CC BY
76Компоненты и технологии, № 2'2003
Заказываем дозатор?!
В технологии поверхностного монтажа распространены два способа нанесения паяльных материалов на платы: трафаретная печать и дозирование. Трафаретная печать явно выигрывает у дозирования как по скорости нанесения паяльной пасты, так и по качеству. При трафаретном способе внешние факторы и квалификация оператора оказывают меньшее влияние на качество нанесения материалов. Однако дозирование также имеет право на существование, а в некоторых случаях это единственно возможный способ нанесения материалов на печатную плату.
Техі
гии
Евгений Шулика
ta@termopro.ru
Несмотря на кажущуюся простоту, трафаретный способ нанесения паяльных материалов требует знания и учета многих нюансов при разработке самого трафарета [1, 4-8]. Самостоятельное изготовление трафарета доступно не каждому предприятию, а заказ смежнику обходится в некоторую сумму денег, плюс несколько дней потребуется на согласование, изготовление и доставку. При ремонте собранных печатных плат использование трафаретов ограничено. Поэтому трафаретная печать оправдана преимущественно при серийном производстве [13].
Технология дозирования находит свою нишу при единичном и мелкосерийном производстве, а также при ремонте электронных изделий. Кроме того, с помощью дозирования можно наносить не только паяльную пасту, но также жидкие флюсы, клеи, герметики, смолы, жидкие и пластичные смазки.
Материал, предназначенный для дозирования, обычно расфасовывается в специальные картриджи различного объема, имеющие сходство с обычным медицинским шприцем. Однако, стенки картриджа гораздо толще, а короткий поршень предназначен для надежной герметизации материала и равномерной передачи на него дозирующего усилия. К картриджу при помощи резьбового соединения крепится укороченная игла. Такое крепление предотвращает «отстреливание» иглы во время работы при любом рабочем давлении.
Чтобы оптимизировать работу в зависимости от вязкости материала и объема выдавливаемой за один раз порции (дозы) материала, используются иглы различных диаметров.
Для получения равноценных доз к поршню каждый раз на одно и то же время должно быть приложено одинаковое усилие.
По способу создания такого усилия есть два типа дозаторов.
Первый тип — электромеханический дозатор, который создает необходимое усилие на поршне с помощью жесткого толкателя, приводимого в движение шаговым электродвигателем. По заявлению производителя, точность и повторяемость дозировки существенно превышает точность пневматических (см. далее) дозаторов. Кроме того, для работы не требуется сжатый воздух, а точность дозирования
не зависит от положения поршня, вязкости материала и изменения вязкости при изменении температуры. Управление осуществляется с помощью микропроцессорного блока, который позволяет задавать объем дозы в явном виде.
К недостаткам такого дозатора можно отнести большую массу механического привода, к которому крепится картридж и который во время работы приходится долго держать в руке, а также более высокую стоимость по сравнению с пневматическими дозаторами (почти в два раза). Изготовитель также не сообщает о возможности работы с жидкими материалами, которым свойственно самоистечение в промежутках между дозированием.
Второй тип — пневматические дозаторы, в которых необходимое усилие на поршне достигается за счет действия сжатого воздуха. Принцип действия таких дозаторов достаточно прост: сжатый воздух от внешнего компрессора с рабочим давлением порядка 3-6 бар проходит систему отделения влаги, масла, а также фильтр и поступает в магистраль. Очистка воздуха требуется для того, чтобы различная пневмоаппаратура, входящая в состав дозатора, не забивалась грязью и не изменяла своих свойств в течение продолжительного времени. Поскольку расход воздуха через дозатор незначителен, то к такой магистрали можно подключить и несколько дозаторов.
Сжатый воздух, поступивший в дозатор, попадает на вход регулятора давления. Давление на выходе регулятора (далее — рабочее давление) настраивается на более низкое значение, чем в магистрали, и контролируется по манометру. Принцип действия регулятора давления таков, что как бы ни менялось (в допустимых пределах) входное давление, но если оно выше настроенного значения, то рабочее давление остается стабильным. Поэтому дозаторы, подключенные к одной магистрали, не оказывают влияния на работу друг друга.
