Profilarea Termica Pentru Procesul de Llpire cu Val

CAPITOLUL 1

PROCESUL DE PRODUCȚIE AL PLĂCILOR ELECTRONICE

1.1. Definirea procesului de producție

În procesul de producție al unui produs sunt cuprinse anumite faze prin care trebuie să treacă un produs, cu scopul îndeplinirii anumitor funcționalități ce trebuie să fie în concordanță cu cerințele clienților, și care, de asemenea, trebuie să respecte anumite legislații specifice țării în care este folosit. Întreprinderile industriale au ca și activitate principală obținerea produselor și bunurilor materiale rezultate în urma desfășurării procesului de producție.

Obținerea bunurilor materiale presupune dotarea întreprinderii cu ansamblul de materii prime și materiale, denumite și obiecte ale muncii, preluate din natură sau care reprezintă rezultatul altor activități. Prin procesul de prelucrare al acestora, prin mijloace de muncă acționate sau supravegheate de către om, se vor obține bunurile economice ce sunt destinate satisfacerii nevoilor de consum ale societății.

În activitatea de producție este cuprinsă fabricarea propriu-zisă a bunurilor materiale industriale, activitate ce se realizează cu ajutorul procesului de producție industrial și cu ajutorul lucrărilor de cercetare și asimilare în fabricație a noilor produse, acestea fiind legate direct de activitatea de fabricarea propiu-zisă. Desfășurarea procesului de producție este condiționată, totuși, de câțiva factori. Printre acești factori se enumeră umătorii :

– forța de muncă;

– obiectele muncii, adică resursele naturale;

– mijloacele de muncă, adică capitalul;

– procesele tehnologice.

Prin prisma unui raport tehnico-material, prin proces de producție înțelegem totalitatea proceselor tehnologice, a proceselor de muncă și a proceselor naturale. Această totalitate concură la dobândirea produselor sau la executarea lucrărilor și serviciilor, fapt ce reprezintă obiectul de activitate al acestor întreprinderi. Realizarea activității de producție se face prin intermediul procesului de producție, a cărui desfășurare este condiționată de diverși factori.

Procesul de producție într-o firmă de fabricare a plăcilor electronice (PCB sau Printed Board Circuit) exprimă totalitatea acțiunilor, cunoștințe ale oamenilor (know-how) care acționează cu ajutorul mijloacelor de muncă (mașini SMD, mașini de lipire cu val,etc.) asupra obiectelor muncii, conform unui anumit flux tehnologic prestabilit, efectuat în vederea transformării lor în bunuri materiale menite consumului individual sau consumului productiv, dar și a proceselor naturale care au ca scop metamorfozarea obiectelor muncii.

Procesul tehnologic cuprinde ansamblul tuturor operațiilor tehnologice prin care este realizat un produs sau repere componente ale acestuia. Procesul tehnologic acționează atât la nivel de forma, cât și la nivel de structura și compoziție chimică a materiilor prime ce sunt prelucrate. Procesul de muncă este procesul prin care factorul uman acționează asupra obiectelor muncii.

1.2.Fazele prin care trece o placă electronică pentru a ajunge produs finit

Departamentul SMD

În momentul în care plăcile au ajuns în acest departament are loc etichetarea acestora de către mașinile de etichetare automate. Etichetele acestea oferă informații despre placă, precum: data la care s-au primit PCB-urile în magazie, lotul din care ele fac parte, data în care au fost puse în kiturile de producție, linia pe care urmează să fie asamblate, operatorii care au realizat verificarea lotului. Aceste informații sunt introduse, prin scanare, de către un operator, cu ajutorul unui cititor de cod de bare la fiecare etapă în care se află PCB-ul și prin înregistrarea acestora într-o bază de date. Uneori, unele plăci sunt ținute la cuptor, la uscat, 2 ore înainte de a fi trimise în producție, fiindcă sunt umede din fabricație, fapt care cauzează probleme la lipituri (provoacă insuficiență). Tot aici se mai pun și componentele pe feedere, iar procesoarele se pun în tăvițe speciale pentru a posibilitatea absorbirii acesora de către brațele roboților ce aparțin mașinilor de montare ale componentelor SMD, pentru posibilitatea printării PCB-urilor cu pastă de lipire fără PB (plumb), pentru montarea componentelor de către mașina de plantare automată pe PCB.

Reflow-ul reprezintă trecerea plăcilor printr-un cuptor care are mai multe zone de temperatură și cu un profil definit de inginerii de proces, în vederea solidificării pastei de lipit. Verificare componentelor pe partea de top cu mașina AOI – Automatical Optical Inspection(sunt detectate componentele deplasate, componentele nelipite, scurt-urile, componentele lipsă, insuficiență, polaritate). Pe partea superioară, adică bottom side, plăcile sunt printate cu lipici, iar peste acest lipici sunt montate componentele cu ajutorul mașinilor SMD pe placa prototip. Ulterior, placa este trecută prin cuptor, cu un anumit profil de temperatură dedicat pentru lipici (un profil un pic mai rece ca să nu se desprindă componentele SMD montate pe partea de top a plăci prototip).

B) Departamentul de pregătire a componentelor

În acest stadiu are loc pregătirea componentelor THT, tăierea pinilor cu ajutorul mașinii de tăiat, modelarea componentelor cu ajutorul mașinii automate de modelat și plasarea acestora în cutii, etichetarea cu numele componentei și cu codurile de bare pentru identificarea ușoară a acestora, de către operatorul ce se ocupă cu implantarea manuală a componentelor pe partea de top. Plăcile care au fost verificate și pe care componentele au fost montate sunt puse mai apoi în rack-uri speciale, acestea fiind așezare într-o zonă marcată pentru montarea componentelor.

C) Faza montării componentelor THT

În această fază sunt montate radiatoarele pe placă cu șuruburi. Sunt fixate componentele cu șuruburi pe radiatoare, iar șuruburile cu care sunt fixate radiatoarele vor fi acoperite cu smac pe partea de bot pentru evitarea prinderii cositorului de caperele șuruburilor. Componentele THT se pun în găurile corespunzătoare de pe placă conform documentației tehnice.

Plăcile sunt verificate ulterior de operatorii responsabili cu calitatea, pentru a ne asigura că fiecare componentă este montată la locul ei, iar dacă s-au comis greșeli de către operatorii de la montarea componentelor, aceștia sunt informați de către responsabili de la calitate pentru ca aceste greșeli să nu mai fie repetate.

D) Faza lipirii cu mașina cu val de cositor

Placa se așază în ramă și apoi pe lanțul conveiorului. Cu ajutorul conveiorului placa trece prin mașină peste cele două valuri. Astfel are loc lipirea acesteia. Placa iese din mașina cu toate lipiturile efectuate.

E) Verificarea vizuală a plăcilor de către operatori

Sunt verificate lipiturile atât la componentele SMD cât și la componentele THT. Se verifică și dacă cositorul a urcat suficient în găuri. Operatorii verifică dacă componentele stau lipite de placa electronică și să nu depășească o anumită înălțime. De asemenea, este verificată și montarea componentelor, și anume dacă sunt în conformitate cu documentația tehnică. Se mai verifică și valorile componentelor, etc.

F) Faza testării – ICT (testare în circuit de testare)

Aici se verifică pe standuri de test și se urmărește dacă placa îndeplinește criteriile și cerințele impuse de client, din punct de vedere al funcționalității, se verifică dacă traseele de pe placă nu prezintă întreruperi, etc. De asemenea, în unele proiecte plăcile sunt testate și funcțional, iar placa este montată pe anumite echipamente reale și este verificată din punct de vedere al comportamentului ei funcțional.

G) Faza lăcuirii plăcii

Înainte de faza de lăcuire trebuie verificat aspectul îndeplinirii tuturor cerințelor clientului și dacă placa este potrivită cu documentația. În vederea pregătirii plăcilor înainte de lăcuire, se suflă cu aer comprimat și este curățată de celelalte impurități. Lăcuirea este efectuată în mod automat cu mașina de lăcuit, ulterior placa este pusă la uscat în cuptor.

