Prozessgeregeltes Mikrodosieren hochviskoser Klebstoffe

Abstract

Die Mikrosystemtechnik entwickelte sich in den letzten 25 Jahren zu einer der Schlüsseltechnologien des beginnenden 21. Jahrhunderts. Mit einem für das Jahr 2009 prognostizierten Weltmarktanteil von zirka 25 Mrd. US-Dollar und erwarteten jährlichen Steigerungsraten von 16% zählt die Mikrosystemtechnik zu den weltweit größten Wachstumsmärkten. Die zentralen Wachstumstreiber dieser Entwicklung sind die Branchen IT-Peripherie, Biomedizintechnik, Automobil, Haushalt und Telekommunikation.

Das starke Wachstum und der steigende Wettbewerb in der Mikrosystemtechnikbranche erhöhen zunehmend den Druck auf Unternehmen kostengünstigere Produkte unter ständig wachsenden Qualitätsanforderungen herzustellen. Die Montage von Mikrosystemen ist dabei entscheidend: Studien zufolge entstehen bis zu 80% der Herstellungskosten von Mikrosystemen in der Montage. Gleichzeitig beeinflussen die Montageprozesse signifikant die erzielbare Produktqualität und -zuverlässigkeit.

Ein zentrales Verfahren zur Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen in der Mikromontage ist das Kleben. Andere Technologien wie Schweißen oder Löten ermöglichen es häufig nicht, die mikrotechnischen Bauteile zu verbinden. Als problematisch bei der Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen durch Kleben erweist sich aber in zunehmendem Maße die Dezimierung der Bauteilabmessungen. Die damit einhergehende überproportionale Reduktion bedingt, dass die in Form von Klebstofflinien oder -punkten kontinuierlich beziehungsweise diskontinuierlich zu applizierenden Klebstoffvolumina häufig nicht mehr mit ausreichender Reproduzierbarkeit und Genauigkeit hergestellt werden können.

Ausgehend von einer Betrachtung des Stands der Technik bei Klebstoffapplikationsverfahren konnten durch Analyse von Marktdaten die Dispensverfahren als die bedeutendsten Verfahren zur Applikation von Klebstoffen identifiziert werden. In der Gruppe der Dispensverfahren wiederum erwies sich das Zeit-Druck Dispensverfahren als das wichtigste Klebstoffapplikationsverfahren. Der zum Zeit-Druck Dispensverfahren gehörende Dosierprozess ermöglicht es allerdings nicht die geforderten Klebstoffmengen mit hoher Reproduzierbarkeit und Genauigkeit zur Verfügung zu stellen: Er weist Prozessstreuungen von zirka 10 % auf.

Ziel der vorliegenden Arbeit war demzufolge die Angabe von Regelgesetzen zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Genauigkeit von Zeit-Druck Dosierprozessen. Des Weiteren sollte ein Werkzeug zur prozessgeregelten Zeit-Druck Dosierung einschließlich der hierzu erforderlichen Steuerungssoftware konzipiert und realisiert werden.

Anhand repräsentativer Anwendungsbeispiele der hybriden Mikromontage konnten zunächst die an die kontinuierliche und diskontinuierliche Zeit-Druck Dosierung gestellten Anforderungen aufgezeigt werden. Dabei erwiesen sich Prozessstreuungen von 2,8 % bei der kontinuierlichen Dosierung von Klebstofflinien und 8,3 % bei der diskontinuierlichen Dosierung von Klebstoffpunkten als zulässige Maximalwerte.

Darauf aufbauend wurde die Ableitung von Problemstellungen möglich, die im Rahmen der durchgeführten Entwicklungen gelöst wurden. Diese bestanden aus der Angabe eines vollständigen, mathematischen Modells des Zeit-Druck Dosierprozesses, das auch die Temperaturentwicklung im Dosiersystem sowie das nichtlineare Klebstofffließverhalten berücksichtigt. Zudem umfassten sie die Entwicklung eines Arbeitspunktreglers zur Regelung der kontinuierlichen und eines ausgangsrückführenden Reglers zur Regelung der diskontinuierlichen Klebstoffdosierung.

