Dispensazione: tecnologia ad ampio spettro

PRODUZIONE –

La tecnologia della dispensazione è da anni utilizzata in diverse fasi della produzione elettronica perché consente di effettuare un deposito molto preciso anche nei casi di Pcb densamente popolati; inoltre è una tecnologia utilizzabile con diversi tipi di materiali.

Partendo dall'utilizzo di semplici dispositivi che lavorano sulla base del tempo-pressione, per arrivare celle robotizzate con valvole molto sofisticate che consentono velocità di deposito di decine di migliaia di punti/ora, questi sistemi permettono di dispensare un'ampia gamma di materiali, dalle resine epossidiche alle colle cianoacriliche, dalle paste saldanti ai materiali siliconici alle resine conduttive. L'applicazione più comune della dispensazione riguarda il montaggio dei componenti a tecnologia superficiale, in particolare l'assemblaggio di schede a doppia faccia dove viene eseguito l'ancoraggio dei componenti SMD sul lato bottom prima dell'ingresso in saldatura a onda. Meno diffuso è l'impiego per depositare la pasta saldante, applicazione che si rivela interessante in presenza di un numero limitato di componenti o dove problemi di accessibilità non consentono l'utilizzo della serigrafia. Ultimamente un sistema realizzato da Mydata consente una deposizione punto a punto estremamente veloce, con la possibilità di costruire profili di deposito differenziati sullo stesso Pcb. Più di nicchia è l'utilizzo nei settori COB, CoC e MCM (Chip On Board, Chip on Chip, Multi Chip Module) per il Die Attack e il Glob Top, così come per la dispensazione delle resine conduttive o la lavorazione dei pannelli solari. A queste si aggiunge la tecnologia di riempimento sotto i Flip Chip che prende il nome di underfilling. Con altri tipi di valvole i sistemi di dispensazione sono utilizzati per rivestire le schede assemblate con film protettivi; questa applicazione del conformal coating aiuta i pcb a resistere e a lavorare correttamente anche negli ambienti più sfavorevoli.

Parametri di lavoro e caratteristiche di prodotto
Un processo di dispensazione deve tener conto di due famiglie di variabili, quelle relative al sistema e quelle relative al prodotto utilizzato. Alla prima appartengono le velocità di movimentazione degli assi, il diametro interno dell'ago, la sua distanza dal piano di deposito, il ritardo che intercorre tra il comando di deposito e il momento di reale dispensazione, tempo e pressione di lavoro. Le variabili riconducibili al prodotto da utilizzare sono la stabilità chimico-fisica al variare delle condizioni ambientali, la viscosità, la fluidità, la capacità di bagnare le superfici, l'omogeneità e l'assenza di inclusioni gassose. Ogni applicazione richiede un proprio volume di deposito e precise impostazioni delle variabili di processo. Se si eccede ad esempio nel deposito del volume di colla per l'ancoraggio di un componente, si rischia di invadere le piazzole di saldatura, pregiudicando il successo dell'operazione successiva; se il deposito è sottodimensionato si incorre nel pericolo di non avere un buon ancoraggio e di conseguenza di perdere il componente durante il passaggio in onda. Un parametro di processo da considerare attentamente è la distanza tra l'ago e la superficie della scheda; questo valore è direttamente proporzionale al diametro interno dell'ago. Una seconda valutazione riguarda la tensione superficiale caratteristica del prodotto. La forza f che si instaura tra ago e materiale dispensato deve essere inferiore alla forza F che si crea tra materiale e superficie della scheda. Diversamente non si avrebbe il distacco dell'ago dal prodotto, ma del prodotto dalla superficie della scheda. La cianfrinatura dell'ago, ovvero lo smusso della sua circonferenza esterna, riduce di fatto la forza f.
Attenzione va posta anche nel controllo del tempo che intercorre tra comando di dispensazione e il momento in cui il prodotto fuoriesce a formare il deposito. Questa variabile è legata alla viscosità, che a sua volta è anche funzione della temperatura. Alcuni costruttori di valvole di dispensazione ricorrono a un riscaldatore locale per omogeneizzare la viscosità e di conseguenza rendere più ripetibile il processo.

