Гибкое и экономичное решение компании TTnS для бездефектного селективного нанесения и отверждения защитных покрытий

На правах рекламы

Значение защитных покрытий для производства современных электронных модулей на печатных узлах становится все более высоким. Их роль чрезвычайно велика, и она не ограничивается простой защитой печатного рисунка от воздействия влаги. Такие покрытия препятствуют утечкам токов и образованию коротких замыканий вследствие воздействий не только влаги, но также пыли и прочих загрязнителей, препятствуют образованию коронного и дугового разрядов, позволяют увеличивать мощность передаваемых сигналов и располагать проводники ближе друг к другу, сдерживают коррозию и рост усов олова (Tin Whiskers), увеличивают усталостную долговечность паяных соединений, обеспечивают механическую поддержку миниатюрным компонентам, защищают сборку от повреждений, наносимых механическими ударами и вибрациями.

Защитные покрытия находят широкое применение в производстве изделий для аэрокосмической, военной, медицинской, кораблестроительной и телекоммуникационной отраслей, для изготовления промышленного оборудования и бытовой техники. Весьма широк и спектр наносимых покрытий, отвечающих различным задачам – акриловых, эпоксидных, силиконовых, уретановых, УФ-отверждаемых, на водной основе и пр.

Нанесение покрытий

Правильно выбрав материал покрытия, необходимо нанести его на изделие с максимально возможным качеством, обеспечив точность, повторяемость, равномерность, отсутствие пор и пузырей и ряд других, не менее важных показателей. С годами в отрасли было разработано множество методов нанесения таких покрытий, от традиционных (погружением, кистью, ручным распылением) до передовых — автоматизированными струйными методами, распылением, дозированием и т. д. Традиционные методы, несмотря на свою простоту и дешевизну, не могут отвечать потребностям современного производства, прежде всего по причине малой производительности, неравномерности получаемого покрытия и возможного его загрязнения, необходимости затратной операции маскирования, непроизводительного расхода материала, сложностей с обеспечением безопасности работы и защиты окружающей среды.

Несомненно, современное производство нуждается в гораздо более производительных, бездефектных, экономичных и гибких методах. Всем этим требованиям отвечает метод автоматизированного селективного нанесения покрытий, обеспечивающий высокую равномерность, повышенную производительность, экономичное использование материала, полное отсутствие либо минимальную необходимость в маскировании, отсутствие необходимости применения специализированных приспособлений, а также обладающий закрытой системой подачи рабочего материала, не допускающей его воздействия на оператора и окружающую среду. Для реализации этого метода компания True Technologies & Solutions Inc. (TTnS) разработала запатентованную (патент № 10-0550606) систему, состоящую из полностью автоматизированной гибкой установки нанесения защитных покрытий TCM45A и встраиваемой в линию конвекционной печи отверждения защитных покрытий ECO99C. С выпуском этого специализированного комплексного решения компания TTnS решила проблему образования пузырей в защитных покрытиях печатных плат без ущерба для реальной производительности.

Демонстрируемая системой скорость селективного нанесения материала почти в два раза выше, чем у традиционных систем такого типа, что достигается применением уникальной «прерывистой» технологии нанесения покрытий с быстродействующим клапаном отсечки и программируемым с точностью до 1 мс таймером. Пробеги головки сокращаются за счет быстрого отсекания потока материала, что увеличивает производительность системы.

Обеспечивается гораздо более высокая четкость границ областей покрытия, чем у многих известных на рынке систем, а получаемый результат не требует никаких работ по ручному исправлению покрытия и отличается высокой повторяемостью при полном отсутствии необходимости в маскировании. Немалая заслуга в этом принадлежит высокоточному 5-осевому портальному роботу, работающему в декартовой системе координат (перемещение по осям X, Y, Z, поворот на 0°/90°/180° вокруг оси Z, наклон на 0°/30°/–30°) и обеспечивающему точность позиционирования +/–50 мкм и максимальную скорость 500 мм/с.

Систему также отличает высокая экономичность с точки зрения использования материалов — согласно проведенным оценкам, можно ожидать 40—60% экономии материала по сравнению с традиционными методами распыления и погружения.

Установка TCM45A оснащается различными модулями нанесения защитных покрытий, каждый из которых рекомендован компанией-производителем для конкретных применений и оснащается своим комплектом насадок:

Модуль нанесения покрытий на основе растворителей NCAF комплектуется тремя различными насадками FCN25/50/60, применяемыми в зависимости от типа и вязкости покрытия, и рекомендуется для нанесения материалов с малой вязкостью (менее 100 сП). Модуль формирует равномерный поток материала в виде пленки без распыления и без разбрызгивания. Он обладает пятью степенями подвижности, что позволяет наносить покрытия на верхнюю/боковую сторону компонентов, а также под них.

