reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Kornwa / Dreamstime Technologie | 07 maja 2010

Drukowanie i dozowanie pasty lutowniczej i kleju

Wysoki poziom technologiczny oraz du偶a konkurencyjno艣膰 rozwi膮za艅 producent贸w urz膮dze艅 daj膮 szerokie pole, co do wyboru sposobu nak艂adania pasty lutowniczej, kleju oraz innych substancji zar贸wno w przemy艣le elektronicznym, jak i w pozosta艂ych ga艂臋ziach przemys艂u. W artykule omawiamy problemy i metody nak艂adania pasty i kleju za pomoc膮 sitodruku lub bardziej zaawansowanego technologicznie dozownika.
Sitodruk manualny

Manualne urz膮dzenia sitodruku wymagaj膮 od operatora zamontowania p艂ytki na stole, r臋cznego skorygowania ustawienia szablonu wzgl臋dem punkt贸w lutowniczych oraz poprawnego rozprowadzenia pasty/kleju. Du偶y wp艂yw na ca艂y proces ma poprawne ustawienie szablonu wzgl臋dem p艂ytki oraz rozprowadzenie pasty, co jest trudne zwa偶ywszy na b艂膮d paralaksy oraz nier贸wn膮 si艂臋 docisku podczas nadrukowywania.

Trudno jest r贸wnie偶 zachowa膰 optymalny k膮t nachylenia rakli. Przy ma艂ej liczbie punkt贸w lutowniczych i du偶ych rastr贸w b艂臋dy operatora nie zawsze dyskwalifikuj膮 proces, jednak obecnie trend miniaturyzacji komponent贸w elektronicznych powoduje, 偶e coraz cz臋艣ciej manualne nak艂adanie pasty jest nie wystarcza. W艣r贸d udogodnie艅 w urz膮dzeniach manualnych na uwag臋 zas艂uguj膮 takie opcje, jak mo偶liwo艣膰 mechanicznego prowadzenia rakli czy system pionowej separacji p艂ytki od szablonu po naniesieniu pasty/kleju. Rozwi膮zania te zwi臋kszaj膮 jako艣膰 i powtarzalno艣膰 procesu.

Sitodruk p贸艂automatyczny

W rozwi膮zaniach p贸艂automatycznych rola operatora sprowadza si臋 do ustawienia p艂ytki wzgl臋dem szablonu, cz臋sto z wykorzystaniem dodatkowego systemu wizyjnego. Sam proces naniesienia pasty/kleju odbywa si臋 automatycznie ze sta艂ym k膮tem ustawienia rakli w stosunku do szablonu. W zale偶no艣ci od producenta w tym przedziale sprz臋towym mo偶emy mie膰 mo偶liwo艣膰 ustawienia podstawowych parametr贸w drukowania, takich jak odleg艂o艣膰 p艂ytki od szablonu, szybko艣膰 separacji, pr臋dko艣膰 rakli, nacisk czy liczba przej艣膰 rakli oraz ich zapami臋tania dla danego typu p艂ytki. System wizyjny eliminuje b艂膮d paralaksy ustawienia szablonu wzgl臋dem p艂ytki oraz pozwala ustawi膰 szablon dok艂adnie dzi臋ki powi臋kszeniu obrazu. Rozwi膮zania tego typu ze wzgl臋du na wydajno艣膰 s膮 dedykowane dla produkcji prototypowej, ma艂oseryjnej i 艣rednioseryjnej.

