Kleje UV

UV jest skrótem od słowa „ultraviolet”, czyli ultrafiolet. Jest to umowna nazwa fali, która ma długość krótszą niż światło widzialne. Promieniowanie UV jest określane, jako fala o długości od 100 nm do 400 nm. Mimo że promieniowanie UV są niewidzialne często nazywa się je po prostu światłem UV, ponieważ podlega takim samym prawom optyki jak światło widzialne. Czym jest więc klej UV? I co ma światło UV do kleju? Cały sekret tkwi w sposobie utwardzania kleju. Zrobię tu małą dygresję, tak naprawdę nie ma wielkiej różnicy – z punktu widzenia utwardzania, czy też dozowania: czy jest to klej, uszczelniacz czy lakier. Wróćmy do utwardzania, jak wiemy kleje mogą się utwardzać w różny sposób: pod wpływem wilgoci zawartej w powietrzu, przez odparowanie rozpuszczalników, przez dodanie katalizatora/aktywatora, itd. Klej UV utwardza się natomiast pod wpływem naświetlania go światłem UV. Pewnie u większości z czytelników od razu nasunie się pomysł, że wystarczy go wystawić na słońce by się utwardził – słońce przecież wysyła promieniowanie UV. Tak, niektóre kleje utwardzą się ty sposobem, a inne nie, ponieważ wymagają dużo większej dawki promieniowania. Jak wygląda, więc mechanizm utwardzania klejów UV (bądź lakierów UV). Mechanizm utwardzania może być oparty na wolnych rodnikach (akryle) lub na polimeryzacji kationowej (epoksydy). Wolne rodniki sieciują tak długo jak poddane są działaniu światła UV. Gdy usuniemy źródło światła polimeryzacja jest przerwana. Natomiast polimeryzacja kationowa odbywa się nadal po usunięciu źródła światła UV, oczywiście do zapoczątkowania reakcji jest konieczna odpowiednia dawka tego światła. Ta ostatnia metoda utwardzania pozwala na utwardzenie kleju w miejscach zacienionych, gdzie nie dotarło światło UV. Sam mechanizm wygląda następująco, gdy dostarczymy odpowiednią dawkę (energię) światła UV w kleju zajdzie reakcja chemiczna, która spowoduje jego utwardzenie poprzez sieciowanie. Proces utwardzania zapoczątkowany jest przez foto-inicjatory, które są wrażliwe na określoną długość światła. Najczęściej jest to światło typu UVA. W lakierach UV do conformal coatingu stosuje się często foto-inicjator wrażliwe na różne zakresy światła UV i tak np. na powierzchni lakier utwardza się za pomocą spektrum UVC, a pod spodem za pomocą spektrum UVA. Jest to związane z głębokością wnikania danej długości fali. rys. 2 Głębokość wnikania promieni UV Utwardzanie kleju może być naprawdę błyskawiczne, kilka sekund, a nawet ułamki sekund. Jest to, więc idealne rozwiązanie w przypadku dużego wolumenu produkcji. Nie potrzebujemy pól odkładczych, ponieważ klej jest utwardzony zaraz po naświetleniu. Podobne prędkości możemy uzyskać przy pomocy klejów cyjanoakrylowych, ale dozowanie ich sprawia więcej trudności. (Kleje dwu-składnikowe wymagają bardziej skomplikowanych maszyn do dozowania). Klej UV ma praktycznie nieskończenie długi czas życia, możemy np. skorygować położenie elementów po nałożeniu i potem błyskawicznie go utwardzić. Jakie oprócz szybkości zalety posiadają kleje UV. Przede wszystkim eliminacja rozpuszczalników, kleje te są bezrozpuszczalnikowe nie wymagają specjalnych wyciągów. Stanowią mniejsze zagrożenie dla otoczenia i środowiska. Kleje UV mają również dużą odporność chemiczną i są odporne na wysokie temperatury. W łatwy sposób można zautomatyzować proces nakładania kleju UV, należy tylko pamiętać o użyciu węży i innych elementów blokujących promienie UV. Konieczność utwardzania za pomocą światła UV wprowadza pewne ograniczenia wynikająca właśnie ze sposobu utwardzania. Dlatego też niektóre lakiery/kleje UV posiadają tak drugi (wtórny) mechanizm utwardzania, tzw. „secondary curing”. Dzięki niemu lakier może