Опыт эксплуатации прецизионных дозирующих систем в производстве электроники

Спектр применяемого в мире дозирующего оборудования очень широк — от простых настольных дозаторов с базовыми функциями управления рабочим давлением и давлением подачи жидкости, предназначенных для ручной сборки и ремонта, до суперсовременных систем с цифровыми дисплеями, отображающими все рабочие параметры, систем с использованием дозирующих клапанов для автоматизированных производственных линий и пьезоэлектрических струйных клапанов для бесконтактного нанесения точных объемов жидкости.

Настольные дозирующие системы

Настольные дозаторы (см. рис. 1) обеспечивают высокий уровень аккуратности и точности в процессах ручного нанесения жидкостей на сборочных производствах и в процессах ремонта или исправления брака. В зависимости от особенностей производственного процесса это может быть и простейший настольный дозатор, рабочие функции которого сводятся к регулировке времени нанесения дозы и рабочего давления, и продвинутые системы со сложной конфигурацией, имеющие цифровой дисплей, который служит для отображения всех рабочих параметров в различных единицах измерения (psi, бар, и т.д.) и на различных языках.

Вне зависимости от дозатора, который вы выберете, размер дозы определяется комбинацией таких параметров как давление воздуха на дозируемый материал, продолжительность времени подачи сжатого воздуха, и размера или внутреннего диаметра дозирующей насадки.

Рис. 1. Настольные дозаторы сделают процессы ручного нанесения более аккуратными и предсказуемыми

Во время работы дозатор соединен с источником сжатого воздуха (компрессор или централизованная линия подачи) и электрической сетью. Жидкость помещается в промышленный корпус шприца однократного применения, на который устанавливается прецизионная дозирующая насадка. Внутрь корпуса шприца вставляется специальный поршень, который предназначен для равномерного переноса усилия на дозируемую жидкость и предотвращает протечки в перерывах между нанесениями. Кроме того, поршень очищает внутренние стенки корпуса шприца во время дозирования, тем самым снижая потери жидкости и минимизируя риски, которые могут возникнуть при утилизации компонентов однократного применения. В зависимости от дозируемой жидкости и требований производственного процесса жидкость помещается в корпус шприца непосредственно на производстве или же поступает от производителя/поставщика уже в шприце.

Следующий шаг — отладка времени нанесения дозы и рабочего давления, которые являются важнейшими факторами формирования требуемого размера дозы или объема жидкости при заполнении. Базовое правило — более высокое давление, более продолжительное время нанесения дозы и дозирующие насадки с большим внутренним диаметром используются для создания дозы большого объема; более низкое давление, более короткое время нанесения дозы и насадки с маленьким внутренним диаметром нужны для создания доз малого объема. Время нанесения дозы и рабочее давление определяются в производственной лаборатории или инжиниринговом центре, после чего передаются начальником производства операторам в виде инструкций. Для упрощения этого процесса многие дозаторы снабжены функцией «обучения», которая позволяет пользователю опытным путем достаточно быстро определить требуемый размер дозы, а затем при помощи тонкой настройки таймера (с точностью шага до 0,0001) получить первую дозу заданного размера на дозаторе.

После того как определены все рабочие параметры, оператор просто держит корпус шприца как карандаш, подносит кончик дозирующей насадки к месту нанесения, нажимает и отпускает педаль управления для создания дозы. Для того чтобы нанести дозу, идентичную предыдущей, достаточно нажать на педаль еще раз.

Прецизионные дозирующие клапаны для автоматических дозирующих устройств

Механические шнековые клапаны довольно часто используются для дозирования паяльных паст в мелкосерийном производстве электроники или если необходимо дозировать паяльную пасту для установки большого ассортимента компонентов, т.е. в условиях, когда нанесение паяльной пасты методом трафаретной печати не является эффективным. А дозирующие клапаны с пневматическим приводом (см. рис. 2) представляют собой эффективное решение для многих других процессов, задействованных в производстве электроники, — например, заливка неполного объема, заливка компаундом, офлюсовывание и нанесение покрытий.