H) Faza controlului calității

După ce lăcuirea are loc, plăcile sunt verificate de către inginerii de calitate cu ajutorul neoanelor cu raze ultraviolete pentru observarea corespunderii lacului cu normele de calitate. Sunt verificate aleator unele dintre plăci dacă au componentele montate conform documentației și dacă unele dintre cerințele speciale ale clientului sunt îndeplinite. Dacă totul este în regulă, plăcile sunt plasate în cutii speciale ESD. Plăcile sunt așezate pe paleți, iar mai apoi sunt depozitate în magazie pentru următorul stadiu prin trimiterea acestora către clienți.

1.3. Fluxul procesului de producție al plăcilor electronice

Pentru a ajunge în starea de produs finit plăcile electronice trebuie să treacă prin anumite faze ale procesului de producție, conform reprezentării diagramei bloc de producție al plăcilor electronice. Acest lucru este reprezentat și în figura 1. Firma poate asigura calitatea plăcilor electronice pe care le asamblează prin implementarea acestor pași. În cazul în auditurilor interne, provenite de la clienți, cât și în cazul auditurilor pentru certificare IPC, toți pașii din proces sunt verificați cu mare atenție. Se verifică respectarea acestor pași.

Figura 1.1.Diagrama bloc a fluxului procesului de producție

CAPITOLUL 2

TEHNOLOGIA DE LIPIRE A PLĂCILOR ELECTRONICE

CU VAL DE COSITOR

2.1.Procesul de lipire cu val de cositor

Lipirea cu val de cositor reprezintă un proces în care productivitatea este ridicată. El se desfășoară pe scară largă și oferă posibilitatea asamblării prin lipire a componentelor electronice pe plăcile cu cablajul imprimat. Această „metodă” a fost concepută pentru prima dată în 1956. În acest timp tehnologia plăcilor cu circuite imprimate era reintrodusă de către USA în Europa, loc în care își avea, de fapt, originea încă din 1941, numai că din cauza războiului continuitatea nu a mai avut loc, astfel renunțându-se la această tehnologie. Tehnologia SMD (Sourface mounted devices) nu apăruse încă, și toate componentele erau trecute prin placă fără ca acestea să fie obstrucționate, lipirea acestora fiind realizată manual pe partea inferioară a plăcii, punct cu punct.

Automatizarea acestora era un lucru destul de dificil și de scump de realizat. Tehnologia aceasta a pornit de la idea de a pompa cositor topit printr-o duză așezându-l pe acesta sub o placă care trebuia lipită astfel dându-se naștere tehnologiei de lipire cu val de cositor. Metoda s-a dovedit a fi cea mai simplă metodă pentru lipirea tuturor punctelor de pe placa electronică printr-o singură operație. Metoda fiind și soluția cea mai economică pentru lipirea în cantități mari a plăcilor cu circuite imprimate. Având toate punctele dispuse în plan și pe o suprafață dreaptă aliajul sau cositorul topit poate ușor să umple fiecare punct de pe placa electronică.

Introducerea solder-maskului, mai târziu, a făcut ca lipiturile să fie mai curate și inspecția vizuală mult mai ușoară. Solder-mask’ul este un strat subțire de lac, precum lacul de polimer, care este utilizat pentru prevenirea oxidării și formării puntilor dintre două pad-uri apropiate. Prin anii șaizeci, datorită introducerii componentelor SMD care începuseră sa fie folosite împreună cu cele THT (trough hole technology), au devenit cunoscute plăcile de circuit imprimat din material epoxidic. Acestea au început să se dezvolte și să fie utilizate atât în tehnologia SMD cât și THT pe aceeași placă electronică, fiind lipite cu ajutorul mașinilor de lipire cu val.

Un exemplu al unei mașini de lipire cu val, utilizată și în cadrul companiei este prezentată în figura 2.1 și figura 2.2.

Figura 2.1. Mașină cu tehnologie de lipire cu val – vedere din față

Figura 2.2.Mașină cu tehnologie de lipire cu val – vedere din interior

Această mașină este un sistem de lipire cu val proiectată într-un mod meticulos și avansat pentru producția la scară largă și cu volum mare. Mașina utilizată în cadrul companiei este de tip ELECTRA care oferă o flexibilitate mare procesului și rezultate de clasă mondială procesului de lipire.

Denumirea de lipire cu val provine din procesul în sine efectuat, mai exact de la valul de cositor, ce se află în stare lichidă, peste care, cu ajutorul unui conveior, trece plăcuța electronică în scopul lipirii terminalelor componentelor electronice, proces realizat la nivelul inferior al plăcuței, adică pe bottom side. Tehnologia de lipire a plăcilor electronice cu val de cositor este un procedeu tehnologic convențional, am putea spune, dar care și-a menținut până în prezent un rol important în procesul de producție al electronicii.

Procedeul tehnologic de lipire presupune unirea, prin topirea la cald, a două sau mai multe metale în care se folosește un metal de adaos, denumit și ca aliaj de lipit, diferit de metalele de bază. Căldura aplicată determină topirea și tragerea metalelor în comun prin capilaritate și leagă materialele ce urmează să fie unite prin acțiunea umectării, iar după racire cositorirea rezultată oferă puterea mecanică și conductivitatea electrică adecvată.

Procesul este dedicat acțiunii de cositorire a componentelor electronice cu terminale (through hole components/devices – THD) plantate pe partea superioară a plăcii a căror terminale trec prin găuri prin placă (throughhole printed circuit assemblies), iar din acest motiv are denumirea prescurtată THT (through hole techology).

Această tehnologie, denumită acum THT, permite și lipirea componentelor asamblate prin lipire pe suprafață (SMD – surface mount devices). În acest caz, componentele SMD ce urmează să fie lipite pe partea inferioară a plăcii electronice, pentru a fi menținute în timpul procesului, în mod special la trecerea prin val, necesită în prealabil menținerea lor pe partea inferioară a plăcii cu adeziv epoxidic. Această tehnologie este încă larg utilizată datorită componentelor de putere sau a altor componente pentru care este necesara păstrarea terminalelor.

Contactarea prin lipire realizeaza funcții precum :

– funcția electrică; Astfel, la conectarea dispozitivelor și componentelor electronice în structura cablajului imprimat conform unei scheme electrice predefinite este asigurată continuitatea electrică a circuitelor electronice;

– funcția mecanică, prin asigurarea rezistenței și integrității mecanice a ansamblului printed board circuit, adică la montarea dispozitivelor și componentelor electronice pe placa de cablaj imprimat;

– funcția termică, asigurând transferul prin conducție a căldurii generate de componentele electronice în funcționare și preluarea prin terminale.

Astfel, în procesul de contactare sau lipire cu transfer de căldură avem mai multe tipuri de lipituri :

– lipituri moi, atunci când temperatura de topire a aliajului de topit este cu mult mai mică decât cea a metalelor de bază;

– lipituri tari, atunci când temperatura de topire a aliajului de topit este comparabilă cu temperatura metalelor de bază;

La contactul dintre aliajul de lipit topit, care se află în stare lichidă, și metalele de bază ce sunt în stare solidă apar anumite procese fizico-chimice, acestea condiționând lipirea. La realizarea contactului prin lipire apar anumite caracteristici, precum:

1. Caracteristicile electrice, adică rezistivitatea foarte mică; densitatea de curent admisă; Caracteristicile electrice sunt determinate de caracteristicile de material ce le prezintă aliajul de lipit și de parametrii procesului care influențează sau determină structura lipiturii.

2. Caracteristicile mecanice: rezistența față de acțiunea combinată a factorilor mecano-climatici, vibratțile, șocurile și variațiile termice. În cazul componentelor montate cu terminale acestora prin gaură, lipitura îmbracă terminalele și urcă prin capilaritate prin gaură.

Pe lângă lipitură, un rol important îl are și terminalul trecut prin gaură – aspect privit din punct de vedere al asamblării mecanice a componentei. În cazul componentelor SMD (Sourface mounted device), prinderea mecanică a componentei pe placa electronică este asigurată de lipitură, rezistența ei la solicitările mecanice fiind determinată de volumul de aliaj ce se va depune. Se consideră din acest motiv că în acest caz marginea de siguarnță mecanică a lipiturii este redusă;

3. Caracteristicile termice: conductibilitatea termică este foarte bună fiind determinată de caracteristicile de material ale aliajului de lipit și de parametrii procesului care influențează structura lipiturii;

4. Caracteristicile fizico-chimice de material și proces: apare rezistența la oxidare care este asigurată prin calitățile aliajului, fiind un rezultat al procesului de asamblare prin protecție; Pentru a se putea realiza lipirea trebuie ca metalele de bază să fie umectate de aliajul de lipit topit, pentru ca între cele două materiale să se stabilească legături strânse.

