Technologia laserowa

Stanowisko lutowania laserowego

Wykonali:

Piotr Dyrek

Łukasz Foerster

Bartłomiej Góralski

Marek Latocha

Dawid Niklas

Przemysław Papiernik

Wraz z rozwojem elektroniki wzrasta też jej obecność we wszystkich dziedzinach współczesnego życia. Ta niemalże wszechobecność jest jednym z dobrodziejstw cywilizacji, ale jest też wielkim wyzwaniem. To właśnie integracja elektroniki doprowadziła do pewnych ciekawych alternatyw dla klasycznego przemysłowego lutowania, między innymi do lutowania laserami, które ma nam pomóc pokonać te wyzwania.

Na początek trochę definicji, samo słowo LASER weszło na dobre do naszych słowników i niewiele osób pamięta, że jest to akronim wyrazów: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. W tłumaczeniu na język Polski: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. W procesie lutowania elektroniki wykorzystuje się głównie diody laserowe „High Power”, które w odróżnieniu od diod CO2 i Nd:YAG, mają mniejszą długość fali co umożliwia im lepsze nagrzewanie metali przy słabszym nagrzewaniu materiałów organicznych do których możemy zaliczyć większość PCB i innych substratów. Wszystkie dostępne na rynku rozwiązania laserowe na bieżąco mierzą temperaturę i sterują mocą wiązki na podstawie pomiaru. W tej dziedzinie nie wszystkie rozwiązania oferują tak wysoką kontrolę, jakiej byśmy się spodziewali, ale o tym nieco później. Dlaczego LASER ?Istnieje kilka aplikacji, w których klasyczne metody lutowania nie mogą być zastosowane lub ich stosowanie jest bardzo utrudnione. Do takich przypadków możemy zaliczyć:

1) Wykorzystanie materiałów wrażliwych na temperaturę

2) Zbyt mało miejsca na operacje grotem/podejście selektywem

3) Lutowanie materiałów łatwo rozpuszczalnych w cynie (cienkie złote/srebrne klisze)

Oprócz wymienionych powyżej problemów, głównym powodem zainteresowania laserami w branży jest fakt, iż umożliwiają one bardzo precyzyjne i bezkontaktowe lutowanie. Lutowanie w tej technologii nie nagrzewa tak produktów i mogą one być przekazywane szybciej między poszczególnymi etapami bez dodatkowego chłodzenia lub buforowania, co za tym idzie możemy inaczej projektować procesy skracając całkowity czas produkcji. Na rynku dostępne są lasery o średnicy punktu skupienia od 0,2 mm do kilku mm, co na chwilę obecną umożliwia lutowanie większości elementów i ich wyprowadzeń. Powszechnie stosuje się diody laserowe o mocy 30-60 Wat, jednak spotyka się systemy o większej wydajności sięgającej ponad 100 Wat. Czas lutowania jest zależny od mocy całej głowicy i parametrów lutowanych elementów. W zależności od aplikacji proces lutowania jednego wyprowadzenia trwa od 0.6-1.5 sekundy dla SMT do kilku sekund dla wyprowadzeń o większej pojemności cieplnej. Mimo wysokiej mocy procesy lutowania laserowego również wymagają grzania wstępnego. Główne zalety Wspomniana poprzednio precyzja systemu laserowego. Pomiar temperatury i analiza przez oprogramowanie umożliwia korekcję mocy diod, a w większości rozwiązań możemy w czasie rzeczywistym obserwować temperatury na ekranie komputera w postaci tablic lub wykresów. Obszar lutowania jest niewielki - szybko się nagrzewa i szybko chłodzi - możemy stosować inne niż standardowe stopy - na przykład wysokotopliwe 96.8Au 3.2Si (Wykorzystywane dla elektroniki branży paliw kopalnych, gdzie urządzenie musi przejść testy : nie mniej niż 500 godzin w temperaturze pracy 300 stopni Celsjusza).Poza tym lutowanie laserem jest bardzo czystym procesem. W procesie lutowania oprócz cyny, dodanym do niej topnikiem i powierzchniami lutowanymi nie ma żadnych innych obiektów.