Чтобы помочь пользователю быстрее найти оптимальные параметры настройки системы под свои конкретные задачи, производитель оборудования — компания TTnS — провел обширные исследования и на их основе разработал ряд рекомендаций в виде таблиц и сопроводительных рисунков. В таблицах и на рисунках представлены параметры, полученные для заданного материала, обладающего определенной динамической вязкостью. Эти параметры необходимо задать в настройках оборудования для формирования пленки заданной формы и ширины на определенном удалении от наконечника насадки (т. е. на определенном расстоянии от наконечника до платы).

Среди таких параметров:

• рекомендуемые модуль нанесения и насадка,
• точная настройка положения наконечника насадки (кол-во оборотов по микрошкале),
• давление в магистрали подачи материала,
• рабочее давление в модуле нанесения,
• временны́е параметры (время импульса, время рабочего цикла и пр.).

Такие рекомендации производителя значительно сокращают время отладки техпроцесса и настройки оборудования, так как пользователь всегда может выбрать группу уже подготовленных параметров, которая в наибольшей степени соответствует его задачам, и получить заранее предсказуемый результат. Параметры также могут использоваться в качестве базовых значений для проведения более тонкой настройки техпроцесса. Для облегчения процесса наладки производителем подготовлена специальная программа оптимизации параметров.

Модуль NCAS наносит покрытия в струйном режиме, режиме закрученной струи и режиме распыления и комплектуется тремя различными насадками S6CN30/40/50, подбираемыми в зависимости от типа и вязкости покрытия. Он рекомендуется для работы с материалами различной вязкости (от 100 до 3000 сП) и в широком диапазоне составов материалов (акриловые, силиконовые, уретановые, УФ-отверждаемые, на водной основе) и толщин (от 13 до 500 мкм) наносимых покрытий. Дополнительное оснащение в виде программно-управляемого четырехпозиционного устройства наклона дает модулю возможность наклоняться на угол до ±30°.

В стандартной комплектации установка TCM45A оснащена многофункциональной системой точной подачи рабочих материалов, работающей с широкой номенклатурой наносимых покрытий. Предлагающееся опционально устройство быстрой замены материала облегчает как переход на новый наносимый материал, так и прочистку линии подачи, не опасаясь того, что оператор подвергнется опасным воздействиям летучих органических соединений.

Входящее в базовую комплектацию программное обеспечение ECM-XP®, работающее под управлением ОС Windows XP, обеспечивает простоту создания рабочих программ и контроль процесса нанесения даже для операторов с начальным уровнем подготовки. ПО обладает графическим интерфейсом с развитым набором настроек. В качестве изображения сборки для выполнения программирования зоны покрытия можно использовать файл ее изображения в формате JPEG либо, опционально, CAD-данные (файл DWG). Облегчает программирование возможность быстрого перехода по координатной сетке. С помощью нескольких меню ПО ECM-XP® можно реализовать разнообразные рисунки покрытий, среди которых нанесение покрытия в виде линий (LINE), областей (AREA), в прерывистом режиме (INTERMITTENT), точечно (SPOT), а также копировать управляющую программу (Duplicate), программировать нанесение под наклоном (TILT) и импульсное распыление (PULSE-Spray) с дискретностью 1/1000 с. Благодаря встроенному блоку управления пневмосистемой изменение режима нанесения покрытия (с пленочного на распыление и обратно) может осуществляться «на лету», без прерывания работы, что значительно сокращает время переналадки оборудования.

Развитые меры защиты и разнообразные защитные блокировки позволяют организовать безопасный процесс работы.

Преимущества применяемой технологии с точки зрения производительности и бездефектности хорошо иллюстрируют примеры, полученные с реальных производств. Например, на одном из предприятий для покрытия групповой панели, состоящей из 24 плат управления работой заднего фонаря автомобиля, с помощью технологий и оборудования компании TTnS удалось сократить время цикла нанесения покрытий с 50 до 12 с/плата и при этом держать под контролем образование пузырей в покрытии. Операция проводилась без маскирования.

Рассмотрим примеры некоторых подготовленных компанией TTnS рекомендаций, позволяющих разрешить основные проблемы, с которыми сталкивается производитель при нанесении защитных покрытий.

