VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií Ústav mikroelektroniky
Realizace za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past
Student: Marek Vodrážka Vedoucí práce: Ing. Ji í Hladík Obor: Mikroelektronika a technologie Brno 2007
ABSTRAKT Cílem práce bylo navrhnout a realizovat za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past, schopné ídit proces nanášení pasty v osách X, Y a také Z a na základ experiment definovat kritické parametry nanášení. V první ásti bakalá ské práce jsou souhrnn zpracovány všeobecné poznatky o technologii tlustých vrstev a jsou popsány b žné metody tisku tlustých vrstev. Druhá ást práce se zabývá návrhem za ízení a obslužného softwaru, konstrukcí za ízení a experimentálním zhodnocením jeho parametr a možností.
Klí ová slova: tlustá vrstva, nanášení pasty, dispenzní tisk, vodivá pasta.
ABSTRACT The thesis is aimed to the design and the construction of thick film dispensing printer which is able to control the deposition process at X, Y and even Z axis and on experimental basis to define crucial parameters of thick film deposition. In the first part of the thesis, general knowledge about thick film technology is reviewed and common methods of thick film printing are described. The second part of the thesis deals with the design of printer and utility programs, construction of printer and with experimental evaluation of it’s parameters and possibilities.
Keywords: thick film layers, paste deposition, dispensing printing, conductive paste.
Bibliografická citace mé práce: VODRÁŽKA, M. Realizace za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií, 2007. 43 s. Vedoucí bakalá ské práce Ing. Ji í Hladík
OBSAH 1
ÚVOD ............................................................................................................... - 9 -
2
TLUSTOVRSTVÉ TECHNOLOGIE ............................................................... - 10 2.1 TLUSTÁ VRSTVA ...........................................................................................- 10 2.1.1 Elektrické vlastnosti tlusté vrstvy ........................................................ - 11 2.2 D LENÍ TLUSTÝCH VRSTEV PODLE MATERIÁLU MATRICE ...................................- 11 2.3 D LENÍ TLUSTÝCH VRSTEV PODLE FUNKCE .....................................................- 12 2.3.1 Vodivé pasty ....................................................................................... - 12 2.3.2 Odporové pasty .................................................................................. - 12 2.3.3 Dielektrické pasty ............................................................................... - 12 2.3.4 Izola ní a ochranné pasty................................................................... - 12 2.4 PODLOŽKY PRO TLUSTÉ VRSTVY ....................................................................- 12 2.5 METODY TISKU TLUSTÝCH VRSTEV .................................................................- 13 2.5.1 Sítotisk................................................................................................ - 13 2.5.2 Šablonový tisk .................................................................................... - 14 2.5.3 Micro-screen....................................................................................... - 14 2.5.4 Sv tlocitlivé vodivé vrstvy................................................................... - 14 2.5.5 Dispenzní tisk ..................................................................................... - 15 2.6 VYTVRZENÍ TLUSTÝCH VRSTEV ......................................................................- 16 -
3
NÁVRH ZA ÍZENÍ PRO DISPENZNÍ TISK ................................................... - 17 3.1 POHONY PRO SOU ADNICOVÝ POSUN DISPENZERU .........................................- 17 3.1.1 Rozd lení krokových motor .............................................................. - 18 3.1.2 Princip innosti krokových motor ...................................................... - 18 3.1.3 Krokový motor s aktivním rotorem a axiáln polarizovaným permanentním magnetem (hybridní) ...................................................................................... - 19 3.2 NÁVRH ROZHRANÍ MEZI PC A POHONY ...........................................................- 20 3.2.1 Komutátorový obvod........................................................................... - 21 3.3 DISPENZER..................................................................................................- 22 3.3.1 Ovládání dispenzeru........................................................................... - 23 -
4
SOFTWARE................................................................................................... - 24 4.1 KONCEPCE ..................................................................................................- 24 4.2 PARALELNÍ PORT..........................................................................................- 24 4.3 P EKLADA .................................................................................................- 25 4.3.1 Programové ovládání paralelního portu.............................................. - 25 -
5
KONSTRUKCE ZA ÍZENÍ............................................................................. - 29 5.1 POUŽITÉ MATERIÁLY A SOU ÁSTI ...................................................................- 29 5.2 POSUN V OSE X ...........................................................................................- 30 5.2.1 Technické ešení ................................................................................ - 30 5.3 POSUN V OSE Y ...........................................................................................- 30 5.3.1 Technické ešení ................................................................................ - 30 5.4 POSUN V OSE Z............................................................................................- 31 5.4.1 Technické ešení ................................................................................ - 31 -
- 10 -
6
PARAMETRY TISKU ..................................................................................... - 33 6.1 ROZLIŠENÍ POSUVU P ÍSTROJE .....................................................................- 33 6.1.1 Rozlišení a p esnost posuvu osy x ..................................................... - 33 6.1.2 Rozlišení a p esnost posuvu osy y ..................................................... - 33 6.1.3 Rozlišení a p esnost posuvu osy z ..................................................... - 34 6.2 TISK A KRITICKÉ PARAMETRY NANÁŠENÍ PASTY ...............................................- 34 6.2.1 istota pasty....................................................................................... - 34 6.2.2 Tlak v zásobníku s pastou .................................................................. - 35 6.2.3 Rychlost pohybu kreslícího hrotu........................................................ - 35 6.2.4 Vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu .............................. - 36 6.2.5 as sepnutí dispenzeru...................................................................... - 38 6.3 ROZLIŠENÍ TISKU ..........................................................................................- 38 6.3.1 Rozlišení tisku v ose y ........................................................................ - 38 6.3.2 Rozlišení tisku v ose x ........................................................................ - 39 6.4 ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI VODIVÝCH MOTIV ..................................................- 40 6.5 POUŽITELNOST ZA ÍZENÍ V PRAXI...................................................................- 41 -
7
ZÁV R ........................................................................................................... - 42 -
8
POUŽITÁ LITERATURA................................................................................ - 43 -
- 11 -
1 Úvod V sou asnosti nejrozší en jší metodou tisku tlustovrstvých past je sítotisk. Nevýhodu sítotisku, kterou je nutnost výroby nového síta p i každé zm n tišt ného motivu vyvažuje velká rychlost tisku, která je požadována p i sériové výrob . P i kusové výrob je však výroba síta pro každý nový motiv nepraktická. Naším cílem je vytvo ení takového za ízení a jeho p íslušenství, které bude umož ovat tisk tlustovrstvé pasty ízený automaticky po íta em, podle po íta ov realizovaného návrhu a zhodnocení jeho možností. Ve druhé kapitole uvádím tená e do problematiky tlustovrstvé technologie a zam uji se na vysv tlení r zných metod tisku tlustovrstvých past, v etn dispenzního tisku. Tématem t etí kapitoly je již návrh za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past. V nuji se zde problematice elektronického pohonu os kreslícího ústrojí, rozhraní mezi po íta em a pohony. tvrtá kapitola potom popisuje programové ešení ovládání celého za ízení, koncepci softwaru a vztahy mezi jednotlivými použitými programy. Dále jsou v této kapitole vysv tleny nejd ležit jší funkce použité ve mnou naprogramované ásti softwaru. Konstrukce za ízení je popsána v další kapitole a šestá kapitola se již zabývá zhodnocením vlastností tišt ných motiv a možností tisku.
-9-
2 Tlustovrstvé technologie S rostoucí integrací v elektronických obvodech se objevuje pot eba nahrazovat klasické sou ástky jinými vhodnými prvky s menšími rozm ry. asto jsou rozhodující i nízké výrobní náklady. To s sebou p ináší mimo jiné požadavek na jednoduchou a levnou technologii. Tyto skute nosti daly podn t k vzniku a rozši ování tlustovrstvých technologií. Pomocí tlustovrstvých technologií lze vytvá et vodivé propojky tišt ných spoj , kontakty, odpory v hybridních integrovaných obvodech, membránové spína e atd. Tlustovrstvé technologie dnes již pronikají i do vývoje a výroby senzor . 2.1
Tlustá vrstva
Pojmem tlustá vrstva ozna ujeme vrstvu, jejíž tlouš ka je podstatn v tší, než st ední volná dráha elektronu. St ední volná dráha je dráha, kterou urazí ástice mezi dv ma srážkami. Typická tlouš ka tlustých vrstev se pohybuje v desítkách m.
Obr. 2.1: ez rezistorem realizovaným tlustovrstvou technologií [2]
Tlusté vrstvy jsou nehomogenní sm si n kolika složek. Materiály (pasty) pro výrobu tlustých vrstev obsahují n kolik složek: •
Funk ní složku, která zajiš uje žádané elektrické vlastnosti vrstvy. Složku tvo í r zné kovy a oxidy.
