Systemy i urządzenia dozowania płynów montażowych – dozowanie precyzyjne
Płyny montażowe
Miniaturyzacja komponentów w branży elektronicznej, pozwalająca na umieszczenie wielu funkcjonalności i znacznej mocy obliczeniowej w malej przestrzeni, tworzy zapotrzebowania na specjalne sposoby montażu. Stąd tak ważna rola płynów montażowych w produkcji elektroniki. Niezbędne jest stworzenie systemów dozowania, które efektywnie odprowadzą ciepło, zapewnią ochronę przed warunkami atmosferycznymi, przed udarami, wibracjami, itp. Pojawiają się więc nowe technologie montażu powierzchniowego, tzw. conformal coatingu, underfill, dam & fill, zalewanie, czy wylewanie uszczelki. O wyzwaniach, jakie przed systemi dozowania stawia rozwijająca się elektronika, mówi Marek Bernaciak, założyciel AMB Technic i autor poniższego tekstu:
„Potrzeby branży elektroniczenj implikują zastosowanie klejów SMA, past termoprzewodządzych, zalew, uszczelniaczy, a nawet smarów i olejów nakładanych coraz bardziej precyzyjnie, czysto i wydajnie.
Sprzężenie zwrotne ujawnia się w tym, że zwiększenie precyzji dozowania coraz trudniejszych w obróbce materiałów pozwala na jeszcze większą miniaturyzację i ograniczenie wymiarów oraz kosztu jednostkowego operacji montażowej. Wąskie gardła są po kolei eliminowane i postęp wydaje się mieć ciągle miejsce.”
Il.1. – Każdy ze składników procesu wpływa na likwidację wąskich gardeł w miniaturyzacji:
Źródło: opracowanie własne AMB TECHNIC
Istnieje jednak jeden parametr produkcyjny, który do tej pory sprawiał kłopoty większe niż inne ograniczenia – jest to wielkość serii. Dozowanie precyzyjne płynów – zastosowanie precyzyjnych urządzeń dozujących w małej skali napotyka na barierę kapitałową. Nie opłaca się kupować browaru, by zaprosić kolegów na piwo. Do każdego rozmiaru produkcji potrzebne jest więc inne rozwiązanie. Okazuje się, że jest to wykonalne. Co prawda nie w każdym wypadku, jednak w większości spotykanych sytuacji możemy dobrać konfigurację, która spełni wymagania procesu wykonywanego przez naszego Klienta.
W zależności od stopnia komplikacji procesu trzeba jednak rozróżnić dwie podstawowe warstwy, w których powinna nastąpić analiza:
- warstwa automatyzacyjna,
- warstwa reologiczna.
Są to dwa prawie całkowicie rozdzielne obszary, w których obowiązują całkowicie różne kryteria oceny.
W obszarze automatyzacji możemy wyróżnić kilka poziomów zaawansowania:
Il. 2. W zależności od stopnia automatyzacji można wskazać różne poziomy zaawansowanych systemów dozujących
Źródło: opracowanie własne AMB TECHNIC na podstawie materiałów NORDSON ASYMTEK – systemy dozowania płynów)
W tym obszarze możemy rozważać takie aspekty jak:
- dokładność pozycjonowania dawki,
- prędkość pozycjonowania,
- transport detalu do i od urządzenia,
- realizacja ruchów postępowych w czasie np. nakładania uszczelek bądź precyzyjnego zalewania np. przy podlewaniu układów BGA,
Urządzenia dozowania płyów – urządzeniami podstawowymi są dyspensery, w których pozycjonowanie dawki i detalu odbywa się ręcznie.
Zdjęcie 1. Dyspenser serii ULTIMUS I firmy NORDSON EFD okazuje się precyzyjnym urządzeniem do zastosowania nawet w ręcznych aplikacjach małoseryjnych
Źródło: NORDSON EFD
Karta produktu Nordson EFD Ultimus I
Właściwie głównym parametrem, który jest zaniedbywany przy zastosowaniu dyspenserów EFD w bardzo precyzyjnych aplikacjach, jest wydajność produkcyjna. Przy czym warto dodać, że jeśli operacja montażu staje się mniej wymagająca technologicznie – czyli tolerancje dawek płynu i ich wielkości rosną, wzrasta znacząco również wydajność. Znamy takie operacje, gdy jeden operator jest w stanie dziennie nałożyć nawet 10-20 tysięcy dawek płynu i przepuścić przez swoje stanowisko stosowną liczbę elementów. Z kolei przy kilku sztukach można poświęcić więcej czasu na pozycjonowanie dawek pod mikroskopem lub kamerą, nawet za pomocą dodatkowych ręcznych manipulatorów, jeśli jest to niezbędne.
Gdy produkcja wzrasta, pożytecznym może okazać się zastosowanie robota, manipulatora trój- lub cztero-osiowego pracującego poza linią (off-line). Ograniczamy w ten sposób czas konieczny do pozycjonowania końcówki dozującej i możemy wykonać operacje nakładania bardziej precyzyjnych linii w trybie mokro-na-sucho(TM) tak określamy w AMB TECHNIC operacje, gdzie estetyka złącza lub jego stabilność wymiarowa jest oczekiwana po usieciowaniu płynu. Przykładem częściej spotykanym jest choćby nakładanie uszczelek wylewanych, które po utwardzeniu muszą zachować stabilność wymiarową, ale także estetyczne wklejanie ekranów lub szybek wzierników w obudowach. Można za ich pomocą wykonać także operację underfill w mniejszych seriach.
