W związku z ciągłym rozwojem elektroniki i coraz większymi oczekiwaniami co do jakości wytwarzanych elementów przy jednoczesnej tendencji do obniżania kosztów produkcji konieczne staje się stosowanie zautomatyzowanych rozwiązań, które eliminują błędy i niepewność procesu realizowanego przez ludzi. Nic więc dziwnego, że w lutowaniu takich elementów jak np. złącza i przewody elektroniczne, rezystory mikroelektroniczne czy kondensatory znakomicie sprawdza się technologia lutowania selektywnego, umożliwiająca pełną kontrolę wszystkich parametrów procesu montażowego. Z powodzeniem stosuje się ją wszędzie tam, gdzie wymagana jest najwyższa jakość połączeń wyrobów metalowych.

Precyzja połączeń, którą daje technika selektywna, znaczne ograniczenie możliwości wystąpienia wad i mniejsze koszty produkcyjne to główne przyczyny, dla których technologia ta rozwija się od kilku lat niezwykle dynamicznie. W produkcji kontraktowej jest ona dziś wybierana częściej niż klasyczne lutowanie ręczne czy lutowanie na fali. W tej uniwersalnej metodzie topnik dozowany jest tylko na wybrane pola montażowe, a ciepło niezbędne do uzyskania niezawodnych połączeń dostarczane jest lokalnie i kierowane precyzyjnie do obszarów, które mają być lutowane. Każdy indywidualny punkt może być więc osobno zaprogramowany i kontrolowany w zależności od warunków otoczenia i przebiegu całego procesu, m.in. pod kątem objętości strumienia gazu i czasu lutowania. Taki selektywny monitoring zabiegu lutowania zapewnia mu większe bezpieczeństwo, a w konsekwencji również powtarzalność i niezawodność. Nie tylko pozwala na osiągnięcie znacznie wyższej jakości montażu przy niższych nakładach, ale też zdecydowanie przyspiesza proces produkcyjny.

Z zalet technologii lutowania selektywnego korzysta dziś najintensywniej przemysł elektroniczny, telekomunikacyjny i energetyczny, a także branża produkcji medycznej i wytwórstwa sprzętu AGD. Coraz większa popularność tej metody wynika również z wyśrubowanych standardów obowiązujących w przemyśle motoryzacyjnym. Urządzenia do lutowania selektywnego coraz częściej stają się nierozłączną częścią parków maszynowych dużych zakładów przemysłowych i mniejszych firm realizujących elastyczne serie produkcji, w których niezbędnym elementem jest wielokrotny proces lutowania z powtarzalnymi parametrami.

Metoda niemal doskonała

Sama technologia znana jest od lat 90. ubiegłego wieku. Od początku lutowanie selektywne było udoskonalane i rozwijane w stopniu umożliwiającym spełnienie wysokich wymagań stawianych przez światowych producentów elektroniki.

Obecnie wyróżnia się dwie metody lutowania selektywnego: przez przeciąganie i zanurzenie. Operacje lutowania odbywają się w ochronnej atmosferze azotu, który pełni kilka funkcji: zmniejsza napięcie powierzchniowe, przyspiesza proces zwilżania lutowanych powierzchni, a także zmniejsza stopień utleniania, co skutkuje obniżoną ilością zgarów i żużlu, a tym samym skraca czas potrzebny na konserwację maszyny.

Metoda lutowania selektywnego zyskała na popularności wraz z intensywnym rozwojem technik lutowania bezołowiowego. Stopy lutownicze używane w tego rodzaju zabiegach wymagają użycia wyższej temperatury, a wiele komponentów elektronicznych ma ograniczoną odporność termiczną. Kiedy więc – jak w przypadku lutowania na fali – na oddziaływanie wysokiej temperatury narażony jest cały moduł elektroniczny, a nie tylko wybrane części, zazwyczaj dochodzi do groźnych naprężeń (spowodowanych pojedyncze punkty, przez co agresywne właściwości stopów bezołowiowych nie stanowią problemu.

Lutowanie selektywne sprawdza się szczególnie w przypadku płytek montowanych dwustronnie, które zawierają komponenty przewlekane. W takiej sytuacji lutowanie na fali przy podwyższonej temperaturze często prowadzi do przegrzania górnych elementów. Alternatywa w postaci lutowania ręcznego też ma swoje minusy – sukces zabiegu zależy tu od umiejętności i doświadczenia pracowników, przez co trudno zapewnić całej operacji konieczną precyzję i powtarzalność, a w konsekwencji dobrą jakość połączeń.