•
Laková složka se odstraní b hem výpalu vrstvy – ji organická rozpoušt dla a prysky ice.
- 10 -
•
Pojivivá složka – nízkotavná skla, pojidlo funk ního materiálu k podložce.
2.1.1
Elektrické vlastnosti tlusté vrstvy
Typickým elektrickým parametrem je vodivost nebo rezistivita (p evrácená hodnota vodivosti). U tlustých vrstev se setkáváme s parametrem zvaným odpor na tverec. Vyjad uje velikost odporu vrstvy tvercového tvaru (ší ka vrstvy w je rovna její délce l). Tato hodnota je stanovena pro danou tlouš ku t, kterou bude mít tlustá vrstva p i dodržení p edepsaného technologického postupu jejího zhotovení (zvlášt tlouš ka síta).
Obr. 2.2: Rozm ry tlusté vrstvy [2]
Pokud známe rozm ry obdélníkového odporu (viz obr.1), m žeme stanovit teoretickou velikost odporu R:
R = R[] ⋅
l w
kde R je odpor na tverec, l je délka tlustovrstvého odporu, w je jeho ší ka.
2.2
D lení tlustých vrstev podle materiálu matrice
Tlusté vrstvy lze d lit podle r zných hledisek. Jedno z nich je materiál matrice. Rozlišujeme pak vrstvy anorganické a polymerové. Materiálem matrice anorganických vrstev bývá nej ast ji sklo ve form jemného prášku (frity). U polymerových vrstev se jako plnivo používá polymer (nap . polyester). Nižší teplota vytvrzování polymerových vrstev umož uje použití na více druh podložek než anorganické tlustovrstvé materiály. Polymerové tlusté vrstvy se vypalují, dle druhu pasty a podložky, p i teplot okolo 200°C. Anorganické vrstvy se vypalují p i teplotách nad 800°C.
- 11 -
Hlavní nevýhody polymerových vrstev jsou: vyšší odpor vodivých vrstev než mají anorganické vodivé vrstvy, omezená pracovní teplota, omezené výkonové zatížení a nižší tepelná vodivost ve srovnání s anorganickými vrstvami. Omezeno je také pájení t chto vrstev. Polymerové vrstvy nejsou odolné v i vlhkosti, což ovliv uje jejich stabilitu. 2.3
D lení tlustých vrstev podle funkce
Podle funkce vrstvy d líme materiály (pasty) pro tvorbu tlustých vrstev na: •
Vodivé pasty
•
Odporové pasty
•
Dielektrické pasty
•
Izola ní a ochranné pasty
2.3.1
Vodivé pasty
Jsou to pasty pro zhotovení vodivých tlustých vrstev. Vrstva se stává vodivou až po vypálení pasty. Vodivou složkou past jsou v tšinou prášky ušlechtilých kov : st íbro, zlato, platina, paládium nebo jejich kombinace. 2.3.2
Odporové pasty
Odporová složka je nositelem funk ních vlastností vrstvy. Funk ní složkou odporových anorganických vrstev bývají nej ast ji oxidy vzácných kov (nap . RuO2, IrO2). Typickým prvkem polymerových odporových vrstev je uhlík. Odporové pasty je možné vyrobit ve velmi širokém rozsahu hodnot odporu na tverec, nap . 101-109 / . 2.3.3
Dielektrické pasty
Funk ní složka dielektrických past upravuje permitivitu vrstvy na vhodnou velikost. Nej ast ji se používá BaTiO3. Dielektrické pasty se používají pro výrobu kondenzátor menších hodnot, které jsou integrovány do topologie tlustovrstvých integrovaných obvod . 2.3.4
Izola ní a ochranné pasty
Izola ní a ochranné pasty neobsahují funk ní složku. Izola ní vrstvy se používají pro izolované k ížení vodivých drah vícevrstvých struktur. Ochranné vrstvy chrání sou ástky p ed p sobením vn jších vliv . 2.4
Podložky pro tlusté vrstvy
D ležitou vlastností podložek je její teplotní koeficient roztažnosti. Ten by m l být srovnatelný s teplotním koeficientem tlusté vrstvy. Dále by podložky m ly být hladké a rovné a jejich smršt ní b hem výpalu by m lo být zanedbatelné.
- 12 -
Pro anorganické tlusté vrstvy se nej ast ji používají keramické podložky. Keramiky jsou v tšinou izolanty a mají vysokou elektrickou pevnost. Z hlediska mechanických vlastností jsou keramiky tvrdé, relativn k ehké. Jsou zna n odolné ot ru. Keramika nejeví únavu a nem ní tvar v závislosti na ase. Keramika odolává nep íznivým klimatickým podmínkám, není napadána mikroorganismy. Je také odolná v i p sobení mnoha chemikálií. Korundová keramika (Al2O3) je keramika na bázi oxidu hlinitého. Je nejrozší en jším a nejd ležit jším druhem keramiky v elektronice a mikroelektronice, protože má p íznivé mechanické vlastnosti. Tepelná vodivost je 25 W/mK. Aluminium-nitridová keramika (AlN) má velmi dobrou tepelnou vodivost 170 W/mK, která je srovnatelná s kovy, dále má velký m rný odpor. Pro polymerové vrstvy je možné jako podložku použít organické materiály. Jde o polymerní materiály založené na izolantu z organické prysky ice (epoxidová a fenolická prysky ice (nap . skloepoxid, ozna ovaný FR4, sklopolyamid atd.). Nevýhodou t chto materiál je velká navlhavost. 2.5
Metody tisku tlustých vrstev 2.5.1
Sítotisk
Sítotisk je nejrozší en jší zp sob vytvá ení tlustých vrstev. Nad podložkou je ve vhodné vzdálenosti umíst na zamaskovaná sí ka. Pasta se nanese na horní plochu síta a je protla ována otvory v sítu t rkou na podložku. T rka p i svém pohybu jednak p ed sebou hrne pastu a zárove prohýbá síto. T rka tla í síto do kontaktu s podložkou a tím se p enáší vzor.
Prvním krokem p i výrob síta je napnutí sítoviny na rám. Sí ovina se napíná bu p ímo na rámu nebo nad rámem. Sí ovina m že být vyrobena ze syntetických vláken (polyester, polyamid), nebo pro náro n jší aplikace se používá sí ovina s vlákny z ušlechtilé nerezové oceli. Vlákna jsou p i tisku namáhána na tah. Tato deformace musí být pružná, aby nemohlo dojít k trvalému prohnutí síta. Sí ovina by m la být odolná v i ot ru. Sí ka se m že opot ebovávat ot rem t rkou a pastou. Propustná plocha sí ky je ur ena velikostí ok a pr m rem vlákna. Mezi významné parametry sí oviny pat í po et ok na 1 cm a pr m r vlákna. Obr. 2.3: Princip sítotisku [2]
- 13 -
Další operací p i výrob síta je jeho ovrstvení. Na síto se ze strany tisku nanáší sv tlocitlivá emulze. K nanášení emulze se používá ovrstvovací korýtko nebo ovrstvovací stroj. Tlouš ka emulze výrazn ovliv uje tlouš ku tlusté vrstvy. Na usušenou sv tlocitlivou vrstvu se osvitem kopíruje tiskový motiv z p edlohy. Motiv se na síto p enáší pomocí kontaktního kopírování ve vakuovém rámu. V tšinou se používá zdroj vyza ující ultrafialové zá ení. Po osvitu následuje vyvolání. Podle typu sv tlocitlivé vrstvy se ze šablony odstraní bu neosv tlená místa (osv tlená místa emulse se vytvrdí) nebo osv tlená místa (osv tlená emulse se p sobením sv tla naruší). ast jší je první zp sob, kdy se nesv tlená místa vymývají vodou. Po vyvolání se šablonu suší. 2.5.2
Šablonový tisk
Obdobou sítotisku je šablonový tisk, kdy se místo síta používá fólie. Tlouš ka vrstvy je p i této technologii ur ena p ímo tlouš kou fólie. Tento zp sob tisku se používá pro p esný tisk pájecí pasty. Ve srovnání se sítotiskem vyniká tato metoda lepší rozm rovou stabilitou a p esností. Nevýhodou je nižší pružnost fólie. Šablony se vyráb jí leptáním (nejmenší rozte 0,4 mm), ezáním laserem (p esné, ale nákladné), nebo asto kombinací t chto dvou uvedených metod. Dalším zp sobem výroby fólie je galvanoplastika. Podklad z nerez oceli je opat en fotorezistem s vyleptanými obrazci. Kovová vrstva nar stá na podkladu v místech, která nejsou kryta fotorezistem. Po dosažení pot ebné tlouš ky vrstvy se odd lí podklad od fotorezistu. Volba materiálu pro výrobu fólie závisí na požadavcích na výdrž fólie, p esnost a vychází z použité metody výroby tišt ného motivu. Používá se mosaz, nerezová ocel, m , zatím z ídka i plasty. 2.5.3
Micro-screen
Pro tisk mikroelektronických obvod s vysokým rozlišením se používá micro-screen, což je metoda tisku p es šablonu vyrobenou z nerezové oceli, která má zespodu nanesenou organickou t snící vrstvu, která zajiš uje velmi ostré okraje tišt ného motivu a p itom umož uje past zatéct i pod m stky mezi otvory. Šablona se vyrábí leptáním. Tato metoda je levn jší, než tenkovrstvé technologie a lze s ní dosáhnout ší ky ar i menší, než 50µm. 2.5.4
Sv tlocitlivé vodivé vrstvy
Tato technologie se používá pro spoje pro p ipojování ip pomocí drátkových spoj . Na podložku se nanese rovnom rná vrstva sv tlocitlivé vodivé pasty. Fotolitografickým procesem se vytvo í vodivý motiv na podložce, vrstva se suší a po zajišt ní kontaktního
- 14 -
spojení vrstvy a motivu se vrstva exponuje UV sv tlem. Vrstva je obvykle pozitivní. V tom p ípad ozá ená místa polymerují – sníží se jejich rozpustnost. Neozá ená místa vrstvy se vymyjí vodou s p ídavkem organického rozpoušt dla a po usušení se vrstva vypálí. Lze zhotovit spoje ší ky i 35 m. 2.5.5
Dispenzní tisk
Jedná se o nanesení pasty dotykem, nebo vytla ením ze zásobníku. Používají se t i základní metody: 1) Plná jehla – jehla se pono í do pasty a po vytažení se p enese na místo nanesení, kde se dotkne podložky. Metoda má malou p esnost. Pro zvýšení rychlosti se používají vícejehlové systémy.
