Realizace zaízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií Ústav mikroelektroniky Realizace zaízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past Student: Marek Vodrážka Vedoucí práce: Ing. Jií Hladík Obor: Mikroelektronika a technologie Brno 2007

ABSTRAKT Cílem práce bylo navrhnout a realizovat zaízení 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 bakaláské práce jsou souhrnn zpracovány všeobecné poznatky o technologii tlustých vrstev a jsou popsány bžné metody tisku tlustých vrstev. Druhá ást práce se zabývá návrhem zaízení a obslužného softwaru, konstrukcí zaízení a experimentálním zhodnocením jeho parametr a možností. Klíová 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 zaízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past. Brno: Vysoké uení technické v Brn, Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií, 2007. 43 s. Vedoucí bakaláské práce Ing. Jií Hladík

OBSAH 1 ÚVOD... - 9-2 TLUSTOVRSTVÉ TECHNOLOGIE... - 10-2.1 TLUSTÁ VRSTVA...- 10-2.1.1 Elektrické vlastnosti tlusté vrstvy... - 11-2.2 DLENÍ TLUSTÝCH VRSTEV PODLE MATERIÁLU MATRICE...- 11-2.3 DLENÍ 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 Izolaní 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 Svtlocitlivé vodivé vrstvy... - 14-2.5.5 Dispenzní tisk... - 15-2.6 VYTVRZENÍ TLUSTÝCH VRSTEV...- 16-3 NÁVRH ZAÍZENÍ PRO DISPENZNÍ TISK... - 17-3.1 POHONY PRO SOUADNICOVÝ POSUN DISPENZERU...- 17-3.1.1 Rozdlení 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 PEKLADA...- 25-4.3.1 Programové ovládání paralelního portu... - 25-5 KONSTRUKCE ZAÍZENÍ... - 29-5.1 POUŽITÉ MATERIÁLY A SOUÁSTI...- 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 PÍSTROJE...- 33-6.1.1 Rozlišení a pesnost posuvu osy x... - 33-6.1.2 Rozlišení a pesnost posuvu osy y... - 33-6.1.3 Rozlišení a pesnost 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 ZAÍZENÍ V PRAXI...- 41-7 ZÁVR... - 42-8 POUŽITÁ LITERATURA... - 43 - - 11 -

1 Úvod V souasnosti nejrozšíenjší metodou tisku tlustovrstvých past je sítotisk. Nevýhodu sítotisku, kterou je nutnost výroby nového síta pi každé zmn tištného motivu vyvažuje velká rychlost tisku, která je požadována pi sériové výrob. Pi kusové výrob je však výroba síta pro každý nový motiv nepraktická. Naším cílem je vytvoení takového zaízení a jeho píslušenství, které bude umožovat tisk tlustovrstvé pasty ízený automaticky poítaem, podle poítaov realizovaného návrhu a zhodnocení jeho možností. Ve druhé kapitole uvádím tenáe do problematiky tlustovrstvé technologie a zamuji se na vysvtlení rzných metod tisku tlustovrstvých past, vetn dispenzního tisku. Tématem tetí kapitoly je již návrh zaízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past. Vnuji se zde problematice elektronického pohonu os kreslícího ústrojí, rozhraní mezi poítaem a pohony. tvrtá kapitola potom popisuje programové ešení ovládání celého zaízení, koncepci softwaru a vztahy mezi jednotlivými použitými programy. Dále jsou v této kapitole vysvtleny nejdležitjší funkce použité ve mnou naprogramované ásti softwaru. Konstrukce zaízení je popsána v další kapitole a šestá kapitola se již zabývá zhodnocením vlastností tištných motiv a možností tisku. - 9 -

2 Tlustovrstvé technologie S rostoucí integrací v elektronických obvodech se objevuje poteba nahrazovat klasické souástky jinými vhodnými prvky s menšími rozmry. asto jsou rozhodující i nízké výrobní náklady. To s sebou pináší mimo jiné požadavek na jednoduchou a levnou technologii. Tyto skutenosti daly podnt k vzniku a rozšiování tlustovrstvých technologií. Pomocí tlustovrstvých technologií lze vytváet vodivé propojky tištných spoj, kontakty, odpory v hybridních integrovaných obvodech, membránové spínae atd. Tlustovrstvé technologie dnes již pronikají i do vývoje a výroby senzor. 2.1 Tlustá vrstva Pojmem tlustá vrstva oznaujeme vrstvu, jejíž tlouška je podstatn vtší, než stední volná dráha elektronu. Stední volná dráha je dráha, kterou urazí ástice mezi dvma srážkami. Typická tlouška tlustých vrstev se pohybuje v desítkách m. Obr. 2.1: ez rezistorem realizovaným tlustovrstvou technologií [2] Tlusté vrstvy jsou nehomogenní smsi nkolika složek. Materiály (pasty) pro výrobu tlustých vrstev obsahují nkolik složek: Funkní složku, která zajišuje žádané elektrické vlastnosti vrstvy. Složku tvoí rzné kovy a oxidy. Laková složka se odstraní bhem výpalu vrstvy ji organická rozpouštdla a pryskyice. - 10 -