Картридж с расходным материалом герметично крепится к специальному адаптеру, соединенному с дозатором гибким шлангом. В промежутках между дозированиями полость картриджа соединена с атмосферой, а выход регулятора давления закрыт, и на нем поддерживается рабочее давление. Для выделения дозы при помощи специального клапана выход регулятора на некоторое время соединяется
Компоненты и технологии, № 2'2003
с полостью картриджа. Давление в полости быстро достигает рабочего и начинается дозирование. По истечении заданного времени клапан закрывается, полость картриджа вновь соединяется с атмосферой, избыточное давление в нем быстро падает до атмосферного, и дозирование прекращается. Таким образом, при заданной вязкости материала объем выделяемой дозы зависит от двух основных факторов — рабочего давления и времени, на которое открывается клапан.
Чаще всего при поверхностном монтаже дозируется паяльная паста, поэтому ее свойства должны максимально соответствовать этому процессу. Для того чтобы пасту было легко «продавить» через тонкое отверстие иглы, частицы припоя должны быть минимальных размеров (обычно 20-50 мкм). Паста должна быть однородной и содержать минимальное количество воздуха. После заправки под поршнем не должно оставаться воздушных пузырей. При хранении в картридже паста не должна расслаиваться, поэтому количество флюсующего компонента не должно быть избыточным и точно подбирается при изготовлении. Предъявляемые требования достаточно высоки, и их соблюдение возможно только при наличии соответствующих технологий и оборудования [9, 10, 12]. Паяльные пасты, предназначенные для дозирования, отличаются по свойствам от паст, предназначенных для нанесения через трафарет, и не всегда могут быть ими заменены.
Рассмотрим факторы, влияющие на точность дозирования в пневматических дозаторах.
Первый фактор — изменение вязкости пасты в зависимости от температуры.
Для продления срока службы закрытые картриджи с паяльной пастой рекомендуется хранить в холодильнике в горизонтальном положении, периодически поворачивая их вокруг продольной оси. Перед началом работы картридж следует прогреть, поскольку ясно, что при одинаковой настройке дозатора объем дозы холодной пасты и объем дозы после того, как картридж прогреется в руке оператора (а вязкость пасты несколько снизится), будут различаться. Практика показывает, что вязкость хорошей пасты не существенно изменяется при ее нагреве на 10-15 градусов, и погрешности в объеме доз имеют приемлемое значение. При необходимости погрешность можно компенсировать посредством настройки дозатора или принять меры к термоизоляции картриджа.
Второй фактор — в пневматическом дозаторе упругая деформация картриджа не влияет на точность дозирования, поскольку весь корпус картриджа (а также соединительный шланг), независимо от остатка пасты, всегда находится под одинаковым давлением. Эта деформация компенсируется при настройке дозатора.
Третьим фактором является увеличение времени установления рабочего давления в картридже по мере расхода в нем пасты, а также увеличение времени сброса воздуха из картриджа по завершении дозы. Как показали эксперименты, при неизменной скорости накачки, равной 450 см3, рабочем давле-
Технологии
нии 2 бар, длительности дозирования 1 с и неизменной вязкости погрешность объема дозы при завершении пасты в картридже по отношению к объему дозы, выделенной из полного картриджа, составляет не более 5%.
В общем случае эта погрешность уменьшается по мере повышения рабочего давления и увеличения времени выделения дозы.
Пневмопроцессор-дозатор ПП-34
При разработке этого изделия закладывался принцип многофункциональности, позволяющий заказчику получить в одном корпусе набор тех функциональных блоков, которые нужны ему на одном рабочем месте.
На основе единой микропроцессорной системы управления функционируют два пневмоблока. В дополнение к ним в корпус изделия по выбору может быть установлен один из терморегуляторов, описанных в литературе [3, 11], для подключения прибора нижнего подогрева печатных плат и микрофена.
Таким образом, установка полного набора блоков в одном корпусе существенно экономит рабочее пространство и полезна в случае выполнения всех технологических операций на одном рабочем месте, например, при ремонтных работах.
Блок пневматического дозирования Этот блок для своей работы требует внешнего источника очищенного воздуха (до 10 мкм) с давлением 3-6 бар. Встроенный регулятор давления и манометр позволяют устранить влияние других потребителей, подключенных к тому же источнику воздуха, и легко установить рабочее давление для осуществления точного дозирования как вязких, так и жидких материалов. Регулируемый таймер гарантирует высокую точность и повторяемость дозировки. Дозирование может осуществляться в одном из четырех режимов:
• непрерывное дозирование (по нажатию педали);
• триггерное дозирование (одно нажатие педали — начало процесса дозирования, второе нажатие — завершение процесса);
• дискретное дозирование (по установке таймера дозы);
• автоматический повтор дискретных доз через заданный интервал времени (по установке таймера дозы и таймера интервала). Настройка величины дозы осуществляется
с помощью регулировки рабочего давления и длительности времени, на которое это дав-
ление подается в картридж. Для дозирования вязких материалов, например, паяльной пасты, следует устанавливать более высокое давление, а для более жидких — низкое.