Sitodruk automatyczny

Rozwi膮zania automatyczne nie wymagaj膮 od operatora du偶ej sprawno艣ci manualnej oraz do艣wiadczenia. Jego rola ogranicza si臋 do podania p艂ytki i odebrania jej po naniesieniu medium (system off-line) lub za艂adowania podajnika czystymi p艂ytkami i roz艂adowania odbiornika po jego zape艂nieniu (rozwi膮zania in-line). W tym rozwi膮zaniu wszystkie kroki, takie jak ustawienie p艂ytki wzgl臋dem szablonu czy naniesienie pasty szablonu wykonywane s膮 automatycznie, a wszystkie parametry procesu s膮 ustawiane z poziomu oprogramowania dzia艂aj膮cego w 艣rodowisku Windows. Urz膮dzenia automatyczne oferuj膮 dodatkowe mo偶liwo艣ci, takie jak mycie szablonu w czasie procesu, inspekcja wizyjna czysto艣ci szablonu, inspekcja wizyjna pasty na punktach lutowniczych i czytanie kod贸w kreskowych z p艂ytek drukowanych. Na rynku wyst臋puj膮 bardzo zaawansowane urz膮dzenia dla bardzo wymagaj膮cych aplikacji, jak np. urz膮dzenie niemieckiej firmy Ekra z dodatkowym systemem iPag. System ten s艂u偶y do dozowania kleju lub pasty w przypadku element贸w, kt贸re np. wymagaj膮 dodatkowego wzmocnienia. W pierwszej fazie nak艂ada si臋 past臋, a nast臋pnie pod ci臋偶kie komponenty dozuje si臋 klej.

W艣r贸d podstawowych zalet sitodruku mo偶na wymieni膰 du偶膮 dok艂adno艣膰, szybko艣膰 i powtarzalno艣膰. Do wad zalicza si臋 koszt wykonania, zu偶ywanie si臋 szablonu odwzorowuj膮cego rozmieszczenie punkt贸w i czas oczekiwania na szablon. M贸wi膮c o dok艂adno艣ci nale偶y zaznaczy膰, 偶e za pomoc膮 szablonu mo偶na nanie艣膰 past臋/klej dla znacznie mniejszych rastr贸w oraz w znacznie kr贸tszym czasie ni偶 oferuj膮 to najbardziej wyrafinowane rozwi膮zania z u偶yciem dozownika.

W przypadku produkcji ma艂oseryjnej i prototypowej wykonanie szablonu wi膮偶e si臋 z poniesieniem dodatkowych koszt贸w, kt贸re znacznie wp艂ywaj膮 na cen臋 jednostkow膮. Kiedy wi臋c wielko艣膰 rastra jest odpowiednio du偶a (od 1mm w g贸r臋) i liczba punkt贸w jest odpowiednio ma艂a, mo偶na stwierdzi膰, 偶e op艂acalne staje si臋 u偶ywanie systemu dozuj膮cego zamiast szablonu. W przypadku produkcji 艣rednioseryjnej i wielkoseryjnej metoda sitodruku pozostaje niekwestionowanym zwyci臋zc膮, poniewa偶 koszt szablonu rozk艂ada si臋 na du偶膮 liczb臋 produkt贸w oraz pozwala osi膮gn膮膰 du偶膮 pr臋dko艣膰 nak艂adania pasty/kleju oraz du偶膮 dok艂adno艣膰 i powtarzalno艣膰 procesu.

R臋czne dozowniki pasty i kleju

Proces jest czasoch艂onny i ma艂o powtarzalny; znajduje zastosowanie w przypadku du偶ych rastr贸w i niewielkiej liczby punkt贸w. Nie pozwala na osi膮gni臋cie du偶ej dok艂adno艣ci i wydajno艣ci, natomiast plusem jest ma艂y nak艂ad finansowy.

G艂owice dozuj膮ce zintegrowane z automatami monta偶owymi

Nast臋pnym znanym sposobem dozowania s膮 g艂owice dozuj膮ce do艂膮czane do automat贸w Pick&Place. Rozwi膮zanie to jest powszechne w produkcji prototypowej i ma艂oseryjnej ze wzgl臋du na ograniczenie czasu procesu. W pierwszej fazie automat nak艂ada punkty kleju lub pasty, a nast臋pnie uk艂adane s膮 elementy SMD. Ograniczeniem s膮 tutaj mo偶liwo艣ci techniczne g艂owicy: minimalny rozmiar dozowanego punktu i pr臋dko艣膰. W艣r贸d rozwi膮za艅 na uwag臋 zas艂uguj膮 dozowniki ci艣nienie 鈥 czas oraz dozowniki bazuj膮ce na 艣rubie Archimedesa. Dozownik czasowo-ci艣nieniowy jest dedykowany g艂贸wnie do dozowania kleju; medium jest odmierzane impulsem ci艣nienia o programowanym czasie trwania. Dozowniki zbudowane w oparciu o 艣rub臋 Archimedesa u偶ywane s膮 zar贸wno do nak艂adania pasty lutowniczej, jak i kleju. W tym rozwi膮zaniu ilo艣膰 dozowanej pasty lub kleju jest odmierzana za pomoc膮 k膮ta obrotu 艣ruby.

