Dozowanie bezkontaktowe w produkcji elektroniki

To znaczy nie musiała, o ile ilość dozowanego materiału była odpowiednio duża. Niemniej słowo "duża" w technice to określenie nieprecyzyjne i niefachowe. Stąd poprawniej można powiedzieć, że "duża", czyli taka dawkę płynu, którego ilość znacznie, co najmniej dziesięciokrotnie, przekracza wielkość formowanej naturalnie i powoli przez płyn kropli, jaka się odrywa samodzielnie od końcówki dozującej pod wpływem siły ciążenia. Dlaczego tak? Bo jeśli polega się na samorzutnym odrywaniu się płynu od dyszy, naraża się na pozostawanie jego części w wylocie dyszy, co przy dużych dawkach nie wpływa znacząco na zaburzenia powtarzalności dozowania.

Przy wylocie dyszy zawsze pozostaje jakaś reszta, która jest zbyt mała, mniejsza niż fizyczna kropla, by oderwać się samoczynnie pod wpływem siły ciążenia. Jeśli dozowana dawka zmniejsza się, a zwłaszcza zmniejsza się poniżej kropli, zaczyna się utrudnienie. Aby oderwać dawkę od końcówki dozującej, trzeba zbliżyć wylot końcówki do podłoża i dotknąć podłoża samą końcówką lub częścią kropli materiału.

Fot. 1. Zawór DJ 9000 naniesie za pomocą jettingu klej nawet przez otwory w zamontowanych już osłonach

Fot. 2. Liderem jettingu w elektronice są zawory serii DJ 9000 Nordson Asymtek

Przy ręcznym dozowaniu jest to proste, wystarczy pochylić końcówkę pod kątem około 45° i zwykle materiał odrywa się wystarczająco powtarzalnie. W procesach automatycznych odległość końcówki od podłoża, zwykle skierowanej do niego prostopadle, staje się ważnym parametrem technologicznym. Zaburzenia odległości mogą skutkować trzema zjawiskami:

• odległość jest właściwa, kropla będzie powtarzalna,
• odległość jest zbyt duża - kropla może się odrywać częściowo albo wcale lub cyklicznie będą się pojawiały większe dawki na przemian z mniejszymi,
• odległość jest zbyt mała - w najlepszym wypadku końcówka będzie się brudziła na zewnątrz w wyniku zanurzania się w płynie, co zaburzy powtarzalność dozowania. Materiał może obsychać na końcówce tworząc bryłkę. W krańcowych sytuacjach dochodzi do blokowania wylotu w czasie dozowania, a nawet do mechanicznej kolizji z podłożem.

Konstruktorzy urządzeń dozujących opracowali wiele metod, by uniknąć takich niepożądanych sytuacji. Wystarczy wymienić tylko czujniki wysokości, zarówno mechaniczne jak i laserowe, a także specjalne stopki, utrzymujące stałą odległość pomiędzy końcówką dozującą a podłożem. W sytuacji, gdy pożądana odległość końcówki od podłoża wynosi 0,3 mm, a fluktuacje wysokości podłoża przekraczają milimetr, a nawet dwa, zagadnienie korekty odległości końcówki dozującej od podłoża urasta do poważnego zagadnienia.

A takie sytuacje mamy często w produkcji elektroniki. Zwłaszcza, że wielkość kropel płynu zbliża się do średnicy mniejszej niż 0,1 mm, czyli w tym samym zakresie musi się mieścić opisany dystans. Stąd w pewnym momencie pojawił się pomysł, aby w ogóle nie zbliżać dyszy do podłoża i utrzymywać ją w bezpiecznej odległości, tak aby w żadnym wypadku nie dochodziło do kolizji, ale nie kosztem dokładności, powtarzalności i niezawodności procesu.

Jetting

W kilku niezależnych firmach opracowano metodę jettingu, czyli wystrzeliwania płynu z dyszy, co zapewnia nie tylko powtarzalność, ale również dozowanie praktycznie wolumetryczne, gdzie dawka nie jest zależna od zmian lepkości spowodowanych np. wahaniami temperatury. Rozszerza to stabilność technologiczną produkcji nie tylko w krótkim, ale również w dłuższym czasie. Dla praktyka montażu oznacza to eliminację lub znaczne ograniczenie regulacji i kalibracji, które to procesy są logicznym następstwem fluktuacji lepkości wraz z temperaturą otoczenia.

Fot. 3. Zawór PicoDot jest aktualnie najszybszym zaworem do nanoszenia bezkontaktowego. Jego prędkość sięga 500 kropek na sekundę

Fot. 4. Zawór PicoDot jest stosowany również w osobnych liniach, tutaj do nanoszenia topnika w produkcji paneli słonecznych

Jednak największą zaletą jettingu jest całkowity brak potrzeby wykonywania precyzyjnego ruchu w osi Z, który znacznie spowalnia procesy precyzyjnego dozowania. Każdy dojazd musi być niejednokrotnie poprzedzony pomiarem za pomocą czujnika wysokości. Nic dziwnego, że jetting nawet czterokrotnie przyspiesza procesów porównaniu z dozowaniem kontaktowym.

Jak działa jetting?