utwardzić się z zacienionych miejscach, np. pod komponentami, w rowkach, itp. Mechanizm tego wtórnego utwardzania może być różny, od termicznego po utwardzanie poprzez wchłanianie wilgoci. Oczywiście wymaga więcej czasu na utwardzenie, ale daje nam pewność, że materiał się utwardzi w miejscach, gdzie nie dotarło światło UV. Chcąc uzyskać wysoką wydajność procesu musimy pamiętać jeszcze o jednej kwestii. Może się okazać, że proces utwardzania jest krótszy niż proces dozowania. By uniknąć „wąskiego gardła” należy upewnić się, że system dozowania ma wystarczającą wydajność i zapewnia bezpieczeństwo procesu. Zastosowanie klejów/lakierów UV w elektronice Conformal coating jest jednym z zastosowań materiałów utwardzanych światłem UV w elektronice. Głównie jest kojarzony z dużym wolumenem produkcji, co oczywiście ma uzasadnienie: czas utwardzania jest bardzo krótki, piec UV ma niewielkie wymiary, nie są potrzebne ogromne pola – odkładcze. Często jednak nie zdajemy sobie sprawy, że lakiery UV mają doskonałą odporność chemiczną i odporność na wilgoć. Ich odporność chemiczna jest lepsza niż poliuretanów i silikonów, podobnie jest z odpornością na wilgoć. Ich doskonała odporność chemiczna utrudnia naprawę – coś kosztem czegoś. Lakiery UV są „zielone”, czyli bezpieczne dla środowiska, posiadają śladowe ilości rozpuszczalników. Jeśli rozważymy koszt lakieru na jedną płytkę to okaże się, że lakiery UV są jednym z tańszych rozwiązań. Ponieważ nie zawierają rozpuszczalników, grubość mokrej powłoki równa się grubości powłoki po utwardzeniu. Poza pokryciami konformalnymi kleje UV są wykorzystywane przy produkcji wyświetlaczy LCD, do uszczelniania ich brzegów czy też klejenia połączeń wyświetlacza z chipem. Wykorzystuje się je również do enkapsulacji (zalewania) komponentów. Kolejną aplikację, gdzie wykorzystywane są kleje UV to (tzw. z angielskiego) corner bonding i edge bonding. Corner i edge bonding to klejenie narożników i krawędzi komponentów, jako alternatywa dla underfillingu. Nie zawsze wymagany jest underfilling, nie zawsze jest uzasadniony ekonomicznie, a jego szybszą i prostszą metodą jest właśnie edge (bądź corner) bonding. Wykorzystuje się tę metodę do mechanicznego wzmocnienia i zwiększenia zawodności układów BGA i Chip-scale packages (CSPs) oraz podobnych. Kleje UV wykorzystuje się również przy produkcji dysków twardych. Za ich pomocą klejone są głowice odczytująco/zapisujące. Ramię na którym jest zawieszona głowica również jest klejone klejem UV. Znajdują również zastosowanie przy produkcji kart chipowych, zestawów bluetooth, mikro-głośników (np. w telefonach), mikro-kamer i wielu innych urządzeń gdzie konieczne jest precyzyjne ustawienie małych elementów podczas klejenia. Wykorzystuje się je również przy produkcji przewodów, taśm, cewek, światłowodów i wielu innych. Narzędzia do utwardzania klejów/lakierów UV Narzędzia możemy podzielić na dwie grupy: flood cure systems (w Polsce nazywane piecami (tunelami) UV) oraz spot cure systems (czyli punktowe źródła świata UV). Do pieca UV wkłada się, bądź wjeżdża na przenośniku cały element. Typowym przykładem są piece UV do utwardzania powłok konformalnych. Piec taki ustawia się bezpośrednio za maszyną lakierującą. Warto pamiętać, że niektóre piece mają ograniczoną kontrolę emitowanego spektrum, co może powodować niechciane podgrzewanie komponentów. Dlatego też piece są wyposażone w wentylację schładzającą płytki i lampy. Punktowe źródła światła zazwyczaj jest używany precyzyjnego klejenia elementów. Jego zaletami jest wysoki poziom promieniowania umożliwiający szybkie utwardzanie, skupiona wiązka, możliwość zmiany spektrum oraz możliwość świecenia w wielu punktach jednocześnie. Źródła