Automaty dozuj膮ce

Dozowniki automatyczne oferuj膮 szerszy wachlarz g艂owic dozuj膮cych, wi臋ksz膮 pr臋dko艣膰, precyzj臋 i powtarzalno艣膰 procesu. Koszt automatycznego urz膮dzenia dozuj膮cego mo偶e r贸wna膰 si臋 z kosztem automatu Pick&Place. Zasada dzia艂ania jest podobna z t膮 r贸偶nic膮, 偶e zamiast ssawki ci艣nieniowej wyst臋puje zaw贸r dozuj膮cy medium. W艣r贸d dost臋pnych zawor贸w dozuj膮cych mo偶na wymieni膰 zawory czasowo 鈥 ci艣nieniowe, zawory na 艣rubie Archimedesa, zawory strumieniowe oraz zawory ig艂owe. Dwa pierwsze zawory dzia艂aj膮 wed艂ug tej samej metody, jak w wymienionych wcze艣niej zastosowaniach. Zawory strumieniowe dzia艂aj膮 na zasadzie dw贸ch piezoelektryk贸w, kt贸rych drgania otwieraj膮 lub zamykaj膮 dysz臋 wylotow膮 zaworu. Dzi臋ki zastosowaniu piezoelektryk贸w mo偶liwe jest osi膮ganie du偶ych pr臋dko艣ci dozowania (rz臋du kilkuset tysi臋cy punkt贸w na godzin臋) oraz uzyskanie bardzo ma艂ej wielko艣ci punktu (obj臋to艣膰 ok. 2nl).

W przypadku dozownika automatycznego rozszerza si臋 r贸wnie偶 zakres czynno艣ci mo偶liwych do wykonania. W艣r贸d zastosowa艅 mo偶na wymieni膰 selektywne pokrywanie powierzchni, tworzenie linii, krzywych (r贸wnie偶 3D), wype艂nianie i kapsu艂kowanie. Dodatkowo, dozowane medium mo偶e by膰 podgrzewane do okre艣lonej temperatury. Znacz膮cy wp艂yw na osi膮gane rezultaty ma rodzaj ig艂y u偶ytej w dozowniku. Konieczne jest zwr贸cenie uwagi na jej d艂ugo艣膰 i 艣rednic臋, parametry te dobiera si臋 na podstawie oczekiwanego rozmiaru punktu oraz u偶ywanej substancji. W艣r贸d standardowych igie艂 mo偶na wymieni膰 ig艂y o 艣rednicy wewn臋trznej 0,40mm, 0,61mm i 0,84mm; oczywi艣cie im mniejsza 艣rednica wewn臋trzna ig艂y, tym mniejszy jest dozowany punkt.

Podsumowuj膮c temat dozowania past/kleju mo偶na powiedzie膰, 偶e op艂acalne jest u偶ywanie dozownik贸w do艂膮czanych do automat贸w pick&place, poniewa偶 koszt takiego rozwi膮zania nie wp艂ywa znacz膮co na cen臋 ca艂ego urz膮dzenia, a w przypadku niedu偶ej liczby p艂ytek pozwala niejednokrotnie wykluczy膰 sitodruk. Jest to r贸wnie偶 bardzo wygodne rozwi膮zanie w przypadku produkcji p艂ytek dwustronnych lutowanych na fali, poniewa偶 uproszczone zostaje przyklejanie element贸w na klej. Zakup dozownika automatycznego wi膮偶e si臋 z produkcj膮 wielkoseryjn膮 ze wzgl臋du na koszt takiego urz膮dzenia. Mo偶liwo艣ci automatycznych urz膮dze艅 zwi臋kszaj膮 si臋 z ka偶dym rokiem i znajduj膮 zastosowanie w coraz wi臋kszej ilo艣ci proces贸w technologicznych, znacznie upraszczaj膮c i przyspieszaj膮c produkcj臋.
Problematyka nanoszenia pasty lutowniczej

