Nová technologie rozstřikování při dávkování kapalin

Při rozstřikování je kapalina rychle vytlačována z ústí trysky v jemných kapkách. Tento způsob nanášení se při dávkování kapalin upřednostňuje z několika důvodů, k nimž patří vyšší produktivita díky menšímu pohybu trysky nahoru a dolů v ose Z, větší rozsah hmotnosti a objemu dávkované kapaliny i možnost řízení velkého průtoku tekutin. Z rozstřikování se vyvinul standardní výrobní proces vhodný pro pestrou škálu tekutin a aplikací. Všechny technologie, od nově vznikajících a složitějších – jako jsou 3D pouzdra, palivové články, LED diody, ploché displeje či laboratoře na čipu – až po pouzdření MEMS a tradiční metody pouzdření, využívají při sériové výrobě sadu tryskových ventilů a kompletní dávkovací systémy s řízenými procesy v uzavřené smyčce.

Automatické rozstřikování při dávkování kapalin v montáži elektroniky a přesné výrobě zavedla poprvé společnost ASYMTEK (nyní Nordson ASYMTEK) v roce 1994 namísto tradičního dávkování jehlou. K rozvoji technologie pomáhá už řadu let vyšší stálost, přesnost, opakovatelnost, spolehlivost a rychlost výroby. Díky pokrokům v technologickém postupu se z nanášení tryskou stala standardní metoda dávkování kapalin především u nových typů pouzder, u kterých je zapotřebí nanášet velmi malé množství kapaliny do těsných míst. Vzhledem k vysoké ceně těchto pouzder je vyžadována mimořádná přesnost dávkování, aby byla zajištěna vysoká produktivita. Při současné bohaté nabídce tryskových ventilů a dávkovacích systémů se místo toho, zda se má, nebo nemá použít tryska, řeší spíše to, který dávkovací systém je pro konkrétní projekt nejvhodnější nebo který systém je všestrannější a vyhovuje nejširší škále možných aplikací.

Rozstřikování je rychlejší než klasické dávkování kontaktní jehlou, protože k nanesení a oddělení kapaliny od hrotu není zapotřebí pohyb v ose Z. Tryska se pohybuje nad podložkou a vystřikuje přesně odměřené dávky tekutiny, které vytvoří předem naprogramované body a čárové vzory. Technologie nanášení při pohybu patentovaná společností Nordson ASYMTEK koordinuje pohyb dávkovací jednotky a pohonu tryskového ventilu, aby byl zajištěn maximální výkon při zachování dokonalé přesnosti nanášení kapaliny.

Navíc, jelikož rozstřikování umožňuje větší odstup mezi ústím trysky a podložkou a kapalina se odděluje od trysky v tenkém pramínku, jde dávkovanou kapalinu namířit blíž k součástce nebo k okraji čipu a do těsných míst. To umožňuje menší zakázané zóny kolem osazených součástek, což je užitečné především při podlévání komponentů Flip Chip nebo u 3D pouzder či pouzder PoP (pouzdro na pouzdru). Když je zapotřebí vytvořit body různé velikosti, tryska se drží nad jedním místem a nanáší další kapky. Akční frekvence se u většiny dnešních tryskových ventilů pohybují obvykle mezi 200 a 1 000 body za sekundu, což umožňuje rychlé nanášení vícekapkových stop.

Výběr trysky

Trysky se obvykle vybírají a konfigurují pro konkrétní materiál a účel. Výběr vhodného ventilu a dávkovacího systému závisí na viskozitě a chemickém složení kapaliny, požadované velikosti bodů, nanášeném vzoru, teplotě kapaliny a dalších faktorech. Kromě toho má na volbu dodavatele vliv také požadované řízení procesu v uzavřené smyčce, snadné nastavení a údržba, snadné použití, požadavky na zaškolení, rychlost odezvy technické podpory a náklady na provoz. Trysky pro biologická čistidla a přísady pájky musejí být zpravidla schopny zvládnout rozstříknutí kapaliny od 1 do 100 cyklů za sekundu a provádět bodové i plošné nanášení. Podlévání a pouzdření obvykle vyžadují trysky, které umožňují rozstřik až 25 000 cyklů za sekundu. Od trysek pro tyto materiály může být rovněž požadováno zvládnutí větších objemů průtoku při vysoké přesnosti. U lepidel pro povrchovou montáž a dalších adhezivních materiálů musí tryska zvládat viskozitu 20 000 až 80 000 cyklů za sekundu. Anaerobní kapaliny a abrazivní materiály vyžadují trysky vyrobené ze speciálních materiálů, aby nedocházelo ke korozi nebo zkrácení jejich životnosti.