Umectarea este de fapt relația dintre timpul de umectare și forța de umectare. Viteza și forța mare de umectare sunt obiective urmărite în procesul de lipire. Umectarea bună va fi posibilă dacă suprafețele metalelor și ale aliajului sunt perfect curate pe toată durata procesului de lipire. Un aport signifiant în procesul de lipire îl aduce tensiunea de suprafață, forța adezivă și acțiunea de capilaritate.

Un alt aspect important în procesul de lipire este proprietatea cositorului de a se răspândi pe o suprafața de contact. Aceasta constă în interacțiunea dintre forțele opuse, precum forța de umectare și tensiunea de suprafață. Existența capilarității este determinată de tensiunile superficiale, mai ales ale aliajului în stare lichidă și dintre metalele de bază și aliajul lichid, fenomen deosebit de important la lipirea pieselor electronice. În urma capilarității, aliajul topit pătrunde și umple spațiile înguste dintre piese, fapt ce asigură lipirea; fenomen numit adesea lipire capilară.

Fenomenul de capilaritate apare dacă interstițiile sunt destul de mici (sub 0,25 mm) și este favorizată de rugozitățile mici ale suprafețelor, mai ales dacă sunt sub formă de canale, numite și rizuri; Pe suprafețe lustruite capilaritatea este redusă, întinderea fiind slabă, astfel se recomandă ca suprafețele, mai ales cele de cupru, să aibă aspect „satinat” – asperități mici. Capilaritate poate fi definită ca fiind un fenomen ce apare în urma interacțiunilor dintre moleculele de lichid și solid pe suprafața lor de separare.

2.2. Configurația mașinii cu tehnologie de lipire cu val

Procesul de lipire cu val de cositor este realizat la nivel industrial cu ajutorul unor mașini specializate, care au o structură principial comună, corespunzătoare cerințelor impuse de necesitatea pregătirii în mod sigur a parametrilor procesului de lipire. Prin asigurarea unui sistem de transport al plăcii plantate între zona de plantare a componentelor, fie că este manual și / sau automat, mașina de lipit cu val și zona de control a plăcii asamblate, se crează o linie tehnologică de lipire cu val (wave soldering line).

Plăcile electronice plantate sunt vehiculate prin sistemul de transport cu benzi transportoare prin prindere directă sau indirectă. Prinderea indirectă presupune utilizarea unor cadre specializate, cum este reprezentat și în imaginea din figura 2.3. Pot fi transportate și prin prinderea directă a acestora prin utilizarea unor agrafe, dar în cazul prinderii directe plăcile electronice vor fi prevăzute bare de protecție la patrunderea în val.

Figura 2.3.PCB transportat cu ajutorul cadrului specializat

În procesul de lipire sunt câteva faze importante prin care trece placa electronică până când ajunge să treacă peste valul de cositor pentru a fi lipită, cum este reprezentat și în figura 2.4. O primă fază este cea în care este depus fluxul. În a doua fază placa electronică ajunge în zona de preîncălzire, urmând astfel să ajungă și în cea de – a treia fază când deja placa se află în zona valului de lipit, unde placa trece peste valul de cositor, fiind astfel lipită.

Pe langă toate aceste faze relevante, întâlnim și faza de evacuare. În zona de evacuare este controlat fluxul de aer. Prea mult sau prea puțin aer poate sa încălzească sau să răcească mașina prea mult, fapt care cauzează defecte în lipire. Dar toate aceste faze nu le-am putea realiza daca nu ar fi conveiorul mașinii de lipire cu val. Cu ajutorul acestuia placa electronică ajunge în fiecare zona specifică și necesară acestui proces de lipire cu val de cositor.

Figura 2.4. Fazele procesului de lipire cu val de cositor

Mașinile cu tehnologie de lipire cu val au o structură serială pe zone specializate pentru zona de aplicare a flux-ului, pentru preîncălzirea plăcii, pentru trecerea plăcii deasupra valului de lipire, pentru răcire și în funcție de tipul flux-ului utilizat și pentru curățare.

Fluxul este substanța care facilitează procesul de lipire, prin curățarea chimică a suprafețelor metalice care intervin direct în lipitură. Flux-ul este utilizat pentru rolul ce îl are în susținerea umectării și a transferului termic de căldură și pentru că acesta asistă la formarea adecvată a lipiturii.

Acesta îndepărtează oxizii de pe suprafețele plăcilor și le protejează împotriva re-oxidării. Selecția fluxului depinde de capacitatea componentelor și a plăcilor de a se lipi și de cerințele clienților. Flux-urile sunt de mai multe tipuri : flux bazat pe colofoniu și flux solubil în apă. După lipire rezidurile de flux sunt lăsate în urmă pe PCB’uri. În funcție de tipul de flux este posibil să fie necesar ca rezidurile sa fie îndepărtate pentru a se evita erorile electrice și de coroziune.

În cadrul companiei sunt utilizate aplicatoare de flux, precum spray-urile și ultrasonicele sau o combinație a ambelor tehnologii. Este foarte important să se obțină, ca și alți parametri de altfel, cantitatea adecvată de flux în vederea unor rezultate optime. În cazul în care cantitatea de flux depusă este insuficientă pot să apară defecte precum: umpleri sărace ale găurilor plăcii, non-umectare sau de-umectare, legături între componentele apropiate (bridging), deschizături, etc.

De asemenea, și în cazul în care este depusă o cantitate prea mare de flux apare defecte la lipitură. În urma excesului de flux pot surveni defecte precum : reziduri excesive, goluri în lipitură, bile de aliaj, aliaj în exces, etc.

Faza de preîncălzire este importantă pentru evaporarea solventului din flux, pentru transferul termic și pentru activarea flux-ului. Această fază ne ajută sa prevenim și să evităm șocurile termice ale componentelor și plăcilor electronice și este de mare folos și în lipirea componentelor through – hole de pe partea superioară a plăcii. Temperatura de pe partea superioară a plăcii trebuie să fie mai mare de 99° C pentru flux-urile bazate pe apă. Dacă temperatura pe partea superioară a plăcii este foarte ridicată, de exemplu, dacă este mai mare de 135° C, poate face ca flux-ul să înceapă să ardă, ulterior rezultând o condiție săracă a aliajului și defecte în lipitură.

Figura 2.5. Exemplul unui profil termic de preîncălzire

În această figură se observă cum temperatura plăcii crește treptat. Este posibilă creșterea temperaturii chiar și de la cea a camerei până la temperatura dorită. În configurația mașinii Electra, cea utilizată în cadrul companiei, sunt trei zone ale etapei de preîncălzire. Voi începe cu zona cea mai îndepărtată de zona valului de cositor. Aceasta este zona 3, cea mai îndepărtată de zona în care are loc lipirea efectivă și totodată cea mai apropiată de zona în care se aplică flux-ul. Sunt cunoscute trei mecanisme de transmitere a căldurii :

Transmiterea prin conducție;

Transmiterea prin convecție. Acest mod de transmitere este, de asemenea, de două tipuri : liberă sau forțată;

Transmiterea prin radiație.

În această zonă transmiterea căldurii are loc prin mecanismul convecției, pe partea inferioară a plăcii. După zona convecției urmează zona 2, unde are loc transmiterea căldurii, atât pe partea superioară cât și pe cea superioară a plăcii, prin mecanismul convecției. Datorită configurației mașinii de lipire cu tehnologia la val, Electra, este utilizat doar mecanismul convecției forțate și cel prin radiație. În cele din urma, în zona 1 are loc preîncălzirea prin mecanismul radiației infraroșie atât pe partea inferioară, cât și pe cea superioară.

Preîncălzirea pe partea superioară a plăcii electronice este foarte rar necesară pentru obținerea unui profil termic adecvat. Totuși, atunci când este nevoie preîncălzirea are loc și pe partea superioară a plăcii, în vederea obținerii profilului termic adecvat al fiecărui PCB. Măsurătorile termice făcute pe partea superioară a plăcilor ce au fost preîncălzite pe partea inferioară ne asigură de transmiterea căldurii în mod adecvat profilului termic dorit. În imaginile următoare, din figura 2.6, sunt reprezentate zonele 1, 2 și 3 după configurația mașinii Electra.

