Profilowanie procesów lutowania w produkcji elektroniki

Rys. 1. Piec rozpływowy ERSA

Wysoka jakość urządzenia elektronicznego jest wprost powiązana z małą liczbą defektów związanych z lutowaniem. Tym samym w procesie produkcji szczególnie ważne staje się zatem zdefiniowanie i kontrola profili lutowniczych.

Działanie to wymaga posiadania dokładnych systemów do tworzenia i kontroli takich charakterystyk temperaturowych nie tylko podczas lutowania rozpływowego konwekcyjnego, ale również w oparach, lutowaniu na fali, procesach serwisowych, a także w coraz powszechniej stosowanym lutowaniu selektywnym. Wśród wymienionych metod lutowania najpowszechniejszą jest lutowanie rozpływowe w piecu konwekcyjnym.

Rys. 2. Przykładowa płytka PCB

Piec taki to zasadniczo zamknięta przestrzeń, z wnętrza której otrzymuje się głównie informację o temperaturze powietrza w jego wnętrzu (rys. 1). Jest to w praktyce tylko jedna z całego szeregu potrzebnych danych do kontroli procesu lutowania. Technolog zatem musi odpowiedzieć sobie na jedno podstawowe pytanie: skąd mieć pewność, że wszystkie elementy są lutowane właściwie?

Każda płytka, nawet najmniejsza, zawiera elementy, które różnią się masą cieplną, a tym samym różnią się pod względem szybkości nagrzewania i chłodzenia. Nie ma więc możliwości zastosowania jednego tylko profilu dla różnych płytek ani nie ma też możliwości posługiwania się danymi historycznymi, wykonanymi jednorazowo kiedyś.

Rys. 3. Seria rejestratorów firmy Datapaq

Istnieje zatem konieczność tworzenia każdorazowo profili lutowniczych i ciągłej ich kontroli. Działanie te to proces bardzo czasochłonny, który przyczynia się do powstania przestojów linii produkcyjnej i generuje niepotrzebne koszty. Aby te niedogodności ograniczać, warto poznać możliwości kryjące się w rozwiązaniach firmy Datapaq.

Easy Oven Setup jest oprogramowaniem, które pozwala na analizę wszystkich krytycznych parametrów profilu temperaturowego. Poza standardową wizualizacją i szczegółową analizą danych oferuje również specjalne funkcje, jak:

• pełną analizę procesu lutowania rozpływowego, jak również na fali,
• określenie tolerancji dla każdej części profilu temperaturowego,
• budowanie profili lutowniczych,
• przewidywanie profili temperaturowych za pomocą wbudowanego modułu matematycznego,
• prostą analizę statystyczną procesu SPC.

Rys. 4. Fragment płytki z zamocowaną termoparą

Spośród wielu funkcji oprogramowania do testu wybrane zostały tylko te, które w sposób bezpośredni przyczyniają się do efektywniejszego tworzenia i szybszej kontroli procesu lutowania. W tym celu użyto płytki bez elementów (rys. 4), na której rozmieszczono 6 czujników temperatury.

Na początku w programie wprowadzono niezbędne dane: liczbę stref w piecu, ich długość, prędkość transportu i temperatury na wszystkich strefach, w odniesieniu do których system będzie dokonywał późniejszej analizy.

Dodatkowa możliwość umieszczenia zdjęcia badanej płytki i oznaczenia poszczególnych termopar na płytce (zgodnie z numerami wejść na rejestratorze) znacząco ułatwia i przyspiesza późniejszy proces analizy danych.

Rys. 5. Zarejestrowany profil lutowniczy

Na podstawie zarejestrowanych wartości temperatur z poszczególnych termopar program automatycznie rysuje wykresy temperaturowo-czasowe (rys. 5) i podaje podstawowe parametry profilu w krytycznych strefach procesu, tj.: dodatnie oraz ujemne nachylenie wykresu, czas aktywacji, czas powyżej temperatury rozpływu, temperaturę maksymalną (T_max), czas powyżej temperatury maksymalnej minus 5°C (T_max-5°C) oraz maksymalną różnicę temperatur na płytce (?T).

Jednak przy częstych rejestracjach analiza otrzymanych danych jest ciągle czasochłonna i aby zminimalizować czas i koszty z tym związane, można zdefiniować dopuszczalną tolerancję dla badanych parametrów profilu.

Dopuszczalna tolerancja

Dopuszczalną tolerancję określa się poprzez teoretyczne podanie minimalnych i maksymalnych parametrów profilu (rys. 6) lub na bazie jednej z uzyskanych krzywych profilu (rys. 7). W ten sposób system porównuje otrzymane dane i w razie braku zgodności wskazuje te krzywe profilu, które nie odpowiadają założeniom.