Pojivivá složka nízkotavná skla, pojidlo funkního materiálu k podložce. 2.1.1 Elektrické vlastnosti tlusté vrstvy Typickým elektrickým parametrem je vodivost nebo rezistivita (pevrácená hodnota vodivosti). U tlustých vrstev se setkáváme s parametrem zvaným odpor na tverec. Vyjaduje velikost odporu vrstvy tvercového tvaru (šíka vrstvy w je rovna její délce l). Tato hodnota je stanovena pro danou tloušku t, kterou bude mít tlustá vrstva pi dodržení pedepsaného technologického postupu jejího zhotovení (zvlášt tlouška síta). Obr. 2.2: Rozmry tlusté vrstvy [2] Pokud známe rozmry obdélníkového odporu (viz obr.1), mžeme stanovit teoretickou velikost odporu R: R = R [] kde R je odpor na tverec, l je délka tlustovrstvého odporu, w je jeho šíka. l w 2.2 Dlení tlustých vrstev podle materiálu matrice Tlusté vrstvy lze dlit podle rzných hledisek. Jedno z nich je materiál matrice. Rozlišujeme pak vrstvy anorganické a polymerové. Materiálem matrice anorganických vrstev bývá nejastji sklo ve form jemného prášku (frity). U polymerových vrstev se jako plnivo používá polymer (nap. polyester). Nižší teplota vytvrzování polymerových vrstev umožuje použití na více druh podložek než anorganické tlustovrstvé materiály. Polymerové tlusté vrstvy se vypalují, dle druhu pasty a podložky, pi teplot okolo 200 C. Anorganické vrstvy se vypalují pi 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 tchto vrstev. Polymerové vrstvy nejsou odolné vi vlhkosti, což ovlivuje jejich stabilitu. 2.3 Dlení tlustých vrstev podle funkce Podle funkce vrstvy dlíme materiály (pasty) pro tvorbu tlustých vrstev na: Vodivé pasty Odporové pasty Dielektrické pasty Izolaní 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 vtšinou prášky ušlechtilých kov: stíbro, zlato, platina, paládium nebo jejich kombinace. 2.3.2 Odporové pasty Odporová složka je nositelem funkních vlastností vrstvy. Funkní složkou odporových anorganických vrstev bývají nejastji 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. 10 1-10 9 /. 2.3.3 Dielektrické pasty Funkní složka dielektrických past upravuje permitivitu vrstvy na vhodnou velikost. Nejastji se používá BaTiO3. Dielektrické pasty se používají pro výrobu kondenzátor menších hodnot, které jsou integrovány do topologie tlustovrstvých integrovaných obvod. 2.3.4 Izolaní a ochranné pasty Izolaní a ochranné pasty neobsahují funkní složku. Izolaní vrstvy se používají pro izolované kížení vodivých drah vícevrstvých struktur. Ochranné vrstvy chrání souástky ped psobením vnjších vliv. 2.4 Podložky pro tlusté vrstvy Dležitou vlastností podložek je její teplotní koeficient roztažnosti. Ten by ml být srovnatelný s teplotním koeficientem tlusté vrstvy. Dále by podložky mly být hladké a rovné a jejich smrštní bhem výpalu by mlo být zanedbatelné. - 12 -

Pro anorganické tlusté vrstvy se nejastji používají keramické podložky. Keramiky jsou vtšinou izolanty a mají vysokou elektrickou pevnost. Z hlediska mechanických vlastností jsou keramiky tvrdé, relativn kehké. Jsou znan odolné otru. Keramika nejeví únavu a nemní tvar v závislosti na ase. Keramika odolává nepíznivým klimatickým podmínkám, není napadána mikroorganismy. Je také odolná vi psobení mnoha chemikálií. Korundová keramika (Al2O3) je keramika na bázi oxidu hlinitého. Je nejrozšíenjším a nejdležitjším druhem keramiky v elektronice a mikroelektronice, protože má píznivé 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 mrný odpor. Pro polymerové vrstvy je možné jako podložku použít organické materiály. Jde o polymerní materiály založené na izolantu z organické pryskyice (epoxidová a fenolická pryskyice (nap. skloepoxid, oznaovaný FR4, sklopolyamid atd.). Nevýhodou tchto materiál je velká navlhavost. 2.5 Metody tisku tlustých vrstev 2.5.1 Sítotisk Sítotisk je nejrozšíenjší zpsob vytváení tlustých vrstev. Nad podložkou je ve vhodné vzdálenosti umístna zamaskovaná síka. Pasta se nanese na horní plochu síta a je protlaována otvory v sítu trkou na podložku. Trka pi svém pohybu jednak ped sebou hrne pastu a zárove prohýbá síto. Trka tlaí síto do kontaktu s podložkou a tím se penáší vzor. Prvním krokem pi výrob síta je napnutí sítoviny na rám. Síovina se napíná bu pímo na rámu nebo nad rámem. Síovina mže být vyrobena ze syntetických vláken (polyester, polyamid), nebo pro náronjší aplikace se používá síovina s vlákny z ušlechtilé nerezové oceli. Vlákna jsou pi tisku namáhána na tah. Tato deformace musí být pružná, aby nemohlo dojít k trvalému prohnutí síta. Síovina by mla být odolná vi otru. Síka se mže opotebovávat otrem trkou a pastou. Propustná plocha síky je urena velikostí ok a prmrem vlákna. Mezi významné parametry síoviny patí poet ok na 1 cm a prmr vlákna. Obr. 2.3: Princip sítotisku [2] - 13 -

Další operací pi výrob síta je jeho ovrstvení. Na síto se ze strany tisku nanáší svtlocitlivá emulze. K nanášení emulze se používá ovrstvovací korýtko nebo ovrstvovací stroj. Tlouška emulze výrazn ovlivuje tloušku tlusté vrstvy. Na usušenou svtlocitlivou vrstvu se osvitem kopíruje tiskový motiv z pedlohy. Motiv se na síto penáší pomocí kontaktního kopírování ve vakuovém rámu. Vtšinou se používá zdroj vyzaující ultrafialové záení. Po osvitu následuje vyvolání. Podle typu svtlocitlivé vrstvy se ze šablony odstraní bu neosvtlená místa (osvtlená místa emulse se vytvrdí) nebo osvtlená místa (osvtlená emulse se psobením svtla naruší). astjší je první zpsob, kdy se nesvtlená místa vymývají vodou. Po vyvolání se šablonu suší. 2.5.2 Šablonový tisk Obdobou sítotisku je šablonový tisk, kdy se místo síta používá fólie. Tlouška vrstvy je pi této technologii urena pímo tlouškou fólie. Tento zpsob tisku se používá pro pesný tisk pájecí pasty. Ve srovnání se sítotiskem vyniká tato metoda lepší rozmrovou stabilitou a pesností. Nevýhodou je nižší pružnost fólie. Šablony se vyrábjí leptáním (nejmenší rozte 0,4 mm), ezáním laserem (pesné, ale nákladné), nebo asto kombinací tchto dvou uvedených metod. Dalším zpsobem výroby fólie je galvanoplastika. Podklad z nerez oceli je opaten fotorezistem s vyleptanými obrazci. Kovová vrstva narstá na podkladu v místech, která nejsou kryta fotorezistem. Po dosažení potebné tloušky vrstvy se oddlí podklad od fotorezistu. Volba materiálu pro výrobu fólie závisí na požadavcích na výdrž fólie, pesnost a vychází z použité metody výroby tištného motivu. Používá se mosaz, nerezová ocel, m, zatím zídka i plasty. 2.5.3 Micro-screen Pro tisk mikroelektronických obvod s vysokým rozlišením se používá micro-screen, což je metoda tisku pes šablonu vyrobenou z nerezové oceli, která má zespodu nanesenou organickou tsnící vrstvu, která zajišuje velmi ostré okraje tištného motivu a pitom umožuje past zatéct i pod mstky mezi otvory. Šablona se vyrábí leptáním. Tato metoda je levnjší, než tenkovrstvé technologie a lze s ní dosáhnout šíky ar i menší, než 50µm. 2.5.4 Svtlocitlivé vodivé vrstvy Tato technologie se používá pro spoje pro pipojování ip pomocí drátkových spoj. Na podložku se nanese rovnomrná vrstva svtlocitlivé vodivé pasty. Fotolitografickým procesem se vytvoí vodivý motiv na podložce, vrstva se suší a po zajištní kontaktního - 14 -

spojení vrstvy a motivu se vrstva exponuje UV svtlem. Vrstva je obvykle pozitivní. V tom pípad ozáená místa polymerují sníží se jejich rozpustnost. Neozáená místa vrstvy se vymyjí vodou s pídavkem organického rozpouštdla a po usušení se vrstva vypálí. Lze zhotovit spoje šíky i 35m. 2.5.5 Dispenzní tisk Jedná se o nanesení pasty dotykem, nebo vytlaením ze zásobníku. Používají se ti základní metody: 1) Plná jehla jehla se ponoí do pasty a po vytažení se penese na místo nanesení, kde se dotkne podložky. Metoda má malou pesnost. 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 vytlaí pedem stanovené množství pasty. Nejastji se používá zásobník ve tvaru injekní stíkaky. Obr. 2.5: Dutá jehla [2] - 15 -