punktowe mogą być używane zarówno w procesie produkcyjnym manualny jak i automatycznym. Powierzchnia utwardzania jest zazwyczaj mniejsza niż 5-7 cm średnicy. Dostępne są też źródła, które dają prostokątny obszar świecenia. Źródłem światła może być lampa łukowa lub dioda LED. Lampy łukowe mają większy poziom promieniowania i szersze spektrum, natomiast diody LED zużywają dużo mniej energii, mają natomiast mniejsze moce i wąskie spektra. rys.4 Rodzina urządzeń OMNICURE Ciekawostką jest urządzenie OMNICURE LX180, które nie posiada panelu sterującego. Sterowanie urządzeniem odbywa się za pomocą sieci LAN. Również zasilanie urządzenia może się odbywać się przez sieć LAN (PoE) lub w tradycyjny sposób. Ułatwia to życie inżynierom procesu i technologom, mogą oni nadzorować proces ze swojego komputera bądź smartfona, czy tabletu. Urządzenie może pracować na linii automatycznej lub na stanowisku ręcznym, operator może włączyć, wyłączyć światło UV, ale nie ma dostępu do zmiany parametrów. rys. 5 Urządzenie OMNICURE LX180 sterowane przez sieć LAN Kontrola procesu Jak możemy kontrolować proces utwardzania światłem UV? By klej UV się utwardził potrzebujemy określonej dawki promieniowania (wyrażonej w mJ/cm2). Promieniowanie (mW/cm2) pomnożone przez czas da nam właśnie tę dawkę. Wartość promieniowania możemy zmierzyć radiometrem. Co jeśli poziom promieniowania zmieni się pomiędzy pomiarami? Firma LUMEN DYNAMICS producent punktowych źródeł światła UV wyposażyła swoje urządzenie OMNICURE S2000 w zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego. Pomiar wartości promieniowania jest dokonywany w sposób ciągły. Pozwala nam to uzyskać stałą wartość promieniowania tak długo jak lampa ma wystarczającą moc by generować to promieniowanie. Dodatkowo możemy sprawdzić poziom promieniowania za pomocą radiometru R2000, który może się komunikować się z urządzeniem S2000 i pozwala ustawić konkretną wartość promieniowania a później utrzymywać ją właśnie dzięki zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Radiometr OMNICURE R2000 zapamiętuje numer seryjny urządzenia i parametry, jakie zostały ustawione nawet dla wielu urządzeń, dane te możemy ściągnąć do komputera. Dzięki temu mamy zapisaną historię i zapewnione bezpieczeństwo procesu. Unikatem jest też w tym urządzeniu lampa, która posiada gwarancję na 2000 godzin pracy. A jej żywotność sięga 3000-4000 godzin, możliwe jest to dzięki technologii Intelli-Lamp® która monitoruje czas pracy lampy i jej temperaturę. A zbyt wysoka temperatura radykalnie skraca czas życia lampy. Wszystkie urządzenia OMNICURE serii S posiadają regulację intensywności świecenia ze skokiem 1%. Podobnie sprawa ma się przy piecach UV, przy ich wyborze ważne jest by piec posiadał zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego, kontrolującą intensywność promieniowania i zapewniającą jego stały poziom pomimo degradacji lamp. Takie piece dostarcza np. firma NORDSON ASYMTEK. Zakończenie Udział klejów/lakierów UV w rynku będzie się bez wątpliwie zwiększał. Mają one przed sobą świetlaną przyszłość. Z jednej strony nacisk na wyeliminowanie rozpuszczalników skłania do używania UV, normy dotyczące emisji rozpuszczalników będą się bezwzględnie zaostrzać. Z drugiej strony szybkość działania klejów/lakierów UV sprawia, że możemy produkować więcej/szybciej a co za tym idzie taniej. Dodatkowym bodźcem jest też rozwój diod UV LED, które są energooszczędne, mają wąskie pasma przez co nie powodują nadmiernego przegrzewania detali. Są też długo żywotne w porównaniu z lampami łukowymi. Przyszłość należy do UV! Grzegorz Szypulski Artykuł został umieszczony dzięki uprzejmości firmy © AMB Technic. Więcej informacji na stronie firmy.