Obr. 2.4: Vícejehlový systém tisku plnou jehlou [2]
2) Dutá jehla – jehla s pastou se dotýká podložky v míst nanesení a vytla í p edem stanovené množství pasty. Nej ast ji se používá zásobník ve tvaru injek ní st íka ky.
Obr. 2.5: Dutá jehla [2]
- 15 -
3) Bezkontaktní dispensing – pasta je na podložku vypoušt na ze vzdálenosti 1mm – 3,5mm. Výhodou je zvýšení rychlosti tisku.
Obr. 2.6: Bezkontaktní dispensing [2]
2.6
Vytvrzení tlustých vrstev
Natišt né vrstvy je t eba vypálit. Proces vypalování anorganických tlustých vrstev je náro n jší než u polymerových vrstev. Anorganické vrstvy se vypalují p i teplotách nad 800°C. Pro polymerové vrstvy se vypalovací teplota pohybuje okolo 200°C. Navíc je nutno p i výpalu anorganických vrstev nutno dodržet p edepsaný vypalovací profil (pr b h teploty b hem doby výpalu).
Obr. 2.7: B žný profil výpalu tlustovrstvých past [3]
- 16 -
3 Návrh za ízení pro dispenzní tisk P i ešení a návrhu za ízení pro dispenzní tisku tlustovrstvých past vycházím z p edstavy jednoduchého polohovacího za ízení, které bude umož ovat pohyb hrotu dispenzeru v osách x, y a z. Pohyb hrotu, i vytla ování pasty bude ízeno softwarov , pomocí paralelního portu PC. 3.1
Pohony pro sou adnicový posun dispenzeru
Aplikace sou adnicového polohového za ízení je jako šitá na míru pro krokový motor. Je zde pot eba pohonu, který umí p esn nastavit svoji polohu a tuto polohu i p es p ípadné p sobící síly udržet. Dalším d vodem je pom rn snadná obsluha krokového motoru. Pro precizní ízení rychlosti nepot ebujeme naprogramovat komplexní PID kontrolér a, pokud motory nep et žujeme, lze se obejít bez zp tné vazby o zm n nato ení – sta í po ítat kroky. Úhel nato ení h ídele krokového motoru je dán po tem impuls p ivedených na ídící vinutí. Charakteristickým znakem krokového motoru je proto nespojitý pohyb h ídele, daný úhlovými kroky, které jsou odezvou motoru na jeden ídící impuls. Krokový motor ve spojení s elektronickým ovlada em tvo í systém ozna ovaný jako krokový pohon (obr. 3.1).
Obr. 3.1: Blokové schéma krokového pohonu [1]
Elektronický ovlada krokového motoru ídí funk ní pohyb a režimy jeho chodu v závislosti na vstupní informaci. Funk ní ástí ovlada e motoru je rozd lova ídících signál , ozna ovaný jako elektronický komutátor (blok EK), který m ní vstupní impulsní signál ízení rychlosti na sled cyklicky se opakujících kombinací nap tí p ivád ných následné na jednotlivé cívky krokového motoru. Toto po adí kombinací výstup z elektronického komutátoru lze m nit signálem ízení sm ru a tím reverzovat sm r otá ení. Bloky G, L a RG ( ídící generátor, ídící logika a reverza ní generátor) budou v našem p ípad nahrazeny osobním po íta em, který bude softwarov generovat signál pro ízení rychlosti a sm ru. Aplikace za ízení pro dispenzní tisk také nevyžaduje realizaci výkonových spínacích
- 17 -
zesilova (bloky VSZ), ty jsou nahrazeny pouhými spínacími tranzistory, které jsou dostate né pro námi požadovaný výkon. Blok NZ zna í napájecí zdroj. 3.1.1
Rozd lení krokových motor
Podle konstruk ního provedení rotoru se krokové motory rozd lují do t í skupin: 1) krokové motory s pasivním rotorem ozna ované jako reak ní, i reluktan ní, protože rotor je opat en výstupky, takže magnetický obvod motoru má po obvodu vzduchové mezery prom nnou magnetickou vodivost; 2) krokové motory s aktivním rotorem, obsahujícím magneticky aktivní ást, tj. budící vinutí nebo permanentní magnet, jehož póly mohou být uspo ádány dvojím zp sobem: a) s radiáln polarizovaným permanentním magnetem – obvykle ty a vícepólovým; tyto motory jsou ozna ovány jako motory PM (Permanent Magnet step motors) b) s axiáln polarizovaným permanentním magnetem (vždy dvojpólovým); jsou ozna ovány jako hybridní, protože jsou u nich uplatn ny prvky konstrukce jak motor s pasivním , tak i aktivním rotorem; jsou vzhledem k pom ru moment/objem nejrozší en jší; 3) krokové motory s odvalujícím se rotorem typické tím, že jejich vzduchová mezera je v jednom nebo n kolika místech nulová, ímž je minimalizován odpor magnetického obvodu a tím dosaženo p i daném budícím proudu maximum indukce a kroutícího momentu. 3.1.2
Princip innosti krokových motor
Funkci krokového motoru m žeme vysv tlit na p íkladu ty fázového motoru s pasivním rotorem. ez magnetickým obvodem tohoto motoru je na obr. 3.2.
Obr 3.2: Motor s pasivním rotorem: a) magnetický obvod pro =15°, b) =3° [1]
- 18 -
Na každém zubu statoru je cívka vinutí, p i emž dvojice cívek navinutých na protilehlých zubech jsou spojeny a tvo í vždy jednu fázi. V p ípad ty fázového motoru máme 4 fáze - ozna eny A, B, C, D. Rotor má na svém povrchu sm rem do vzduchové mezery 6 zub a je bez vinutí. Ší ka rotorových a statorových zub je ve vzduchové meze e stejná. Fáze vinutí jsou p ipojeny na výstupy ovlada e. Ovlada ídí (p es spínací koncové prvky) buzení jednotlivých fázi vinutí v ur itém po adí (podle daného zp sobu ízení), v rytmu ídicích impuls . V p ípad , že je fáze vinutí buzena, protéká p íslušným vinutím budicí stejnosm rný proud. P ed p ipojením pohonu k napájecímu zdroji se rotor nachází v jedné z možných náhodných poloh, která je dána zbytkovým (remanentním) magnetismem rotoru. P edpokládejme, že první kombinace sepnutí fází bude (1, 0, 0, 0), což odpovídá tomu, že fázi A te e proud, kdežto fázemi B, C, D proud nete e. Rotor se pooto í tak, aby zaujal stav minimální reluktance (minimálního magnetického odporu). Proti statorovým pól m, které jsou buzeny se nastaví nejbližší rotorové zuby do souhlasné polohy. Rotor se tak nachází do doby další zm ny kombinace sepnutí fází v magnetické klidové poloze. Vzhledem k odlišnému po tu zub rotoru a statoru dochází k tomu, že rotorové zuby se nekryjí se statorovými, postupn o 1/4, 1/2, 3/4 rotorové zubové rozte e. Zm níme-li nyní kombinaci buzení fází z (1, 0, 0, 0) na (0, 1, 0, 0), tj. bude buzena pouze fáze B, rotor se bude snažit zaujmout takovou polohu, aby protékal maximální magnetický tok (stav minimální reluktance) a rotor se pooto í skokem vlevo (o jeden krok). V našem p ípad se rotor pooto í o 1/4 zubové rozte e. P i další zm n kombinace buzení na stav (0, 0, 1, 0) se pooto í magnetické pole do osy statorových zub fáze C a rotor se pooto í obdobným zp sobem do nové magnetické klidové polohy. Po prob hnutí jednoho cyklu sepnutí ty fází se tedy motor pooto í o jednu zubovou rozte . 3.1.3
Krokový motor s aktivním rotorem a axiáln polarizovaným permanentním magnetem (hybridní)
Pro realizaci našeho za ízení jsem jako nejvhodn jší vybral ty fázový hybridní krokový motor s bifilárním vinutím. Tento typ pat í mezi rozší ené, tedy dob e dostupné a je pom rn snadno ovladatelný.