3) Bezkontaktní dispensing pasta je na podložku vypouštna ze vzdálenosti 1mm 3,5mm. Výhodou je zvýšení rychlosti tisku. Obr. 2.6: Bezkontaktní dispensing [2] 2.6 Vytvrzení tlustých vrstev Natištné vrstvy je teba vypálit. Proces vypalování anorganických tlustých vrstev je náronjší než u polymerových vrstev. Anorganické vrstvy se vypalují pi teplotách nad 800 C. Pro polymerové vrstvy se vypalovací teplota pohybuje okolo 200 C. Navíc je nutno pi výpalu anorganických vrstev nutno dodržet pedepsaný vypalovací profil (prbh teploty bhem doby výpalu). Obr. 2.7: Bžný profil výpalu tlustovrstvých past [3] - 16 -

3 Návrh zaízení pro dispenzní tisk Pi ešení a návrhu zaízení pro dispenzní tisku tlustovrstvých past vycházím z pedstavy jednoduchého polohovacího zaízení, které bude umožovat pohyb hrotu dispenzeru v osách x, y a z. Pohyb hrotu, i vytlaování pasty bude ízeno softwarov, pomocí paralelního portu PC. 3.1 Pohony pro souadnicový posun dispenzeru Aplikace souadnicového polohového zaízení je jako šitá na míru pro krokový motor. Je zde poteba pohonu, který umí pesn nastavit svoji polohu a tuto polohu i pes pípadné psobící síly udržet. Dalším dvodem je pomrn snadná obsluha krokového motoru. Pro precizní ízení rychlosti nepotebujeme naprogramovat komplexní PID kontrolér a, pokud motory nepetžujeme, lze se obejít bez zptné vazby o zmn natoení staí poítat kroky. Úhel natoení hídele krokového motoru je dán potem impuls pivedených na ídící vinutí. Charakteristickým znakem krokového motoru je proto nespojitý pohyb hídele, daný úhlovými kroky, které jsou odezvou motoru na jeden ídící impuls. Krokový motor ve spojení s elektronickým ovladaem tvoí systém oznaovaný jako krokový pohon (obr. 3.1). Obr. 3.1: Blokové schéma krokového pohonu [1] Elektronický ovlada krokového motoru ídí funkní pohyb a režimy jeho chodu v závislosti na vstupní informaci. Funkní ástí ovladae motoru je rozdlova ídících signál, oznaovaný jako elektronický komutátor (blok EK), který mní vstupní impulsní signál ízení rychlosti na sled cyklicky se opakujících kombinací naptí pivádných následné na jednotlivé cívky krokového motoru. Toto poadí kombinací výstup z elektronického komutátoru lze mnit signálem ízení smru a tím reverzovat smr otáení. Bloky G, L a RG (ídící generátor, ídící logika a reverzaní generátor) budou v našem pípad nahrazeny osobním poítaem, který bude softwarov generovat signál pro ízení rychlosti a smru. Aplikace zaízení pro dispenzní tisk také nevyžaduje realizaci výkonových spínacích - 17 -