W przemy艣le elektronicznym od kilku lat bardzo wyra藕nie wida膰 trend do coraz g臋stszego upakowania element贸w, czyli miniaturyzacji gotowych produkt贸w. Z tego powodu wymogi stawiane ka偶demu z etap贸w procesu monta偶u s膮 coraz wi臋ksze. Szczeg贸ln膮 rol臋 w ca艂ym procesie odgrywa nadruk pasty lutowniczej, poniewa偶 wi膮偶e si臋 z nim 65% b艂臋d贸w lutowania. Etap ten jest na tyle krytyczny, 偶e nawet stosuj膮c najwy偶szej jako艣ci past臋 lutownicz膮, przy jednoczesnym z艂ym ustawieniu parametr贸w lub b艂臋dnym wyborze element贸w nadruku (szablon, rakla), rezultaty b臋d膮 z艂e.

Szablony

Wyr贸偶niamy trzy rodzaje szablon贸w wed艂ug sposobu ich produkcji: trawione chemicznie, wycinane laserowo i elektroformowane. Szablony trawione chemicznie jeszcze do niedawna by艂y powszechnie stosowane z powodu bardzo niskiej ceny. Niestety, wewn臋trzne 艣ciany apertur z powodu trawienia s膮 chropowate, wobec czego nie nadaj膮 si臋 dla rastr贸w poni偶ej 0,5mm. Zosta艂y przez to praktycznie zosta艂y wyeliminowane z dzisiejszej elektroniki. Laserowo wycinanie szablony s膮 obecnie najpowszechniej stosowane z powodu najlepszej relacji ceny do jako艣ci. Gwarantuj膮 lepsz膮 g艂adko艣膰 powierzchni, a problemy mog膮 pojawia膰 si臋 dopiero w przypadku rastr贸w poni偶ej 0,4mm oraz w przypadku stosowania element贸w 渭BGA wymagaj膮cych 艣rednicy otwor贸w ok. 0,3mm.

Najlepsz膮 jako艣膰 wykonania szablonu zapewnia elektroformowanie. Niestety, ich powszechne wykorzystanie jest jeszcze bardzo ograniczone ze wzgl臋du na wysok膮 cen臋. Szalony trawione najcz臋艣ciej wykonuje si臋 z fosforobr膮zu ze wzgl臋du na stosunkowo 艂atw膮 obr贸bk臋, ale to tak偶e skutkuje bardzo ma艂膮 trwa艂o艣ci膮. Do wycinania laserowego oraz elektroformowania powszechnie u偶ywa si臋 stali nierdzewnej hartowanej 304. Doskona艂ym materia艂em do tego rodzaju obr贸bki jest r贸wnie偶 stal niklowa, gwarantuj膮ca bardzo du偶膮 trwa艂o艣膰, ale r贸wnocze艣nie bardzo droga. Jest stosowana tylko do produkcji wielkoseryjnej. Wraz z odpowiednio zaprojektowanymi szablonami musi wsp贸艂gra膰 odpowiedni spos贸b napinania szablon贸w na ram臋. Mo偶na tu wyr贸偶ni膰 dwie podstawowe mo偶liwo艣ci: napinanie poprzez naklejenie szablonu na specjaln膮 ram臋 z siatk膮 poliestrow膮 oraz napinanie mechaniczne. Pierwszy spos贸b zalecany jest do produkcji wielkoseryjnej ze wzgl臋du na wi臋ksze koszty wynikaj膮ce z konieczno艣ci stosowania jednej ramy do jednego szablonu. Z pewno艣ci膮 metoda ta daje lepsze efekty w przypadku uk艂ad贸w fine-pitch ze wzgl臋du na wi臋ksz膮 powierzchni臋 naci膮gu.