- 19 -
Obr 3.3: Magnetický obvod a ez krokového motoru s axiálné polarizovaným magnetem [1]
Tento motor lze v ezu znázornit dle obr. 3.3a. Magnetický obvod je uspo ádaný podle obr. 3.3b. Na nemagnetické h ídeli (1) rotoru je uložen permanentní magnet (2) tvaru válcového mezikruží, jehož póly jsou orientovány na podstavách. Magnetický tok se uzavírá p es dva magnetem opa n pólované nástavce (3a, 3b) složené z plech nalisovaných na h ídeli. Ty mají po obvodu sm rem do vzduchové mezery zuby, na jejichž po tu závisí po et krok na otá ku (p i z=50 je α=360/4⋅50=1,8°). Rozte e zub statoru i rotoru jsou shodné, pod sousedními póly jsou o ¼ rozte e posunuty, v osovém sm ru jsou zuby rotoru nato eny o jednu polovinu rozte e (tzn. proti zub m jsou drážky). Statorové ty pólové vinutí (6) je uloženo ve svazcích plechu (4a, 4) a v magneticky vodivé kost e (5), která je sou ástí magnetického obvodu. Pro krokování st ídavým vtahováním obou pól rotoru do magnetického pole statoru je nutné generovat statorový magnetický tok jednotlivými zuby. To se, vzhledem ke stejnosm rnému napájení statoru, realizuje t emi zp soby: a) bifilárním vinutím buzeným jednocestnými spínacími tranzistory, b) standardním zesilova i,
dvoufázovým
vinutím
buzeným
dvoucestnými
m stkovými
c) standardním ty fázovým vinutím buzeným jednocestnými spínacími tranzistory. 3.2
Návrh rozhraní mezi PC a pohony
Pro ízení krokového motoru je, jak už jsme zmínili, zapot ebí elektronického komutátoru, který bude generovat tve ici signál pro ízení spínání ty statorových cívek našeho krokového motoru. Na desku plošného spoje spolu s komutátorem jsem umístil také napájecí obvod (t ísvorkový stabilizátor LM7805) a jednoduchou logickou sondu (pro testování komutátorového obvodu).
- 20 -
3.2.1
Komutátorový obvod
Na obr. 3.4 je elektronický komutátor, který zajiš uje distribuci ídících signál jednomu krokovému motoru. Jde o ty fázový unipolární motor, který budeme ídit spínáním dvou sousedních fází (full step). Tím získáme v tší statický moment motoru, ovšem na úkor v tší spot eby.
Obr 3.4: Elektronický komutátor
Samotné sepnutí každé cívky se d je pomocí výkonového spínacího tranzistoru IRFZ34. Tyto tranzistory jsou výkonov naddimenzované a není nutné je chladit p ídavným chladi em. Pro ovládání jednoho motoru je t eba ty tranzistor z nichž každá dvojce je ovládána sekven ním logickým obvodem D, realizovaným zapojením obvodu R-S. Na hodinový vstup D je p iveden krokový signál (signál ízení rychlosti) z PC, invertovaný Schmittovým invertorem. Každá zm na výstupního signálu komutátoru a tedy každý pohyb motoru je reakcí na sestupnou hranu obdélníkového signálu generovaného v PC a p ivád ného p es paralelní port na hodinový vstup komutátoru. Sm r otá ení motoru je definován samostatným signálem z PC. Ten je p ed p ivedením k samotnému komutátoru invertován nejprve Schmittovým invertorem a potom znovu hradlem XOR, které má na zbývajícím vstupu trvalou 1. Tento vstup je však p es jumper uzemn n, což umož uje jednoduše zkratováním jumperu „vy adit“ druhý invertor a tím reverzovat sm r otá ení krokového motoru. Datovému vstupu sekven ního logického obvodu D ovládajícímu první dvojici spínacích tranzistor je p ed azeno hradlo XOR na jehož jeden vstup je p iveden signál ízení sm ru a na druhý vstup hodnota výstupu Q SLO D ovládajícího druhou dvojici tranzistor . Podle ídícího signálu se tedy na hradle XOR signál invertuje, nebo nezm ní a v dalším hodinovém cyklu je hodnota na vstupu D p enesena na výstup Q. Obdobn je zapojen i druhý obvod D s tím rozdílem, že na XOR hradlo je (krom signálu ízení sm ru) p ivedena hodnota
- 21 -
negovaného výstupu Q prvního SLO D. Tímto zp sobem budou sepnuty vždy dva tranzistory, v po adí (1,1,0,0); (0,1,1,0); (0,0,1,1); (1,0,0,1); atd. pro jeden sm r, v opa ném po adí pro druhý sm r.
3.3
Dispenzer
Samotný dispenze je za ízení, které uvol uje stla ený vzduch do zásobníku s pastou (viz. obr. 3.5 – 5) a tím ji vytla uje jehlou na substrát. Pro použití v mém za ízení jsem použil injek ní dispenzer Loctite. Digitální injek ní dispenzer Loctite 98666 (obr. 3.5) je poloautomatický dispenzní systém navrhnutý pro dispenzi lepidla a kapalin z injek ních zásobník . Jednotka disponuje digitálním asova em s rozlišením 0,001 sekundy a dosahuje tedy velké p esnosti dávkování. P ístroj také umož uje nastavení tlaku a je vybaven „suckback“ funkcí, které lze využít pro zp esn ní dávky dispenzovaného materiálu.
Obr. 3.5: Digitální injek ní dispenzer Loctite [8]
P ístroj je znázorn n na obrázku 3.5. Krom napájení ze sít (3) je nutný také p ívod tlakového vzduchu (1) se vzduchovým filtrem (2). P ístroj je vybaven vlastním regulátorem tlaku, kterým vytla uje substanci (v našem p ípad pastu) u injek ního zásobníku (5). P ístroj je možné ovládat nožním pedálem (4), nebo datovým vstupem. Dispenzer m že pracovat ve t ech režimech: 1) Manuální režim – dispenzer je ovládán spína em (nožním pedálem) a na sepnutí spína e reaguje uvoln ním tlaku do injek ního zásobníku. Uzav ení tlakového ventilu je potom reakcí na rozpojení spína e. 2) Pulsní režim – na sepnutí spína e, nebo na signál p ivedený na digitální vstup reaguje dispenzer tlakovým pulsem o nastavené délce.
- 22 -
3) Inkrementa ní režim – tzv. u ící režim. P i sepnutí spína e za ne dispenzer vytla ovat nápl zásobníku a zárove spustí asova . Rozepnutím spína e se ukon í dispenze materiálu a nam ený as se uloží jako as pulsu pro použití v pulsním režimu.
Obr. 3.6: Pneumatické schéma dispenzeru [8]
3.3.1
Ovládání dispenzeru
Dispenzer je vybaven datovým vstupem/výstupem, který umož uje spoušt ní dispenzního cyklu p ivedením nap tí, nebo sepnutím dvou vodi a který také indikuje za átek a konec dispenzního cyklu. Délku tohoto cyklu je však možné nastavit pouze manuáln , tla ítky na p ední stran p ístroje, což v mojí aplikaci zna n snižuje použitelnost datového vstupu/výstupu, protože p i dispenzním tisku ar znamená každé, by krátké, p erušení vytla ování pasty riziko p erušení, nebo zúžení vodi e v kritickém míst . Tomuto p erušení dispenze pasty bych se p i skládání jednotlivých dispenzních cykl nemohli vyhnout. Jako možnost ešení se nabízí pozastavení kreslícího hrotu p i poklesu tlaku v dávkova i. V tom p ípad by ale naopak docházelo k rozší ení kreslené ary v kritickém míst , což by snižovalo rozlišení p ístroje. Pro ovládání spínání dispenzeru je tedy použit spína ový vstup nožního pedálu, kterým lze nezávisle spoušt t a uzavírat p ívod tlaku do zásobníku s pastou. P ístroj lze s využitím tohoto vstupu také uzp sobit k ovládání spínání tlaku po íta em.
