Technologia Hot-Bar

W technikach montażu obwodów drukowanych szczególnym punktem jest łączenie obwodów elastycznym złączem np. między płytkami PCB lub ekranami ciekłokrystalicznymi LCD a PCB. Pojawia się wtedy konieczność wykonania niezawodnego złącza w krótkim czasie. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że takie złącze może składać się z nawet kilkuset padów, zagadnienie zaczyna się komplikować. Ręczne wykonanie takich złącz lub nawet automatyczne za pomocą lutowania i np. pasty lutowniczej byłoby drogą przez mękę. Każdy, kto próbował takie złącze wykonać wie, o czym mówimy. Dlatego powraca na rynek elektroniczny stara, a jednocześnie całkowicie odświeżona technologia, w której stosowane są precyzyjnie wykonane termody. Obudowana współczesnymi możliwościami pomiaru i kontroli staje się narzędziem likwidującym wąskie gardła. Ze względu na brak polskiej nomenklatury będziemy ją nazywali ‘hot-bar’, gdyż polskie sformułowanie np. technologia łączenia za pomocą gorącego pręta, nie wydaje się być szczęśliwe. Hot Bar coraz bardziej popularne Telekomunikacja, motoryzacja, medycyna, AGD czy lotnictwo każda z tych dziedzin przemysłu posiada aplikacje, które wymagają zastosowania połączeń taśmami FFC (Flexible Flat Cable), potocznie zwanymi flexami czy też taśm wielożyłowych.

Rysunek 1: Maszyna Nordson DIMA C-Prime

Technologia hot bar przeżywa więc obecnie renesans. Coraz więcej urządzeń wyposażonych jest w ciekłokrystaliczne lub ledowe wyświetlacze. Coraz więcej urządzeń ma również podzespoły elektroniczne poumieszczane w różnych miejscach i konieczne jest zapewnienie wydajnej komunikacji pomiędzy nimi. Za pomocą taśm FFC łączone są płytki PCB między sobą, jak również płytki PCB z wyświetlaczami. Co więcej, w tej technologii możemy lutować pojedyncze kable do PCB. Podstawy technologii Główny element roboczy maszyny zwany termodą (fot.3) generuje ciepło, które transferowane jest poprzez docisk do lutowanego złącza. Termoda zamontowana jest natomiast do głowicy (fot.2), poruszającej się w jednej osi (pionowo), a jej napęd realizowany jest pneumatycznie.

Rysunek 2: Głowica termody Rysunek 3: Termoda

Termoda w stanie spoczynku zazwyczaj pozostaje zimna, a proces grzania rozpoczyna się zaraz po tym, jak zostaje osiągnięta właściwa siła docisku do lutowanych elementów. Stosowane jest również wieloetapowe podgrzewanie termody, według zdefiniowanych w trakcie tworzenia procesu profili temperaturowych. Temperatura połączona z naciskiem powoduje płynięcie lutu. Oba parametry pracują w zdefiniowanym reżimie technologicznym, mamy wszak do czynienia z delikatnymi elementami. Przebieg grzania i nacisku termody jest programowany i ściśle kontrolowany. Termoda po zakończeniu procesu jest chłodzona w sposób kontrolowany i unoszona. Powierzchnia styku termony jest najczęściej jednowymiarową wstęgą, chociaż teoretycznie można realizować w ten sposób połączenia o bardziej złożonych kształtach. Technologia Hot Bar spotykana jest najczęściej w trzech obszarach, z których każdy otrzymał własną nomenklaturę.

