Tecnologia di rework

TECNOLOGIE –

Le due maggiori differenze nel re-work dei dispositivi Smt sono da ricercarsi nella diversificazione dei package e nell’utilizzo delle leghe LF. Questi cambiamenti non hanno comportato per i produttori di sistemi di re-work una definizione di nuovi standard, ma solo un affinamento di molte delle fun

L'evoluzione della tecnologia di assemblaggio delle schede elettroniche ha coinvolto come naturale conseguenza anche il settore della rilavorazione, dove la richiesta di macchine di rework per Smt ha fortemente spinto verso la capacità di rilavorare componenti con dimensioni sempre più piccole, o dal particolare layout dei pin come nel caso dei componenti Qfn e Llp (Leadless Leadframe Package).
Questo ha portato il produttore giapponese Den-On, distribuito e assistito in Italia da i-tronik, a introdurre sul mercato la nuova macchia di rework RD-500III, evoluzione del precedente modello RD-500 venduto in oltre 2.000 unità in tutto il mondo. Accanto a considerazioni puramente tecnologiche ci sono anche valutazioni di tipo economico che hanno avuto un peso significativo nell'impostare il progetto per il nuovo modello della stazione di rework.
La tendenza a portare all'esterno molte delle fasi di assemblaggio dei Pcb è sottesa dai costi più contenuti che si hanno presso gli Ems rispetto a quanto avviene all'interno degli Oem. Nelle società di service c'è una maggiore tendenza non solo a ridurre le attività “a zero profitto”, ma anche a utilizzare personale non sempre qualificato. Inoltre è marcata l'esigenza di poter condurre lavorazioni estremamente differenti per varietà e dimensioni sia dei componenti sia delle schede e le condizioni a cui si eseguono le rilavorazioni devono sempre più riprodurre quelle operative di saldatura. Questo insieme di considerazioni ha portato Den-On a sviluppare un sistema semplice da utilizzare, che abbia un insieme di funzioni automatizzate e che possa soddisfare un elevato numero di lavorazioni.

Profilare sul sistema RD-500III
Il profilo di rifusione nei sistemi di rework deve rispecchiare il più fedelmente possibile quanto avviene in rifusione nel forno in linea. Le due variabili che concorrono direttamente a tracciarlo sono il tempo e la temperatura, parametri di lavoro che sono impostati e controllati via microprocessore. Oltre a tempo e temperatura, sono controllati anche il volume di aria convogliata e la rampa di raffreddamento. Il volume di aria convogliato non è più fisso come agli inizi della tecnologia, ma varia in funzione del risultato che si vuole conseguire.
Il processo è facilitato dal software che riceve sia i comandi dall'operatore sia le misure di temperatura del componente e della scheda attraverso le sonde poste a diretto contatto di scheda e componente; il computer di bordo elabora i comandi da e per i sottosistemi e restituisce all'operatore informazioni utili sui valori impostati e la progressione del ciclo di lavoro. L'utilizzo delle termocoppie poste a stretto contatto con il componente e la scheda permettono di determinare il profilo ottimale di saldatura e il flusso d'aria adeguato per saldare o dissaldare il componente in tutta sicurezza, indipendentemente dalle variazioni di massa termica o della temperatura ambiente. I nozzle sono usualmente costruiti in acciaio inossidabile e con geometria che rispecchia fedelmente quella dei componenti su cui si vuole lavorare. La precisione è d'obbligo così come l'accuratezza nel distribuire il flusso d'aria calda o di azoto in temperatura. Nella valutazione di un sistema di rework è da considerare anche la capacità del produttore di realizzare ugelli su specifica richiesta del cliente. In particolare, sul sistema RD-500III è presente un software per l'autogenerazione dei profili così da contenere i tempi di set-up e semplificare l'utilizzo del sistema, rendendolo idoneo all'uso anche per personale poco esperto. L'avanzato sistema di riscaldamento utilizza aria calda da due lati, sopra e attorno al dispositivo tramite appositi ugelli dedicati, come metodo di riscaldamento primario e uno a infrarossi sotto il Pcb come secondario, per evitare shock termici. Il controllo del profilo di saldatura è a loop chiuso e avviene col supporto di cinque termocoppie. Il flusso di calore avviene convogliando sia aria che azoto in temperatura.
Il delta termico tra lato top e bottom della scheda è controllato e gestito automaticamente dalla macchina, così come è controllata automaticamente la pressione esercitata dell'asse Z durante la posa del componente. Una telecamera ad alta risoluzione integrata nel sistema e la presenza di ugelli dedicati permette la rilavorazione di componenti QFN, LLP oltre ad altri microcomponenti di geometria estremamente ridotta su schede di dimensioni fino a 500x600 mm.