- 23 -
4 Software Na internetu je možné najít mnoho (i freeware) softwaru ur eného k ovládání polohovacích za ízení (v tšinou CNC stroj ), já však budu mít pom rn velké požadavky na modifikovatelnost programu, a proto jsem se rozhodl naprogramovat p inejmenším vlastní ovlada paralelního portu. K otestování možností celého za ízení jsem pot eboval volnost p i úpravách generování signál sm ru a rychlosti.
4.1
Koncepce
P edstava je taková, že software se bude skládat ze t í ástí: 1) CAD program – na nejvyšší úrovni je grafický návrh desky, resp. Tišt ného motivu, který by m l být realizován použitím CAD (computer-aided design) programu 2) CAM program – po grafickém návrhu následuje jeho p evedení do jakéhosi netlistu, což bude seznam objekt ze kterých se skládá daný motiv, dopln ný o jejich sou adnice a p ípadn další informace pot ebné k samotnému tisku. To zajiš uje CAM (computer-aided manufacturing) program. 3) P eklada – na nejnižší úrovni se nachází aplikace, která dekóduje netlist a generuje ídící signály pro interface pohon .
Komunikace softwaru s ovládacím hardwarem je realizována p es paralelní port PC.
4.2
Paralelní port
Standard IBM LPT (angl. zkr. paralelní port) byl vytvo en ke komunikaci s tiskárnou "na míru" této problematice po dohod s výrobci tiskáren. Jedná se o rozhraní p vodn ur ené pouze ke komunikaci s tiskárnou, u kterého nikdo nepo ítal s jiným použitím. Tomu odpovídá i hardwarové provedení a zapojení. Standardní paralelní port je p ipojen na 25pinový konektor CANNON v provedení female (dutinky). Obsahuje osm datových vodi D0 až D7 umíst ných na pinech 2 až 9, dále 4 stavové výstupní a 5 vstupních vodi . Ve standardním provozu s tiskárnou eká po íta na tiskárnu, až oznámí, že je p ipravena p ijmout další znak. Potom vyšle na datové vodi e bity specifikující tento znak, oznámí pulsem na pinu STROBE, že na datových vodi ích je p ipraven další znak a op t eká na tiskárnu. V nejlepším p ípad je možné, aby b hem doby, kdy tiskárna zpracovává p ijatý znak, b žel hlavní program. Toho
- 24 -
je dosaženo pomocí využití hardwarového p erušení na pinu /ACK (pokud je toto p erušení zapnuto v odpovídajícím registru). Nám posta í pouze osm datových vodi na ovládání t í krokových motor a dispenzeru. 4.3
P eklada
K naprogramování prototypu p eklada e netlistu jsem p istoupil nejd íve, z praktických d vod pot eby testování p ístroje b hem jeho návrhu a konstrukce. Prakticky je p eklada jediná softwarová sou ást nezbytn nutná k provozu za ízení, protože netlist lze napsat i „ru n “, bez použití CAD a CAM program . Program otev e netlist (textový soubor) a vyhledává klí ová slova. Jedním z klí ových slov m že být nap íklad move pro posun kreslící hlavy. Za ním následuje v netlistu zapsaná sou adnice cílového bodu. Velice jednoduchý netlist m že vypadat nap íklad takto: _nazev move 10 10 line 30 10 line 30 30 line 10 30 line 10 10 end První ádek souboru p eklada ignoruje, stejn jako každý jiný na jehož za átku nenalezne klí ové slovo. Následuje již zmín ný p íkaz move pro posunutí kreslící hlavy na sou adnice [10, 10]. Klí ové slovo line znamená “kresli áru z aktuální pozice na sou adnice…”. S použitím uvedeného netlistu vznikne tverec s délkou strany 20 rozlišovacích bod . End zna í konec netlistu. Sou ástí samotného p eklada e je již funkce, která po skon ení tisku posune kreslící hlavu do po áte ních sou adnic. Program je napsán v jazyce C++, s použitím program Microsoft Visual C++.
4.3.1
Programové ovládání paralelního portu
V jazyce C++ se na porty p istupuje tak, že pomocí funkce zapisujeme/ teme bajt z ur ité adresy. K tomu slouží funkce ze souboru conio.h: _outp(int portaddr, int datum); pro zápis a _inp(int portaddr, int datum); pro tení.
- 25 -
Nap íklad zápis hodnoty 10 na adresu 0x01 by vypadal takto: _outp(0x71, 10); Stejným zp sobem lze zapisovat také na paralelní port, pouze s tím rozdílem, že adresa paralelního portu je 0x378. Problém nastává v p ípad opera ních systém Windows NT, Windows 2000, Windows XP a pravd podobn všech nov jších verzí OS Windows. Tyto opera ní systémy adí zápis na porty mezi takzvané privilegované instrukce a blokují použití funkce _outp(). Tento problém jsem obešel použitím knihovny, která obsahuje API funkci obdobnou k funkci _outp(). Princip se tedy nem ní, pouze ve svém programu používám namíst funkce _outp() funkci Out32(short portaddr, short datum); kde short je datový typ vstupních parametr funkce – adresy portu (portaddr) a hodnoty pro zápis (datum). Protože zápis hodnoty na nesprávné místo v pam ti by mohl zp sobit nestabilitu, pád opera ního systému, nebo nap íklad poškození dat v CMOS pam ti biosu po íta e, použil jsem v programu kv li v tší bezpe nosti v p ípad mé chyby p epis funkce Out32() s dosazením adresy portu: int port (int cislo) { Out32(0x0378,cislo); PORT=cislo; return 1; } Jak jsem uvedl, funkce _outp(), tedy i Out32(), resp. port() zapisuje na zvolenou adresu celý bajt. Krokové motory jsou ale ízeny signálem z jednotlivých pin paralelního portu, z nichž každý p edstavuje z hlediska programu jeden bit. V jazyce C++ se jako ešení nabízí použití operátor bitové konjunkce (&) a bitové disjunkce (|). Lze psát, že x&0 = 0
a
x &1 = x ,
kde x ∈ {0,1};
x |1 = 1
a
x|0 = x,
kde x ∈ {0,1}.
Potom tedy
nap íklad operace 10101100b & 00001111b = 00001100b vynuluje první
ty i bity bajtu, zatímco druhé ty i bity ponechá nezm n né.
- 26 -
Jako p íklad uvedu funkci použitou v programu pro pohyb kreslícího hrotu v ose x, tedy funkci, která ídí pohyb krokového motoru zajiš ujícího pohyb hrotu v ose x: void stepX (int dir, int steps) { if (dir==1) //krokový motor se to í vlevo { PORT=PORT|8; //nastaví 5. bit na 1 PORT=PORT&239; //nastaví 4. bit na 0 port(PORT); for (int i=0; i<steps; i++) { PORT=PORT|16; port(PORT); delay(casx); PORT=PORT&239; port(PORT); delay(casx); } } if (dir==0) //krokový motor se to í vpravo { PORT=PORT&247; //nastaví 5. bit na 0 PORT=PORT&239; //nastaví 4. bit na 0 port(PORT); for (int i=0; i<steps; i++) { PORT=PORT|16; port(PORT); delay(casx); PORT=PORT&239; port(PORT); delay(casx); } } } Funkce má dva vstupní parametry – sm r pohybu a po et krok motoru. Na za átku se funkce v tví do dvou ástí, podle zadaného sm ru pohybu motoru. Bajt pro samotný zápis hodnoty na port obsahuje globální prom nná PORT, která usnad uje provád ní bitových operací a hlavn je v ní vždy uložena hodnota bajtu aktuáln zapsaného na port. V celém programu je pro zápis na port použita zásadn pouze tato prom nná. Protože sm r pohybu krokového motoru je ur en hodnotou 5. bitu, je tento nastaven v prom nné PORT na za átku každé v tve. Následuje inicializa ní vynulování 4. bitu, který slouží jako signálový pro pohyb
- 27 -
motoru a zápis hodnoty na port. Každá v tev funkce dále obsahuje cyklus, který prob hne tolikrát, kolik bylo nastaveno krok motoru v parametrech funkce. V jednom cyklu prob hne vždy dvakrát zm na hodnoty 4. bitu, tedy jedna perioda signálu krokového motoru. Doba periody signálu je nastavena globální prom nnou casx, což je v programu nastavitelná hodnota, která se m že lišit v závislosti na použitém typu pasty.