Rysunek 4: Złącze typu flex

1. Hot bar soldering – połączenie taśmy FFC (lub przewodu wielożyłowego) z płytką PCB za pomocą lutowania. (Rysunek 4). Podczas lutowania ciepło jest transferowane poprzez docisk termody. W tej technologii stosowana jest często separująca taśma kaptonowa, zabezpieczająca termodę przed niepożądanym zabrudzeniem np. topnikiem lub cyną. Wprowadza ona oczywiście pewne zmiany do procesu, jednak proces przy jej pomocy jest bardziej stabilny, a żywotność termody zwiększa się czasem wielokrotnie. 2. Heat seal bonding – w tej technologii na taśmie FFC naniesiony jest wstępnie klej, który w trakcie podgrzewania ulega rozpływowi oraz przy dalszym wzroście temperatury, usieciowaniu. W takim przypadku kluczowymi parametrami są rozkład nacisków, precyzja wymiarowa wykonania termody oraz jej prowadzania, a także jeszcze bardziej restrykcyjnie kontrolowany profil podgrzewania i chłodzenia. Wynika to z małej grubości taśmy i najczęściej w takim przypadku znacznego zagęszczenia padów. Heat seal bonding zgodnie z nazwą jest więc zasadniczo procesem klejenia. Złącze elektryczne powstaje niejako przy okazji. Aby chronić termodę stosujemy system przewijający ochronną taśmę silikonową. Do precyzyjnego ustawiania flexów są używane kamery oraz specjalne uchwyty wykonane w wąskich tolerancjach. 3. ACF laminating – połączenie taśmy FFC z płytką PCB lub szklanym wyświetlaczem za pomocą taśmy ACF (Anisotropic Conductive Film) (Rysunek 5). W tej technologii musimy dodać proces laminowania taśmy klejowej zawierającej ziarna metalu, np. niklu, jest to więc proces dwuetapowy. Wykonawca musi niejako sam nałożyć klej na złącze, a potem je wykonać w następnym kroku. Przy czym drugi krok jest w znacznym stopniu podobny do technologii heat seal bonding. Technologia ACF oparta jest więc na połączeniu dwóch różnych materiałów klejem termoutwardzalnym z cząstkami przewodzącymi, dostarczonym osobno w taśmie. Rysunek 5: Połączenie za pomocą taśmy ACF. 4. Hot bar staking – formowanie główek nitów z tworzywa sztucznego ukształtowanych wstępnie w procesie wtrysku (Rysunek 6 oraz 7).

Rysunek 7: Przykład zastosowania heat stakingu

Formowanie nitów jest pierwszym zastosowaniem technologii hot bar: kilkadziesiąt lat temu była używana do łączenia elementów wykonanych z termoplastów. Ponieważ wymagania w tym obszarze nie są tak wygórowane, nie została odnotowana w podręcznikach historii. Jenak do dziś bywa stosowana przy wydajnym i trwałym montażu obwodów PCB w obudowach. Rysunek 6: Formowanie nit z tworzywa sztucznego Podsumowanie Maszyny typu do technologii hot-bar nie są już dziś prostą grzałką dociskaną za pomocą ręcznej dźwigni. Współczesny hot-bar to precyzyjna prasa, wyposażona w zawansowany system pomiaru temperatury i docisku. Cała technologia oparta jest na troskliwym zdefiniowaniu okna technologicznego, które czasem jest bardzo ograniczone. Ustawianie i konserwacja urządzenia wymaga zastosowania zawansowanych i specjalistycznych narzędzi. To, że serwis takich urządzeń oraz ich naprawy wymaga wyszkolonego inżyniera wydaje się oczywistym. Warto jednak pamiętać, że jak w wielu współczesnych technologiach również operator musi być przeszkolony, świadomy i posiadający minimum kultury technicznej. Coraz częściej zachodzi konieczność automatyzacji procesu, wiąże to się z wyposażaniem maszyn hot-bar w obrotowe stoliki z kilkoma stanowiskami na których wykonywane są różne operacje, np. nakładanie fluxu, czy też zgrzewnie najpierw jednego końca flexa a później drugiej. Istnieje też możliwość integracji technologii hot-bar na maszynach typu in-line. © DIMA Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy AMB Technic. Autorami artykułu są Cezary Tomczyk oraz Grzegorz Szypulski.