Рис. 2. Дозирующие клапаны с пневматическими приводами могут использоваться при заливке, герметизации компаундом, флюсовании и нанесении покрытий в автоматических производственных линиях

Различные конструкции, включающие мембранные клапаны, игольчатые клапаны и распылительные клапаны, работающие по принципу «Малые Объемы при Низком Давлении», служат для выполнения широкого спектра производственных задач. В зависимости от производственного процесса и объема жидкости, который необходимо нанести, во время дозирования жидкость может подаваться из шприца или емкостей объемом 1 литр и более. Как правило, дозирующий клапан крепится неподвижно или на манипулятор. Работа дозирующего клапана похожа на работу настольного дозатора в плане факторов формирования дозы — комбинации давления, времени и размера насадки.

Дозирующая система с использованием клапана состоит из дозирующего клапана, контроллера клапанов, управляющих соленоидов и емкости для жидкости. Жидкость подается на клапан с постоянным давлением, а контроллер используется для подачи сигнала, определяющего время открытия клапана, на внешние соленоиды для открытия и закрытия приводного механизма дозирующего клапана, что позволяет пропускать через затвор клапана заранее определенный объем материала.

Высокая скорость дозирования и малые объемы дозы

Пьезоэлектрические струйные клапаны PICOTM — это следующая возможность, из рассматриваемых нами, разработанная специально для производственных процессов, которые требуют высокой степени стабильности дозы, высокую производительность, очень маленький объем дозы или при нанесении в труднодоступные места или же нанесении на неровные поверхности, т.е. в тех случаях, где нельзя использовать дозирующую насадку.

Пьезоэлектрическая технология для струйного нанесения жидкости на поверхность полностью бесконтактная, что устраняет необходимость прецизионного позиционирования рабочего органа по высоте и необходимость в затратном по времени движении по оси Z. При этом можно дозировать в виде капель объемом всего 2 нанолитра на постоянной скорости до 150 капель в секунду. И никакого риска, что дозирующая насадка оцарапает или как-нибудь еще повредит поверхность нанесения. Кроме того, при необходимости можно воспользоваться опцией подогрева, предусмотренной для некоторых моделей и позволяющей поддерживать вязкость дозируемой жидкости на одном и том же уровне, что, в свою очередь, гарантирует абсолютно одинаковый размер всех доз — от первой до последней.

Решение задачи изменения вязкости

Во многих технологических процессах в производстве электроники используются серебросодержащие эпоксидные клеи, эпоксидные клеи для монтажа кристаллов, различные материалы для заливки. Вязкость этих жидкостей меняется с течением времени, что поставило перед разработчиками оборудования уникальную задачу.

При повышении вязкости в течение времени жизни этих жидкостей размер дозы постоянно уменьшается. Чтобы компенсировать изменение вязкости, необходимо дополнительно регулировать настройки дозатора или контроллера клапана. Только в этом случае размер дозы будет стабилен.

Традиционно инженер-технолог периодически останавливает линию сборки для проверки размера дозы и ручной перенастройки оборудования, если необходимо. При этом в большей степени приходится полагаться на индивидуальный опыт технолога. Как правило, изменяется один из двух параметров: повышается давление воздуха — что позволяет приложить большее усилие для продавливания материала через дозирующую насадку, или же увеличивается время нанесения дозы. Чаще всего для сохранения показателей производительности линии на производствах выбирают первый путь — увеличивают рабочее давление, а не время нанесения дозы.

Остановка производственной линии снижает производительность, а ручная перенастройка повышает риск производства брака ввиду вариативности объема дозы. Кроме того, все усложняется тем, что у большинства жидкостей, вязкость которых меняется с течением времени, этот процесс происходит по-разному и в большинстве случаев значение вязкости изменяется нелинейно.

