Kleje i lakiery UV w elektronice

 

Przeciętnemu człowiekowi termin „promieniowanie UV” przywodzi na myśl zwykle lato, kremy z filtrem oraz okulary przeciwsłoneczne. Być może dla niektórych będą to „żarówki”, które coraz częściej znajdziemy w naszych domach. Jednak światło UV to nie tylko szkodliwe promienie, przed którymi należy chronić naszą skórę i oczy lub które wykorzystujemy do energooszczędnego oświetlenia gospodarstw domowych. To także promieniowanie, które w znaczący sposób może wesprzeć nasze procesy produkcyjne. Jest grupa materiałów (klejów, lakierów) utwardzanych za pomocą tego światła. Czym zatem są lakiery UV i w jaki sposób mogą być nam pomocne?

Zanim przejdziemy dalej, warto napisać kilka słów na temat tego czym właściwie jest światło UV. UV to skrót od słowa „ultraviolet”, czyli ultrafiolet. Jest to umowna nazwa fali, której długość jest krótsza niż światło widzialne. Promieniowanie UV określa się jako falę o długości między 100 nm, a 400 nm która podlega takim samym prawom optyki jak światło widzialne.

W zależności od emitowanej długości fali, światło ultrafioletowe znajduje zastosowanie w różnych obszarach produkcji i życia codziennego. W temacie, w którym się poruszamy, światło ultrafioletowe wykorzystywane jest do utwardzania różnych substancji, takich jak kleje czy lakiery. Proces ten zazwyczaj wygląda w podobny sposób – poprzez naświetlenie detalu światłem UV o zadanej długości fali uruchamiamy proces utwardzania. Podstawą tego procesu są fotoinicjatory, które rozpoczynają proces powstania łańcuchów polimerowych w kleju. To właśnie fotoinicjatory determinują, jakiej długości fali powinniśmy użyć w procesie produkcyjnym. Coraz częściej spotykaną długością fali jest ta z zakresu UVA (między 315, a 400nm) czyli tak zwane „długie UV”, choć wciąż możemy spotkać materiały wymagające lamp emitujących światło o szerokim spektrum.

Zastosowanie klejów/lakierów UV w elektronice

Jednym z zastosowań dla materiałów utwardzanych światłem UV jest operacja selektywnego lakierowania obwodów drukowanych (ang. conformal coating). Lakiery UV stosowane w conformal coatingu mają zdecydowanie lepszą odporność chemiczną od lakierów na bazie poliuretanów i silikonów. Ich odporność na wilgoć jest również wyższa. Dodatkowo, z racji niskiej zawartości rozpuszczalników, kwalifikują się jako „zielona” chemia, czyli ekologiczna (bezpieczna dla środowiska wewnętrznego i zewnętrznego). Z tego też powodu zdobywają coraz większą popularność szczególnie w tych zakładach, w których ekologia jest szczególnie ważna!

Tym niemniej cena zakupu lakierów utwardzanych światłem UV jest zdecydowanie wyższa od bardziej klasycznych materiałów na bazie poliuretanów czy silikonów. Jednak biorąc pod uwagę, że grubość mokrej powłoki jest równa lub prawie równa grubości powłoki utwardzonej (suchej) oraz wyliczymy oszczędności wynikające ze skrócenia czasu utwardzania i zmniejszenia pól odkładczych, to może się okazać, że lakiery utwardzane UV są jednym z najtańszych rozwiązań dostępnych na rynku.

Poza obszarem powłok konformalnych, kleje utwardzane światłem UV stosowane są w produkcji wyświetlaczy LCD/OLED (ang. display bonding) czy tworzenia połączenia klejowego między wyświetlaczem a chipem. Z racji krótkiego czasu utwardzania coraz chętniej stosowane są również w operacji hermetyzacji/enkapsulacji komponentów elektronicznych.
Oczywiście nie są to jedyne operacje, w których znajdziemy zastosowanie dla klejów czy lakierów utwardzanych przy pomocy promieniowania UV. Produkcja kart wyposażonych w chipy elektroniczne lub moduły RFID, zestawy bluetooth i inne mikrogłośniki to sztandardowe aplikacje w których stosowane są tego rodzaju materiały. Ich wielką zaletą jest to, że nawet po zadozowaniu kleju lub lakieru wciąż mamy możliwość do mechanicznej korekty zalewanego lub klejonego elementu.

Narzędzia do utwardzania klejów/lakierów UV

W procesie produkcji rozróżniamy dwa rodzaje lamp emitujących światło UV – te oparte na diodach LED oraz te oparte na tradycyjnych żarnikach wysokociśnieniowych. W zależności od tego, jakiego kleju lub lakieru będziemy używać determinuje, które z tych narzędzi wybierzemy. Innym sposobem podziału stosowanych lamp UV to taki, który określa obszar naświetlania. W tym przypadku możemy podzielić narzędzia na dwie grupy – lampy obszarowe stosowane w piecach/tunelach UV (ang. area curing, flood cure system) oraz oświetlenie punktowe (ang. spot cure systems).