Figura 2.6. A – Zona 3 – preîncălzirea prin convecție forțată

(zona cea mai apropiată de fluxer)

Figura 2.6. B – Preîncălzirea prin convecție forțată

Figura 2.6. C – Preîncălzirea prin radiație infraroșu

Preîncălzirea este utilizată pentru îndepărtarea solvenților din stratul de flux ce a fost depus și pentru activarea flux-ului. De asemenea este necesară și pentru prevenirea șocului termic care apare la trecerea plăcii prin val. Preîncălzirea are loc treptat, cu o panta ce este determinată de creșterea temperaturii. Preîncălzirea de la valoarea temperaturii camerei este realizată prin mecanismul convecției, prin utiliazrea jeturilor de aer cald. Pentru preîncălzirea premergătoare trecerii plăcii prin val și pentru ca temperatura de preîncălzire ce este necesară în zonele plăcilor dens populate cu componente sau care au o masă termică mare să fie asigurată, sunt utilizate încălzitoarele cu radiație infraroșie.

După preîncălzire placa electronică ajunge în zona valului de cositor (wave region), unde componentele de pe aceasta vor fi lipite. Pentru ca lipirea să aibă loc placa plantată este transportată sub un unghi determinat prin valul de cositor în stare lichidă. Acest fapt determină activarea fluxului și depunerea aliajului pentru realizarea lipirii terminalelor componentelor. Sunt utilizate varii configurații de val ale aliajului de lipit, precum un val sau două valuri, laminare sau turbulente, etc.

Două valuri cu diferite geometrii sunt utilizate, de obicei, pentru lipirea plăcilor care au plantate pe partea inferioară componente SMT și componente cu terminale – THT pe partea superioară. Presiunea, viteza și direcția în care aliajul de lipit, în stare lichidă, este ejectat de către duză, în funcție de geometria acestuia, determină forma valului de lipire. Parametrii aceștia determină, de altfel, caracteristicile de curgere ale valului aliajului de lipire și dictează condițiile de intrare și de ieșire ale plăcilor din val. De asemenea, aceștia determină unghiurile de intrare sau ieșire și viteza deplasării plăcii. Se ia în considerare viteza relativă de deplasare a acesteia în raport cu cea de curgerea a aliajului în stare lichidă, adică cositorul topit.

Sunt întâlnite mai multe forme și configurații ale valului aliajului de lipire. Acestea pot fi clasificate după cum urmează:

După numărul de valuri: valul poate fi simplu sau dublu;

După direcția de curgere a valului: acesta poate fi unidirecțional și bidirecțional;

După modul de curgere al valului: valul poate fi turbulent, poate fi vibrator, poate fi laminar sau poate să mai fie staționar;

După mediul exterior al anvelopei valului: valul poate fi ca și mixturi uleioase, uscat, barbotat cu aer sau gaz inert.

Putem spune că această zonă, cea a valului de lipire, este împărțită în trei regiuni. În prima regiune cositorul este pompat printr-o duză. Acesta este locul unde începe acțiunea de umectare. După regiunea de umectare, placa trece în regiunea de transfer al căldurii. Până când placa ajunge în această regiune, acțiunea de umectare s-a finalizat. Cea de-a treia regiune este regiunea în care este curățat excesul de aliaj (peel back region) ce a rămas pe plăcuță, în urma trecerii peste valul de cositor topit.

După cum spuneam, trecerea prin aceste faze, în acest proces de lipire cu val de cositor, este nerealizabilă fară componenta transportoare și anume conveiorul. Conveiorul este o bandă formată din ‘degete’ metalice în formă de L și în formă de V. În figura 2.7. sunt exemplificate acele ‘degete’ metalice care susțin placa în timpul deplasării acesteia în zona fluxerului, în zona preîncălzitoarelor și în zona valului de lipit.

Figura 2.7. Partea transportoare a mașinii de lipire cu val – Conveior.

În cazul în care unul dintre aceste degete este rupt sau îndoit produsul (PCB’ul) poate să cadă de pe conveior și să sufere defecțiuni, de aceea aceste degete trebuie înlocuite imediat. De asemenea, acestea au nevoie de o curățare regulată pentru evitarea depunerilor de flux. O dată cu depunerile de flux instalate pierdem și poziționarea corectă a PCB-ului pe conveior. Orice modificare apărută la viteza conveiorului va afecta preîncălzirea plăcii, timpul de contact și ceilalți parametrii ai procesului de lipire. Acest lucru va determina necesitatea generării unui nou profil termic. Așadar, schimbările aduse vitezei de deplasare a conveiorului poate să determine scăderea temperaturii de preîncălzire și a timpului de contact al plăcii cu valul de cositor.

Timpul de contact al plăcii cu valul de cositor este determinat de viteza conveiorului, de claritatea plumbului, de înălțimea valului de cositor și de dinamica valului. În vederea obținerii timpului de contact al plăcii vom proceda astfel :

ÎV = VT + VL,

Unde ÎV este înălțimea valului, VT – valul turbulent, VL – valul laminar.

VDC = ÎV ÷ TC

Unde VDC este viteza de deplasare a conveiorului, TC este timpul de contact al plăcii cu valul de lipit.

Parametrii cei mai importanți ai procesului de lipire cu val, precum preîncălzitoarele, viteza conveiorului, timpul de contact și paralelismul, sunt verificați cu ajutorul unui cadru sau ramă specializată pentru verificarea valului. Denumirea acesteia este Wave Verification Pallet. Rolul acestui cadru este de a măsura repetabilitatea mașinii de lipit cu val, de la o zi la alta, și de a reduce variabilitățile. În figura 2.8. Putem observa o astfel de paletă utilizată în cadrul companiei.

Figura 2.8. – Wave Verification Pallet

La momentul în care placa a ajuns în zona valului de lipit, are loc și evacuarea aerului. Fluxul de evacuare al aerului este controlat de amortizoarele mașinii. Acesta este măsurat cu ajutorul unui anemometru, printr-o mică gaură în conducta mașinii. Este important ca fluxul de aer evacuat să fie măsurat deoarece prea mult aer evacuat va duce la răcirea excesivă a mașinii sau dacă aerul nu este destul evacuat, acest lucru poate conduce la supraîncălzirea mașinii, rezultând astfel defecte la lipire. Fluxul de aer sau de Nitrogen este controlat de regularizatoarele de debit ce sunt plasate pe mașină.

2.3. Parametrii și variabilele procesului de lipire cu val

Luând în considerare procesul intrinsec de lipire cu val de cositor, putem defini parametrii procesului de lipire în relație cu zonele tehnologice descrise. Perioada sau timpul de preîncălzire (Preheating time) trebuie să asigure o creștere rapidă a temperaturii plăcii conform cerințelor. Placa trebuie sa ajunga la 85°C înainte de momentul lipirii; timpul de umectare (Wetting time) începe de la momentul în care a avut loc primul contact între părțile ce urmează a fi lipite și valul de aliaj topit, până la momentul în care aliajul începe să se solidifice în lipitură; durata contactului plăcii cu valul de aliaj(Dwell time) are loc de la primul contact între părțile ce urmează să fie lipite și valul de aliaj topit, până la ultimul contact cu valul aliajului. Acesta trebuie să dureze de la 2 până la 4 secunde.

Perioada de lipire (Soldering time) începe de la primul moment al contactului cu valul de aliaj topit și până la începerea efectivă a solidificării, aceasta fiind egală cu timpul de contact plus aproximativ 5 – 10 sec. Durata de solidificarei a aliajului topit (Solidification time), este o perioadă necesară procesului de solidificare care are loc pe fața inferioară a plăcii. Timpul de răcire (Cooling time) se referă la răcirea forțată care este utilizată pentru răcirea suprafețelor populate cu componente ale plăcii. Este luată în vedere evitarea apariției crăpăturilor sau a defectelor în lipituri din cauza unei răciri mult prea accentuată la ieșirea din val a plăcii.