Die Problemstellungen in Bezug auf die mathematische Modellbildung wurden durch Ableiten eines Differenzialgleichungssystems zur Berechnung des instationären Kartuschenlufttemperaturverlaufs sowie einer Differenzialgleichung zur Charakterisierung der instationären Klebstoffströmung nichtlinearen Fließverhaltens in der Dosierkapillare gelöst. Anhand des vollständigen Prozessmodells erfolgte anschließend die Entwicklung eines Arbeitspunktreglers zur Regelung der kontinuierlichen Klebstoffdosierung. Für die diskontinuierliche Klebstoffdosierung wurde ein ausgangsrückführender Regler zur Beseitigung der bestehenden Defizite hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Genauigkeit entwickelt.

Anschließend konnten zur Umsetzung der entworfenen Regelungen notwendige alternative Lösungskonzepte zur gezielten, kontinuierlichen Beeinflussung des Zeit-Druck Dosierprozesses sowie zur Erfassung der erforderlichen Messgrößen Druck und Volumenstrom erarbeitet und die geeignetsten bestimmt werden.

Die Verifikation der neu entwickelten Prozessregelungen und erarbeiteten Lösungskonzepte zur Prozessüberwachung und -ansteuerung erfolgte anhand experimenteller Untersuchungen unter Verwendung des hochviskosen Öls Typ SHC 639 als Ersatzmedium. Es zeigte sich, dass die entworfenen Regler die gestellten Anforderungen erfüllen. Die Untersuchungen verdeutlichten, dass sowohl bei der kontinuierlichen als auch diskontinuierlichen Dosierung die Reproduzierbarkeit der Dosierergebnisse signifikant erhöht werden konnte. Diese war aufgrund der durchgeführten Entwicklungen auf weniger als 0,5%, bei einer Genauigkeit besser 5%, reduzierbar. Damit sind auch die bei der kontinuierlichen sowie diskontinuierlichen Klebstoffapplikation an Zeit-Druck Dosierprozesse gestellten Anforderungen erfüllbar.

Ferner ermöglichten die Entwicklungen eine Erweiterung des, in geregelten Zeit-Druck Dosierprozessen, reproduzierbar erzeugbaren Dosierspektrums um 23 ml/h bei der kontinuierlichen Dosierung und 160 nl bei der diskontinuierlichen Dosierung.

Mit der abschließenden Umsetzung der Verfahren in einem geregelten Zeit-Druck Dosierwerkzeug wurde die technische Machbarkeit der prozessgeregelten Dosierung hochviskoser Klebstoffe am Beispiel des Klebstoffs vom Typ „PD 955 M“ nachgewiesen.

Der Einsatz der entwickelten Verfahren in industriellen Anwendungen, bei denen die reproduzierbare Dosierung kleinster Mengen hochviskoser Klebstoffe im Vordergrund steht, wäre durch Weiterentwicklung von Ansteuerung, Dosierwerkzeug und Durchflusssensor denkbar. Von primärem Interesse dabei ist es die Belastbarkeit der Durchflusssensormembran zu steigern, so dass höhere Dosierdrücke möglich werden, die eine Verringerung der Dosierdauer gestatten.

Zudem von Interesse wären weitere Untersuchungen zur Reduktion der, unter Verwendung vorstehend beschriebener Prozessregelungen, in Zeit-Druck Dosierprozessen minimal erzielbarer Dosiervolumenströme und -volumina. Des Weiteren wäre die Übertragung der Ergebnisse auf andere Dispens- beziehungsweise Dosierverfahren sowie die Erweiterung der geregelten Dosierprozesse auf geregelte Dispensprozesse sinnvoll, die auch eine Kontrolle des Klebstoffapplikationsprozesses einschließen.

Over the last 25 years, microsystem technology has developed to become a key technology of the first part of the 21st century. With a world market share of approximately 25 billion US dollars forecast for the year 2009 and an anticipated annual rate of increase of 16%, microsystem technology is one of the world’s largest growth markets. The main growth drivers of this development are the industries of IT periphery, bio-medical technology, automotive technology, household and telecommunications.

The strong growth and mounting competition in the field of microsystem technology are gradually stepping up the pressure on companies to manufacture cheaper products under constantly rising quality requirements. The decisive factor in this instance is microsystem assembly: according to surveys, up to 80% of microsystem manufacturing costs are incurred by assembly. At the same time, assembly processes significantly influence the achievable levels of product quality and reliability.