Рассмотрим следующий пример: представьте себе материал, срок жизни которого ограничен четырьмя часами после перемешивания компонентов. Вязкость остается стабильной на протяжении первых двух часов, таким образом, размер дозы остается неизменным и никакие перенастройки не нужны. Но, в течение третьего часа материал постепенно становится более густым — сначала, первые 30 минут, медленно, затем все быстрее. так что перенастройка оборудования может потребоваться уже после 30 минут работы, затем снова через 45 минут и снова через 60 минут. В течение последнего часа будет необходимо увеличивать рабочее давление или время нанесения дозы каждые 10 минут или даже еще чаще.

Вне зависимости от того, решит ли технолог повышать давление или увеличивать время нанесения дозы, время, затрачиваемое на перенастройку, а затем пробные пуски, превращается в потери производительности. Помимо этого, многие из этих материалов достаточно дороги, т.е. если в шприце по прошествии времени жизни материала что-то остается, то дальнейшее дозирование становится невозможным. А это еще один фактор, существенно влияющий на повышение себестоимости продукции.

Чтобы помочь производителям электроники, компания Nordson EFD разработала высокопрецизионный дозатор UltimusTM V (см. рис. 3).

Рис. 3. Дозатор Ultimus V устраняет все проблемы с вязкостью благодаря автоматической перенастройке параметров дозирования в течение срока жизни дозируемой жидкости и гарантирует стабильность доз

Модель Ultimus V базируется на проверенных временем технологиях дозирования жидкостей и позволяет устранить проблемы с вязкостью материала, т.к. аппарат способен автоматически изменять рабочие параметры в течение всего времени жизни материала, сохраняя неизменным размер дозы.

В отличие от стандартных дозаторов, в которых используются аналоговые регуляторы давления воздуха, в Ultimus V используется специально разработанный специалистами EFD электронный регулятор давления, т.е. все рабочие параметры, включая время нанесения дозы, давление, вакуум, контролируются электроникой, обеспечивающей непревзойденную аккуратность, повторяемость и управляемость процессом.

При использовании дозатора Ultimus V первым шагом является определение графика изменения вязкости материала в течение определенного времени. Как правило, производитель жидкости может предоставить такую информацию, в противном случае потребуется проводить измерения и расчеты непосредственно на производстве.

Когда кривая вязкости определена, необходимо использовать интуитивное меню дозатора Ultimus V для введения в ячейки памяти времени нанесения дозы, давления и вакуума в соответствии с изменением вязкости с определенными заранее интервалами. Это можно сделать непосредственно на дозаторе или на ПК, используя кабель RS-232 и специальное программное обеспечение EFD для Ultimus V, также можно использовать любые другие интерфейсы, поддерживающие стандартный протокол RS232C.

Дозатор Ultimus V оснащен функцией автоматического инкрементирования, которая имеет 400 ячеек памяти, каждая из которых сохраняет индивидуальные настройки давления, времени нанесения дозы, вакуума и пускового сигнала. Значения пускового сигнала могут быть заданы либо по количеству доз, которые необходимо сделать в определенное время (режим подсчета), либо по количеству времени в секундах, которое охватывает каждый интервал (режим таймера). Как только установленный интервал/пусковой сигнал завершается, Ultimus V переходит к следующей ячейке памяти и ее настройкам.

Уникальность дозатора Ultimus V заключается в том, что для каждого шага приращения можно устанавливать индивидуальные настройки интервала/пускового сигнала. Это позволяет сократить количество интервалов, необходимых для каждого отдельного графика вязкости, т.е. в 400 ячейках памяти дозатора Ultimus V можно сохранить большее количество кривых для материалов.

Когда программирование необходимых настроек в ячейках памяти завершено, можно сохранить задание или скачать его на ПК, используя интерактивное программное обеспечение, для использования в следующий раз, когда будет использоваться тот же материал. Кроме того, фирменное программное обеспечение имеет функцию «offset» для синхронной настройки всех сохраненных параметров в памяти дозатора для устранения погрешностей, которые могут быть вызваны вариативностью материала от партии к партии или существенным изменением температуры окружающей среды в рабочем помещении.

