Kupujemy falę selektywną

Wymagania z punktu widzenia potrzeb firmy

Pierwszym krokiem w wyborze systemu lutowania selektywnego jest przegląd potrzeb organizacji w chwili obecnej i w przewidywalnej przyszłości. Obejmuje to planowaną do produkcji ilość układów, przewidywany przyszły wzrost i wymagania klientów, w tym maksymalny rozmiar PCB i asortyment wytwarzanych produktów. Należy również wziąć pod uwagę złożoność projektów przyszłych produktów oraz to, czy tryb pracy będzie wymagał samodzielnego systemu do produkcji seryjnej lub niskoseryjnej, czy też systemu mogącego pracować w linii produkcyjnej do obsługi dużych serii.

Kluczowym wymogiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze systemu lutowania selektywnego, jest połączenie elementów przewlekanych i elementów SMT, które będą zawierać przyszłe produkty. Definiuje to połączenia lutownicze, jakie system lutowania selektywnego będzie musiał wytworzyć, co z kolei determinuje typy wymaganych dysz lutowniczych. Jeśli nie można określić złożoności przyszłych produktów wraz z mieszanką elementów SMT i przewlekanych, rozsądnym podejściem jest, aby elastyczność systemu lutowania selektywnego była głównym czynnikiem decydującym w procesie podejmowania decyzji.

Przegląd specyfikacji i funkcji

Podczas przeprowadzania porównań kandydujących selektywnych systemów lutowania należy wziąć pod uwagę wszystkie specyfikacje sprzętu i cechy systemu. Obejmują one maksymalny rozmiar płytki, zgodność stosowania topnika, wymagany odstęp od krawędzi płytki i odstęp między komponentami nad i pod PCB. Inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę, to pojemność tygla lutowniczego, wykrywanie wysokości fali lutowania, dostępne rozmiary dysz lutowniczych, wymagane odstępy pomiędzy dyszami, kontrola wyrównania fiduciali, możliwość wstępnego podgrzewania, a także dokładność i powtarzalność osi X, Y i Z.

Równie ważne są takie czynniki, jak łatwość programowania, zużycie materiałów eksploatacyjnych (tj. azot i lutowie), udzielanie gwarancje, a także dostępność aktualizacji oprogramowania bez dodatkowych kosztów.

Kluczowe parametry procesu

Wśród parametrów procesu związanych z lutowaniem selektywnym, najważniejsze są dokładność pozycjonowania X-Y, sposób dozowania topnika, kontrola wysokości fali lutu i wydajność podgrzewania wstępnego. Dokładność i powtarzalność zarówno dozowania topnika, jak i lutowia ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia dokładnej aplikacji topnika i utworzenia optymalnego złącza lutowniczego. Powtarzalność i spójność wysokości fali lutowia jest wymagana, aby zapewnić utrzymanie kontaktu pomiędzy falą lutowia a spodem płytki drukowanej przez cały cykl lutowania. Temperatura wstępnego podgrzania musi zostać osiągnięta przed i w trakcie całego cyklu lutowania, aby właściwie aktywować ciała stałe zawarte w płynnym topniku i odparować jego bazę (alkohol lub wodę).

Zagadnienia o szczególnym znaczeniu

Aplikacja topnika

Topniki do lutowania selektywnego są dostępne w wielu typach: utworzone na bazie alkoholu, wody czy kalafonii, topniki no-clean, topniki o niskim pH i topniki o wysokiej zawartości cząstek stałych. Wybór konkretnego typu topnika do procesu lutowania selektywnego jest determinowany przez końcowe zastosowanie produktu i ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia połączenia lutowanego o dużej  integralności.

Kryteria wyboru składu topnika powinny opierać się na stopniu lutowalności łączonych, metalowych powierzchni. Metalowe powierzchnie, które można łatwo lutować, w tym platynowe złoto, miedź, cyna-srebro lub pallad-srebro można zwykle lutować za pomocą topnika no-clean czy też nieaktywowanego lub łagodnie aktywowanego topnika na bazie kalafonii. Metale, które są trudniejsze do lutowania, takie jak niklowany mosiądz, brąz kadmowo-ołowiowy lub miedź berylowa, zazwyczaj wymagają albo w pełni aktywowanego topnika na bazie kalafonii lub topnika organicznego/nieorganicznego na bazie wody. W ostatnim przypadku, w większości przypadków wymagane jest czyszczenie PCB po lutowaniu.

Dozowniki kropelkowe są idealne do topników no-clean oraz topników o niskiej zawartości cząstek stałych, ale niespecjalnie nadają się do stosowania z innymi typami topników. Większość dozowników kropelkowych dostępnych na rynku ma ograniczenie maksymalnej zawartości cząstek stałych do 8%, powyżej którego mogą potencjalnie zatykać się i nie działać prawidłowo. Niektórzy dostawcy sprzętu do lutowania selektywnego wręcz wskazują, że ich gwarancja na urządzenie będzie nieważna, jeśli ich dozownik kropelkowy będzie używany z innym topnikiem niż topnik o niskiej zawartości cząstek stałych, tj. poniżej 8%. Ponadto trzeba zauważyć, iż niektórzy z tych dostawców nie oferują innych aplikatorów topnika.

Jakość i przepustowość

Pierwszym krokiem w pomiarze jakości systemu do lutowania selektywnego jest przegląd PCB aktualnie produkowanych na selektywie lub fali z różnymi typami komponentów przewlekanych, takimi jak złącza, komponenty o drobnym rastrze lub kondensatory, oraz porównanie wyników w oparciu o próbną produkcję. Sugeruje się, aby wybrać PCB zawierające miedziane pola rozpraszające i płytki wielowarstwowe oraz udokumentować wyniki jakości za pomocą obrazowania rentgenowskiego.

Aby w pełni ocenić przydatność operacyjną systemu do lutowania selektywnego, należy przeprowadzić dodatkową próbę na większej partii produkcyjnej, celem określenia czasu cyklu i przepustowości jednostek na godzinę (UPH).

Koszty operacyjne

Zużycie materiałów eksploatacyjnych, takich jak azot i lutowie kompensujące powstający żużel, stanowi główne bieżące koszty operacyjne potencjalnego systemu do lutowania selektywnego. Preferowane jest zużycie azotu na poziomie około 1,1 metra sześciennego na godzinę. Ważnym czynnikiem jest też ilość generowanego żużlu: jako punkt odniesienia można przyjąć 42 gramów w ciągu 8 godzin. Należy również rozważyć system pod kątem czasu konserwacji, minimalizując czas/koszty przestojów. Jako benchmark można przyjąć 30 minut na czyszczenie tygla lutowniczego co 80 godzin.

Artykuł oparto na dokumencie 'Practical Methods for Evaluating and Qualifying Selective Soldering Systems' autorstwa Henry'ego Reid z Hentec Industries/RPS Automation  

Zdjęcie tytułowe: © Kurtz Ersa