Al passo con i tempi
In questi ultimi anni è notevolmente aumentata l'offerta dei dispositivi di tipo area array disponibili e come conseguenza ha dovuto essere affinato il sistema per la generazione dei profili termici. In particolare, il sistema per l'auto generazione sviluppato originariamente sul modello RD 500 di Den-On ha dovuto essere rivisto per assicurare il riscaldamento adeguato per ogni modello dell'ampia gamma di componenti oggi disponibili. In particolare i componenti più sofisticati richiedono un'applicazione mirata del riscaldamento, ma in generale rimane valida la regola secondo cui nel gradiente di riscaldamento non bisogna superare il limite massimo di 4 °C/sec. Den-On ha risolto questo problema aggiungendo una funzione nell'auto-profiling che permette all'operatore di scegliere la misura del nozzle più idonea alla saldatura del componente, perché la quantità di calore applicata realmente coincida il più possibile con la quantità ideale di calore richiesta dalle dimensioni specifiche. L'utilizzo di leghe LF (con più alto punto di fusione rispetto alle SnPb) combinato con la presenza di componenti con dimensioni infinitesimali o elevato pin count hanno enfatizzato la questione della massima temperatura sopportata dal componente, fissata dai produttori alla soglia di 245°-250 °C. Per assecondare questa esigenza e facilitare la realizzazione del profilo, i sistemi distribuiti da i-tronik ricorrono alla funzione di auto-profilo, che si avvale dell'utilizzo di due termocoppie. La prima è posizionata in corrispondenza del giunto di saldatura su cui rileva il profilo termico in progressione. Una seconda termocoppia viene posta nella parte superiore del componente, tramite un'apposita colla che favorisce la conducibilità termica. Mentre la funzione di auto-profilo sta lavorando, la seconda termocoppia controlla la temperatura nella parte superiore del componente: se si dovesse presentare una differenza eccessiva di temperatura tra la parte superiore del componente e il giunto di saldatura, il sistema RD-500III ridurrà automaticamente l'apporto di calore che arriva dall'alto e contemporaneamente aumenterà la quantità di energia che arriva dal basso. Questo “shift” nell'apporto di calore viene fatto per assicurare la corretta rifusione dei giunti senza incorrere in problemi di sovratemperatura del componente. Un'altra forte esigenza riguarda la fase di raffreddamento. Nella precedente versione del sistema di rework il raffreddamento veniva assicurato spegnendo completamente l'alimentazione degli heater fino a che non si raggiungeva la temperatura di 150 °C in quello superiore; a questa temperatura, la testa si alzava automaticamente permettendo all'operatore di rimuovere la scheda dalla macchina. Questa modalità operativa andava bene per le leghe eutettiche SnPb. L'esperienza recente ha dimostrato come a seguito di un incremento del ciclo di raffreddamento sia possibile migliorare la struttura cristallina, a beneficio della bontà del giunto di saldatura, che risulterà più forte e meno fragile. Per rendere più efficiente l'azione di raffreddamento è stata introdotta una ventola che lavora in parallelo con l'aria fredda insufflata dal nozzle, ma da cui risulta indipendente a livello di comando. Quando si rende necessaria l'attivazione della ventola di raffreddamento, alla fine del ciclo di rifusione, la testa si alza di 10 cm rispetto alla scheda e la ventola inizia automaticamente a raffreddare il dispositivo e l'area circostante. L'utilizzo della ventola rispetto al solo nozzle aumenta l'efficienza di oltre il 70%.
L'esasperazione nella ricerca della qualità da parte degli utilizzatori finali ha portato Den-on a sviluppare un software con la capacità interna di ispezione del profilo di rifusione.
Termocoppie opportunamente posizionate sulla scheda catturano i dati del processo di rework in tempo reale, funzione questa che avvicina RD-500III al processo produttivo reale. L'utente può inserire i parametri di ogni nuovo profilo per poterlo confrontare con quello standard memorizzato inizialmente, azione che consente di vedere istantaneamente ogni discrepanza sia tra le rampe che tra le temperature impostate; ogni differenza riscontrata è evidenziata per facilitarne la comprensione da parte dell'utilizzatore.

Due modelli per coprire tutte le esigenze
I due modelli proposti da i-tronik sono RD-500III e RD-500SIII, che si differenziano sostanzialmente per la dimensione delle schede (500x600 mm e 400x420 mm) rilavorate e per la potenza degli elementi IR; questi modelli condividono lo stesso set di nozzle (dalle dimensioni fisse o regolabili) e le varie sicurezze a protezione del sistema e delle schede. Tra le varie sicurezze un sensore di flusso evita che il sistema lavori se il flusso è giudicato insufficiente, altre protezioni evitano che si verifichino sovratemperature sulla testa o sugli elementi riscaldanti.La potenza disponibile (uguale su ambedue i sistemi) si trasforma in termini di elevate prestazioni termodinamiche e, di conseguenza, consente di lavorare agevolmente materiali di massa e dimensione notevole, come schede di potenza con trasformatori e dissipatori, substrati ceramici e schede metal core (come quelle impiegate per i LED ad alta efficienza).
Il controllo è computerizzato e l'interfaccia operatore avviene attraverso un display a schermo piatto. Il sistema è equipaggiato con un kit per la serigrafia della pasta saldante e con cinque termocoppie tipo k.

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