Dozowanie pasty lutowniczej: jak nie szablon to co?

Jak wiemy wszyscy najczęściej do nakładania pasty lutowniczej używane są szablony, w których pasta jest przeciskana przez szereg otworów dopasowanych do położenia i wielkości pól na płytce PCB. Co za tym idzie każda typ płytki potrzebuje osobnego szablonu. Zaletą tego rozwiązania jest szybkość. W pewnych przypadkach szablon nie sprawdza się, czy też jego wykonanie byłoby skomplikowane i kosztowne. Rozwiązaniem tego problemu jest dozowanie pasty za pomocą robota wyposażonego w aplikator przystosowany do dozowania pasty lutowniczej. Z uwagi na reologię pasty i zawartość metali trzeba dobrać odpowiednią metodę dozowania. Na rynku najczęściej można spotkać dozowanie past lutowniczych za pomocą zaworów czasowo-ciśnieniowych (lub nawet bezpośredni ze strzykawki), zaworów ślimakowych, zaworów suwakowych (piezo) i pomp kawitacyjnych. Spotykana jest też metoda jettingu, ale jest ona dość niszowa z pewnych względów. Metody dozowania Najprostszą metodą dozowania jest dozowanie czasowo-ciśnieniowe. Pasta z aplikatora jest podawana pod ciśnieniem do końcówki dozującej. Cały proces sterowany jest za pomocą włączania i wyłączania ciśnienia popychającego pastę. W tym wypadku na powtarzalność i precyzję dozowania ma wpływ wiele czynników: rodzaj pasty, ciśnienie, rozmiar końcówki, czas otwarcia i odległość od podłoża, jak i również stopień napełnienia samego aplikatora (strzykawki). Im strzykawka bardziej pusta tym więcej w niej powietrza i coraz większe opóźnienie pomiędzy podaniem ciśnienia a rozpoczęciem dozowania, co wpływa na wielkość dawki. Systemy te są proste w użyciu niemniej jednak ich powtarzalność nie jest zbyt duża. Bardziej dokładne są zawory czasowo ciśnieniowe. Zawór jest zasilany ze strzykawki lub innego pojemnika i utrzymywany jest pod ciśnieniem. Dopiero otwarcie zaworu powoduje wypływ pasty. Jest, więc to sposób bardziej dokładny od opisanego wyżej. Powtarzalność i szybkość jest też większa. Do past lutowniczych dedykowane są specjalne wersje zaworów czasowo-ciśnieniowych z uwagi na ścierne właściwości pasty. Użycie zwykłych zaworów spowoduje przyspieszone ich zużycie. Kolejnym sposobem dozowania pasty są pompy (zawory) ślimakowe. Elementem roboczym jest ślimak, który przepycha pastę lutowniczą w kierunku końcówki dozującej. Pasta podawana jest do komory ślimaka pod ciśnieniem z aplikatora. Napęd takiego ślimaka może stanowić, np. serwomotor, który to umożliwia precyzyjną kontrolę wielkości kropki lub linii. Zawory ślimakowe są mniej podatne na zmiany lepkości niż wyżej wymienione metody. Ważną sprawą w przypadku dozowania pasty lutowniczej jest właściwe dobranie rozmiaru ślimaka do typu pasty. Istotna jest przestrzeń pomiędzy ścianą a ślimakiem. Gdy cząsteczka pasty będzie bardzo mała w stosunku do prześwitu pomiędzy ślimakiem a obudową będą one prześlizgiwać się przez tą przestrzeń. Gdy rozmiar cząsteczek będzie niewiele większy od tego prześwitu zawór może się zatykać, gdyż cząsteczki będą blokować się pomiędzy krawędzią ślimaka a jego obudową. W związku z tym dla każdego typu pasty potrzebny jest inny rozmiar ślimaka. Najczęściej za pomocą tych zaworów można dozować pasty typu 3, 4, 5 i 6. W aplikacjach gdzie kropki pasty są małe konieczne jest precyzyjne zachowanie odległości od płytki. Brak prawidłowej odległości pogorszy powtarzalność i precyzję, w związku z tym często są stosowne zawory wyposażone w stopkę, która pozwala zachować tą odległość. W innym przypadku jest konieczny dokładny pomiar wysokości i maszyna z precyzyjną osią Z, o powtarzalności rzędu kilku-kilkunastu mikronów. Ciekawym rozwiązaniem jest zawór suwakowy napędzany piezoelektryczne. Wysokiej częstotliwości napęd piezoelektryczny przesuwa suwak z otworem, który powoduje otwarcie bądź zamknięcie przepływu. Czas otwarcia takiego zaworu jest liczony w milisekundach. Rozwiązanie to sprawdza się doskonale w przypadku dozowania niewielkich dawek materiału o wysokich lepkościach, takich jak pasty lutownicze czy epoksydy wypełnione srebrem. Tą metodą można wykonywać kropki pasty lutowniczej pod komponenty pasywne 0603 i mniejsze, wykorzystać przy naprawie układów BGA/QFN, linie i kształty pod osłony RF czy dowolne kształty wykonane z przewodzących