Drukowanie i dozowanie pasty lutowniczej i kleju. Przegląd urządzeń, metody, problemy

Sitodruk manualny

Manualne urządzenia sitodruku wymagają od operatora zamontowania płytki na stole, ręcznego skorygowania ustawienia szablonu względem punktów lutowniczych oraz poprawnego rozprowadzenia pasty/kleju. Duży wpływ na cały proces ma poprawne ustawienie szablonu względem płytki oraz rozprowadzenie pasty, co jest trudne, zważywszy na błąd paralaksy oraz nierówną siłę docisku podczas nadrukowywania.

Trudno jest również zachować optymalny kąt nachylenia rakli. Przy małej liczbie punktów lutowniczych i dużych rastrów błędy operatora nie zawsze dyskwalifikują proces, jednak obecnie trend miniaturyzacji komponentów elektronicznych powoduje, że coraz częściej manualne nakładanie pasty jest niewystarczające. Wśród udogodnień w urządzeniach manualnych na uwagę zasługują takie opcje, jak możliwość mechanicznego prowadzenia rakli czy system pionowej separacji płytki od szablonu po naniesieniu pasty/kleju. Rozwiązania te zwiększają jakość i powtarzalność procesu.

Sitodruk półautomatyczny

W rozwiązaniach półautomatycznych rola operatora sprowadza się do ustawienia płytki względem szablonu, często z wykorzystaniem dodatkowego systemu wizyjnego. Sam proces naniesienia pasty/kleju odbywa się automatycznie ze stałym kątem ustawienia rakli w stosunku do szablonu. W zależności od producenta w tym przedziale sprzętowym możemy mieć możliwość ustawienia podstawowych parametrów drukowania, takich jak odległość płytki od szablonu, szybkość separacji, prędkość rakli, nacisk czy liczba przejść rakli oraz ich zapamiętania dla danego typu płytki. System wizyjny eliminuje błąd paralaksy ustawienia szablonu względem płytki oraz pozwala dokładniej ustawić szablon dzięki powiększeniu obrazu. Rozwiązania tego typu ze względu na wydajność są przeznaczone do produkcji prototypowej, małoseryjnej i średnioseryjnej.

Sitodruk automatyczny

Rozwiązania automatyczne nie wymagają od operatora dużej sprawności manualnej oraz doświadczenia. Jego rola ogranicza się do podania płytki i odebrania jej po naniesieniu medium (system offline) lub załadowania podajnika czystymi płytkami i rozładowania odbiornika po jego zapełnieniu (rozwiązania in-line). W tym rozwiązaniu wszystkie kroki, takie jak ustawienie płytki względem szablonu czy naniesienie pasty na szablon, wykonywane są automatycznie, a wszystkie parametry procesu są ustawiane z poziomu oprogramowania działającego w środowisku Windows. Urządzenia automatyczne oferują dodatkowe możliwości, takie jak mycie szablonu w czasie procesu, inspekcja wizyjna czystości szablonu, inspekcja wizyjna pasty na punktach lutowniczych i czytanie kodów kreskowych z płytek drukowanych. Na rynku występują bardzo zaawansowane urządzenia dla bardzo wymagających aplikacji, jak np. urządzenie niemieckiej firmy Ekra z dodatkowym systemem iPag. System ten służy do dozowania kleju lub pasty w przypadku elementów, które np. wymagają dodatkowego wzmocnienia. W pierwszej fazie nakłada się pastę, a następnie pod ciężkie komponenty dozuje się klej.

Wśród podstawowych zalet sitodruku można wymienić dużą dokładność, szybkość i powtarzalność. Do wad zalicza się koszt wykonania, zużywanie się szablonu odwzorowującego rozmieszczenie punktów i czas oczekiwania na szablon. Mówiąc o dokładności, należy zaznaczyć, że za pomocą szablonu można nanieść pastę/ klej dla znacznie mniejszych rastrów oraz w znacznie krótszym czasie niż oferują to najbardziej wyrafinowane rozwiązania z użyciem dozownika.

W przypadku produkcji małoseryjnej i prototypowej wykonanie szablonu wiąże się z poniesieniem dodatkowych kosztów, które znacznie wpływają na cenę jednostkową. Kiedy więc wielkość rastra jest odpowiednio duża (od 1mm w górę) i liczba punktów jest odpowiednio mała, można stwierdzić, że opłacalne staje się używanie systemu dozującego zamiast szablonu. W przypadku produkcji średnioseryjnej i wielkoseryjnej metoda sitodruku pozostaje niekwestionowanym zwycięzcą, ponieważ koszt szablonu rozkłada się na dużą liczbę produktów i pozwala osiągnąć dużą prędkość nakładania pasty/kleju oraz dużą dokładność i powtarzalność procesu.