Druga metoda polega na naci膮ganiu szablonu z u偶yciem specjalnie zaprojektowanej perforacji. W tym rozwi膮zaniu popularne s膮 ramy z naci膮ganiem szablonu w jednej osi oraz w dw贸ch osiach. Naci膮ganie szablonu w jednej osi powoduje nier贸wnomierny rozk艂ad si艂 w cz臋艣ci 艣rodkowej. Rozwi膮zanie z napinaniem szablonu w czterech osiach rozwi膮zuje ten problem. Doskona艂ym przyk艂adem jest system stosowany przez firm臋 LPKF oznaczony symbolem ZelFlex ZP4, gdzie naci膮ganie szablonu odbywa si臋 z u偶yciem spr臋偶onego powietrza. Czynno艣ci zmiany szablonu ograniczone zosta艂y do za艂o偶enia szablonu na specjalne piny naci膮gaj膮ce oraz pod艂膮czenie spr臋偶onego powietrza. Si艂a naci膮gu jest dzi臋ki temu mechanicznego napinania ramy jest szeroko stosowany w produkcji 艣rednioseryjnej, poniewa偶 mimo wysokich koszt贸w zakupu ramy cena rozk艂ada si臋 na wiele szablon贸w.

Kolejnym wa偶nym parametrem podczas doboru szablon贸w jest ich grubo艣膰. Wyznaczaj膮c grubo艣膰 szablonu powinni艣my zwr贸ci膰 uwag臋 na rozmiar najmniejszej apertury. Generalnie im szablon b臋dzie cie艅szy, tym jako艣膰 nadruku b臋dzie lepsza. Cienki szablon zmniejsza skutki dzia艂ania napr臋偶e艅 艣cinaj膮cych na past臋 lutownicz膮 podczas separacji szablonu i p艂ytki. Wa偶ne jest r贸wnie偶, 偶eby wielko艣膰 otwor贸w w szablonie by艂a minimalnie mniejsza w stosunku do wielko艣ci/powierzchni punktu lutowniczego. Poprawnie zaprojektowany szablon ma wp艂yw na wiele parametr贸w, jakie mog膮 pojawi膰 si臋 na ko艅cu ca艂ego procesu monta偶u (mostkowanie, efekt nagrobkowy, brak lub nadmiar pasty lutowniczej), dlatego te偶 musi by膰 bardzo dok艂adnie zaprojektowany

Rakle

Wyr贸偶niamy dwa rodzaje rakli: metalowe oraz gumowe. Dodatkowo, gumowe rakle dziel膮 si臋 na: o k膮cie dzia艂ania 70鈥80掳, 50鈥70掳 i rakle o przekroju kwadratowym o k膮cie 45掳. Nie jest 艂atwo jednoznacznie powiedzie膰, kt贸ry typ rakli gumowych jest lepszy. K膮t prowadzenia rakli ma zasadniczy wp艂yw na to, jak pasta lutownicza b臋dzie si臋 rolowa膰 na szablonie. Prawid艂owe rolowanie pasty jest kluczowe do osi膮gni臋cia prawid艂owego wype艂nienia otwor贸w w szablonie.

Pierwszy typ rakli z nominalnym k膮tem dzia艂ania ok. 70鈥80潞 z powodu swojej konstrukcji sprawia, 偶e si艂a nacisku na szablon jest relatywnie niska. Aby w艂a艣ciwie wype艂ni膰 otwory w szablonie i zapewni膰 w艂a艣ciwe rolowanie, pasta musi mie膰 ma艂膮 lepko艣膰. K膮t dzia艂ania rakli o przekrojukwadratowym jest bliski 45潞, przez co wywo艂uje ona stosunkowo du偶y nacisk na szablon za pomoc膮 pasty lutowniczej. Z tego powodu rakle te nadaj膮 si臋 jedynie dla past o du偶ej lepko艣ci. Dla past o ma艂ej lepko艣ci na szablonie b臋dzie widoczne rozmazywanie pasty lutowniczej.
Rakle p艂askie o efektywnym k膮cie dzia艂ania pomi臋dzy 50潞 i 60潞 z powodu mo偶liwo艣ci jego regulacji s膮 obecnie najbardziej popularne. Z powodzeniem mo偶na ich u偶ywa膰 do past o r贸偶nej lepko艣ci.