1. Толщина покрытия. Если покрытие слишком тонкое, то оно может получиться пористым, в нем могут появиться открытые участки, если же его толщина велика, то это может вызвать недопустимый уровень остаточных напряжений в паяных соединениях и компонентах со стеклянными материалами корпуса. Для решения проблемы в случае нанесения, в частности, эпоксидных и некоторых уретановых покрытий, производитель рекомендует воспользоваться форсунками AR/DFT с сечением 25…50 мкм, SR/DFT (50…90 мкм), RR/DFT (20…40 мкм).
2. Покрытие на острых углах и кромках. Силы гравитации и поверхностная энергия в жидкотекучих покрытиях препятствует образованию пленки на острых углах и/или кромках. Для таких труднопокрываемых участков решением может стать метод многопроходного покрытия Multi-Coat.
3. Пузыри. Представляют собой одну из самых серьезных проблем нанесения покрытий. Обычно они образуются из воздуха, удерживаемого под компонентами или в паяных соединениях, в порах и полостях компонентов и монтажного основания. Пузыри могут оставаться в покрытии вследствие повышенной вязкости материала, препятствующего их выходу наружу, из-за недостаточной выдержки перед печью отверждения материала. Остаточные пузыри могут присутствовать в нагнетательном резервуаре подачи материала. Пузыри могут соединять проводники, удерживать в себе влагу, снижать сопротивление изоляции и вызывать короткие замыкания или дуговые пробои.
   
   С точки зрения предотвращения образования пузырей компания TTnS предлагает ряд рекомендаций по применению материалов и настройке параметров процесса, с примерами которых можно ознакомиться ниже:
   
   • Неразбавленные материалы с высокой вязкостью (более 200 спз) не отвечают требованиям к нанесению защитных покрытий в части одновременного обеспечения производительности и решения проблемы пузырей.
   • Разбавленные материалы с пониженной вязкостью (менее 100 спз), по данным производителя, являются наиболее подходящим решением независимо от характера монтажного основания.
   • В случае нанесения покрытий на основе растворителей важно правильно выбрать время испарения растворителя, независимо от характеристик материала и/или условий нанесения. В большинстве случаев для этого будет достаточно 4—6 минут.
   • Формирование пузырей в жидкотекучем материале покрытия является естественным и неизбежным природным явлением, и покрытия с большей толщиной нуждаются в более длительном времени выдержки для выхода пузырей на поверхность. При этом суммарное время, необходимое для полного выхода пузырей наружу, пропорционально вязкости нанесенного материала покрытия.
   • При нанесении материалов очень большой толщины с вязкостью более 250 спз выдержка с целью выхода пузырей на поверхность может оказаться бесполезной при любой продолжительности ее проведения.
4. Усы олова. Кристаллы чистого олова, формирующиеся в бессвинцовых паяных соединениях и покрытиях вследствие, в частности, повышения уровня внутренних напряжений в металле из-за коррозии и объемного расширения. Предлагаемое решение — полная изоляция металла от окружающего воздуха с помощью подходящей пленки защитного покрытия без пузырей и с повышенной адгезией, для обеспечения которой также крайне важна соответствующая предварительная очистка и отсутствие остатков флюса.

Отверждение покрытий

Немаловажным фактором получения качественного покрытия является его правильное отверждение. В рамках своего комплексного решения компания TTnS предлагает встраиваемую в линию конвекционную печь отверждения ECO99C, которая работает совместно с установкой нанесения покрытий TCM45A.

Ее важным достоинством является поддержание производительности линии — печь не является «узким местом». Благодаря большому количеству запатентованных компанией идей в области селективного нанесения и времени выдержки достигается как минимум 50% экономия энергии и до 25% — занимаемого пространства. Печь совместима с процессом отверждения большинства материалов на основе растворителей, занимающим от нескольких минут до часа при сравнительно небольших температурах — ниже 100°С (опционально 180°С), что также способствует повышению качества процесса.

В отличие от традиционного процесса отверждения на основе ИК+конвекции, где платы последовательно движутся по конвейеру через зоны нагрева и охлаждения, в печи ECO99C применена новая концепция организации процесса, где платы после автомата нанесения покрытий помещаются в накопитель, где происходит испарение растворителя, и затем в составе накопителя поступают непосредственно в камеру нагрева с циркуляцией горячего воздуха. Одновременно обрабатываются платы в нескольких накопителях при их повторяющемся циклическом перемещении согласно заданной программе. Процесс с применением накопителей гарантирует продолжительное время выдержки с целью испарения растворителя, что в результате приводит к отсутствию пузырей.

Реализуемый в печи профиль отверждения обеспечивает плавный нагрев/ охлаждение, а его температуры отрабатываются в пределах ±3°С.

Оснастив две установки конвейерными системами, а также модулями загрузки и разгрузки печатных узлов, можно организовать законченную линию нанесения влагозащитных покрытий, рассчитанную на мелко- и среднесерийное производство.

Подводя итог, можно с уверенностью заключить, что примененные в установках нанесения и отверждения покрытий TCM45A и ECO99C новаторские технологии выводят это оборудование на лидирующие позиции в отрасли, обеспечивая, с одной стороны, двукратный рост производительности, а с другой — бездефектность, экономичность и высокую гибкость при решении практически любых задач по реализации защитных покрытий электронных модулей.

Всю подробную информацию об оборудовании и технологиях компании TTnS в области нанесения и отверждения защитных покрытий можно получить, обратившись к официальному дистрибьютору — ООО «Глобал Инжиниринг».