Ręczne dozowniki pasty i kleju

Proces jest czasochłonny i mało powtarzalny; znajduje zastosowanie w przypadku dużych rastrów i niewielkiej liczby punktów. Nie pozwala na osiągnięcie dużej dokładności i wydajności, plusem jest mały nakład finansowy.

Głowice dozujące zintegrowane z automatami montażowymi

Następnym znanym sposobem dozowania są głowice dozujące dołączane do automatów Pick&Place. Rozwiązanie to jest powszechne w produkcji prototypowej i małoseryjnej ze względu na ograniczenie czasu procesu. W pierwszej fazie automat nakłada punkty kleju lub pasty, a następnie układane są elementy SMD. Ograniczeniem są tutaj możliwości techniczne głowicy: minimalny rozmiar dozowanego punktu i prędkość. Wśród rozwiązań na uwagę zasługują dozowniki ciśnienie-czas oraz dozowniki bazujące na śrubie Archimedesa.

Dozownik czasowo-ciśnieniowy jest polecany głównie do dozowania kleju; medium jest odmierzane impulsem ciśnienia o programowanym czasie trwania. Dozowniki zbudowane w oparciu o śrubę Archimedesa używane są zarówno do nakładania pasty lutowniczej, jak i kleju. W tym rozwiązaniu ilość dozowanej pasty lub kleju jest odmierzana za pomocą kąta obrotu śruby.

Automaty dozujące

Dozowniki automatyczne oferują szerszy wachlarz głowic dozujących, większą prędkość, precyzję i powtarzalność procesu. Koszt automatycznego urządzenia dozującego może równać się z kosztem automatu Pick&Place. Zasada działania jest podobna z tą różnicą, że zamiast ssawki ciśnieniowej występuje zawór dozujący medium. Wśród dostępnych zaworów dozujących można wymienić zawory czasowo-ciśnieniowe, zawory na śrubie Archimedesa, zawory strumieniowe oraz zawory igłowe. Dwa pierwsze zawory działają według tej samej metody, jak w wymienionych wcześniej zastosowaniach. Zawory strumieniowe działają na zasadzie dwóch piezoelektryków, których drgania otwierają lub zamykają dyszę wylotową zaworu. Dzięki zastosowaniu piezoelektryków możliwe jest osiąganie dużych prędkości dozowania (rzędu kilkuset tysięcy punktów na godzinę) oraz uzyskanie bardzo małej wielkości punktu (objętość ok. 2nl).

W przypadku dozownika automatycznego rozszerza się również zakres czynności możliwych do wykonania. Wśród zastosowań można wymienić selektywne pokrywanie powierzchni, tworzenie linii, krzywych (również 3D), wypełnianie i kapsułkowanie. Dodatkowo, dozowane medium może być podgrzewane do określonej temperatury. Znaczący wpływ na osiągane rezultaty ma rodzaj igły użytej w dozowniku. Konieczne jest zwrócenie uwagi na jej długość i średnicę, parametry te dobiera się na podstawie oczekiwanego rozmiaru punktu oraz używanej substancji. Wśród standardowych igieł można wymienić igły o średnicy wewnętrznej 0,40mm, 0,61mm i 0,84mm; oczywiście im mniejsza średnica wewnętrzna igły, tym mniejszy jest dozowany punkt.

Podsumowując temat dozowania past/ kleju, można powiedzieć, że opłacalne jest używanie dozowników dołączanych do automatów pick&place, ponieważ koszt takiego rozwiązania nie wpływa znacząco na cenę całego urządzenia, a w przypadku niedużej liczby płytek pozwala niejednokrotnie wykluczyć sitodruk. Jest to również bardzo wygodne rozwiązanie w przypadku produkcji płytek dwustronnych lutowanych na fali, ponieważ uproszczone zostaje przyklejanie elementów na klej. Zakup dozownika automatycznego wiąże się z produkcją wielkoseryjną ze względu na koszt takiego urządzenia. Możliwości automatycznych urządzeń zwiększają się z każdym rokiem i znajdują zastosowanie w coraz większej ilości procesów technologicznych, znacznie upraszczając i przyspieszając produkcję.

Problematyka nanoszenia pasty lutowniczej

W przemyśle elektronicznym od kilku lat bardzo wyraźnie widać trend do coraz gęstszego upakowania elementów, czyli miniaturyzacji gotowych produktów. Z tego powodu wymogi stawiane każdemu z etapów procesu montażu są coraz większe. Szczególną rolę w całym procesie odgrywa nadruk pasty lutowniczej, ponieważ wiąże się z nim 65% błędów lutowania. Etap ten jest na tyle krytyczny, że nawet gdy stosuje się najwyższej jakości pastę lutowniczą, przy jednoczesnym złym ustawieniu parametrów lub błędnym wyborze elementów nadruku (szablon, rakla), rezultaty będą złe.