Dalším důležitým kritériem je snadné čištění. Údržba ventilů může být časově náročná, finančně nákladná a může narušovat výrobu, zejména pokud je nutné celou trysku při opravě nebo výměně vyjmout a rozebrat. Při použití rychle tuhnoucí kapaliny může být nutné ventil často čistit, aby nedošlo k zatuhnutí kapaliny uvnitř ventilu, což by mohlo vést k ucpání hrotu nebo znemožnit správné fungování trysky. U řady nových tryskových ventilů je čištění snazší díky použití spotřebních kartuší. Tyto kartuše lze z dávkovacího systému snadno vyjmout, přičemž ovladač tryskového ventilu zůstává upevněn v dávkovací jednotce. Dobře navržené kartuše lze vyměnit za méně než 30 sekund, případně je lze rozebrat, zkontrolovat a vyčistit, aby v přívodní trubici nezůstala žádná zatvrdlá kapalina.

Druhy trysek

Trysky se často dělí podle mechanismu, který řídí vnitřní ovládání tryskového ventilu kapaliny. Existují v podstatě dva druhy pohonných systémů: pneumatické a piezoelektrické.

Většina trysek pro elektronickou montáž používá nějakou formu elektropneumatického ovládání. Elektronicky ovládané solenoidy využívají pneumatickou sílu pro pohon tryskové jehly a vytlačují kapalinu z trysky na povrch. Ačkoli dříve měly kvůli vlastnostem solenoidů jen omezený rozsah provozních frekvencí, novější verze se staly hnacím motorem průmyslu v rychle se měnícím výrobním prostředí. K důležitým faktorům, jež vedly k zavádění pneumatických trysek, patří použitelnost pro pestrou škálu kapalin, dobrá přesnost a dlouhodobá spolehlivost. Tyto trysky se používají k podlévání na úrovni desek, pouzdření v čipovém měřítku, podlévání pouzder BGA a PoP, přesnému potahování, nanášení silikonu tryskou a dávkování lepidel. Většinu pneumatických trysek je po 1 až 2 miliardách nanášecích cyklů nutné vyměnit nebo podrobit rozsáhlému servisu kvůli výměně solenoidů, ale většinu servisních úkonů lze provádět na místě v závodu uživatele.

Piezoelektrická tryska, zkráceně nazývaná také piezo tryska, přeměňuje elektrický náboj na mechanický posuv díky piezoelektrickému efektu v navrstvených krystalech, a tím řídí vystřikování. Roztahování a stahování navrstvených krystalů je velmi rychlé a piezo trysky tak mohou ovládat mnohem vyšší frekvence než pneumatické trysky. Většina piezo trysek pracuje při nepřetržitých kmitočtech až 500 Hz, avšak může být schopná běžet v krátkých pulzech na frekvencích až 1 000 Hz i více. Tyto vyšší frekvence jsou nezbytné k zachování vysokých průtoků při nanášení mikrokapek kapaliny. U větších bodových objemů zvyšují vyšší frekvence rozsah průtoku kapaliny, a tím umožňují vyšší výkonnost dávkovače.

První verze piezo trysek měly problémy s některými částmi konstrukce, což vedlo k pomalému zavádění této technologie jako náhrady za pneumatické trysky. Počáteční použití piezo trysek bylo poněkud omezeno na aplikace s nižším provozním cyklem (menší celkový počet teček za hodinu) a na aplikace, kde přesná velikost teček a opakovatelnost mezi jednotlivými ventily nebyla až tak kritická. Mnoho z prvních piezo trysek na trhu mělo problémy s dlouhodobou spolehlivostí piezo komponentu (pouze 100 milionů nanášecích cyklů) a kvůli servisu, ke kterému byly zapotřebí speciální přípravky a nástroje, museli uživatelé posílat ventily výrobci. A právě tento problém s údržbou způsobil, že se uživatelé začali vyhýbat aplikacím, které vyžadovaly velký počet samostatných bodů, například podlévání. Navíc životnost spotřebních částí trysky, jako je jehla/zdvihátko/kuželík a hubice, byla omezena v závislosti na drsnosti nanášené kapaliny. V důsledku toho byly provozní náklady těchto piezo trysek velmi vysoké.

Dnes už je technologie piezo trysek výrazně lepší. Většina současných piezo trysek zaručuje životnost pohonu na 1 miliardu tryskových cyklů, a proto mohou být reálněji brány v úvahu i při vyšších provozních cyklech. Nicméně u velkoobjemových výrobních aplikací s vysokým počtem cyklů, které mohou dosahovat až 1 milion bodů za hodinu, by to mohlo znamenat životnost kratší než dva měsíce. Přísnější kontroly při výrobě ventilů pomáhají zajistit lepší opakovatelnost mezi jednotlivými ventily, nicméně u nanášených bodů o velkosti pod 30 μg se stále velmi často vyskytují odchylky překračující 20 % průměrné bodové hmotnosti. Nedávné pokroky v technologii piezo trysek přivedly společnost Nordson ASYMTEK k vyvinutí nového dávkovacího systému IntelliJet®. Prokázalo se, že piezoelektrický pohon systému IntelliJet vydrží až 6krát déle než jiné ventily, takže bez údržby zvládne více než 6 miliard tryskových cyklů. Vnitřní automatické kalibrace hnacího systému dále pomáhají zachovávat opakovatelnost mezi ventily. Další studie provedené společností ASYMTEK vedly ke zdokonalení systému tryskových kartuší ReadiSet™, díky nimž se zlepšila opakovatelnost průměrné bodové hmotnosti a dlouhodobá spolehlivost kartuší i při nanášení vysoce abrazivních kapalin.