Для предотвращения самопроизвольного выделения слабовязких материалов из дозирующей иглы изделие может быть оснащено устройством регулируемой вакуумной отсечки.
В конструкции этого блока применяются пневматические элементы итальянского производства, сертифицированного по стандарту UNI EN ISO 9001. Непосредственно перед исполнительным клапаном, от работы которого зависит точность дозирования, установлен дополнительный фильтр тонкой очистки (рис. 1). Дополнительный объем сжатого воздуха внутри колбы фильтра улучшает динамику накачки и снижает погрешность дозирования.
Блок низкого давления Этот блок предназначен для питания микрофена МФ-100 воздухом и управления работой ручного вакуумного манипулятора. Подачу воздуха и генерацию вакуума обеспечивает встроенный регулируемый малогабаритный насос-компрессор. Очищенный воздух подается на консоль подключения микрофена МФ-100.
Электронная система управления с помощью специального клапана позволяет выбрать один из четырех способов реакции вакуумного манипулятора ВМ-01, подключенного к вакуумной консоли, на нажатие кнопки «ПУСК» или педали:
• включение вакуума при нажатии кнопки;
• отключение вакуума при нажатии кнопки;
• триггерное включение и выключение вакуума поочередно после каждого нажатия;
• запуск автоматического режима включения вакуума на заданный период времени через заданный интервал.
Система управления
Микропроцессорная система управления и индикации режимов обеспечивает оператору четкий и полный контроль над изделием. Управление можно осуществлять как с лицевой панели, так и дистанционно. Для этого предназначен настольный манипулятор типа «мышь» и ножная педаль (поставляется дополнительно). Мышка имеет три кнопки. Одна кнопка управляет дозированием или включением вакуума на консоли вакуумного манипулятора. Вторая кнопка позволяет быстро выбрать режим дозирования или режим работы вакуумного манипулятора. Третья кнопка используется только при работе ваку-
-Q-
Рис. 1.
е
Компоненты и технологии, № 2'2003
умного манипулятора и включает форсаж компрессора для временного получения максимального вакуума. Это может быть удобным в том случае, когда работа идет на малом вакууме и тонкой иглой требуется захватить более крупный элемент.
При необходимости в поставку может быть включена шина внешнего управления для связи прибора с внешним оборудованием.
Пневмопроцессор в полной конфигурации (рис. 2), включающий:
• дозатор, оснащенный вакуумной отсечкой;
• регулируемую консоль питания воздухом микрофена МФ-100;
• регулируемую консоль для подключения и управления работой вакуумного манипулятора ВМ-01;
• встроенный двухканальный терморегулятор ТП 2-10 для управления работой прибора нижнего подогрева НП 12-10 (НП 17-12, НП 24-17) и микрофена МФ-100. МММ
Литература
1. Парфенов А. Н. О топологии контактов печатных плат для пайки микросхем // МРП ССР. ИСЛ № 019450, август 1969 г.
2. Шулика Е. Прибор Термоскоп — сделано в России // Компоненты и технологии. 2000. № 6.
3. Шулика Е. Не гадайте на паяльной пасте, просто измерьте термопрофиль // Компоненты и технологии. 2002. № 6.
4. http://www.smtservice.ru/stencil.htm
Техі
ии
5. http://www.smtservice.ru/basical_princi-ples.htm
6. http://www.smtservice.ru/glossary.htm
7. http://www.ooo-raduga.narod.ru/razvodka. Ыш
8. http://www.ooo-raduga.narod.ru/trafaret-naya_pechat.htm
9. http://www.mettatron.ru/paste_951.html
10. http://www.infoline.ru/g23/7148/
11. http://www.termopro.ru
12. Парфенов А. Н. Технологические материалы для поверхностного монтажа // Компоненты и технологии. 1999. № 4.
13. Парфенов А. Элементарная технология поверхностного монтажа // Практическая силовая электроника. 2002. № 6.