Zdjęcie 2. ND_DD-500 coating: Stacja DD-500 może zostać zastosowana nie tylko do nakładania klejów SMA czy pasty lutowniczej, ale również do wykonywania mniej wymagających operacji underfill.
Źródło: NORDSON DIMA
Po przekroczeniu pewnych wymagań ilościowych, lub przy konieczności wbudowania procesu nakładania płynu w linię, możemy zastosować platformy pozwalające na integrację z linią (in-line).
Platformy takie posiadają w standardzie kamery do programowania i korekty pozycjonowania głowicy według fiduciali, pozwalają na uruchomienie większej produkcji seryjnej.
Na szczycie piramidy znajdują się systemy dozowania in-line, które łączą zaawansowanie automatyki procesu z zachowaniem sterowania procesem nakładania płynu. Takie platformy służą do wysokowydajnego i precyzyjnego nakładania np. klejów SMA lub wzmacniania układów BGA za pomocą technologii underfill wykonywanej bezkontaktowo. Platformy takie są tak wyspecjalizowane, że mają inną specyfikacje w przypadku nakładania lakierów i powłok konformalnych, a inną w przypadku nakładania klejów SMA i past lub topników.
Szczególną cechą zaawansowanych platform jest możliwość pozycjonowania dynamicznego w technologii fids-on-the-fly(TM), która skraca nieprodukcyjny czas pozycjonowania kilkakrotnie.
Zdjęcie Asymtek S-910 – High res: Nowe platformy do dispensingu są wstawiane w linię montażową wysokiej wydajności i realizują najbardziej zaawansowane procesy produkcyjne. – Źródło: NORDSON ASYMTEK)
W warstwie reologicznej należy rozpatrzyć z kolei wiele aspektów, których nie da się już zwartościować ilościowo tak, jak to zrobiliśmy z warstwą automatyczną. W tym obszarze wchodzi bowiem wiele interakcji pomiędzy podłożem, płynem montażowym, urządzeniem dozującym i warstwą automatyczną, których macierz decyzyjna jest już wielowymiarowa i posiada wiele aspektów.
Porównanie systemów nakładania płynów musi więc siłą rzeczy następować jakościowo, przy podejściu holistycznym i zrozumieniu całego procesu technologicznego, a nie jedynie porównania poszczególnych składników czy wyrwanych z kontekstu parametrów deklarowanych przez producenta.
Wybranie właściwej technologii dozowania wymaga rozważenia przynajmniej następujących aspektów, jak:
- dostosowanie systemu do płynu montażowego pod względem kompatybilności chemicznej i mechanicznej,
- panowanie nad zmianami lepkości płynu montażowego,
- uzyskanie powtarzalności dozowania dawki,
- panowanie nad sedymentacją wypełniaczy,
- stabilizacja temperatury podłoża,
- zdefiniowanie możliwości dozowania bezkontaktowego,
- kontrola rozpływu po nałożeniu,
- sposób i metoda utwardzania,
- kontrola jakości, założenie sprzężeń zwrotnych,
- raportowanie i logi produkcyjne,
- informowanie systemu zarządzania produkcją (np. FIS)
Ostatnie trzy punkty należą do warstwy automatycznej, jednak umieściłem je w zestawieniu reologicznym, gdyż do wdrożenia systemów raportowania potrzebne są odpowiednie elementy wykonawcze, bez których standardowa automatyka nie potrafi sama zmierzyć się z takimi potrzebami.
Aby to zobrazować, posłużmy się próbą wizualizacji za pomocą mozaiki, której elementy nie mają przypisanych wartości ilościowych.
W artykule tym próbowaliśmy pokazać, że porównanie systemów do nakładania, dozowania i mieszania płynów montażowych odbiega od stosowanych w branży elektronicznej zestawień np. układarek pick & place. Układy dozujące wymagają specjalistycznych podzespołów, z których wiele jest zablokowanych w rozwoju przez patenty, a większość podlega ciągłym modyfikacjom, gdyż dziedzina dozowania przemysłowego istnieje dopiero około 50 lat, co jest okresem krótkim w rozwoju techniki i standardy jeszcze nie zostały ustanowione.
Reologia należąca do mechaniki ośrodków ciągłych jest nauką młodą, doświadczenia są dopiero zdobywane i na bieżąco modyfikowane razem z powstawaniem nowych klejów, uszczelniaczy, past termoprzewodzących i zalew elektroizolacyjnych, lakierów ochronnych itp. płynów. Nawet w rozwiniętych gospodarkach dziedzina ta jest nowa i brakuje jej wykładów w uczelniach technicznych. Wiele więc odkryć możemy jeszcze dokonać w laboratoriach, i ten etap na dziś wydaje się być niezbędny w procesie wdrożenia, gdyż kupowanie „kota w worku” kończy się niejednokrotnie utopieniem morza pieniędzy w brakach, poprawkach i utracie renomy.