Szablony

Wyróżniamy trzy rodzaje szablonów według sposobu ich produkcji: trawione chemicznie, wycinane laserowo i elektroformowane. Szablony trawione chemicznie jeszcze do niedawna były powszechnie stosowane z powodu bardzo niskiej ceny. Niestety, wewnętrzne ściany apertur z powodu trawienia są chropowate, wobec czego nie nadają się dla rastrów poniżej 0,5mm. Zostały przez to praktycznie wyeliminowane z dzisiejszej elektroniki. Laserowo wycinanie szablony są obecnie najpowszechniej stosowane z powodu najlepszej relacji ceny do jakości. Gwarantują lepszą gładkość powierzchni, a problemy mogą pojawiać się dopiero w przypadku rastrów poniżej 0,4mm oraz stosowania elementów μBGA wymagających średnicy otworów ok. 0,3mm. Najlepszą jakość wykonania szablonu zapewnia elektroformowanie. Niestety, ich powszechne wykorzystanie jest jeszcze bardzo ograniczone ze względu na wysoką cenę. Szablony trawione najczęściej wykonuje się z fosforobrązu ze względu na stosunkowo łatwą obróbkę, ale to także skutkuje bardzo małą trwałością. Do wycinania laserowego oraz elektroformowania powszechnie używa się stali nierdzewnej hartowanej 304. Doskonałym materiałem do tego rodzaju obróbki jest również stal niklowa, gwarantująca bardzo dużą trwałość, ale równocześnie bardzo droga. Jest stosowana tylko do produkcji wielkoseryjnej. Wraz z odpowiednio zaprojektowanymi szablonami musi współgrać odpowiedni sposób napinania szablonów na ramę. Można tu wyróżnić dwie podstawowe możliwości: napinanie poprzez naklejenie szablonu na specjalną ramę z siatką poliestrową oraz napinanie mechaniczne. Pierwszy sposób zalecany jest do produkcji wielkoseryjnej ze względu na większe koszty wynikające z konieczności stosowania jednej ramy do jednego szablonu. Z pewnością metoda ta daje lepsze efekty w przypadku układów fine-pitch ze względu na większą powierzchnię naciągu.

Druga metoda polega na naciąganiu szablonu z użyciem specjalnie zaprojektowanej perforacji. W tym rozwiązaniu popularne są ramy z naciąganiem szablonu w jednej osi oraz w dwóch osiach. Naciąganie szablonu w jednej osi powoduje nierównomierny rozkład sił w części środkowej. Rozwiązanie z napinaniem szablonu w czterech osiach rozwiązuje ten problem. Doskonałym przykładem jest system stosowany przez firmę LPKF oznaczony symbolem ZelFlex ZP4, gdzie naciąganie szablonu odbywa się z użyciem sprężonego powietrza. Czynności zmiany szablonu ograniczone zostały do założenia szablonu na specjalne piny naciągające oraz podłączenie sprężonego powietrza. Siła naciągu jest dzięki temu zawsze taka sama w dwóch osiach. System mechanicznego napinania ramy jest szeroko stosowany w produkcji średnioseryjnej, ponieważ mimo wysokich kosztów zakupu ramy cena rozkłada się na wiele szablonów.

Kolejnym ważnym parametrem podczas doboru szablonów jest ich grubość. Wyznaczając grubość szablonu, powinniśmy zwrócić uwagę na rozmiar najmniejszej apertury. Generalnie im szablon będzie cieńszy, tym jakość nadruku będzie lepsza. Cienki szablon zmniejsza skutki działania naprężeń ścinających na pastę lutowniczą podczas separacji szablonu i płytki. Ważne jest również, żeby wielkość otworów w szablonie była minimalnie mniejsza w stosunku do wielkości/powierzchni punktu lutowniczego. Poprawnie zaprojektowany szablon ma wpływ na wiele parametrów, jakie mogą pojawić się na końcu całego procesu montażu (mostkowanie, efekt nagrobkowy, brak lub nadmiar pasty lutowniczej), dlatego też musi być bardzo dokładnie zaprojektowany.