- 28 -
5 Konstrukce za ízení Mým cílem p i konstrukci za ízení byla co možná nejv tší minimalizace „v lí“, které by mohly zp sobovat nep esnosti p i tisku a snižovat rozlišení p ístroje, p i zachování flexibility a modifikovatelnosti za ízení. Tato možnost jednoduchých mírných úprav za ízení se ukázala být d ležitou, protože b hem samotné konstrukce se objevily n které drobné nedostatky p vodního návrhu (nap . p íliš velké t ení, apod.), které bylo t eba malou úpravou za ízení potla it.
5.1
Použité materiály a sou ásti
Pro výrobu kostry za ízení jsem použil hliníkové profily firmy Bosch, pro které existuje široký výb r spojovacího materiálu. Volba hliníku je výhodná také vzhledem k nepot eb dodate ných povrchových úprav materiálu.
Obr. 5.1: Hliníkový profil Bosch
Pro vedení posuvu jednotlivých os jsou použity op t hliníkové materiály, vedení osy x obsahuje navíc dv ty e z nerezové oceli. Výkon pohybu je zajiš ován krokovými motory, z nichž je pohyb p enášen na jednotlivé sou ásti p ístroje pomocí ozubených pryžových emen a emenic v p ípad os x a y, a upravenou mikrometrickou hlavicí v p ípad osy z. V malém množství jsou v obsahu použitého materiálu zastoupeny r zné plasty. K výrobku p ísluší také ovládací jednotka krokových motor a kabeláž.
- 29 -
5.2
Posun v ose x
Osou x je myšlen horizontální sm r pohybu, pokud je pohyb vyvolaný pouze jedním krokovým motorem – motorem pro pohyb v ose x. 5.2.1
Technické ešení
Vlastní za ízení je tvo eno rámem z hliníkových profil , ve kterém jsou uchyceny dv nerezové vodicí ty e, po nichž se posouvá nosná plošina pro uchycení zbývajících dvou os (y a z). Tyto ty e jsou upevn ny do úchyt , které pomocí ty šroub sm ujících proti sob umož ují p esn nastavit polohu ty í, což umož uje vhodným se ízením snížit p ípadné t ení zp sobené nerovnob žností ty í. Na hliníkové lišt , která je p ipevn na ke spodu rámu, je umíst n krokový motor, který zajiš uje pohyb plošiny. P enos pohybu je vy ešen pomocí emenice na ose motoru a pryžového ozubeného emenu. Skelná vlákna obsažená v materiálu emenu snižují roztažnost materiálu na minimum a tím snižují nebezpe í vzniku nep esnosti roztažením emenu.
Obr. 5.2: Technické ešení posuvu v ose x
5.3
Posun v ose y
Osa y je horizontální sm r pohybu kolmý na osu x. 5.3.1
Technické ešení
Zásobník pasty a kreslící jehla je spolu s posuvným mechanismem pro vertikální pohyb umíst na na pojízdném modulu, který pojíždí po hliníkovém profilu. Tento profil definuje
- 30 -
osu y. P enos pohybu je op t vy ešen pomocí emenice na ose motoru a pryžového ozubeného emenu, v jehož materiálu jsou obsažena skelná vlákna zabra ující nežádoucí roztažnosti emenu.
Obr. 5.3: Technické ešení posuvu v ose y
5.4
Posun v ose z
Osou z je myšlen horizontální sm r pohybu kreslící jehly. Na rozdíl od n kterých jiných polohovacích za ízení, nap íklad plotteru, je v aplikaci dispenzního tisku d ležitá vzdálenost hrotu kreslící jehly od substrátu, tedy i rozlišení pohybu v ose z. 5.4.1
Technické ešení
S cílem dosažení co možná nejv tšího rozlišení jsem pro p evod pohybu z krokového motoru na posuvnou ást osy z použil upravenou mikrometrickou hlavici.
Obr. 5.4: Mikrometrická hlavice
- 31 -
Krokový motor je upevn n s osou ve svislé poloze a osa mikrometrické hlavice je pevn spojena s osou krokového motoru. M ící bubínek hlavice je p ipevn n k pohyblivé ásti se zásobníkem pasty a s kreslící jehlou. Otá ením krokového motoru m ící bubínek klesá, nebo stoupá a sním se pohybuje i kreslící hrot. Na obr. 5.5 je detail posuvu osy z, kde lze krom motoru s jeho h ídelí napojenou na mikrometrickou hlavici vid t také držák zásobníku pasty, který je p ipevn n k pohyblivé asti posuvu osy z a je tvo en hliníkovým plechem s otvorem pro usazení zásobníku a plastovým držákem pro zásobník.
Obr. 5.5: Technické ešení posuvu v ose z
Obr. 5.6: Za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past
- 32 -
6 Parametry tisku V této kapitole popíši možnosti p ístroje, dosažitelné parametry tisku a vlivy, které na n p sobí. Stejn tak se budu snažit upozornit na nedostatky za ízení, další možnosti jeho vylepšení a oz ejmím kritické faktory p i nanášení past. V záv ru kapitoly zhodnotím praktickou použitelnost p ístroje.
6.1
Rozlišení posuvu p ístroje
Nejd ležit jším parametrem posuvu je minimální posunutí, které ur uje kone né rozlišení tisku. Minimální posunutí p ímo ovliv uje úhel kroku motoru a pr m r emenice (osa y), nebo p evod ozubenými koly (osa x). P i realizaci svislého posuvu zásobníku s pastou a kreslícího hrotu jsem zvolil netradi ní ešení – p evod pohybu realizovaný upravenou mikrometrickou hlavicí 6.1.1
Rozlišení a p esnost posuvu osy x
Rozlišení posuvu osy x jsem ur il zm ením délky deseti testovacích posuv , p i emž p i každém testovacím posuvu provedl krokový motor pohán jící posuv osy x 10000 krok . Aritmetickým pr m rem deseti nam ených hodnot jsem dostal pr m rnou délku posuvu 219,2 mm. Jednoduchým výpo tem px =
l 219,2 ⋅ 10 −3 = = 4,384 ⋅ 10 −5 m = 43,84 µm , n 5000
kde px je p esnost posuvu osy x, l je aritmetický pr m r délek posuvu a n je po et krok motoru p i jednom posuvu jsem potom ur il, že p esnost posuvu osy x je 43,84 µm. Rozlišení posuvu osy x je tedy p ibližn 228 bod na centimetr.
6.1.2
Rozlišení a p esnost posuvu osy y
Rozlišení posuvu osy y jsem spo ítal obdobn jako v p ípad osy x, tentokrát jsem zvolil délku testovacích posuv 800 krok motoru, což zhruba odpovídá kreslícímu rozsahu p ístroje v ose y, danému rozm ry za ízení a parametry p evodu pohybu z krokového motoru. Aritmetický pr m r deseti nam ených hodnot je tentokrát 160,52 mm. Výpo et obdobn jako pro osu x: py =
l 160,52 ⋅ 10 −3 = = 2,0065 ⋅ 10 − 4 m = 200,65µm , n 800
- 33 -
kde py je p esnost posuvu osy y, l je op t aritmetický pr m r délek posuvu a n po et krok motoru p i jednom posuvu. P esnost posuvu osy y je tedy 200.65 µm, odtud rozlišení posuvu osy y p ibližn 50 bod na centimetr. Ukázalo se, že realizace posuvu osy y s jiným p evodem pohybu z krokového motoru, než který je použit u osy x a tím pádem odlišné rozlišení posuvu obou os není ideální, protože snižuje možnosti p ístroje p i kreslení šikmých ar – p i sou asném pohybu obou os a mimoto také zt žuje programovou realizaci tohoto pohybu. 6.1.3
Rozlišení a p esnost posuvu osy z
P evod pohybu v posuvu osy z zajiš uje mikrometrická hlavice (viz. kapitola 5.4.1). Mým cílem p i návrhu technického ešení vertikálního posuvu kreslícího hrotu bylo dosažení co možná nejv tšího rozlišení, protože jsem p edpokládal, že vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu bude jedním z nejkriti t jších parametr tisku. Z deseti testovacích posuv realizovaných tentokrát vždy deseti tisíci kroky jsem tentokrát vypo etl aritmetický pr m r posuvu 13,311 mm. Výpo tem l 13,311 ⋅ 10 −3 py = = = 1,3311 ⋅ 10 −6 m = 1,3311µm n 10000 kde pz je p esnost posuvu osy z, l je aritmetický pr m r délek posuvu a n je po et krok motoru p i jednom posuvu jsem potom ur il, že p esnost posuvu osy x je 1,3311 µm a jeho rozlišení je 7512 bod na centimetr.