W komorze dozowania porusza się pręt zakończony najczęściej kulką ceramiczną. Kulka uderza w ceramiczną, odporną na zużycie dyszę wybijając dynamicznie płyn, który w trakcie jej ruchu zmienia w ciągu ułamka sekundy dynamicznie lepkość. Prędkość strzelania może wynosić od kilku lub kilkudziesięciu razy na sekundę (np. IDV firmy Soma), do kilkuset, nawet 500 razy (np. PICO DOT firmy EFD). Prędkość jest powiązana z wielkością dawek, które mogą wynosić nawet od kilku mililitrów do kilku setnych mikrolitra.

Znakomitą cechą tej metody dozowania jest możliwość podania kilku dawek jedna na drugą i zbudowania stosu materiału o wąskiej podstawie, jeśli jest taka możliwość. Jest to bardzo ważna właściwość ułatwiająca podawanie klejów SMA, gdzie komponenty mogą być położone na wysokiej kropli kleju, bez jej rozmywania wokół pola klejenia i groźby zanieczyszczenia padów. Inną znakomitą cechą jettingu jest możliwość podawania materiału w wąskie szczeliny, albo nawet wstrzeliwanie się w osłonięte obszary, tak jak podawanie kleju przez otwory w ekranach w.cz.

Wady jettingu

Jak każda metoda tak i ta ma swoje ograniczenia. Problemy kryją się głównie stronie materiałowej, bo nie każdy materiał daje się nakładać w ten sposób. Nie ma przy tym jasnej reguły, aby ustalić zdatność materiału do jettingu i w praktyce trzeba przeprowadzać długotrwałe próby nazywane jett ability. Dopiero po ich zakończeniu można zakwalifikować materiał do tej technologii. Niemniej koszty inwestycji - nie są wobec możliwości jettingu znaczące. Zwłaszcza, że giną w kosztach zakupu całej platformy, z kolei ogólny koszt posiadania jettingu okazuje się być znacznie zminimalizowany.

Tu przydałoby się zrobić dygresję, która stanowi stały motyw w działalności edukacyjnej firmy AMB Technic - w Polsce ciągle znakomicie się ma pogląd, jakoby kupowanie tanich urządzeń dawało korzyści ekonomiczne kupującym. Bardzo mało firm prowadzi jednak dokładniejszą obserwację swoich kosztów produkcji.

Fot. 5. Zawór SC-400 nakłada powłoki konformalne za pomocą bezkontaktowego quasi-jettingu

Fot. 6. Zawory firmy Soma są dostosowane do bezkontaktowego nakładania płynów niereaktywnych, z możliwością nakładania większych dawek

Koszty przestojów, konserwacji, ale przede wszystkim braków oraz tzw. "reworków", czyli poprawek są czasem ogromne, a nie są wcale uwzględniane w wielu procesach. Innym pomijanym zagadnieniem w rozważaniach zakupowych jest pomijanie różnicy pomiędzy urządzeniem a technologią. Często maszyna jest jedynie wehikułem płatniczym przy sprzedaży i wdrożeniu całej technologii montażowej, której znaczenia się nie docenia jeszcze w zbyt wielu polskich przedsiębiorstwach.

Gdzie można stosować jetting w elektronice?

Bazując na doświadczeniach przemysłu elektronicznego można wskazać, że są to obszary takie jak:

• potting, enkapsulacja - zalewanie miniaturowych elementów bez zagrożenia kolizją z detalem i metoda za-pewniająca brak uszkodzeń przewodów, a także ograniczenie pęcherzyków powietrza pod zalewą.
• kleje SMA - zapewnia brak kleju na końcówce dozującej i większą czystość i prędkość nakładania,
• dam & Fill - jetting tamek (dams) - jetting pozwala tutaj na znaczne przyspieszenie procesu, oraz jego precyzję,
• mini conformal coating - umożliwia pokrywanie miniaturowych obszarów, których inną metodą nie można powlec i zapewnia powlekanie wnęk i zagłębień,
• underfill - jetting zmniejsza się obszary zwilżane, mniejsze są też rezerwuary i pozostałości żywicy (fillet) wokół układu BGA, układy BGA mogą być zlokalizowane bliżej innych podzespołów. Metoda zapewnia ponadto eliminację uszkodzeń elementów BGA przez kolizje (zwłaszcza narożników) i daje brak kolizji z wyprowadzeniami.
• klejenie ekranów LCD - zapewnia skrócenie czasu nakładania kleju, czyste odcięcie ze względu na digitalizację procesu i brak zgrubień na narożnikach i na łączeniu linii,
• nanoszenie klejów przewodzących - można uzyskać cieńsze linie i uzyskać znaczne oszczędności materiałowe ze względu na koszt kleju wypełnionego srebrem.

Ogólne korzyści ze stosowania jettingu obejmują także takie obszary, jak możliwość zmniejszenia ogólnego wymiaru płytek PCB, ze względu na możliwość zachowania zmniejszonych odstępów technologicznych pomiędzy detalami (zwłaszcza pomiędzy elementami aktywnymi i pasywnymi). Odmianą jettingu jest stitching, specjalna odmiana bezkontaktowego nanoszenia powłok konformalnych na ograniczonych obszarach.

Marek Bernaciak
AMB Technic
www.amb.pl