A core process in the fabrication of substance-to-substance connections in microassembly is bonding. It is often not possible to join microcomponents using other techniques such as welding or soldering. However, the use of adhesives to create substance-to-substance bonds is becoming more and more difficult due to ever-smaller component dimensions. The associated over-proportional reduction in size frequently results in the inability to ensure adequate levels of reproducibility and accuracy when applying continuous or discontinuous lines or dots of adhesive.

Based on the current state of the art of adhesive application processes, by analyzing market data it was possible to identify the dispensing process as the most significant process for applying adhesives. On considering the varying dispensing processes that exist, the time-pressure method showed to be the most important dispensing technique. However, the dosing process of the time-pressure dispensing method does not enable the amounts of adhesive fed to be applied with a high degree of reproducibility and accuracy. This results in process scattering levels of approx. 10%.

The aim of this thesis was therefore to specify control laws to improve reproducibility and accuracy of time-pressure dispensing processes. An additional aim was to design and realize a tool and the necessary control software for process-controlled time-pressure dispensing.

Firstly, using representative examples of hybrid microassembly application, it was possible to define the requirements of continuous and discontinuous time-pressure dosing. This resulted in maximum permitted process scattering levels of 2.8 % for the continuous dispensing of lines of adhesives and 8.3 % for the discontinuous dispensing of dots of adhesive.

Based on this information, it was possible to identify problems associated with the process which could be solved within the scope of this thesis. This involved defining a complete mathematical model of the time-pressure dosing process which took into account not only the changes in temperature occurring in the dosing system but also the non-linear flow behavior of the adhesive. This also included the development of a working point control unit to regulate the continuous dosing of adhesive and a output control unit to regulate the discontinuous dosing of adhesive.

The problems associated with forming the mathematical model were solved in two ways; first of all, a differential equation system was derived to calculate the transient temperature of the air in the syringe. Secondly, a differential equation was derived to characterize the transient, non-linear flow behavior of the adhesive in the dispensing capillary. Using the complete process model, a working point control unit was subsequently developed to regulate the continuous dosing of adhesive. To regulate the discontinuous dosing of adhesive, a reproducible output control unit was developed to resolve deficits regarding reproducibility and accuracy.

In order to implement the control units realized, alternative solution approaches were developed to enable the targeted, continuous influence on the time-pressure dosing process and to record the required values of pressure and volume flow. The most suitable solutions were then determined.

The newly-realized process control units as well as the solutions developed for monitoring and steering the processes were verified by carrying out experimental tests using the highly-viscous oil type “SHC 639” as a replacement medium. The tests demonstrated that the control units developed were capable of fulfilling requirements and showed that the reproducibility of dispensing results could be significantly increased both for continuous and discontinuous dosing processes. The developments made enabled variations in reproducibility to be reduced to less than 0.5% with an improved degree of accuracy of over 5%, thus fulfilling the requirements placed on the continuous and discontinuous application of adhesive using time-pressure dispensing processes.

Furthermore, these developments also enabled the reproducible dosing spectrum attainable with controlled time-pressure processes to be extended by 23 ml/h for continuous dispensing and 160 nl for discontinuous dispensing.

When the techniques were finally implemented in a controlled time-pressure dispensing tool, it was possible to prove the technical feasibility of the process-controlled dosing of highly-viscous adhesives in an example using the type of adhesive “PD 955 M”.

If the control, dispensing tool and the volumetric flow sensor are further developed, it is conceivable that the technique developed could be implemented in industrial applications requiring the reproducible dispensing of tiny volumes of highly-viscous adhesive. The main focus of interest should be on increasing the load capacity of the flow sensor membrane in order to enable higher working pressures and thus reduce dispensing times.

Another interesting aspect would be to carry out further investigations using the above-mentioned process control units with the aim of reducing minimum dispensing flow rates and volumes achievable with time-pressure dispensing systems. In addition to this, it would also make sense to transfer these results to other dispensing or dosing techniques, as well as to extend controlled dosing processes to controlled dispensing processes which also possess a feedback control of the adhesive application technique.