2.4. Defecte survenite în urma modificării parametrilor procesului de lipire

Dacă setările nu sunt conform cu cerințele componentelor pot să apară mai multe serii de probleme în lipitură, după cum urmează:

Scurturi (short-uri sau bridge-uri):

a) Viteza conveiorului este prea mică.

b) Timpul de preîncălzire este prea mare, astfel flux-ul de pe placă arde.

c) Timpul de contact prea lung, fapt ce determină arderea fluxului înainte ca placa să treacă peste valul de lipit.

d) Temperatura de pe top-side a plăcii este prea mică.

e) Cantitatea de flux aplicat pe placă este prea mică.

Staționarea fludorului (adică acesta nu urcă):

a) Viteza lanțului conveiorului este prea mică – fluxul devine inactiv.

b) Viteza conveiorului este prea mare – timpul de contact este prea scurt sau temperatura de pe top-side a plăcii este prea mică.

c) Temperatura de pe partea superioară a plăcii este prea mare cauzând astfel arderea fluxului înainte ca placa sa treacă peste val

d) Flux aplicat în cantitate prea mică.

e) Înălțimea valului este prea mică, așadar fludorul nu va spăla placa îndeajuns.

Găuri prezente în lipitură:

a) Temperatura plăcii este prea mică, de aceea placa nu are timp destul pentru uscare.

b) Partea superioară din gaură este acoperită.

Componente rămase nelipite (open-uri):

a) Viteza conveiorului este prea mare, fapt ce determină ca timpul de contact dintre val și placă să fie prea scurt.

b) Val turbulent prea mic.

c) Flux este insuficient pe placă.

Stegulețe în lipitură:

a) Viteza conveiorului este prea mică.

b) Timpul în care placa rămâne deasupra zonei de preîncălzire este prea lung, lucru ce va determina arderea flux-ului.

c) Flux este insuficient pe placa.

d) Debitul de azot este un debit prea mic.

Biluțe de cositor în lipitură:

a) Aplicarea flux-ului în cantitate prea mare.

b) Fluxul nu este uscat suficient în zona de preîncălzire.

c) Temperatura de pe partea superioară a plăcii este prea mică.

d) Debitul de azot poate este prea mare.

e) Conveiorul are o viteză de deplasare prea mare în zona preîncălzitoarelor, astfel nu se va activa fluxul.

f) Viteza conveiorului e prea mica – fluxul arde înainte de a trece placa peste val.

Urme de cositor lăsate pe solder-mask:

a) Flux aplicat insuficient pe placă.

b) Temperatura preîncălzirii e prea mare.

c) Fludorul are temperatura prea mare.

Componentele ridicate:

a) Viteza de deplasare a conveiorului e prea mare, dar reducerea vitezei când placa este deasupra valurilor va facilita imersiunea componentei în val.

b) Viteza conveiorului de transport e prea mare – Componentele pot fi mișcate din cauza ciocnirii ramelor.

c) Manipularea cu neatenție a ramelor.

d) Placa poate să se încovoaie din cauza căldurii (posibil ca ghearele să fie strânse prea tare).

Inundarea plăcilor cu aliaj:

a) Valul de lipire este prea înalt

b) Placa se încovoaie – gheare sunt strânse prea tare sau poate necesită un cablaj cu sprijin pentru marginile plăcii.

După faza de wave-soldering plăcile sunt inspectate vizual de către persoanele certificate și dacă este necesar acestea vor fi corectate manual cu stația. În următoarele figuri putem observa exemplele enumerate de defecte apărute în lipitură.

Figura 2.9- Insuficiență.

Figura 2.10. – Scurturi (Short or bridge)

Figura 2.11. – Placă inundată de aliajul de lipit

Figura 2.12. – Biluțe de cositor pe placă

2.5.Mașina de lipire cu val selectivă

Lipirea selectivă este un concept nou al tehnologiei de asamblare contemporană. Se spune că tehnologia de lipire cu val selectivă a dezvoltat și a inovat tehnologia SMT încă de când a apărut și în acelaș timp oferă și o nouă oportunitate de alegere designerilor PWB (Printed Wiring Board). Spre deosebire de tehnologia de lipire cu val, aceasta permite și lipirea componentelor trough- hole și protejarea celor SMT de val în acelaș timp. În cazul acelor plăci care au fost realizate cu ajutorul tehnologiei de lipire, precum lipirea mixtă val / retopire, componentele cu tehnologia de montare pe partea superioară a plăcii vor fi lipite prin retopire pe partea inferioară, adică pe bottom-side a plăcilor, iar ulterior sunt plantate pe placă, manual sau automat, componentele care necesită montarea teminalelor prin gaură.

Tehnologia aceasta a înbunătățit calitatea lipirii circuitelor cu cablaj imprimat. După această etapă urmează faza finală a procesului de lipire cu val a ansamblului. În situațiile în care sunt utilizate, pentru asamblare pe partea inferioară sau pe ambele fețe a plăcilor, componentele ce au montarea pe suprafață, a căror terminale sunt mascate de capsula propie, este indispensabilă utilizarea tehnologiei de retopire pentru asamblare. Procedura lipirii permite o utilizare eficientă a echipamentelor de plasare a componentelor SMT și elimină necesitatea utilizării mașinilor de aplicare a adezivilor. Pentru acest tip de plăci trebuie să aibă loc și asamblarea pe top-side a plăcii a unor componente care au montarea prin gaură, iar pentru ca productivitatea operațiunilor de asamblare să fie asigurată este utilizată lipirea la val a acestor componente. Pentru acest lucru se utilizează un cadru special care oferă posibilitatea de a masca componentele ce au fost lipite anterior prin retopire, astfel sunt protejate și de acțiunea valului. Tehnologia aceasta a înbunătățit calitatea lipirii circuitelor cu cablaj imprimat. Se crede ca lipirea selectivă va fi adoptată mai mult în asamblarea electronică și, de asemenea, va fi o concunrență pentru tehnologia de lipire cu val. Lipirea selectiva mai este utilizată și pentru ca productivitatea lipirii conectorilor, la val sau prin imersare, să crească. În figurile următoare putem observa un exemplu de

lipire selectivă cu val de cositor.

Figura 2.13 – Imaginea de mai sus reprezintă acțiunea de lipire dual-selectivă cu val

Figura 2.14. Lipirea cu val de cositor selectivă

CAPITOLUL 3

PROFILAREA TERMICĂ PENTRU PROCESUL

DE LIPIRE CU VAL

3.1. Profilarea termică cu termocuple

Profilarea termică are o mare importanță în procesul de lipire cu val. Acest proces semnifică, de fapt, relația dintre temperatură și încadrarea în timpul cerut pentru a aduce un ansamblu PCB la valul de aliaj în stare lichidă și sub punctul de topire al aliajului. Profilarea termică în orice operațiune a lipirii depinde într-o mare măsură de tipul de aliaj și de tipul de flux utilizat. Aliajul ne va indica regimul de temperatură, în timp ce flux-ul din aliajul de lipit va impune cerințele sale de lipire. Un profil termic este un set complex de date timp-temperatură asociat, de obicei, cu măsurătorile temperaturilor termice efectuate în cuptor.

Cunoștințele bune a practicilor de termometrie și utilizarea termocuplelor sunt cheia către obținerea unor profile termice exacte și a informațiilor performanțelor termale ale cuptorului. Termocuplele sunt nimic altceva decât două metale sau aliaje, diferite din punct de vedere atomic, care intră în contact una cu cealaltă. Contactul este realizat, în general, prin unul dintre aceste două moduri : răsucind strâns firele împreună sau prin sudura acestora. Este necesar ca cele două jumătăți de cuplu să facă contact între ele pentru a putea fi utilizate pentru termometrie. Firele unei perechi de termocuple trebuie să fie sudate pentru a înlătura erorile de măsurare induse de zgomotul contactului intermitent.

Cele două jumătăți ale perechii termocuplelor trebuie să facă contact într-un singur punct, anume în punctul cel mai apropiat de zona ce se dorește a fi măsurată termic. Sunt de evitat perechile răsucite. Perechea sudată are un avantaj signifiant prin faptul că punctul sudurii rezultat poate fi mic și uniform ca și formă fizică. Acesta poate fi cu 1,5 ori mai mic decât diametrul individual al conductorilor din care este compusă termocupla. În figura 3.1. se pot observa exemple de termocuple realizate prin răsucire sau sudură și termocuple cu contact inadecvat între firele acesteia.