Такой подход может существенно повысить производительность, экономя и время, и деньги. Благодаря тому, что нет необходимости останавливать производство, производить перенастройку, чтобы компенсировать изменение вязкости, затем осуществлять пробные пуски, можно произвести больше изделий. Помимо этого, Ultimus V позволяет более рационально использовать материал до того, как закончится его срок жизни, т.е. можно произвести большее количество изделий при том же расходе жидкости, а это также экономит средства и сокращает отходы.

Важные мелочи

Вне зависимости от того, на каком решении вы остановитесь, будет ли это автоматическая дозирующая система или настольный дозатор, всегда необходимо обращать особое внимание на качество используемых дозирующих компонентов (см. рис. 4).

Рис. 4. Качество компонентов дозирующих систем наиболее критично для достижения стабильно высоких результатов

Многие пользователи, имеющие дозирующие оборудование, бывают удивлены, когда узнают, насколько существенное влияние на процесс дозирования могут оказать корпуса шприцов, поршни и дозирующие насадки. Корпуса шприцов и поршни EFD серии OptimumTM отливаются под давлением с высокой точностью и минимальными допусками, чтобы гарантировать, что давление будет подано на жидкость равномерно. Равномерное давление обеспечивает идеальную управляемость и более аккуратное нанесение. В отличие от более старых технологий производства поршней, поршни серии Optimum имеют плавный радиус закругления с уникальными каналами для отвода воздуха, что делает процесс дозирования более стабильным и не допускает протечек. Точно выполненные края поршня с двумя поверхностями касания великолепно подходят под внутренние размеры корпуса шприца, не допуская отток жидкости назад и минимизируя остаток жидкости на внутренних стенках шприца. При сбросе давления благодаря минимальному расстоянию между поршнем и стенками шприца полностью отсутствует подтекание жидкости из насадки.

Насадки — это еще один критичный элемент дозирующей системы, т.к. именно через них проходит жидкость на финальной стадии дозирования, прежде чем попасть на изделие. Какая бы совершенная дозирующая система не использовалась бы на Вашем производстве, облой на пластиковых частях насадки, силикон, остающийся после выхода пластиковых частей из пресс-форм, или заусеницы и неровности в стальной игле крайне негативно скажутся на аккуратности и точности дозирования, особенно если необходимо делать маленькие дозы.

К сожалению, многие насадки выглядят одинаково снаружи, поэтому есть два способа найти именно те насадки, которые действительно будут работать на вас — многолетние испытания на производстве или закупки только у зарекомендовавшего себя производителя, который гарантирует, что его насадки безопасны и предназначены для промышленного применения, а также сможет обеспечить отслеживаемость от партии к партии.

Заключение

Прецизионные системы для дозирования жидкостей — это аккуратный, рентабельный и надежный инструмент для нанесения равных доз паяльных паст, флюсов, эпоксидных смол, клеев, герметиков, покрытий, термопаст и многих других жидкостей, которые используются в производстве электроники.

Настольные дозаторы сделают процессы ручного нанесения более аккуратными и предсказуемыми и могут с успехом использоваться в мелкосерийном производстве, ремонте или при исправлении брака, а дозирующие клапаны с пневматическими приводами могут стать наиболее эффективным решением для большинства других операций сборки в электронике — заливки, герметизации компаундом, флюсования и нанесения покрытий.

Пьезоэлектрические клапаны идеальны для нанесения жидкостей на неровные поверхности, где невозможно использовать иглы, или если необходимы чрезвычайно маленькие дозы жидкости.

Эпоксидные клеи с серебряным наполнением, эпоксидные клеи для крепления кристаллов и многие другие жидкости, вязкость которых может изменяться с течением времени, получили широкое применение в электронной промышленности. Как только эти материалы становятся более густыми, размер дозы уменьшается. Новый дозатор Ultimus V компании Nordson EFD устраняет все проблемы с вязкостью благодаря автоматической перенастройке параметров дозирования в течение срока жизни дозируемой жидкости и гарантирует стабильность доз от начала до конца.