Řízení procesu

Aby bylo možné techniku nanášení tryskou plně využít, musí být tryskový ventil součástí kompletního dávkovacího systému. Celková systémová řešení budou implementovat řadu doprovodných technologií pro přesné polohování posuvného mechanismu, optické zaměřování pro přesné nanášení kapalin i systémy řízení procesů v uzavřené smyčce pro zajištění konzistentních výsledků a vysoké produktivity. Dalším klíčovým prvkem celkového systémového řešení je softwarové ovládání nejen pro řízení pohonu, ale také pro sledování provozu a zajištění zpětné vazby a koordinace mezi ventilem a ostatními subsystémy, aby byl zaručen jednotný výrobní proces.

K dosažení konzistentního, vysoce produktivního procesu dávkování je nutné sledovat a opravovat zdroje chyb, jako jsou změny viskozity kapaliny během delší výrobní operace. Proces dávkování by měl být udržován uprostřed specifikačního rozmezí, aby výsledky dávkování zůstávaly v průběhu času stále stejné. Je zapotřebí zmenšit nebo zcela odstranit problémy s dávkováním, například tvorbu podružných kapek, akumulaci kapaliny nebo stříkání, a tím zajistit ještě lepší index způsobilosti procesu (Cpk). Aby mohla výsledná výtěžnost dosáhnout cílové způsobilosti Cpk ≥ 1,0, je naprosto nezbytné zajistit správné řízení rychlosti kapaliny a korigovat změny viskozity i další změny v procesu pomocí systému s uzavřenou smyčkou.

Technologie nanášení tryskou v kalibrovaném procesu (CPJ) patentovaná společností ASYMTEK spolu s regulací hmotnostního průtoku měří automaticky hmotnostní průtok vystřikované kapaliny a opravuje takové zdroje chyb, aby činnost systému zůstávala konzistentní i v průběhu dlouhých výrobních cyklů. Nové autokalibrační funkce pomáhají opravit chyby při nanášení bodů vznikající v důsledku interakce tryskového ventilu s optickým zaměřovacím systémem. Toto řízení procesu zajišťuje vysokou přesnost nanášení za mokra, menší smáčené plochy, jednotné a kulaté tečky, lepší kvalitu čar a dokonalejší svary.

K efektivitě výrobní operace přispívá i dávkovací jednotka. Jednotky mohou být vybaveny dvěma dráhami, dvěma ventily, ohřívači podložek se systémy regulace teploty, snímači výšky a zobrazovacími jednotkami. Nový zobrazovací systém Monocle™ využívá pětikanálové ovládací prvky osvětlení podložky, které zlepšují kontrast obrazu a zvyšují ostrost a jas. To umožňuje konzistentnější a přesnější hledání základních znaků. Dokonalejší možnosti optických čoček a megapixelový fotoaparát s vysokým rozlišením zvyšují přesnost rozpoznání základních znaků i na okrajích, a tím rozšiřují zorné pole.

U hustě osazených desek plošných spojů, polovodičových pouzder, vrstvených 3D pouzder a tepelných aplikací, například při použití reaktivních tavných lepidel na bázi polyuretanu (tavná PUR lepidla), lze naprogramovat několik možností náklonu. Cenou ověnčená možnost naklápění a otáčení vyvinutá firmou Nordson ASYMTEK umožňuje automatickou kontrolu v pěti osách namísto obvyklých tří. Zajišťuje nanášení v různých úhlech po všech stranách zařízení včetně boční strany podložky a nanáší tenké čáry i do těsných rohů a kolem vysokých součástek.

Při výrobě většiny elektronických pouzder a desek plošných spojů je technologie nanášení tryskou nezbytnou součástí dávkování materiálu. Díky nanášení tryskou mohou návrháři přepsat svá zavedená pravidla pro navrhování a vytvářet menší, levnější a výkonnější zařízení. Rozdíly mezi tryskami a nejrůznějšími dávkovacími systémy jsou však velmi výrazné a je důležité správně vybírat, aby bylo možné plně využít všech výhod této technologie. Pečlivost při výběru různých trysek a nanášecích systémů totiž přinese nižší výrobní náklady, vyšší výtěžnost, rychlejší výrobu a lepší kvalitu.