Rys. 6. Widok ustawień dla dopuszczalnej tolerancji profilu

Rys. 7. Widok dopuszczalnej tolerancji według jednej z otrzymanych krzywych

Jest to bardzo przydatna opcja wykorzystywana szczególnie do sprawdzenia profili, m.in. po przeglądach serwisowych pieca lub w przypadkach, gdy płytki i elementy ze względu na swoją wielkość i masę są do siebie podobne. W innym przypadku konieczna jest analiza numeryczna.

Budowanie profili

Kolejnym rozwiązaniem jest możliwość własnego zbudowania profilu poprzez ręczne wprowadzenie wartości dla poszczególnych jego parametrów. Mając zarejestrowany dowolny profil dla badanej płytki, można dopasować go do potrzeb i zadeklarować zakresy, w których powinien się on zawierać (rys. 8 ).

Rys. 8. Ustawione zakresy dla poszczególnych parametrów profilu

Rys. 9. 10 propozycji systemu ustawień pieca lutowniczego

Dzięki użyciu funkcji Recipe predict program automatycznie dobiera odpowiednie ustawienia pieca, tak aby profil temperaturowy pieca spełniał możliwie najlepiej założenia. W wyniku analizy program podaje 10 sugerowanych ustawień pieca oznaczonych gwiazdkami (rys. 9). Im więcej gwiazdek, tym bardziej profil pasuje do szukanego.

Po wybraniu odpowiednich dla procesu lutowania ustawień pieca pozostaje tylko sprawdzenie, czy proponowany profil teoretyczny pokrywa się z rzeczywistością.

Przewidywanie profili

Rys. 10. Wyróżnione dane poza szukanymi parametrami profilu

Najbardziej innowacyjną funkcją w programie jest przewidywanie profili - Profile predict. Dzięki niej można poprzez dowolną zmianę parametrów pieca stworzyć kolejne teoretyczne profile. System, na podstawie już zarejestrowanego profilu, pozwala bez konieczności ponownego rejestrowania na zobrazowanie, jak poszczególne parametry pieca będą wpływały na nasz profil.

Rys. 11. Wyniki użycia funkcji przewidywania profili

Na przykład zmieniając prędkość transportera widzimy, jak poszczególne wykresy poszerzają się i przemieszczają w stosunku do tych pierwotnie zarejestrowanych (rys. 11). W ten sposób można nie tylko obserwować zmiany, ale również odczytać wszystkie parametry nowego profilu, który następnie wystarczy tylko sprawdzić w rzeczywistości.

Pomaga to zupełnie oddzielnie analizować i dopasowywać ustawienia pieca bez konieczności czasochłonnego i kosztownego blokowania całej linii montażowej.

Stabilność procesu

Rys. 12. Urządzenie Surveyor

Oprócz wspomnianych rozwiązań programowych, które wykorzystują zaawansowane funkcje w celu uzyskania optymalnych ustawień, istnieje potrzeba potwierdzenia, że wykorzystywany proces jest stabilny. Można to osiągnąć jedynie poprzez kontrolę profili w regularnych odstępach czasu. Główny problem polega na tym, że jeśli do tego celu używa się tylko jednej wzorcowej płytki, to na skutek jej degradacji wyniki pomiarów będą się pogarszać już po kilkunastu sprawdzeniach.

Częsta wymiana płytek może okazać się zbyt kosztowna ze względu na użyte elementy. Rozwiązaniem tych problemów jest urządzenie do monitorowania procesów lutowania Surveyor. Zawiera ono regulowaną ramę, ustawiane czujniki pomiarowe oraz specjalne oprogramowanie do analizy - SPC Surveyor Analysis.

Oprogramowanie to zostało zaprojektowane szczególnie pod kątem obsługi dla operatorów, którzy nie mają często dostępu do danych procesu. Na początku technolog ustawia profil lutowniczy, następnie rejestruje profil i ustawia dopuszczalne tolerancje (rys. 13). Pozwala to prowadzić regularne kontrole.

Rys. 13. Ustalone tolerancje w wybranym profilu lutowniczym

Prosty system informacji za pomocą czerwonego/zielonego sygnału pozwala łatwo ocenić, czy proces działa wg specyfikacji, czy wymaga zmiany ustawień. Jakiekolwiek zmiany w odczytach poza granicami tolerancji ustalonymi przez technologa procesu powodują alarm.

W ten sposób wzorcowa płyta nie musi być wykorzystywana do regularnego profilowania, a tym samym nie ulegnie zbyt szybkiemu zniszczeniu. Możliwe staje się więc wykorzystanie jej w tworzeniu profili dla tego samego produktu, ale dla innego pieca.

Całość systemu Datapaq w połączeniu z ciekawym interfejsem i łatwą obsługą tworzy niezwykle funkcjonalne narzędzia, które pozwalają oszczędzić czas, pieniądze oraz zapewnić stałą jakość produktu końcowego.

Piotr Ciszewski
PB Technik Sp. z o.o.
www.pbtechnik.com.pl