zesilova (bloky VSZ), ty jsou nahrazeny pouhými spínacími tranzistory, které jsou dostatené pro námi požadovaný výkon. Blok NZ znaí napájecí zdroj. 3.1.1 Rozdlení krokových motor Podle konstrukního provedení rotoru se krokové motory rozdlují do tí skupin: 1) krokové motory s pasivním rotorem oznaované jako reakní, i reluktanní, protože rotor je opaten výstupky, takže magnetický obvod motoru má po obvodu vzduchové mezery promnnou magnetickou vodivost; 2) krokové motory s aktivním rotorem, obsahujícím magneticky aktivní ást, tj. budící vinutí nebo permanentní magnet, jehož póly mohou být uspoádány dvojím zpsobem: a) s radiáln polarizovaným permanentním magnetem obvykle ty a vícepólovým; tyto motory jsou oznaovány jako motory PM (Permanent Magnet step motors) b) s axiáln polarizovaným permanentním magnetem (vždy dvojpólovým); jsou oznaovány jako hybridní, protože jsou u nich uplatnny prvky konstrukce jak motor s pasivním, tak i aktivním rotorem; jsou vzhledem k pomru moment/objem nejrozšíenjší; 3) krokové motory s odvalujícím se rotorem typické tím, že jejich vzduchová mezera je v jednom nebo nkolika místech nulová, ímž je minimalizován odpor magnetického obvodu a tím dosaženo pi daném budícím proudu maximum indukce a kroutícího momentu. 3.1.2 Princip innosti krokových motor Funkci krokového motoru mžeme vysvtlit na píkladu tyfázového 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, piemž dvojice cívek navinutých na protilehlých zubech jsou spojeny a tvoí vždy jednu fázi. V pípad tyfázového motoru máme 4 fáze - oznaeny A, B, C, D. Rotor má na svém povrchu smrem do vzduchové mezery 6 zub a je bez vinutí. Šíka rotorových a statorových zub je ve vzduchové mezee stejná. Fáze vinutí jsou pipojeny na výstupy ovladae. Ovlada ídí (pes spínací koncové prvky) buzení jednotlivých fázi vinutí v uritém poadí (podle daného zpsobu ízení), v rytmu ídicích impuls. V pípad, že je fáze vinutí buzena, protéká píslušným vinutím budicí stejnosmrný proud. Ped pipojením pohonu k napájecímu zdroji se rotor nachází v jedné z možných náhodných poloh, která je dána zbytkovým (remanentním) magnetismem rotoru. Pedpokládejme, že první kombinace sepnutí fází bude (1, 0, 0, 0), což odpovídá tomu, že fázi A tee proud, kdežto fázemi B, C, D proud netee. Rotor se pootoí tak, aby zaujal stav minimální reluktance (minimálního magnetického odporu). Proti statorovým pólm, které jsou buzeny se nastaví nejbližší rotorové zuby do souhlasné polohy. Rotor se tak nachází do doby další zmny kombinace sepnutí fází v magnetické klidové poloze. Vzhledem k odlišnému potu zub rotoru a statoru dochází k tomu, že rotorové zuby se nekryjí se statorovými, postupn o 1/4, 1/2, 3/4 rotorové zubové roztee. Zmníme-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 pootoí skokem vlevo (o jeden krok). V našem pípad se rotor pootoí o 1/4 zubové roztee. Pi další zmn kombinace buzení na stav (0, 0, 1, 0) se pootoí magnetické pole do osy statorových zub fáze C a rotor se pootoí obdobným zpsobem do nové magnetické klidové polohy. Po probhnutí jednoho cyklu sepnutí ty fází se tedy motor pootoí o jednu zubovou rozte. 3.1.3 Krokový motor s aktivním rotorem a axiáln polarizovaným permanentním magnetem (hybridní) Pro realizaci našeho zaízení jsem jako nejvhodnjší vybral tyfázový hybridní krokový motor s bifilárním vinutím. Tento typ patí mezi rozšíené, tedy dobe dostupné a je pomrn 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 uspoádaný podle obr. 3.3b. Na nemagnetické hídeli (1) rotoru je uložen permanentní magnet (2) tvaru válcového mezikruží, jehož póly jsou orientovány na podstavách. Magnetický tok se uzavírá pes dva magnetem opan pólované nástavce (3a, 3b) složené z plech nalisovaných na hídeli. Ty mají po obvodu smrem do vzduchové mezery zuby, na jejichž potu závisí poet krok na otáku (pi z=50 je α=360/4 50=1,8 ). Roztee zub statoru i rotoru jsou shodné, pod sousedními póly jsou o ¼ roztee posunuty, v osovém smru jsou zuby rotoru natoeny o jednu polovinu roztee (tzn. proti zubm jsou drážky). Statorové typólové vinutí (6) je uloženo ve svazcích plechu (4a, 4) a v magneticky vodivé koste (5), která je souástí magnetického obvodu. Pro krokování stídavým vtahováním obou pól rotoru do magnetického pole statoru je nutné generovat statorový magnetický tok jednotlivými zuby. To se, vzhledem ke stejnosmrnému napájení statoru, realizuje temi zpsoby: a) bifilárním vinutím buzeným jednocestnými spínacími tranzistory, b) standardním dvoufázovým vinutím buzeným dvoucestnými mstkovými zesilovai, c) standardním tyfázovým vinutím buzeným jednocestnými spínacími tranzistory. 3.2 Návrh rozhraní mezi PC a pohony Pro ízení krokového motoru je, jak už jsme zmínili, zapotebí elektronického komutátoru, který bude generovat tveici signál pro ízení spínání ty statorových cívek našeho krokového motoru. Na desku plošného spoje spolu s komutátorem jsem umístil také napájecí obvod (tísvorkový stabilizátor LM7805) a jednoduchou logickou sondu (pro testování komutátorového obvodu). - 20 -

3.2.1 Komutátorový obvod Na obr. 3.4 je elektronický komutátor, který zajišuje distribuci ídících signál jednomu krokovému motoru. Jde o tyfázový unipolární motor, který budeme ídit spínáním dvou sousedních fází (full step). Tím získáme vtší statický moment motoru, ovšem na úkor vtší spoteby. Obr 3.4: Elektronický komutátor Samotné sepnutí každé cívky se dje pomocí výkonového spínacího tranzistoru IRFZ34. Tyto tranzistory jsou výkonov naddimenzované a není nutné je chladit pídavným chladiem. Pro ovládání jednoho motoru je teba ty tranzistor z nichž každá dvojce je ovládána sekvenním logickým obvodem D, realizovaným zapojením obvodu R-S. Na hodinový vstup D je piveden krokový signál (signál ízení rychlosti) z PC, invertovaný Schmittovým invertorem. Každá zmna výstupního signálu komutátoru a tedy každý pohyb motoru je reakcí na sestupnou hranu obdélníkového signálu generovaného v PC a pivádného pes paralelní port na hodinový vstup komutátoru. Smr otáení motoru je definován samostatným signálem z PC. Ten je ped pivedením k samotnému komutátoru invertován nejprve Schmittovým invertorem a potom znovu hradlem XOR, které má na zbývajícím vstupu trvalou 1. Tento vstup je však pes jumper uzemnn, což umožuje jednoduše zkratováním jumperu vyadit druhý invertor a tím reverzovat smr otáení krokového motoru. Datovému vstupu sekvenního logického obvodu D ovládajícímu první dvojici spínacích tranzistor je pedazeno hradlo XOR na jehož jeden vstup je piveden signál ízení smru a na druhý vstup hodnota výstupu Q SLO D ovládajícího druhou dvojici tranzistor. Podle ídícího signálu se tedy na hradle XOR signál invertuje, nebo nezmní a v dalším hodinovém cyklu je hodnota na vstupu D penesena na výstup Q. Obdobn je zapojen i druhý obvod D s tím rozdílem, že na XOR hradlo je (krom signálu ízení smru) pivedena hodnota - 21 -

negovaného výstupu Q prvního SLO D. Tímto zpsobem budou sepnuty vždy dva tranzistory, v poadí (1,1,0,0); (0,1,1,0); (0,0,1,1); (1,0,0,1); atd. pro jeden smr, v opaném poadí pro druhý smr. 3.3 Dispenzer Samotný dispenze je zaízení, které uvoluje stlaený vzduch do zásobníku s pastou (viz. obr. 3.5 5) a tím ji vytlauje jehlou na substrát. Pro použití v mém zaízení jsem použil injekní dispenzer Loctite. Digitální injekní dispenzer Loctite 98666 (obr. 3.5) je poloautomatický dispenzní systém navrhnutý pro dispenzi lepidla a kapalin z injekních zásobník. Jednotka disponuje digitálním asovaem s rozlišením 0,001 sekundy a dosahuje tedy velké pesnosti dávkování. Pístroj také umožuje nastavení tlaku a je vybaven suckback funkcí, které lze využít pro zpesnní dávky dispenzovaného materiálu. Obr. 3.5: Digitální injekní dispenzer Loctite [8] Pístroj je znázornn na obrázku 3.5. Krom napájení ze sít (3) je nutný také pívod tlakového vzduchu (1) se vzduchovým filtrem (2). Pístroj je vybaven vlastním regulátorem tlaku, kterým vytlauje substanci (v našem pípad pastu) u injekního zásobníku (5). Pístroj je možné ovládat nožním pedálem (4), nebo datovým vstupem. Dispenzer mže pracovat ve tech režimech: 1) Manuální režim dispenzer je ovládán spínaem (nožním pedálem) a na sepnutí spínae reaguje uvolnním tlaku do injekního zásobníku. Uzavení tlakového ventilu je potom reakcí na rozpojení spínae. 2) Pulsní režim na sepnutí spínae, nebo na signál pivedený na digitální vstup reaguje dispenzer tlakovým pulsem o nastavené délce. - 22 -