Figura 3.1. Diagrama unei perechi răsucite vs. Pereche sudată,

pereche sudată cu contact inadecvat

Temperatura va fi sesizată doar pe partea punctului sudat. S-ar putea ca ieșirea perechii răsucite să nu fie atât de precisă și este foarte rar atât de mică precum cea sudată. Indiferent dacă ne creăm noi aceste ansambluri cu punct de sudură sau ni le cumpărăm, întotdeauna trebuie să le verificăm cu o lupă sau cu un microscop, dacă este necesar, pentru a ne asigura că nu există alte contacte, în afară de punctul de sudură dintre ele, între firele piciorușelor termocuplei. În timpul producției asamblului termocuplei, se practică, de obicei, răsucirea firelor termocuplei împreună mai mult decât sudarea acestora. În cazul sudurii, materialul răsucit va fuziona și se va topi înapoi.

Cel mai probabil, va fi necesar să fie desfacută perechea chiar înainte de punctul sudat. Desigur, acest lucru este destul de riscant din cauza faptului că materialul termocuplelor este fragil înainte de sudură și este chiar și mai fragil după sudare. Pe de altă parte, orice răsucire facută înainte de punctul de sudură va avea o mare influență la temperatura măsurată, indiferent cât de bine s-a format acel punct de sudură sau cât de bine este poziționată. Cele mai comun utilizate termocuple sunt cele de tipul K. Acestea sunt formate din cupluri de Ni-Cr/ Ni-Al (Nichel – Crom/Nichel – Aluminiu) și au cea mai potrivită gamă de măsurare termică pentru cele mai comun utilizate sisteme de lipire. Există două dispozitive principale utilizate pentru măsurarea ieșirii termocuplei. Cel mai simplist ar fi termometrul electronic (digital) care are ieșirea legată la un înregistrator grafic. Un alt dispozitiv, mai sofisticat, este profiler-ul sau tracker-ul, care este un pachet electronic ce poate să urmărească graficul ieșirilor timp-temperatură a mai multor termocuple, dar poate de asemenea să facă anumite evaluări ale datelor. Sunt multe metode și păreri cu privire la securizarea capătului termocuplei pe PCB. Printre acestea se enumeră :

– adezivii

– aliaje de lipit de temperaturi înalte

– banda

– contactul prin presiune.

Termocuplele poziționate adecvat pe placa produsului de profilare trebuie să poată să monitorizeze acest proces, asigurând un profil adecvat. Așadar, în profilarea termică sunt utilizate termocuplele de tip K cu diametrul firului de 0.005", după cum se vede și în figura 3.2. și 3.3.

Figura 3.2. Termocuplă de tip K

Figura 3.3. Termocuplă de tip K.

Sunt necesare minim patru termocuple. Trei dintre acestea sunt cerute pentru activarea flux-ului și minim una este necesară pentru protecția împotriva deteriorării componentei. Pentru activarea adecvată a flux-ului este necesară minim o termocuplă, care va fi atașată pe o parte laminată într-o zonă cu masă termică scăzută de pe partea superioară a placii. O altă termocuplă va fi atașată tot pe o parte laminată, dar într-o zonă cu o masă termică ridicată, iar în final o termocuplă va fi atașată părții laminate dintr-o zonă cu masă termică scăzută de pe partea inferioară a plăcii, aproape de o componentă PTH (plated trough hole).

Pentru protecția împotriva deteriorării componentei, avem nevoie de minim o sondă atașată pe corpul componentei PTH dintr-o zonă cu masă termică scăzută de pe partea superioară a plăcii. Daca componentele cu tehnologia de montare pe suprafață (SMT) de pe partea inferioară a plăcii sunt expuse băii de cositor topit, atunci este necesară a cincea sondă, aceasta fiind atașată pe corpul unei componente cu masă termică scăzută dintr-o zonă cu masă termală scăzută. Joncțiunea termocuplei trebuie să facă contact termic direct și sigur cu suprafața ce este monitorizată. Acuratețea și reacția în timp a măsurătorii este foarte dependentă de calitatea metodei de atașare. Din cauza faptului că răspunsul termocuplei este dependent de masa termică a termocuplei și de atașamentul materialului, este foarte important să fie minimizate variațiile și cantitatea materialului utilizat pentru atașarea cu precizie a termocuplei pe PCB. Așadar, înainte de a începe orice operațiune trebuie să verifcăm dacă punctul de sudură al termocuplei este răsucit, crăpat sau deschis. În imaginile de mai jos putem observa cum trebuie și cum nu trebuie sa fie o termocuplă.

Condiție bună Condiție rea

Figura 3.4. Condiția termocuplei

Selectarea locului în care va fi atașată termocupla este bazată pe densitatea componentelor de pe partea superioară a plăcii și pe densitatea cuprului de pe PCB. Capătul termocuplei este securizat pe placă cu ajutorul benzii de aluminiu și cea de poliamidă. Pentru activarea adecvată a flux-ului termocupla 1 este atașată pe partea laminată într-o zonă cu masă termală scăzută, iar termocupla 2 este atașată într-o zonă cu masă termală ridicată de pe partea superioară a plăcii care este expusă zonei de lipit. Peste termocuplă este aplicată banda de aluminiu, aceasta având o dimensiune de 3×3 mm. Peste banda de aluminiu este aplicată banda de poliamidă.

Banda de poliamidă poate fi folosită numai pentru fixarea sau securizarea firului termocuplei pe PCB sau pentru acoperirea benzii de aluminiu. Metoda securizării firelor termocuplei pe placă cu ajutorul benzii protectoare este o metodă non-destructivă de atașare a termocuplelor pe substraturi prin care putem monitoriza temperatura plăcii. Trebuie, așadar, să ținem cont de două aspecte . Banda termică de aluminiu este singura bandă ce este formată dintr-un material acceptat pentru atașarea termocuplelor pe substrat într-o manieră non-destructivă, iar în momentul în care atașam termocuplele trebuie sa fim atenți să nu acoperim componentele PTH cu banda de aluminiu, deoarece este posibil să obținem măsurători termice false, din cauza transferului direct al căldurii din partea inferioară spre partea superioară a plăcii prin piciorul componentei PTH. În figura 3.5. se observă atașarea și securizarea firelor termocuplei cu ajutorul benzii de aluminiu și a benzii de poliamidă.

Figura 3.5. Securizarea firului termocuplei cu banda de aluminiu și poliamidă pe PCB și pe corpul unei componente PTH.

Termocupla 3 este utilizată pentru protecția împotriva deterioarării componentei PTH, de aceea este atașată pe corpul unei compoente PTH dintr-o zonă cu masă termică scazută, de pe partea superioară a PCB-ului, care este expusă ariei de lipit. Aceasta trebuie să fie, de asemenea, atașată cu ajutorul benzii de aluminiu de dimnesiunea 3×3 mm, aceasta fiind și ea acoperită, cu banda de poliamidă pentru ca firul termocuplei sa fie susținut pe corpul componentei. Termocupla 4 este utilă pentru a verifica timpul de contact și dacă flux-ul este activat corect. Ea este localizată într-o zonă cu masă termică scăzută expusă băii de cositor topit și este expusă zonei de lipire. Capătul termocuplei aproape că ar trebui să atingă lipitura. Trebuie să ne asigurăm, de asemenea, că punctul de sudură al termocuplei atinge placa. În figura 3.6. putem observa un asamblu tipic PCB care are pe partea inferioară o termocuplă, montată în zona laminată, cu ajutorul unei benzi de aluminiu de dimensiune 3×3 mm care este acoperită cu o bandă de poliamidă și a cărui capăt este lăsat neacoperit. Ca și în cazul montării termocuplelor pe partea superioară a plăcii, banda de poliamidă poate fi utilizată pentru a susține firul termocuplei în diferite locații de-a lungul lungimii firului, fără să întâmpinăm efecte la rezultatul profilului.

Figura 3.6. Termocuplă atașată pe partea laminată și inferioară a unui PCB

A cincea termocuplă este montată pentru protecția împotriva deteriorării componetei atunci când lipim componentele SMT pe partea inferioară a plăcii. Astfel aceasta este atașată pe corpul unei componente cu masă termică scăzută dintr-o zonă cu masă termică scăzută a plăcii expuse la baia de cositor topit. Aceasta va fi atașată tot cu ajutorul benzilor de aluminiu și de poliamidă, cea de aluminiu având dimensiunile de 3×3 mm, după cum se vede și în figura 3.7. În aceasta figură exemplificată metoda atașării termocuplei pe o componentă SMT de pe partea inferi –

oară a plăcii electronice.