6.2
Tisk a kritické parametry nanášení pasty
P i testování za ízení jsem experimentoval se dv ma typy past. Jednou z nich byla kapacitní dielektrická pasta - výrobek firmy ESL (Electro-Science Laboratories) z ady 4100. Zejména jsem se ovšem zam il na testování tisku vodivých motiv , a to pastou ESL 9635-HG, což je univerzální st íbro/palladiová vodivá pasta. Všechny experimenty byly provád ny s nep erušovaným vytla ováním pasty ze zásobníku konstantním tlakem. 6.2.1
istota pasty
Zásobník pasty je zakon en klasickou injek ní jehlou s pr m rem 0,4 mm. Jehla je sbroušena na minimální délku, aby se minimalizoval odpor, který klade úzký pr chod past na cest ven ze zásobníku, ale p esto i malá ne istota m že zp sobit krátkodobé, nebo stálé zv tšení odporu, který je kladen vytla ované past a potom dochází p inejmenším k p erušení tisknuté áry, nebo k jiným tiskovým vadám. Obdobný problém nastává v p ípad p ítomnosti
- 34 -
bublin vzduchu v zásobníku s pastou. Nejv tší nebezpe í zanesení pasty ne istotami v praxi nastává p i použití pasty pro tisk metodou sítotisku, kdy se zbylá pasta vrací zpátky do usklad ovací nádoby. Pro dispenzní tisk je tedy ideální použití nové, nezne išt né pasty. Také je t eba brát ohled na nebezpe í vzniku vzduchových bublin p i pln ní zásobníku s pastou. 6.2.2
Tlak v zásobníku s pastou
Tlak, kterým je pasta vytla ována p ímo ur uje množství vytla ené pasty a tím v p ípad vodivé pasty i vodivost nanášeného motivu. U idší dielektrické pasty je minimální tlak, kterým je zajišt na p im ená spolehlivost tisku 15 bar , u vodivé pasty je t eba tlaku alespo 30 bar . Experimentováním jsem zjistil, že p i použití nižšího tlaku lze dosáhnout tisku užších ar, které mají stále uspokojivé elektrické vlastnosti (viz. dále kapitola 6.4), a tím vyššího rozlišení tisku, ovšem po et defekt se snižováním tlaku prudce vzr stá. To iní ze spolehlivosti tisku a jeho rozlišení protich dné požadavky. 6.2.3
Rychlost pohybu kreslícího hrotu
Rychlost pochybu jehly nad substrátem je faktor ovliv ující tisk velmi podobn jako tlak v zásobníku s pastou. Rychlejší pohyb jehly znamená menší vytla ené množství pasty a tím také nižší vodivost.
Obr. 6.1: Defekt tisku zp sobený p ílišnou rychlostí pohybu jehly, nebo nízkým tlakem v zásobníku s vodivou pastou
Stejn jako regulací tlaku, lze regulací rychlosti ovliv ovat ší ku kreslené áry a tím rozlišení tisku, ale vzhledem k tomu, že pohyb kreslícího hrotu není na rozdíl od p sobení tlaku dispenzeru zcela spojitý, vzniká defekt tisku p i zvýšení rychlosti d íve, než p i
- 35 -
obdobném snížení tlaku. P esto je projev vady vyvolaný jedním t chto dvou faktor identický a jeho p íklad je uveden na obr. 6.1. P i experimentování s rychlostí pohybu kreslícího hrotu a tlakem v zásobníku pasty jsem vzhledem k t mto poznatk m nejprve n kolika testy ov il spolehlivost tisku p i dostate n nízké rychlosti a až poté jsem p istoupil k postupnému snižování tlaku s cílem dosáhnout spolehlivého tisku co nejužšího vodi e a tím nejlepšího rozlišení tisku. Zvolená rychlost tisku je p ibližn 0,6 mm·s-1. 6.2.4
Vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu
Vzdálenost hrotu jehly od povrchu substrátu již neovliv uje množství vytla ené pasty, ale má zásadní vliv na výsledný profil natisknutého vodi e. Experimentoval jsem se vzdáleností hrotu jehly od povrchu substrátu v rozmezí od cca 50ti mikrometr až do cca 250ti mikrometr . Platí, že ím nižší je tlak v zásobníku dispenzeru, tím menší vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu je vhodná a naopak. V p ípad p íliš nízké polohy jehly p i tisku jehla vytla uje pastu do stran, ímž zv tšuje ší ku vodi e a snižuje dosažitelné rozlišení a také deformuje povrch vodivé cesty. Lze nalézt mnoho vhodných kombinací tlaku a vzdálenosti hrotu od substrátu. Pro tisk b žného vodivého motivu lze volit nap íklad kombinace 150 µm a 40 bar , 200 µm a 50 bar , nebo 250 µm a 60 bar (viz. obr. 6.1). Nejmenší ší ky tisknutého vodi e jsem dosáhl s parametry 50 µm a 30 bar (obr. 6.1 vlevo). Spolehlivost tisku vodivé pasty s použitím t chto parametr sice prozatím není ideální, ale p i budoucím zkvalitn ní a zp esn ní výroby za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past považuji spolehlivost pot ebnou k praktickému používání tisku tak úzkých vodi za dosažitelnou. Motiv uvedený na obr. 6.2 je tisknutý ze vzdálenosti cca 250 µm a 60 bar a pr m rná ší ka vodi e je 498 µm s maximální odchylkou od pr m ru 41 µm.
- 36 -
Obr. 6.1: Dispenzní tisk vodivé pasty s parametry vzdálenosti jehly od substrátu a tlaku v zísobníku s pastou. Zleva: 50µm a 30 bar 150 µm a 40 bar , 200 µm a 50 bar (dva vodi e) a 250 µm a 60 bar .
Obr. 6.2: Zv tšený detail vodivého motivu tisknutého dispenzní metodou
Na tomto míst je t eba zmínit nedostatek zkonstruovaného za ízení, kterým je nemožnost p esného m ení vzdálenosti hrotu jehly od povrchu substrátu. Rozlišení posuvu osy z, je vynikající, ovšem p esahuje možnosti lidského oka. Tento nedostatek jsem obcházel použitím zv tšovacího skla, nebo použitím zdroje sv tla k vytvo ení stínu pomocí kterého jsem lépe dokázal odhadnout polohu jehly ve které byla v minimální vzdálenosti nad substrátem. Tento postup je bohužel pom rn neobratný a i nep esný, ešení problému však není vzhledem k sou asné konfiguraci za ízení jednoduché a vyžádá si pravd podobn zna né úpravy posuvu osy y.
- 37 -
6.2.5
as sepnutí dispenzeru
Mezi sepnutím dispenzeru a kontaktem vytla ované pasty se substrátem je vždy ur itá asová prodleva, která, pokud je v okamžiku sepnutí dispenzeru kreslící hrot již v pohybu, m že zp sobit posunutí p vodn zamýšleného za átku áry ve sm ru pohybu hrotu jehly. Je tedy nutné vždy spínat dispenzer s p edstihem, v p ípad vzdálenosti hrotu jehly od povrch substrátu až o jednu sekundu d íve. Lze íci, že pro dosažení ideálního výsledku by se m l kreslící hrot za ít pohybovat teprve v okamžiku kontaktu vytla ované pasty se substrátem.
6.3
Rozlišení tisku
Za ú elem stanovení rozlišení tisku jsem vytvo il testovací motivy, které se skládají z rovnob žných ar, které jsou byly tisknuty v postupn se zmenšujících intervalech krok motoru. Protože rozlišení posuvu jednotlivých os se liší (viz. kapitola 6.1), bylo nutné ur it rozlišení tisku pro osu x a osu y také zvláš . Nejd ležit jším parametrem pro ur ení rozlišení je minimální ší ka mezery mezi vodi i experimentáln jsem ur il minimální velikost tohoto rozm ru 250 µm. P i menších ší kách mezery mezi arami motivu se výrazn zvyšuje nebezpe í, že i malým defektem tisku dojde k vodivému spojení sousedních vodi . 6.3.1
Rozlišení tisku v ose y
Protože p esnost posuvu osy y je pouze 200 µm, nejmenší rozmezí ar, které se po natisknutí nespojí v jednu p edstavuje 4 kroky motoru. Rozlišení tisku je tedy cca 800 µm, z ehož plyne možnost tisku 12,5 áry·cm-1 ve sm ru osy y.
Obr. 6.3: Detail testovacího motiv dielektrické pasty pro osu y (zleva 4, 5 a 6 krok motoru), pr m rná ší ka áry 426 µm
- 38 -
Obr. 6.4: Detail testovacího motiv vodivé pasty pro osu y (zleva 4, 5 a 6 krok motoru), pr m rná ší ka vodi e 483 µm
6.3.2
Rozlišení tisku v ose x
Z nam ených hodnot plyne, že rozlišení tisku ve sm ru osy x m že být v p ípad použité pasty ur eno rozmezím 15ti krok motoru. To s p esností posuvu osy x, která je 43,84 µm ur uje rozlišení tisku 658 µm a možných 15,2 áry·cm-1. Tento odhad jsem ov il m ením odporu mezi 10ti sousedními nepropojenými vodi i na testovacím vzorku, který jsem vyrobil. M ený odpor byl ve všech p ípadech nekone ný, resp. nem itelný.