3) Inkrementaní režim tzv. uící režim. Pi sepnutí spínae zane dispenzer vytlaovat nápl zásobníku a zárove spustí asova. Rozepnutím spínae se ukoní dispenze materiálu a namený 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 umožuje spouštní dispenzního cyklu pivedením naptí, nebo sepnutím dvou vodi a který také indikuje zaátek a konec dispenzního cyklu. Délku tohoto cyklu je však možné nastavit pouze manuáln, tlaítky na pední stran pístroje, což v mojí aplikaci znan snižuje použitelnost datového vstupu/výstupu, protože pi dispenzním tisku ar znamená každé, by krátké, perušení vytlaování pasty riziko perušení, nebo zúžení vodie v kritickém míst. Tomuto perušení dispenze pasty bych se pi skládání jednotlivých dispenzních cykl nemohli vyhnout. Jako možnost ešení se nabízí pozastavení kreslícího hrotu pi poklesu tlaku v dávkovai. V tom pípad by ale naopak docházelo k rozšíení kreslené ary v kritickém míst, což by snižovalo rozlišení pístroje. Pro ovládání spínání dispenzeru je tedy použit spínaový vstup nožního pedálu, kterým lze nezávisle spouštt a uzavírat pívod tlaku do zásobníku s pastou. Pístroj lze s využitím tohoto vstupu také uzpsobit k ovládání spínání tlaku poítaem. - 23 -

4 Software Na internetu je možné najít mnoho (i freeware) softwaru ureného k ovládání polohovacích zaízení (vtšinou CNC stroj), já však budu mít pomrn velké požadavky na modifikovatelnost programu, a proto jsem se rozhodl naprogramovat pinejmenším vlastní ovlada paralelního portu. K otestování možností celého zaízení jsem poteboval volnost pi úpravách generování signál smru a rychlosti. 4.1 Koncepce Pedstava je taková, že software se bude skládat ze tí ástí: 1) CAD program na nejvyšší úrovni je grafický návrh desky, resp. Tištného motivu, který by ml být realizován použitím CAD (computer-aided design) programu 2) CAM program po grafickém návrhu následuje jeho pevedení do jakéhosi netlistu, což bude seznam objekt ze kterých se skládá daný motiv, doplnný o jejich souadnice a pípadn další informace potebné k samotnému tisku. To zajišuje CAM (computer-aided manufacturing) program. 3) Peklada na nejnižší úrovni se nachází aplikace, která dekóduje netlist a generuje ídící signály pro interface pohon. Komunikace softwaru s ovládacím hardwarem je realizována pes paralelní port PC. 4.2 Paralelní port Standard IBM LPT (angl. zkr. paralelní port) byl vytvoen ke komunikaci s tiskárnou "na míru" této problematice po dohod s výrobci tiskáren. Jedná se o rozhraní pvodn urené pouze ke komunikaci s tiskárnou, u kterého nikdo nepoítal s jiným použitím. Tomu odpovídá i hardwarové provedení a zapojení. Standardní paralelní port je pipojen na 25pinový konektor CANNON v provedení female (dutinky). Obsahuje osm datových vodi D0 až D7 umístných na pinech 2 až 9, dále 4 stavové výstupní a 5 vstupních vodi. Ve standardním provozu s tiskárnou eká poíta na tiskárnu, až oznámí, že je pipravena pijmout další znak. Potom vyšle na datové vodie bity specifikující tento znak, oznámí pulsem na pinu STROBE, že na datových vodiích je pipraven další znak a opt eká na tiskárnu. V nejlepším pípad je možné, aby bhem doby, kdy tiskárna zpracovává pijatý znak, bžel hlavní program. Toho - 24 -

je dosaženo pomocí využití hardwarového perušení na pinu /ACK (pokud je toto perušení zapnuto v odpovídajícím registru). Nám postaí pouze osm datových vodi na ovládání tí krokových motor a dispenzeru. 4.3 Peklada K naprogramování prototypu pekladae netlistu jsem pistoupil nejdíve, z praktických dvod poteby testování pístroje bhem jeho návrhu a konstrukce. Prakticky je peklada jediná softwarová souást nezbytn nutná k provozu zaízení, protože netlist lze napsat i run, bez použití CAD a CAM program. Program oteve netlist (textový soubor) a vyhledává klíová slova. Jedním z klíových slov mže být napíklad move pro posun kreslící hlavy. Za ním následuje v netlistu zapsaná souadnice cílového bodu. Velice jednoduchý netlist mže vypadat napíklad takto: _nazev move 10 10 line 30 10 line 30 30 line 10 30 line 10 10 end První ádek souboru peklada ignoruje, stejn jako každý jiný na jehož zaátku nenalezne klíové slovo. Následuje již zmínný píkaz move pro posunutí kreslící hlavy na souadnice [10, 10]. Klíové slovo line znamená kresli áru z aktuální pozice na souadnice. S použitím uvedeného netlistu vznikne tverec s délkou strany 20 rozlišovacích bod. End znaí konec netlistu. Souástí samotného pekladae je již funkce, která po skonení tisku posune kreslící hlavu do poáteních souadnic. 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 pistupuje tak, že pomocí funkce zapisujeme/teme bajt z urité 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 -

Napíklad zápis hodnoty 10 na adresu 0x01 by vypadal takto: _outp(0x71, 10); Stejným zpsobem lze zapisovat také na paralelní port, pouze s tím rozdílem, že adresa paralelního portu je 0x378. Problém nastává v pípad operaních systém Windows NT, Windows 2000, Windows XP a pravdpodobn všech novjších verzí OS Windows. Tyto operaní 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 nemní, 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 pamti by mohl zpsobit nestabilitu, pád operaního systému, nebo napíklad poškození dat v CMOS pamti biosu poítae, použil jsem v programu kvli vtší bezpenosti v pípad mé chyby pepis 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 pedstavuje 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 napíklad operace 10101100 b & 00001111b = 00001100b vynuluje první tyi bity bajtu, zatímco druhé tyi bity ponechá nezmnné. - 26 -