Figura 3.7. Atașarea termocuplei pe o componentă SMT de pe partea inferioară a PCB-ului

În procesul de lipire cu val sunt întâlnite metode de atașare ale termocuplelor temporare și permanente. Atașamentul termocuplelor cu ajutorul benzilor trebuie să fie o metodă non-destructivă pentru placă, fiindcă nu sunt permise deteriorările ansamblelor. Metoda aceasta este singura metodă de atașare temporar permisă. Totuși, dacă există un rebut ce poate fi utilizat pentru profilarea termică, atunci vor fi utilizate și alte metode de atașare, chiar dacă sunt destructive (această metodă presupune atașarea permanentă pe placă). De exemplu, poate să fie facută o gaură în placă, în zona laminată sau în componentă pentru o mai bună măsurare pentru profilul temperaturii. În fiecare zi înainte de începerea lucrului cu mașina de lipire cu val de cositor este verificat nivelul celor două valuri, cu ajutorul sticlei etalon pentru calibrare.

În cazul în care este necesar, se adaugă zilnic, în baia de cositor cantitatea necesară de cositor pentru ca valurile să fie la un nivel optim. Seriile de setări care se fac la mașina de lipire cu val de cositor (wave soldering) sunt efectuate în funcție de grosimea plăcii, de dimensiunea acesteia, de componentele PTH ce sunt montate pe placă. De exemplu, dacă avem montate pe placă radiatoare, atunci va fi folosită o viteză mai mică a conveiorului din cauza faptului că acestea absorb căldură și cositorul nu urcă în găuri. Profilul de temperatură este monitorizat mereu cu ajutorul unui înregistrator de date care este așezat pe o ramă de verificare specială și care trece mai apoi prin mașina de lipit (vezi figura 2.8 din capitolul 2). Rama aceasta utilizează trei termocuple pe partea superioară a plăcii și trei termocuple pe partea inferioară a acesteia, pentru a putea citi temperaturile în timpul procesului de lipire cu val, iar aceste date sunt folosite pentru verificarea repetabilitășii mașinii, deoarece este important ca în acest proces să nu aibă loc fluctuații sau variații. Pe această ramă este plasată și o sticlă plată de ceramică ce ne ajută la verificarea flux-ului și a zonei de contact cu cositorul. Pe ramă este așezat și profiler-ul de temperatură. În figura 3.8. Este exemplificat un astfel de recorder, utilizat în cadrul companiei. Putem observa bariera termică, termocuplele conectate și recorderul în această imagine.

Figura 3.8. Recorder Datapaq

Profiler-ul este un dispozitiv utilizat pentru înregistrarea datelor temperaturii pentru un anumit proces. Acesta constă într-o carcasă cu rol de barieră termică și un înregistrator electronic de temperatură(recorder). Recorder-ul nu poate fi utilizat niciodată fară carcasă, altfel acesta se va distruge. Iar carcasa trebuie ca întotdeauna să fie închisă corect pentru a se preveni defectarea echipamentelor. Acesta este echipat cu un senzor intern de căldură, datorită căruia inginerii își pot da seama dacă unitatea a fost supraîncăzită. Astfel, înainte de a începe măsurătorile, trebuie să verificăm dacă rama este curată, dacă termocuplele și firele acestora sunt într-o condiție bună de lucru. Trebuie să verificăm dacă recorder-ul este calibrat. De asemenea, trebuie să ținem cont de faptul că pentru mașinile cu lipire cu aliaje ce conțin staniu-plumb sau pentru cele fără plumb vor fi utilizate rame de verificare diferite. Rama de verificare este creată cu un singur sens de transport, aceasta având și săgeți indicatoare. De aceea trebuie să verificăm dacă aceasta este orientată corect. În caz contrar, este posibil să provocăm defecțiuni atât ramei de verificare, cât și mașinii de lipire cu val de cositor și vom culege date incorecte. Înainte de a da startul transportării ramei de verificare în mașina de lipire, trebuie sa urmăm următorii pași :

Utilizând software-ul și comunicațiile prin cablu Datapaq, vom introduce unitatea Datapaq, configurând-o și resetând-o după cum este necear;

Vom porni transportul ramei de verificare în mașina de lipire cu val;

Vom aștepta până când temperatura preîncălzitoarelor va fi stabilizată, mașina dându-ne semnalul înmomentul stabilizării prin semnalul luminos verde.(vezi figura 3.9.)

Figura 3.9. Semnal luminos indicator

Vom plasa sticla pe rama de verificare, dacă nu este prezentă deja.

Urmează atașarea termocuplelor la unitatea Datapaq, în ordinea corectă. Termocupla 1 trebuie să fie introdusă în portul 1 al unității. Termocupla 2 trebuie să fie conectată la portul 2 al unității. În acest mod fiind conectate toate termocuplele la porturile corespunzătoare.

În acest moment vom plasa cu atenție unitatea Datapaq în carcasă menită pentru a forma o barieră termică protectoare, după care vom apăsa butonul de start al unității și vom închide carcasa. Rama urmează a fi transportată prin mașina de lipire.

Pentru descărcarea datelor profilului trebuie să îndepărtăm rama de valul existent. Ca măsură de protecție împotriva accidentelor vom purta mănuși speciale pentru protecție termică. Vom deschide carcasa protectoare și vom apăsa butonul Stop de pe unitatea Datapaq. După ce am îndepărtat cu grijă recorder-ul din carcasa-barieră termală, vom deconecta termocuplele cu atenție pentru ca firele termocuplelor să nu se rupă. După ce am conectat unitatea Datapaq la software-ul principal prin cablul de date, vom descărca datele înregistrate. Rama de verificare și carcasa termică sunt lăsate la răcit până când ajungla temepratura camerei.

 Profilul termică este reprezentat printr-o axă de coordonate timp – temperatură. Axa orizontală reprezintă timpul, iar cea verticală reprezintă temperatura măsurată la fiecare perioadă din timp. În figura 3.10 sunt reprezentate zonele graficului unui profil termic.

Figura 3.10. Graficul zonelor unui profil de temperatură

În figura 3.11. este reprezentat profilul termic cu termocuple, al unei plăci electronice, realizat în cadrul companiei. Figura 3.11.a. reprezintă profilul termic cu termocuple al plăcii în mașina de lipire selectivă, iar în figura 3.11.b. este ilustrat profilul termic cu termocuple al plăcii electronice în mașina de lipire cu val.

Figura 3.11.a. Profil termic cu termocuple realizat în mașina de lipit selectivă

Figura 3.11.b. Profil termic cu termocuple realizat în mașina de lipire cu val

În timp ce observăm aceste date importante, primite în urma profilării termice, trebuie să ne asigurăm că toate termocuplele funcționează corespunzător. Astfel, în graficul profilului termic trebuie să avem reprezentate toate cele patru termocuple utilizate.

În cele două grafice putem observa creșterea treptată a temperaturii plăcii și temperatura de vârf ale acestira atunci când au ajuns în zona valului de cositor. În graficul profilului termic trebuie să apară și momentul contactului dintre placă și valul de cositor, acesta fiind evidențiat prin creșterea bruscă a temperaturii pe axele reprezentative.

Dacă în timpul procesului de profilare una dintre termocuplele utilizate a căzut din profilul termic sau nu s-a înregistrat deloc, profilul acela nu va mai putea fi utilizat pentru verificări. În tabelele reprezentate în figurile 3.12 și 3.13. sunt descrise specificațiile tehnice urmărite pentru un profil termic.

Creerea sau optimizarea unui profil termic al valului mașinii de lipit și al unui ansamblu nu trebuie să se abată de la specificațiile tehnice și parametrii stabiliți de către client și de către companie.

Profilele termice trebuie să se încadreze ale specificațiilor tehnice prin măsurătorile profilului termic, asemenea și măsurătorile depunerii flux-ului (acest lucru poate fi verificat prin plăcile de test sau plăci de depunere al flux-ului)și nivelul de acoperire al flux-ului.

În plus, placa utilizată pentru verificările optimizării profilului trebuie să fie inspectată și vizual sau prin raze-x dacă este necesar. Procesul implică modificări ale temeperaturii preîncălzitoarelor, ale depozitului de flux, și/sau al timpului de contact al plăcii electronice cu valul de cositor.