Obr. 6.5: Detail testovacího motiv dielektrické pasty pro osu x (zleva 30, 25, 20, 15, 14 - 11 krok motoru), pr m rná ší ka áry 390 µm
- 39 -
Obr. 6.6: Detail testovacího motiv vodivé pasty pro osu x (zleva 30, 25, 20, 19 - 11 krok motoru), pr m rná ší ka vodi e 382 µm
Je t eba poznamenat, že toto nam ené rozlišení m že být spolehliv využito pouze s typem pasty, který byl použit v testu. P i využívání mezní dosažitelného rozlišení je také t eba brát ohled na možné rozší ení vodi e v míst ohybu (je vid t na obr. 6.2). Z hlediska návrhu tisku obvodu je navíc nejjednodušší i pro osu x uvažovat jako maximální rozlišení 800 µm a omezit se na 12,5 áry·cm-1, tedy rozlišení osy y, což znamená velmi bezpe né rozmezí ar 18 krok motoru.
6.4
Elektrické vlastnosti vodivých motiv
Pro m ení odporu jednotlivých drah byla použita metoda dle D.E.Reimera [9]. K výpo tu odporu na tverec [Ω/ ] použiji vzorec: rLine =
WLine R Line [Ω/ ], LLine
kde WLine je ší ka natisknuté linie a LLine délka. V mém p ípad m ení odporu testovacích vzork tisknutých s parametry vzdálenosti hrotu jehly od substrátu a tlaku v zásobníku s pastou 150 µm a 40 bar , vzdálenost 200 µm a tlak 50 bar a vzdálenost 250 µm a tlak 60 bar (viz. obr. 6.1) jsou pr m rné hodnoty ší ky vodivé cesty 382 µm, 450 µm a 498 µm. K m ení jsem použil 10 vzork pro každé ze t í zmín ných nastavení parametr . Délka m ených vodivých cest byla 21 mm. Nam il jsem následující hodnoty:
- 40 -
Tabulka 1: Nam ené hodnoty odporu vodivých cest íslo vzorku Ší ka vodivé dráhy [mm] 382 450 498
1
2
3
4
467 314 259
440 303 253
439 311 239
428 312 236
5
6
R[mΩ] 433 447 305 298 253 252
7
8
9
432 310 264
431 316 268
397 327 262
Pr m rný odpor [mΩ] 428 434 315 311 274 256 10
Výpo et odporu na tverec pro vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu a tlak v zásobníku s pastou 150 µm a 40 bar a pro ší ku vodi e 382 µm: rLine =
WLine 0,382 R Line = ⋅ 0,434 = 7,89 [mΩ/ ]. LLine 21
Obdobn pro vzdálenost 200 µm a tlak 50 bar a ší ku vodi e 450 µm: W 0,45 rLine = Line RLine = ⋅ 0,311 = 6,66 [mΩ/ ] LLine 21
a pro vzdálenost 250 µm a tlak 60 bar a ší ku vodi e 498 µm: rLine =
WLine 0,498 RLine = ⋅ 0,256 = 6,07 [mΩ/ ] LLine 21
Vypo tené hodnoty vrstvového odporu jsou srovnatelné s hodnotami dosahovanými p i tisku vodivých past sítotiskem a lze tedy íct, že dispenzní metoda tisku tlustovrstvých past je velmi dob e vhodná k tisku vodivých motiv
6.5
Použitelnost za ízení v praxi
Mnou vyrobený p ístroj je pln funk ní a velmi dob e použitelný v p ípad tisku vodivého motivu na keramickou desku. Uživateli usnad uje výrobu p edevším odstran ním nutnosti výroby síta. Výhodou je také istota tisku a prakticky nulový odpad past p i tisku. Po použití m že být zbylá pasta uskladn na p ímo v zásobníku a z stane p ipravena pro další použití. Za ízení m že být použito také k dispenzi lepidla, nebo pájecí pasty. Nevýhodou za ízení jsou prozatím p etrvávající omezení p i návrh tišt ného motivu, kterým je vhodnost za ízení spíše pro tisk pasty v pravoúhlých sou adnicích a nemožnost spojité regulace ší ky tišt ného vodi e v rámci tisku jednoho motivu. To je možné pouze teoreticky a vyžadovalo by p erušení tisku, zm nu tlaku dispenzeru a s ním i p ednastavení vzdálenosti kreslícího hrotu od substrátu. Další nevýhodou za ízení je jeho prozatímní nevhodnost pro tisk odporových past, kv li nemožnosti p esného nastavení tvaru profilu pasty.
- 41 -
7 Záv r V této práci jsem navrhl a realizoval za ízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past. Navrhl jsem konstrukci a zp sob ízení p ístroje na bázi polohovacího za ízení a vyrobil jsem DPS s ovlada em pohonu. Vytvo il jsem také software pro p eklad zakódovaného grafického návrhu tišt ného motivu a generování signál pro ízení tisku. Práce obsahuje rešerši o tlustovrstvé technologii a b žných metodách tisku tlustovrstvých past, návrh p ístroje a koncepce programového vybavení za ízení a popis realizace programu, konstrukce za ízení a zhodnocení možností tisku a charakteristiku kritických faktor nanášení past dispenzní metodou. Mým hlavním cílem bylo vyrobit za ízení, které by dokázalo usnadnit kusovou výrobu desek plošných spoj s tlustými vrstvami a zhodnotit jeho možnosti. Toto za ízení jsem vyrobil a experimenty jsem ur il, nebo nam il následující parametry: •
P esnost posuvu osy x 43,84 µm a rozlišení posuvu osy x je 228 bod
na
centimetr. •
P esnost posuvu osy y 200.65 µm, odtud rozlišení posuvu osy y p ibližn 50 bod na centimetr.
•
P esnost posuvu osy x je 1,3311 µm a jeho rozlišení 7512 bod na centimetr.
•
Doporu ené rozlišení tisku os x a y 800 µm, které je mezní pro osu y a mezní rozlišení osy x 658 µm.
•
Doporu enou rychlost tisku pasty 0,6 mm·s-1 a doporu ené další parametry tisku vodivé pasty – vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu a tlak v zásobníku s pastou 150 µm a 40 bar
pro pr m rnou ší ku áry 382 µm,
vzdálenost 200 µm a tlak 50 bar pro pr m rnou ší ku áry 450 µm a vzdálenost 250 µm a tlak 60 bar pro pr m rnou ší ku áry 498 µm. •
Vodivost motivu tisknutého vodivou pastou, vyjád eného hodnotou odporu na tverec, který se p i použití mnou testovaných parametr tisku pohybuje v rozmezí 6 – 8 mΩ/ .
- 42 -
8 Použitá literatura [1]
CHLEBNÝ, J.; BENEŠ, P.; LANGER, J.; MARTINÁSKOVÁ, M.; VORÁ EK, R. Automatizace a automatiza ní technika. Brno: Computer Press Brno, 2000. 254 stran. ISBN 80-7226-248-3
[2]
Tlusté vrstvy. Dostupné z WWW: http://martin.feld.cvut.cz/~pelikano/vyuka/EMT/predn/tl_vrstvy.pdf
[3]
HUBÁLEK, J. Technologie tlustých vrstev. Dostupné z WWW: http://www.umel.feec.vutbr.cz/~hubalek/skola/vyuka/BMMS-02.pdf
[4]
CNC ZONE forum. Dostupné z WWW: http://www.cnczone.com
[5]
EZÁ , K. Krokové motory. Dostupné z WWW: http://robotika.cz/articles/steppers/cs
[6]
Paralelní port - LPT (IEEE 1284). Dostupné z WWW: http://lpt.hw.cz/
[7]
POLOK, L. Programování v C a C ++. Dostupné z WWW: http://luki.webzdarma.cz/luki_programming.htm
[8]
Loctite Digital Syringe Manual. Dostupné z WWW: http://equipment.loctite.com/documentation/8900580%20Digital%20Syringe%20Dispe nser%2098666%20Manual.pdf
[9]
HLADÍK, J. Metody a technologie vytvá ení kovových kontakt pro struktury k emíkových solárních lánk , Brno 2006
- 43 -
POD KOVÁNÍ: D kuji odbornému vedoucímu semestrálního projektu Ing. Ji ímu Hladíkovi za metodické a cílen orientované vedení p i pln ní úkol realizovaných v návaznosti na tento projekt a za cenné p ipomínky k jeho vypracování a také d kuji panu Rudolfu Krásenskému za významnou pomoc p i zpracování materiál a sou ástí ke konstrukci za ízení.