Tunel UV jest najczęściej stosowany tam, gdzie mamy do czynienia z dużymi detalami, np. w produkcji obwodów drukowanych. W procesie conformal coatingu nakładamy w precyzyjny sposób lakier, następnie tak zmodyfikowany produkt trafia do tunelu UV wyposażonego w dedykowane dla użytego lakieru lampy. Bardzo często zdarza się, że tunel znajduje się tuż za platformą nakładającą lakier. Warto pamiętać, że w przypadku stosowania lamp z żarnikiem wysokociśnieniowym generowane jest ciepło

Z kolei oświetlenie punktowe znajduje zastosowanie tam, gdzie wskazuje sama nazwa – w naświetlaniu punktowym utwardzanego kleju lub lakieru. Dzięki punktowemu naświetlaniu oszczędzamy energię oraz eliminujemy ryzyko uszkodzenia produktu. Dlatego lampy punktowe znajdziemy tam, gdzie jest wymagana szczególna precyzja pracy, np. w procesach naprawczych naniesionych powłok (reworki). Nie oznacza to jednak, że lampy punktowe są wykorzystywane tylko w ręcznej pracy. Czynnikiem determinującym jest sam proces, nic nie stoi na przeszkodzie, aby lampę punktową (głowicę LED lub światłowód) zamontować bezpośrednio na automacie pozycjonującym.

Kontrola procesu

Choć może wydawać się to dziwne, proces utwardzania również można kontrolować. A bardziej właściwie jest określenie, iż należałoby go kontrolować. Dlaczego? Odpowiedź na to pytanie jest bardzo prosta.

W zależności od stosowanej lampy emitującej światło UV, mamy do czynienia ze starzeniem się produktu. Jego efektem jest spadek mocy emitowanego światła czy w skrajnych przypadkach zmiana emitowanej długości fali. Średni czas pracy lampy z ośrodkiem wysokociśnieniowym to między 500, a 1 500 godzin. Lampy ze źródłem LED mogą pracować ponad 20 000 godzin. Jednak niezależnie od tego, której z nich użyjemy, ryzyko wciąż istnieje, szczególnie w przypadku stosowania lamp z żarnikiem. Dlatego bieżące monitorowanie kondycji naszej lampy jest tak kluczowe.

Niektórzy producenci oświetlenia dbają o to sami, dostarczając nam produkty wyposażone w odpowiednie zabezpieczenia. Firma OmniCure w swoim sztandarowym produkcie, lampie punktowej S2000, stosuje zamkniętą pętle sprzężenia zwrotnego. Dzięki temu rozwiązaniu moc emitowanego światła jest na bieżąco kontrolowana i korygowana. W ten sposób wydatek światła jest stały.

Jednak sam produkt to nie wszystko. Jakość emitowanego światła możemy kontrolować również za pomocą zewnętrznych urządzeń nazywanych radiometrami. Posługując się ponownie przykładem firmy OmniCure, producent dostarcza dedykowane rozwiązanie dla lamp punktowych z serii S2000 – radiometr R2000. Współpraca tych urządzeń pozwala na zabezpieczenie się przed nieprzewidzianą awarią czy spadkiem jakości końcowego wyrobu.
W przypadku tuneli UV również mamy szansę na prawidłową kontrolę emitowanego światła nawet jeśli producent naszego tunelu takiego nie dostarcza. Korzystając z zewnętrznych radiometrów, takich jak PowerPuck II możemy wykonywać pomiary bezpośrednio na produkcji, a następnie magazynować zgromadzone dane w pamięci komputera. W zależności od stosowanej lampy, PowerPuck II może pracować w trybie czterokanałowym (we wszystkich zakresach światła UV) lub jednokanałowym (w wersji UviCure II).

Zakończenie

Udział rynkowy klejów i lakierów utwardzanych światłem UV będzie się zwiększał z roku na rok. Istnieją dwie przyczyny tego zjawiska. Pierwszym jest globalny wzrost produkcji. Drugim – ekologia.
Wzrost produkcji wymaga od producenta zmiany technologii na szybszą i bardziej oszczędną. Wyżej opisane zalety klejów i lakierów utwardzanych światłem UV jasno wskazują, że ta technologia spełnia te warunki. Nawet jeśli koszty inwestycyjne związane z zakupem odpowiedniego sprzętu czy koszty operacyjne związane z cenami surowców są wyższe w porównaniu do bardziej tradycyjnych metod utwardzania. Koszt jednostkowy produktu spadnie, gdyż będzie można go produkować szybciej i oszczędzając cenne miejsce, np. pola odkładcze. Dodatkowym bodźcem jest rozwój lamp UV LED, których czas pracy wielokrotnie przewyższa konkurencyjne rozwiązania oparte o żarniki. Z kolei coraz ostrzejsze regulacje w zakresie wykorzystywania rozpuszczalników spowodują, że „stare” technologie utwardzania klejów i lakierów będą musiały odchodzić do lamusa.

Krzysztof Bernaciak
Grzegorz Szypulski
AMB Technic