Aceste specificații tehnice din tabele de mai jos sunt aplicabile atunci când standardele unui profil termic determină un număr mare de defecte. Atunci când vin să reînnoiască certificarea ISO de calitate, clienții externi și auditorii urmăresc cu mare atenție profilul termic.

Este măsurată, de asemenea, cantitatea de flux care este pulverizată pe o placă electronică așezată pe o ramă de verificare standard care va trece ulterior prin mașina de lipit cu val de cositor. Aceasta este scoasă înainte de a ajunge în zona valurilor, ulterior fiind măsurată cu ajutorul unui cântar electronic.

Valoarea acesteia determină cantitatea de flux ce se află pe centimetru pătrat, în momentul în care este trecută într-un program specializat care știe să calculeze această cantitate automat. În vederea remedierii problemelor și a situațiilor ce pot să apară în timpul pregătirii procesului de fabricație de multe ori este necesară măsurarea profilelor de temperatură la care, diferitele componente, sunt supuse pentru a putea stabili cauzele problemelor care pot apar și pentru a permite alegerea setărilor cele mai potrivite pentru mașina de lipire cu val.

Pentru fiecare placă ce este produsă electronică ce este produsă, după primele încercări sunt observate problemele apărute și se va încerca rezolvarea acestora. Astfel, uneori sunt lipite sonde de temperatură în punctele critice ale PCB-ului și împreună cu placa ce este fabricată trece prin cuptor și modulul de măsurare a temperaturii.

Acesta înregistrând valorile temperaturilor la care sondele de temperatură sunt supuse. Profilul standard, privind setările mașinii de lipire cu val, câteva dintre mărimile caracteristice care pot fi setate sunt prezentate, după cum spuneam în tabele din figurile 3.12, 3.13.

Figura 3.12. Tabel cu specificatții tehnice privind profilul termic al lipire cu val de cositor cu Sn-Pb (Staniu-Plumb)

Figura 3.13. Tabel cu specificații tehnice privind profilul termic al lipirii cu val de cositor fără Pb (Plumb)

Plăcile utilizate ca și probe pentru lipire trebuie să fie etichetate, curățate și depozitate în zona asignată după utilizare. Dacă nu avem o placă probă pentru profilare, atunci vom putea utiliza și o placă de preoducție.

Placa poate să fie utilizată ca și placă pentru profilare termică în funcție de finisajul suprafeței sale și de temperatura de tranziție vitroasă. Dezvoltarea unui profil termic trebuie să fie efectuată fără zona valului de lipit până când sunt atinse temperaturile optime ale preîncălzitoarelor.

Acesta trebuie să fie dezvoltat cu o placă electronică populată, aceasta afectând temperatura ansamblului. Dacă în urma optimizării temperaturilor preîncălzitoarelor, viteza conveiorului s-a schimbat pentru a optimiza timpul de contact al plăcii cu valul de lipit, placa va avea nevoie de o reprofilare termică ca o modificări a vitezei ce va schimba temperatura de preîncălzire la care placa este expusă.

Următoarele tabele ne oferă un ghid pentru durata minimă necesară a timpului de contact ale suprafețelor plăcii pentru o formare intermetalică bună și pentru cerințele unui profil termic (vezi figura 3.14 și 3.15).

Figura 3.14 Profilul corpului unei componente de pe partea superioară a PCB-ului

Figura 3.15. Cerințele unui profil termic al valului de lipit

CAPITOLUL 4

CAMERE TERMICE / TERMOIMAGISTICĂ

Camerele de termoviziune sunt proiectate în general pentru aplicații în sistemele de încălzire, pentru anumiți antreprenori din construcții, dar și pentru inginerii de service și specialiști ai domeniului termoimagisticii. Acestea sunt folosite în aplicații, precum :

– mentenanța industrială, pentru verificarea corectitudinilor reparațiilor ce au fost efectuate

– mentenanța predictivă, acestea ajutând la identificarea problemelor de ordin electric și mecanic

– monitorizarea proceselor, prin inspectarea, în timp real, pentru asigurarea operării eficiente.

În cazul nostru s-a dorit monitorizarea temperaturi plăcii, în timp real, pe toată suprafața acesteia. Acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unei camere termale. Camera termală ne va prezenta temperatura termică a plăcii pe toată suprafața acesteia.

Camera poate fi montată în interiorul mașinii de lipire cu val de cositor. Montată fiind în interiorul mașinii, camera termală ne poate detecta temperatura plăcii din orice unghi. În comerț se găsesc multe tipuri de astfel de camere termale.

În echipamentele de inspecție termică senzorii de temperatură care sunt utilizați în inspecția termică pot fi de două tipuri: senzori de temperatură fără contact și senzori de temperatură de contact. Unele echipamente includ și instrumente de înregistrare și surse de calibrare. Senzorii de temperatură fără contact depind de radiația electromagnetică generată termic de pe suprafața pentru testare a obiectului. Utilizat la temperaturi moderate, energia aceasta este 11 predominant în domeniul radiației infraroșie. Prin urmare, fără contactul de măsuratori in inspecție termică implică în primul rând folosirea de senzori infraroșu.

Echipamentele de imagistica în infraroșu sunt disponibile cu o gamă vastă de capabilități. Cele mai simpliste sisteme sunt receptive la porțiunea infraroșu apropiată al spectrului optic.

Scanerele portabile sunt sisteme de imagistică portabile care au capacitatea să răspundă din porțiunea de departe-infraroșu al spectrului optic(lungimi de undă fiind de 8 și 12 m). În genere, scanerele portabile au calități de imagistică termică sărace, fiind nepotrivite pentru măsurarea exactă și precisă a temperaturii. Totuși, ele pot fi utile în cazul în care dorim să detectăm punctele calde precum componentele supraîncălzite, pierderile de căldură dntr-un circuit electronic, etc.

Sistemele de imagine cu infraroșu de înaltă rezoluție sunt utilizate pentru majoritatea aplicațiilor de control. Aceste sisteme de formare a imaginii termice folosesc fie o scală de gri, fie o scală colorată care este corelată cu temperatura variabilă, pentru a descrie distribuția temperaturii în imagine.

Sistemele interferometrice cu val termic sunt sisteme ce combină excitația laser modulată cu fază rapidă și cu amplitudinea detectoare care poate fi scanată pe o suprafață pentru a se produce o imagine.

Senzori de temperature cu contact sunt senzori ce includ acoperiri ale materialelor și dispozitivelor termoelectrice. Acoperirile materialelor sunt relativ scăzute în cost și ușor aplicabile, dar ele au dezavantajul de a oferi măsurători de temperatură calitative. Un alt dezavantaj al acestora este faptul că se pot schimba caracteristicile termice ale suprafeței.

Dispozitivele termoelectrice sunt utilizate la scară largă, în vederea măsurării temperaturii. Dispozitivele termoelectrice tipice sunt termocuplurile, termopilele, și termistorii.

Termocuplele constau dintr-o pereche de joncțiuni formate de două metale diferite. Termocuplele sunt folosite , în general, într-un circuit punte, cu referința joncțiune menținută la o temperatură cunoscută și stabilă. Termocuplele putem să le plasăm în contact cu suprafața obiectului sau le putem folosi aproape de suprafață pentru măsurarea temperaturii aerului.

Termopilurile sunt,de fapt, multiple termocuple utilizate în serie pentru creșterea tensiunii de ieșire. Acestea au, însă, un răspuns mai lent în timp din cauza masei crescute. Termopilurile sunt folosite ca elemente de detectare în radiometrie.

Termistorii sunt semiconductori electrici care utilizează, de obicei, schimbările în rezistență electrică pentru a măsura temperatura.

Accesoriul digital de imagine este utilizat pentru îmbunătățirea calității imaginilor termice. Filtrarea spațială poate fi utilizată pentru o interpretare bună a datelor de temperatură, eliminând zgomotul de înaltă frecvență care este cauzat de dispozitivele de încălzire și de sursele externe. Tehnica aceasta presupune înlocuirea matematică a fiecărui valoare a pixelilor cu o valoarea medie de patru mai apropiată de vecinii săi.

Spațiul de domeniu și domeniul de timp funcție scădere pot fi, de asemenea, folosiți pentru sporirea defectoscopiei.