Podczas u偶ywania rakli gumowych bardzo wa偶ne jest, 偶eby cz臋艣膰 rakli poruszaj膮ca si臋 po szablonie zawsze zachowywa艂a sw贸j ostry kszta艂t. W przypadku, gdy ulegnie on zniszczeniu poprzez st臋pienie, nacisk rakli na szablon musi by膰 zwi臋kszony. Zwi臋kszenie nacisku rakli ma swoje ograniczenia. W przypadku, gdy nacisk b臋dzie zbyt du偶y w otw贸r szablonu zostanie wci艣ni臋te zbyt du偶o pasty lutowniczej, a to spowoduje niedostateczny depozyt pasty na polu lutowniczym.

Rakle metalowe doskonale sprawdzaj膮 si臋 w przypadku aplikacji fine pitch. Nie maj膮 du偶ego wp艂ywu na zgniatanie pasty lutowniczej i niszczenie szablon贸w.

Parametry nadruku

G艂贸wne funkcje konwencjonalnych sitodrukarek to szybko艣膰 separacji szablonu, szybko艣膰 i nacisk rakli oraz pozycjonowanie szablonu. Pod wzgl臋dem konieczno艣ci osi膮gni臋cia w艂a艣ciwego depozytu pasty lutowniczej, jednym z wa偶niejszych parametr贸w jest dystans pomi臋dzy p艂ytk膮 i szablonem. Istniej膮 tu dwie mo偶liwo艣ci ustawienia: on-contact 鈥 gdy szablon dok艂adnie przylega do p艂ytki oraz off contact 鈥 gdy pomi臋dzy nimi jest pewna zadana odleg艂o艣膰.

Dla sitodrukarek z regulacj膮 szybko艣ci separacji szablonu rekomendowana jest opcja on-contact, szczeg贸lnie przy elementach o bardzo ma艂ym rastrze. Kontakt pomi臋dzy doln膮 cz臋艣ci膮 szablonu i powierzchni膮 pola lutowniczego gwarantuje brak rozmazywania pasty, przez co zapobiega p贸藕niejszemu mostkowaniu podczas lutowania. Rekomendowane jest ustawienie jak najmniejszego czasu separacji szablonu. Wolniejsza separacja p艂ytki zmniejsza tarcie pomi臋dzy past膮 i 艣cianami otwor贸w szablonu, przez co napr臋偶enia 艣cinaj膮ce s膮 mniejsze, a odwzorowanie pasty na szablonie jest lepsze.

Dla sitodrukarek bez mo偶liwo艣ci ustawiania szybko艣ci separacji szablonu zdecydowanie lepsza jest opcja off-contact, w贸wczas separacja b臋dzie wywo艂ana przez t臋 drobn膮 odleg艂o艣膰. Jak ju偶 wspomniano, mo偶na w ten spos贸b spowodowa膰 rozmazywanie pasty, dlatego te偶 nacisk rakli, szybko艣膰 jej poruszania si臋 oraz odleg艂o艣膰 mi臋dzy szablonem i p艂ytk膮 musz膮 by膰 starannie dobrane. Nacisk rakli powinien by膰 tak偶e mo偶liwe najmniejszy. Zwi臋kszanie nacisku powoduje rozci膮ganie szablon贸w i pogorszenie odwzorowania szablonu wzgl臋dem p艂ytki, a dodatkowo przyspiesza zu偶ycie rakli.

Szybko艣膰 przesuwu rakli powinna by膰 dobrana wed艂ug oczekiwanej wydajno艣ci linii monta偶owej. Z punktu widzenia pasty lutowniczej rekomendowana szybko艣膰 powinna oscylowa膰 pomi臋dzy 20 i 40 mm/s dla osi膮gni臋cia odpowiedniej jako艣ci i powtarzalno艣ci nadruku. Wraz ze wzrostem szybko艣ci rosn膮 napr臋偶enia mechaniczne i maleje lepko艣膰 pasty, zwi臋kszaj膮c ryzyko rozmazywania oraz pojawiania si臋 mostk贸w. Je偶eli wymagane jest osi膮gni臋cie wi臋kszych szybko艣ci przesuwu rakli, rz臋du 100...200 mm/s, rekomendowane jest zastosowanie specjalnych past lutowniczych, jak np. Koki S3X58-M406L.

Autorem artyku艂u jest Jakub Opa艂ka z PB Technik
reklama
reklama
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
January 11 2019 20:28 V11.10.27-1