Nie mamy utlenionych pozostałości z grotów, zgarów z fali cyny czy też spalonych drobin topników. Nie występuje zagrożenie uszkodzenia okolicy punktów lutowniczych przez nieuwagę operatora. Pozostając w temacie zgarów i grotów, systemy laserowe w porównaniu do klasycznych nie wymagają czyszczenia i mogą okazać się tańsze w utrzymaniu. Nie potrzebujemy wymieniać grotów, utylizować zgarów czy też poświęcać czasu na czyszczenie całych urządzeń - skracamy przestoje konserwacyjne - obniżamy koszty. Ponadto w procesach lutowania elementów przewlekanych uzyskuje się większy uzysk przy wydajności porównywalnej z lutowaniem selektywnym. Wyższą jakość zapewnia nam chociażby brak zwarć między wyprowadzeniami, co w rozwiązaniach klasycznych występuje albo wymusza użycie specjalnych dysz, które również się zużywają lub wymagają czyszczenia. Dodatkowo wykorzystanie laserów w przedsiębiorstwie ma też swoją wartość marketingową, gdyż laser jest kojarzony z postępem i innowacyjnością. Dostępne są urządzenia do laserowego lutowania elementów, które właśnie dzięki swojej precyzji mogą lutować wyprowadzenia niedostępne dla klasycznych agregatów selektywnych. W rozwiązaniu laserowym spoiwo podawane w postaci drutu lutowniczego jest dozowane i podgrzewane wiązką z diod wysokiej mocy w punkcie lutowania. Kolejną bardzo interesującą aplikacją laserów są urządzenia do „reworku”, które w bardzo bezpieczny i kontrolowany sposób pozwalają odlutować i przylutować elementy bez konieczności maskowania okolicy obszaru roboczego.

W naszym projekcie użyliśmy laseru diodowego do lutowania płytek drukowanych a dokładniej do łączenia elementów na niej. Mieliśmy do wyboru dwie głowice laserowe: do lutowania ciągłego i punktowego. Ze względu na to, że łączyć będziemy jedynie nóżki elementów elektronicznych, nie było konieczności zastosowania głowicy z możliwością lutowania ciągłego. Do połączenia generatora z głowicą użyliśmy światłowodu, który idealnie nadaje się do przesyłania strumieni światła, które jest odbijane od ścianek światłowodu.

• Ramię robota
  Apollo - L-CAT EVO Soldering Robot:

Specyfikacja:

• Łatwe programowanie i operowanie urządzeniem za pomocą teach pendanta.

• Silnik sterujący ramieniem w osiach XY z dużą dokładnością obrotową.

• Maksymalna prędkość poruszania się po osiach XY 750mm/s

• Pamięć 100 programów

• 1,000 punktów w programie

• dokładność +- 0.025

• RS232C interface

• 8 wejść i 7 wyjść

• Maksymalne obciążenie 3kg

• Waga 50kgs

• Całe okablowanie wewnątrz ramienia

• Specjalna technologia zapobiega rozpryskiwaniu się materiału lutującego

• dostępne oprogramowanie PC

• Pełny wgląd, łatwy dostęp do programu robota i możliwość ingerencji w opcje wywyższają robot nad innymi

• Możliwość podłączenia dwóch głów lutujących, dzięki czemu można zaoszczędzić

50% czasu pracy

• Wykorzystując wodór możliwe jest szybkie i efektywne

Lutowanie

- Głowica lutująca
RSP Soldering Heads:

Specyfikacja:

- Zasilanie 48V DC

- 100 W

• Generator
  Terra Control Unit:

Specyfikacja:

• Zasilanie AC 90 V - AC 264 V

• Średnica wiązki Ø 0,4 - Ø 1,6

• Zakres temperatur 0-500°C

• Moc 100 W

• Waga 3,5 kg

• Podajnik cyny
  SP solder feeder:

- Stół do zamocowania płytek
PC Jovy:

Bibliografia:

- http://www.kaisertech.co.uk/acatalog/Robotic_Soldering.html

- "Technologie laserowe" Andrzej Klimpel

---