epoksydów. Ze względu na swoją budowę zawory suwakowe są odporne na zatykanie. Na rynku dostępne są też zawory jettujące pastę lutowniczą. Jednak technologia ta nie jest rozpowszechniona, gdyż umożliwia jettowanie tylko ograniczonej liczby past. Jest tylko na rynku kilka past, które można dozować za pomocą tej metody. Zasada działania jest następująca, pasta podawana jest za pomocą pompy śrubowej do komory. W komorze porusza się tłok, który jednocześnie odcina dopływ pasty jak i wypycha (wystrzeliwuje) pastę na zewnątrz. Ta metoda dozowania może zapewnić prędkość dozowania nawet do 500 dawek/minutę. Również wielkość kropek, jakie można uzyskać za pomocą tej technologii jest ograniczona, szczególnie w przypadku małych kropek. Pasta lutownicza do dozowania Często próbuje się wykorzystywać pastę przeznaczoną do nakładania szablonowego do dozowania. Z uwagi na reologię tej pasty próba jej dozowania może prowadzić do zapchania zaworu a pasta może ulec degradacji. Poddanie pasty przeznaczonej do drukarek ciśnieniu może spowodować, że zaczną się oddzielać kulki metali od fluxu. I dozujemy wtedy sam flux a kulki lutu zgromadzą się w końcówce dozującej (igle) powodując jej zatkanie. Większość producentów past lutowniczych dostarcza je w wersjach do dozowania i do druku. Wystarczy zamówić odpowiednią wersję. Jak zawsze w przypadku dozowania wrogiem jest powietrze, trzeba, więc zwrócić szczególną uwagę czy pasta nie jest zapowietrzona. Ma to, bowiem kolosalny wpływ na cały proces, jego powtarzalność i dokładność. Obecność powietrza zaburzy wielkość dawki i dawki będą niepowtarzalne. Im chcemy dozować mniejsze kropki tym wpływ zapowietrzenia pasty, na jakość procesu jest większy. Najczęściej do dozowania wykorzystuje się pastę typu: 3, 4, 5 i 6 czyli pasty o wielkościach cząsteczek poniżej 45 mikronów. Układ pozycjonujący - robot Układ pozycjonujący (robot) również wpływa na szybkość i powtarzalność procesu. Szczególnie istotnym, zwłaszcza w przypadku małych kropek (dawek) pasty jest utrzymanie odpowiedniej odległości od podłoża (płytki). Zbyt mała odległość spowoduje, że końcówka dozująca ubrudzi nam się w paście i może zaburzać to dalszy proces dozowania. Ponieważ część pasty zostanie na końcówce dawka nie będzie "pełna" w tym miejscu. Z kolei zbyt duża odległość spowoduje, że pasta nie złapie kontaktu z podłożem i pozostanie w całości na końcu igły. A przy następnej kropce o ile dotknie podłoża pozostawiona zostanie podwójna dawka. Rozwiązaniem jest stosowanie czujników wysokości bądź aplikatorów wyposażonych w stopkę, która opierając się na płytce pozwala utrzymać odległość od powierzchni płytki. Każda z tych metod ma swoje zalety i wady. Szczególnie w przypadku dużych płytek, które w przypadku braku podparcia na środku mogą się wyginać i równice wysokości pomiędzy bokami a środkiem mogą być znaczne. Użycie czujnika wysokości pozwala utrzymać odległość, kosztem jednak czasu. Pomiary zajmują czas szczególnie, jeżeli mamy mocno powyginaną płytę i trzeba tych pomiarów wykonać kilka. Użycie stopki eliminuje czas potrzebny na pomiar wysokości, co wpływa na szybkość procesu. Trzeba pamiętać, że stopka musi znaleźć punkt podparcia na tej samej wysokości, co miejsce, w którym chcemy nałożyć pastę lutowniczą. Z tych powodów użycie jej w niektórych aplikacjach jest utrudnione. Podsumowanie Dostawcy sitodrukarek mogą spać spokojnie, nic obecnie nie sugeruje by dyspensing miał wyprzeć nakładanie pasty lutowniczej za pomocą sita/szablonu. Nie mniej jednak w pewnych sytuacjach i aplikacjach użycie innych metod nakładania pasty może być uzasadnione technicznie i finansowo. Szczególnie mam na myśli wszelkiego rodzaju laboratoria, działy badań i rozwoju oraz tzw. high-mix low volume, czyli dużą różnorodność produktów przy krótkich seriach. Jeżeli chodzi o sposoby dozowania pasty lutowniczej to nadal będą dominować zawory czasowo-ciśnieniowe i zawory ślimakowe. Zapamiętajmy by do dozowania używać najlepiej pasty z zawartością metalu 84-86%. Przy kropkach mniejszych niż 300 mikronów zalecane jest użycie pasty typ 5 lub 6. Jeżeli zależy na powtarzalności pamiętajmy o utrzymaniu właściwej odległości końcówki dozującej od podłoża. Autorem artykułu jest Grzegorz Szypulski z firmy AMB Technic