Jako píklad uvedu funkci použitou v programu pro pohyb kreslícího hrotu v ose x, tedy funkci, která ídí pohyb krokového motoru zajišujícího pohyb hrotu v ose x: void stepx (int dir, int steps) { if (dir==1) //krokový motor se toí 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 toí 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 smr pohybu a poet krok motoru. Na zaátku se funkce vtví do dvou ástí, podle zadaného smru pohybu motoru. Bajt pro samotný zápis hodnoty na port obsahuje globální promnná PORT, která usnaduje provádní 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 promnná. Protože smr pohybu krokového motoru je uren hodnotou 5. bitu, je tento nastaven v promnné PORT na zaátku každé vtve. Následuje inicializaní vynulování 4. bitu, který slouží jako signálový pro pohyb - 27 -

motoru a zápis hodnoty na port. Každá vtev funkce dále obsahuje cyklus, který probhne tolikrát, kolik bylo nastaveno krok motoru v parametrech funkce. V jednom cyklu probhne vždy dvakrát zmna hodnoty 4. bitu, tedy jedna perioda signálu krokového motoru. Doba periody signálu je nastavena globální promnnou casx, což je v programu nastavitelná hodnota, která se mže lišit v závislosti na použitém typu pasty. - 28 -

5 Konstrukce zaízení Mým cílem pi konstrukci zaízení byla co možná nejvtší minimalizace vlí, které by mohly zpsobovat nepesnosti pi tisku a snižovat rozlišení pístroje, pi zachování flexibility a modifikovatelnosti zaízení. Tato možnost jednoduchých mírných úprav zaízení se ukázala být dležitou, protože bhem samotné konstrukce se objevily nkteré drobné nedostatky pvodního návrhu (nap. píliš velké tení, apod.), které bylo teba malou úpravou zaízení potlait. 5.1 Použité materiály a souásti Pro výrobu kostry zaízení jsem použil hliníkové profily firmy Bosch, pro které existuje široký výbr spojovacího materiálu. Volba hliníku je výhodná také vzhledem k nepoteb dodatených povrchových úprav materiálu. Obr. 5.1: Hliníkový profil Bosch Pro vedení posuvu jednotlivých os jsou použity opt hliníkové materiály, vedení osy x obsahuje navíc dv tye z nerezové oceli. Výkon pohybu je zajišován krokovými motory, z nichž je pohyb penášen na jednotlivé souásti pístroje pomocí ozubených pryžových emen a emenic v pípad os x a y, a upravenou mikrometrickou hlavicí v pípad osy z. V malém množství jsou v obsahu použitého materiálu zastoupeny rzné plasty. K výrobku písluší také ovládací jednotka krokových motor a kabeláž. - 29 -

5.2 Posun v ose x Osou x je myšlen horizontální smr pohybu, pokud je pohyb vyvolaný pouze jedním krokovým motorem motorem pro pohyb v ose x. 5.2.1 Technické ešení Vlastní zaízení je tvoeno rámem z hliníkových profil, ve kterém jsou uchyceny dv nerezové vodicí tye, po nichž se posouvá nosná plošina pro uchycení zbývajících dvou os (y a z). Tyto tye jsou upevnny do úchyt, které pomocí ty šroub smujících proti sob umožují pesn nastavit polohu tyí, což umožuje vhodným seízením snížit pípadné tení zpsobené nerovnobžností tyí. Na hliníkové lišt, která je pipevnna ke spodu rámu, je umístn krokový motor, který zajišuje pohyb plošiny. Penos pohybu je vyešen pomocí emenice na ose motoru a pryžového ozubeného emenu. Skelná vlákna obsažená v materiálu emenu snižují roztažnost materiálu na minimum a tím snižují nebezpeí vzniku nepesnosti roztažením emenu. Obr. 5.2: Technické ešení posuvu v ose x 5.3 Posun v ose y Osa y je horizontální smr pohybu kolmý na osu x. 5.3.1 Technické ešení Zásobník pasty a kreslící jehla je spolu s posuvným mechanismem pro vertikální pohyb umístna na pojízdném modulu, který pojíždí po hliníkovém profilu. Tento profil definuje - 30 -

osu y. Penos pohybu je opt vyešen pomocí emenice na ose motoru a pryžového ozubeného emenu, v jehož materiálu jsou obsažena skelná vlákna zabraující nežádoucí roztažnosti emenu. Obr. 5.3: Technické ešení posuvu v ose y 5.4 Posun v ose z Osou z je myšlen horizontální smr pohybu kreslící jehly. Na rozdíl od nkterých jiných polohovacích zaízení, napíklad plotteru, je v aplikaci dispenzního tisku dležitá vzdálenost hrotu kreslící jehly od substrátu, tedy i rozlišení pohybu v ose z. 5.4.1 Technické ešení S cílem dosažení co možná nejvtšího rozlišení jsem pro pevod 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 pístroje, dosažitelné parametry tisku a vlivy, které na n psobí. Stejn tak se budu snažit upozornit na nedostatky zaízení, další možnosti jeho vylepšení a ozejmím kritické faktory pi nanášení praktickou použitelnost pístroje. 6.1 Rozlišení posuvu pístroje past. V závru kapitoly zhodnotím Nejdležitjším parametrem posuvu je minimální posunutí, které uruje konené rozlišení tisku. Minimální posunutí pímo ovlivuje úhel kroku motoru a prmr emenice (osa y), nebo pevod ozubenými koly (osa x). Pi realizaci svislého posuvu zásobníku s pastou a kreslícího hrotu jsem zvolil netradiní ešení pevod pohybu realizovaný upravenou mikrometrickou hlavicí 6.1.1 Rozlišení a pesnost posuvu osy x Rozlišení posuvu osy x jsem uril zmením délky deseti testovacích posuv, piemž pi každém testovacím posuvu provedl krokový motor pohánjící posuv osy x 10000 krok. Aritmetickým prmrem deseti namených hodnot jsem dostal prmrnou délku posuvu 219,2 mm. Jednoduchým výpotem 3 l 219,2 10 5 p x = = = 4,384 10 m = 43,84µ m, n 5000 kde p x je pesnost posuvu osy x, l je aritmetický prmr délek posuvu a n je poet krok motoru pi jednom posuvu jsem potom uril, že pesnost posuvu osy x je 43,84 µm. Rozlišení posuvu osy x je tedy pibližn 228 bod na centimetr. 6.1.2 Rozlišení a pesnost posuvu osy y Rozlišení posuvu osy y jsem spoítal obdobn jako v pípad osy x, tentokrát jsem zvolil délku testovacích posuv 800 krok motoru, což zhruba odpovídá kreslícímu rozsahu pístroje v ose y, danému rozmry zaízení a parametry pevodu pohybu z krokového motoru. Aritmetický prmr deseti namených hodnot je tentokrát 160,52 mm. Výpoet obdobn jako pro osu x: 3 l 160,52 10 4 p y = = = 2,0065 10 m = 200,65µ m, n 800-33 -