Zaawansowane maszyny

Asortyment dostępnych na rynku maszyn do lutowania selektywnego jest bogaty – możemy wybierać nie tylko wśród niewielkich modeli wolnostojących, ładowanych ręcznie, które zapewniają produkcji dużą elastyczność i ekonomiczną eksploatację, ale także sięgnąć po skalowalne systemy modułowe o wysokiej przepustowości. Aby dobrać rozwiązanie odpowiednie do potrzeb, warto wziąć pod uwagę kilka czynników. Ważne są m.in.: rodzaj lutowanych elementów (ich złożoność i odporność mechaniczno-elektryczna), zakładana wielkość produkcji (dzienna lub w skali roku), czas realizacji całego procesu montażowego, wielkość przestrzeni dostępnej dla źródła ciepła oraz podajnika spoiwa, a także środki, które możemy przeznaczyć na inwestycję. Agregaty lutujące metodą selektywną produkowane są w różnych rozmiarach, co pozwala dobrać maszynę odpowiednią do wielkości hali produkcyjnej. Ma to niebagatelne znaczenie, zwłaszcza gdy w grę wchodzą pomieszczenia o niedużej powierzchni.

W zaawansowanych urządzeniach lutujących energia cieplna jest rozkładana równomiernie na całej długości maszyny – zoptymalizowany system grzania górnego i dolnego pozwala na dostarczenie ciepła do złożonych wielowarstwowych zespołów elektronicznych. Pomaga w tym specjalna dysza wytwarzająca miniaturową falę lutowniczą, umożliwiającą dotarcie do ściśle określonych punktów. Duża różnorodność rozmiarów dysz lutujących oferowanych przez producentów pozwala dobrać narzędzie ściśle do potrzeb. Dostępne są np. dysze o średnicy 1,5 mm, które pozwalają lutować punkty w odległości 1 mm od sąsiadujących komponentów. Niektórzy producenci zapewniają też możliwość konfiguracji maszyny z wieloma dyszami, co stanowi mocny atut na tle konkurencyjnych rozwiązań.

Parametry precyzyjnie programowane

W nowoczesnych maszynach do lutowania metodą selektywną wysokość fali lutowniczej jest określana precyzyjnie w odniesieniu do stałej prędkości przepływu, a opcje ciągłego monitoringu pozwalają na sprawdzenie, czy jej faktyczna wartość odpowiada wcześniej zdefiniowanej. W razie potrzeby dokonywana jest automatyczna korekta. Za precyzyjne dozowanie niewielkich ilości topnika na obszary o bardzo małej powierzchni odpowiadają specjalne głowice. Mogą być umieszczane na ramieniu robota (lub statywu), który jest programowany w taki sposób, aby osiągał położenia odpowiadające poszczególnym punktom lutowniczym (ma to zasadnicze znaczenie podczas lutowania płytek obwodu drukowanego o dowolnie rozmieszczonych punktach). Parametry dotyczące nagrzewania oraz ilości spoiwa są wcześniej programowane, co czyni całą operację nie tylko elastyczną, ale przede wszystkim powtarzalną. Po uruchomieniu procesu grot głowicy lutującej przemieszczany jest przez robota w ściśle określone położenie, natomiast sterownik kontrolujący pracę wszystkich modułów maszyny wykonuje zabieg lutowania. Tak przeprowadzona operacja sprawia, że czas montażu pojedynczej płytki ulega istotnemu skróceniu, a jakość wykonanych połączeń jest wysoka i nie zależy od umiejętności oraz kwalifikacji operatora.

Automatyczny podajnik drutu lutowniczego, system kontroli poziomu ciekłego stopu w wannie lutowniczej, ręczny system kalibracji termicznej dyszy z wykorzystaniem kamery, programująca i procesowa kamera – to kolejne elementy osprzętu systemów lutujących, oferowane przez producentów. Opcjonalnym wyposażeniem maszyn do lutowania selektywnego, wyznaczającym nowe standardy w branży, są takie komponenty jak laserowy system korekcji wygięcia płyty PCB, system sprawdzający czystość azotu, możliwość aplikacji dwóch rodzajów topnika w jednym cyklu czy np. automatyczny system wymiany wanien lutowniczych „na gorąco”.

