, 인쇄 헤드는 스텐실과 접촉하도록 하강되는 인쇄 위치에 있을 때, 스텐실 프린터는 땜납 페이스트를 카트리지로부터 분배 영역 내로 공급함에 의해 동작한다. 분배 영역이 땜납 페이스트로 충진된 상태에서, 압축 가스 공급원은 가스를 활성 영역 내로 펌핑하고, 그에 의해서 가요성 멤브레인에 대항하여 압력을 인가한다. 가요성 멤브레인은 이러한 압력의 결과로서 슬롯을 향해서 변위되고, 그에 의해서 땜납 페이스트는 슬롯을 통해서 분배 영역으로부터 챔버의 외부로 구동된다. 이어서, 분배된 땜납 페이스트는 인쇄되는 회로 기판과 같은 기판 위에 배치되는 스텐실 상으로 유동하고, 상기 땜납 페이스트는 스텐실 내의 구멍들을 통해 미리-규정된 패턴으로 인쇄 회로 기판 상으로 유동한다.
땜납 페이스트는 2개의 블레이드들 사이에서 가압된다. 가압된 땜납 페이스트가 블레이드들 및 스텐실의 계면에 형성되는 밀봉을 파괴하는 것을 방지하기 위해서 인쇄 헤드를 스텐실에 대항하여 압착하도록 하기 위해 힘이 인쇄 헤드에 인가된다. 그러한 힘은 공압식 액추에이터를 통해서 인가될 수 있다. 인쇄 헤드가 스텐실을 가로지르는 행정의 단부에서, 인쇄 헤드가 반대 방향을 따라서 스텐실을 가로질러 역으로 통과됨에 따라 이전에 뒤따르는(trailing) 블레이드였던 블레이드가 앞서가는 블레이드가 된다.
특정 실시예에서, 인쇄 헤드가 저장 매체에 저장된 소프트웨어 코드를 실행하기 위한 프로세서와 커플링된 컴퓨터-판독가능 저장 매체를 가지는 제어기와 커플링된다.
변위 메커니즘의 이용은, 챔버의 변위 영역이 챔버의 장축에 수직인 평면들 내에서 매우 작은 단면을 가질 수 있으면서도, 땜납 페이스트가 그 길이를 따라서 슬롯을 통해서 실질적으로 균일하게 여전히 분배될 수 있는, 인쇄 헤드 설계를 허용한다. 비교적 작은 분배 영역의 이용 및 챔버의 외부로의 땜납 페이스트의 균일한 유동은, 땜납-페이스트 꽉 채움(compaction)의 개시(onset)를 감소 또는 지연시키는데 도움이 된다. 또한, 변위 메커니즘은 슬롯을 통한 땜납 페이스트의 유동에 관해 매우 민감한 통제를 가능하게 한다.
다른 실시예들에서, 땜납 페이스트 이외의 점성 재료들이 전술한 장치 및 방법들을 이용하여 인쇄된다. 일 실시예에서, 액체 에폭시가 인쇄 헤드로부터 인쇄된다. 액체 에폭시는 칩-스케일 패키지들에 대한 언더필로서 이용될 수 있고, 여기에서 에폭시는 인쇄되는 회로 기판 상에서 약 1㎠의 면적에 침착되고, 이어서 칩이 에폭시 상으로 장착된다. 그에 따라, 본 개시의 실시예들의 인쇄 헤드가 인쇄 동작 중에 인쇄 헤드의 챔버 내의 압력을 정밀하게 제어할 수 있다는 것을 관찰할 수 있어야 할 것이다. 인쇄 헤드에 의해서 달성되는 정밀 압력 제어는 인쇄 동작의 품질을 개선한다. 구체적으로, 인쇄 헤드는 챔버 내에서 점성 재료의 일정한 압력을 유지할 수 있고, 그에 따라 전체 전자 기판의 폭을 가로질러 인쇄 침착의 무결성(integrity)을 개선할 수 있다.
실시예들은, 그들의 적용에서, 뒤따르는 설명에 기술된 그리고 도면들에서 도시된 구성요소들의 구성 및 배열에 관한 상세 내용들에 국한되지 않는다. 또한, 여기에서 사용된 표현 및 용어는 설명을 위한 것이고, 제한적인 것으로 간주되지 않아야 할 것이다. 여기에서, ‘포함하는(including)’, ‘포괄하는(comprising)’ 또는 ‘가지는(having)’, ‘수용하는(containing)’, ‘수반하는(involving)’ 및 그 변형들의 이용은, 그 후에 나열된 항목들 및 그 균등물들 뿐만 아니라 부가적인 항목들도 포함한다는 것을 의미한다.