kde p y je pesnost posuvu osy y, l je opt aritmetický prmr délek posuvu a n poet krok motoru pi jednom posuvu. Pesnost posuvu osy y je tedy 200.65 µm, odtud rozlišení posuvu osy y pibližn 50 bod na centimetr. Ukázalo se, že realizace posuvu osy y s jiným pevodem pohybu z krokového motoru, než který je použit u osy x a tím pádem odlišné rozlišení posuvu obou os není ideální, protože snižuje možnosti pístroje pi kreslení šikmých ar pi souasném pohybu obou os a mimoto také ztžuje programovou realizaci tohoto pohybu. 6.1.3 Rozlišení a pesnost posuvu osy z Pevod pohybu v posuvu osy z zajišuje mikrometrická hlavice (viz. kapitola 5.4.1). Mým cílem pi návrhu technického ešení vertikálního posuvu kreslícího hrotu bylo dosažení co možná nejvtšího rozlišení, protože jsem pedpokládal, že vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu bude jedním z nejkrititjších parametr tisku. Z deseti testovacích posuv realizovaných tentokrát vždy deseti tisíci kroky jsem tentokrát vypoetl aritmetický prmr posuvu 13,311 mm. Výpotem 3 l 13,311 10 6 p y = = = 1,3311 10 m = 1,3311µ m n 10000 kde p z je pesnost posuvu osy z, l je aritmetický prmr délek posuvu a n je poet krok motoru pi jednom posuvu jsem potom uril, že pesnost posuvu osy x je 1,3311 µm a jeho rozlišení je 7512 bod na centimetr. 6.2 Tisk a kritické parametry nanášení pasty Pi testování zaízení jsem experimentoval se dvma typy past. Jednou z nich byla kapacitní dielektrická pasta - výrobek firmy ESL (Electro-Science Laboratories) z ady 4100. Zejména jsem se ovšem zamil na testování tisku vodivých motiv, a to pastou ESL 9635-HG, což je univerzální stíbro/palladiová vodivá pasta. Všechny experimenty byly provádny s neperušovaným vytlaováním pasty ze zásobníku konstantním tlakem. 6.2.1 istota pasty Zásobník pasty je zakonen klasickou injekní jehlou s prmrem 0,4 mm. Jehla je sbroušena na minimální délku, aby se minimalizoval odpor, který klade úzký prchod past na cest ven ze zásobníku, ale pesto i malá neistota mže zpsobit krátkodobé, nebo stálé zvtšení odporu, který je kladen vytlaované past a potom dochází pinejmenším k perušení tisknuté áry, nebo k jiným tiskovým vadám. Obdobný problém nastává v pípad pítomnosti - 34 -

bublin vzduchu v zásobníku s pastou. Nejvtší nebezpeí zanesení pasty neistotami v praxi nastává pi použití pasty pro tisk metodou sítotisku, kdy se zbylá pasta vrací zpátky do uskladovací nádoby. Pro dispenzní tisk je tedy ideální použití nové, nezneištné pasty. Také je teba brát ohled na nebezpeí vzniku vzduchových bublin pi plnní zásobníku s pastou. 6.2.2 Tlak v zásobníku s pastou Tlak, kterým je pasta vytlaována pímo uruje množství vytlaené pasty a tím v pípad vodivé pasty i vodivost nanášeného motivu. U idší dielektrické pasty je minimální tlak, kterým je zajištna pimená spolehlivost tisku 15 bar, u vodivé pasty je teba tlaku alespo 30 bar. Experimentováním jsem zjistil, že pi 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 poet defekt se snižováním tlaku prudce vzrstá. To iní ze spolehlivosti tisku a jeho rozlišení protichdné požadavky. 6.2.3 Rychlost pohybu kreslícího hrotu Rychlost pochybu jehly nad substrátem je faktor ovlivující tisk velmi podobn jako tlak v zásobníku s pastou. Rychlejší pohyb jehly znamená menší vytlaené množství pasty a tím také nižší vodivost. Obr. 6.1: Defekt tisku zpsobený pílišnou rychlostí pohybu jehly, nebo nízkým tlakem v zásobníku s vodivou pastou Stejn jako regulací tlaku, lze regulací rychlosti ovlivovat šíku kreslené áry a tím rozlišení tisku, ale vzhledem k tomu, že pohyb kreslícího hrotu není na rozdíl od psobení tlaku dispenzeru zcela spojitý, vzniká defekt tisku pi zvýšení rychlosti díve, než pi - 35 -

obdobném snížení tlaku. Pesto je projev vady vyvolaný jedním tchto dvou faktor identický a jeho píklad je uveden na obr. 6.1. Pi experimentování s rychlostí pohybu kreslícího hrotu a tlakem v zásobníku pasty jsem vzhledem k tmto poznatkm nejprve nkolika testy ovil spolehlivost tisku pi dostaten nízké rychlosti a až poté jsem pistoupil k postupnému snižování tlaku s cílem dosáhnout spolehlivého tisku co nejužšího vodie a tím nejlepšího rozlišení tisku. Zvolená rychlost tisku je pibližn 0,6 mm s -1. 6.2.4 Vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu Vzdálenost hrotu jehly od povrchu substrátu již neovlivuje množství vytlaené pasty, ale má zásadní vliv na výsledný profil natisknutého vodie. 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 pípad píliš nízké polohy jehly pi tisku jehla vytlauje pastu do stran, ímž zvtšuje šíku vodie a snižuje dosažitelné rozlišení a také deformuje povrch vodivé cesty. Lze nalézt mnoho vhodných kombinací tlaku a vzdálenosti hrotu od substrátu. Pro tisk bžného vodivého motivu lze volit napíklad kombinace 150 µm a 40 bar, 200 µm a 50 bar, nebo 250 µm a 60 bar (viz. obr. 6.1). Nejmenší šíky tisknutého vodie jsem dosáhl s parametry 50 µm a 30 bar (obr. 6.1 vlevo). Spolehlivost tisku vodivé pasty s použitím tchto parametr sice prozatím není ideální, ale pi budoucím zkvalitnní a zpesnní výroby zaízení pro dispenzní tisk tlustovrstvých past považuji spolehlivost potebnou 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 prmrná šíka vodie je 498 µm s maximální odchylkou od prmru 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 vodie) a 250 µm a 60 bar. Obr. 6.2: Zvtšený detail vodivého motivu tisknutého dispenzní metodou Na tomto míst je teba zmínit nedostatek zkonstruovaného zaízení, kterým je nemožnost pesného mení vzdálenosti hrotu jehly od povrchu substrátu. Rozlišení posuvu osy z, je vynikající, ovšem pesahuje možnosti lidského oka. Tento nedostatek jsem obcházel použitím zvtšovacího skla, nebo použitím zdroje svtla k vytvoení stínu pomocí kterého jsem lépe dokázal odhadnout polohu jehly ve které byla v minimální vzdálenosti nad substrátem. Tento postup je bohužel pomrn neobratný a i nepesný, ešení problému však není vzhledem k souasné konfiguraci zaízení jednoduché a vyžádá si pravdpodobn znané úpravy posuvu osy y. - 37 -