Część producentów świadczy usługi precyzyjnego określenia optymalnych parametrów procesu lutowania (temperatury, czasu, ilość spoiwa) na podstawie dostarczonych próbek, dzięki czemu przyszli użytkownicy urządzenia otrzymują zestaw konkretnych danych niezbędnych do przeprowadzenia stabilnych operacji lutowania. Niektórzy dostawcy maszyn dysponują również zrobotyzowanymi stanowiskami ułatwiającymi ustawienie parametrów procesu, dzięki czemu wdrożenie systemu lutowania selektywnego odbywa się potem dużo sprawniej.

Liczy się jakość i ekonomia

Każde połączenie lutownicze wykonywane za pomocą technologii selektywnej ma ten sam wygląd i objętość – to wartość nie do przecenienia, zwłaszcza w przypadku wymagającej produkcji elektronicznej. Jednak wysoka jakość i niezawodność takich połączeń to tylko jedna z wielu korzyści wynikających z wdrożenia nowej formuły lutowania. Lista zalet jest dużo dłuższa, a na jej czele znajdują się oszczędności finansowe. Dzięki możliwości indywidualnego określenia parametrów dla każdego połączenia i elementu nanoszenie topnika, podgrzewanie oraz lutowanie odbywają się w sposób selektywny, co skutkuje znacznie mniejszym zużyciem energii elektrycznej i materiałów. Menedżerowie parków maszynowych często są zdziwieni, jak bardzo nieekonomiczne – w stosunku do świeżo wdrożonej technologii selektywnej – były dotychczas stosowane procesy lutowania na fali. Nie tylko pochłaniały one kilkukrotnie więcej energii, topnika, lutowia i gazu, ale też generowały dodatkowe koszty związane z koniecznością maskowania komponentów SMD, które – jak wiadomo – charakteryzują się stosunkowo niską wytrzymałością termiczną.

Warto też podkreślić, że precyzja, z jaką głowice maszyny formują pojedyncze krople topnika i rozprowadzają go wyłącznie w obszarze lutowanym, jest źródłem oszczędności materiału, a także gwarantuje czystość płytki. Pozostałości topnika prowadzące w określonych warunkach do uszkodzeń komponentów są często krytycznym elementem tradycyjnego lutowania na fali i w wielu przypadkach mogą zniechęcać do stosowania tej metody.

Natomiast większa wydajność, praca w trybie ciągłym (24 godziny na dobę), brak kosztów związanych ze szkoleniem i certyfikowaniem pracowników, brak możliwości popełnienia błędu przez maszynę na skutek pomyłki operatora – to znaczące atuty technologii lutowania selektywnego, których nie oferuje najstarsza metoda lutowania, tj. lutowanie ręczne.

MM Info

Od dmuchaw do fal lutowniczych

Historia lutowania sięga dalekiej starożytności – metoda łączenia metalowych elementów przy wykorzystaniu spoiwa o znacznie niższej temperaturze topnienia znana była już 5 tys. lat temu. Egipcjanie łączyli w ten sposób złoto i srebro, wytwarzając biżuterię i przedmioty domowego użytku. Do lutowania używano wówczas dmuchawek lub miechów, którymi kierowano płomień na przedmiot lutowany. Jednak prawdziwa epoka lutowania rozpoczęła się 4 tys. lat temu wraz z odkryciem cyny i jej właściwości topnienia. Radykalny przełom w sztuce lutowania, która była dotąd umiejętnością przekazywaną z pokolenia na pokolenie przez rodziny rzemieślnicze, przyniosło wynalezienie lutownicy elektrycznej przez Niemca Ernsta Sachsa. W 1921 r. założona przez niego firma ERSA (od pierwszych liter imienia i nazwiska) rozpoczęła seryjną produkcję tego typu urządzeń do użytku przemysłowego.

W latach 40. ubiegłego wieku na rynku pojawiły się pierwsze poręczne pistolety lutownicze. Ich wynalazcą był Amerykanin Carl E. Weller. Założona przez niego firma Weller opracowała w 1968 r. pierwsze urządzenia do lutowania falowego, służące do obróbki płytek drukowanych na dużą skalę. Do dziś przedsiębiorstwo to jest jednym z najbardziej liczących się w tej branży.

Kolejnym przełomem było wprowadzenie na początku lat 90. przez firmę ERSA technologii lutowania rozpływowego. W 1998 r. niemiecki gracz zaproponował swoim klientom metodę lutowania selektywnego Ersa VersaFlow, która jest dziś technologią wspieraną przez wielu producentów obwodów drukowanych.