Rakle

Wyróżniamy dwa rodzaje rakli: metalowe oraz gumowe. Dodatkowo, gumowe rakle dzielą się na: o kącie działania 70-80°, 50-70° i rakle o przekroju kwadratowym o kącie 45°. Nie jest łatwo jednoznacznie powiedzieć, który typ rakli gumowych jest lepszy. Kąt prowadzenia rakli ma zasadniczy wpływ na to, jak pasta lutownicza będzie się rolować na szablonie. Prawidłowe rolowanie pasty jest kluczowe do osiągnięcia prawidłowego wypełnienia otworów w szablonie.

Pierwszy typ rakli z nominalnym kątem działania ok. 70-80º z powodu swojej konstrukcji sprawia, że siła nacisku na szablon jest relatywnie niska. Aby właściwie wypełnić otwory w szablonie i zapewnić właściwe rolowanie, pasta musi mieć małą lepkość. Kąt działania rakli o przekroju kwadratowym jest bliski 45º, dlatego wywołuje ona stosunkowo duży nacisk na szablon za pomocą pasty lutowniczej. Z tego powodu rakle te nadają się jedynie dla past o dużej lepkości. Dla past o małej lepkości na szablonie będzie widoczne rozmazywanie pasty lutowniczej.

Rakle płaskie o efektywnym kącie działania pomiędzy 50º i 60º z powodu możliwości jego regulacji są obecnie najbardziej popularne. Z powodzeniem można ich używać do past o różnej lepkości. Podczas używania rakli gumowych bardzo ważne jest, żeby część rakli poruszająca się po szablonie zawsze zachowywała swój ostry kształt. W przypadku, gdy ulegnie on zniszczeniu poprzez stępienie, nacisk rakli na szablon musi być zwiększony. Zwiększenie nacisku rakli ma swoje ograniczenia. W przypadku, gdy nacisk będzie zbyt duży, w otwór szablonu zostanie wciśnięte zbyt dużo pasty lutowniczej, a to spowoduje niedostateczny depozyt pasty na polu lutowniczym. Rakle metalowe doskonale sprawdzają się w przypadku aplikacji fine pitch. Nie mają dużego wpływu na zgniatanie pasty lutowniczej i niszczenie szablonów.

Parametry nadruku

Główne funkcje konwencjonalnych sitodrukarek to szybkość separacji szablonu, szybkość i nacisk rakli oraz pozycjonowanie szablonu. Pod względem konieczności osiągnięcia właściwego depozytu pasty lutowniczej, jednym z ważniejszych parametrów jest dystans pomiędzy płytką i szablonem. Istnieją tu dwie możliwości ustawienia: on-contact - gdy szablon dokładnie przylega do płytki oraz off -contact - gdy pomiędzy nimi jest pewna zadana odległość.

Dla sitodrukarek z regulacją szybkości separacji szablonu rekomendowana jest opcja on-contact, szczególnie przy elementach o bardzo małym rastrze. Kontakt pomiędzy dolną częścią szablonu i powierzchnią pola lutowniczego gwarantuje brak rozmazywania pasty, dlatego zapobiega późniejszemu mostkowaniu podczas lutowania. Rekomendowane jest ustawienie jak najmniejszego czasu separacji szablonu. Wolniejsza separacja płytki zmniejsza tarcie pomiędzy pastą i ścianami otworów szablonu, więc naprężenia ścinające są mniejsze, a odwzorowanie pasty na szablonie jest lepsze. Dla sitodrukarek bez możliwości ustawiania szybkości separacji szablonu zdecydowanie lepsza jest opcja off -contact, wówczas separacja będzie wywołana przez tę małą odległość. Jak już wspomniano, można w ten sposób spowodować rozmazywanie pasty, dlatego też nacisk rakli, szybkość jej poruszania się oraz odległość między szablonem i płytką muszą być starannie dobrane. Nacisk rakli powinien być także możliwe najmniejszy. Zwiększanie nacisku powoduje rozciąganie szablonów i pogorszenie odwzorowania szablonu względem płytki, a dodatkowo przyspiesza zużycie rakli.

Szybkość przesuwu rakli powinna być dobrana według oczekiwanej wydajności linii montażowej. Z punktu widzenia pasty lutowniczej rekomendowana szybkość powinna oscylować pomiędzy 20 i 40 mm/s dla osiągnięcia odpowiedniej jakości i powtarzalności nadruku. Wraz ze wzrostem szybkości rosną naprężenia mechaniczne i maleje lepkość pasty, zwiększając ryzyko rozmazywania oraz pojawiania się mostków. Jeżeli wymagane jest osiągnięcie większych szybkości przesuwu rakli, rzędu 100...200 mm/s, rekomendowane jest zastosowanie specjalnych past lutowniczych, jak np. Koki S3X58-M406L. Jakub Opałka, Marcin Płocki PB Technik