6.2.5 as sepnutí dispenzeru Mezi sepnutím dispenzeru a kontaktem vytlaované pasty se substrátem je vždy uritá asová prodleva, která, pokud je v okamžiku sepnutí dispenzeru kreslící hrot již v pohybu, mže zpsobit posunutí pvodn zamýšleného zaátku áry ve smru pohybu hrotu jehly. Je tedy nutné vždy spínat dispenzer s pedstihem, v pípad vzdálenosti hrotu jehly od povrch substrátu až o jednu sekundu díve. Lze íci, že pro dosažení ideálního výsledku by se ml kreslící hrot zaít pohybovat teprve v okamžiku kontaktu vytlaované pasty se substrátem. 6.3 Rozlišení tisku Za úelem stanovení rozlišení tisku jsem vytvoil testovací motivy, které se skládají z rovnobžných 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 urit rozlišení tisku pro osu x a osu y také zvláš. Nejdležitjším parametrem pro urení rozlišení je minimální šíka mezery mezi vodii experimentáln jsem uril minimální velikost tohoto rozmru 250 µm. Pi menších šíkách mezery mezi arami motivu se výrazn zvyšuje nebezpeí, že i malým defektem tisku dojde k vodivému spojení sousedních vodi. 6.3.1 Rozlišení tisku v ose y Protože pesnost posuvu osy y je pouze 200 µm, nejmenší rozmezí ar, které se po natisknutí nespojí v jednu pedstavuje 4 kroky motoru. Rozlišení tisku je tedy cca 800 µm, z ehož plyne možnost tisku 12,5 áry cm -1 ve smru osy y. Obr. 6.3: Detail testovacího motiv dielektrické pasty pro osu y (zleva 4, 5 a 6 krok motoru), prmrná šíka áry 426 µm - 38 -

Obr. 6.4: Detail testovacího motiv vodivé pasty pro osu y (zleva 4, 5 a 6 krok motoru), prmrná šíka vodie 483 µm 6.3.2 Rozlišení tisku v ose x Z namených hodnot plyne, že rozlišení tisku ve smru osy x mže být v pípad použité pasty ureno rozmezím 15ti krok motoru. To s pesností posuvu osy x, která je 43,84 µm uruje rozlišení tisku 658 µm a možných 15,2 áry cm -1. Tento odhad jsem ovil mením odporu mezi 10ti sousedními nepropojenými vodii na testovacím vzorku, který jsem vyrobil. Mený odpor byl ve všech pípadech nekonený, resp. nemitelný. Obr. 6.5: Detail testovacího motiv dielektrické pasty pro osu x (zleva 30, 25, 20, 15, 14-11 krok motoru), prmrná šíka áry 390 µm - 39 -

Obr. 6.6: Detail testovacího motiv vodivé pasty pro osu x (zleva 30, 25, 20, 19-11 krok motoru), prmrná šíka vodie 382 µm Je teba poznamenat, že toto namené rozlišení mže být spolehliv využito pouze s typem pasty, který byl použit v testu. Pi využívání mezní dosažitelného rozlišení je také teba brát ohled na možné rozšíení vodie v míst ohybu (je vidt 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 bezpené rozmezí ar 18 krok motoru. 6.4 Elektrické vlastnosti vodivých motiv Pro mení odporu jednotlivých drah byla použita metoda dle D.E.Reimera [9]. K výpotu odporu na tverec [Ω/] použiji vzorec: W Line r Line = RLine [Ω/], LLine kde W Line je šíka natisknuté linie a L Line délka. V mém pípad mení 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 prmrné hodnoty šíky vodivé cesty 382 µm, 450 µm a 498 µm. K mení jsem použil 10 vzork pro každé ze tí zmínných nastavení parametr. Délka mených vodivých cest byla 21 mm. Namil jsem následující hodnoty: - 40 -

Tabulka 1: Namené hodnoty odporu vodivých cest íslo vzorku Šíka vodivé dráhy [mm] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Prmrný odpor [mω] R[mΩ] 382 467 440 439 428 433 447 432 431 397 428 434 450 314 303 311 312 305 298 310 316 327 315 311 498 259 253 239 236 253 252 264 268 262 274 256 Výpoet odporu na tverec pro vzdálenost kreslícího hrotu od povrchu substrátu a tlak v zásobníku s pastou 150 µm a 40 bar a pro šíku vodie 382 µm: WLine 0,382 r Line = RLine = 0,434 = 7,89 [mω/]. L 21 Line Obdobn pro vzdálenost 200 µm a tlak 50 bar a šíku vodie 450 µm: WLine 0,45 r Line = RLine = 0,311 = 6,66 [mω/] L 21 Line a pro vzdálenost 250 µm a tlak 60 bar a šíku vodie 498 µm: WLine 0,498 r Line = RLine = 0,256 = 6,07 [mω/] L 21 Line Vypotené hodnoty vrstvového odporu jsou srovnatelné s hodnotami dosahovanými pi tisku vodivých past sítotiskem a lze tedy íct, že dispenzní metoda tisku tlustovrstvých past je velmi dobe vhodná k tisku vodivých motiv 6.5 Použitelnost zaízení v praxi Mnou vyrobený pístroj je pln funkní a velmi dobe použitelný v pípad tisku vodivého motivu na keramickou desku. Uživateli usnaduje výrobu pedevším odstranním nutnosti výroby síta. Výhodou je také istota tisku a prakticky nulový odpad past pi tisku. Po použití mže být zbylá pasta uskladnna pímo v zásobníku a zstane pipravena pro další použití. Zaízení mže být použito také k dispenzi lepidla, nebo pájecí pasty. Nevýhodou zaízení jsou prozatím petrvávající omezení pi návrh tištného motivu, kterým je vhodnost zaízení spíše pro tisk pasty v pravoúhlých souadnicích a nemožnost spojité regulace šíky tištného vodie v rámci tisku jednoho motivu. To je možné pouze teoreticky a vyžadovalo by perušení tisku, zmnu tlaku dispenzeru a s ním i pednastavení vzdálenosti kreslícího hrotu od substrátu. Další nevýhodou zaízení je jeho prozatímní nevhodnost pro tisk odporových past, kvli nemožnosti pesného nastavení tvaru profilu pasty. - 41 -