Quando il problema è il pcb
Indipendentemente dalla bontà del sistema e del prodotto in uso, sono a volte le schede, con la loro mancanza di planarità, la fonte di problemi qualitativi. Questi si manifestano con scarsa ripetibilità tanto del volume depositato quanto della geometria che i punti vanno assumendo. Almeno quattro sono le soluzioni che negli anni sono state adottate, sia di tipo meccanico che con l'adozione di speciali sensori. L'uso di telecamere con fuoco automatico evita il contatto con la scheda, ma è costoso e risente dei disturbi dovuti alla riflessione, inoltre richiede l'utilizzo di una sorgente luminosa molto stabile. Il sensore laser è veloce perché la misura può avvenire durante gli spostamenti della testa su cui è montato, ma è costoso. Potrebbe comunque soffrire di problemi di riflessione e risentire del diverso assorbimento di luce dei materiali impiegati.
Il sensore di contatto è meno costoso, preciso, ma lento; avendo una distanza fissa rispetto all'ago, potrebbe non essere agevole individuare le aree di misura.
Ultima soluzione in ordine di tempo è il ricorso all'utilizzo delle valvole a getto, che risolvono i precedenti problemi e garantiscono un'elevata velocità di lavoro. Il materiale da depositare è messo in pressione nella camera di espulsione, dove un dispositivo riscaldante ne ottimizza il valore di viscosità. Un pistone dalla terminazione semisferica viene caricato, al suo rilascio l'adesivo viene spinto nel nozzle e letteralmente lanciato sulla superficie della scheda. Differenti diametri di nozzle e il lancio multiplo sul medesimo punto consentono di ottenere la deposizione di un'ampia gamma di volumi. Questa soluzione lavora a una distanza dalla superficie della scheda che può essere impostata tra 1 mm e 3-4 mm, eliminando di conseguenza il movimento dell'asse z nel passaggio tra punti consecutivi.

L'impiego con pasta saldante
Sebbene non molto diffusa, l'applicazione per dispensazione della pasta saldante trova impiego nella prototipazione, nella produzione di pre-serie, nella lavorazione di schede 3D e nella rilavorazione. Come vantaggi spicca fra tutti la flessibilità, secondariamente si ha un risparmio nel materiale di consumo (rispetto al processo serigrafico) e un processo pulito. L'introduzione di fiducial locali consente depositi estremamente accurati, come pure facilitato è il deposito di volumi differenziati senza ricorrere a sofisticati (e costosi) stencil. Il passo dei componenti su cui si vuol lavorare determina la granulometria della pasta e di conseguenza il diametro dell'ago. Una granulometria di 25-40 micron è l'ideale, la pasta deve essere ben omogenea e le particelle metalliche (il powder) perfettamente sferiche, per evitare intasamenti. La pasta saldante è usualmente contenuta in siringhe da 10 cc. Anche nel caso della pasta saldante le variabili da controllare sono la distanza tra l'ago e la superficie delle piazzole, il tempo ciclo, la viscosità e la temperatura.

Chip on Board
Il processo d'incapsulamento richiede che il materiale prescelto, una resina epossidica, sia depositato in quantità precisa, riscaldandolo durante la deposizione per garantire un fluire omogeneo e una buona adesione al piano di lavoro. Quando la resina incapsulante è correttamente deposta, evitando inclusioni gassose, presenta bassi coefficienti di espansione termica e costituisce una valida barriera contro umidità e agenti chimici. Durante l'esecuzione dell'incapsulamento (Dam and Fill o Glob Top) è necessario fare attenzione che non si creino bolle d'aria o crateri. In particolare le prime potrebbero, durante il funzionamento del circuito, dare luogo a dilatazioni incontrollate con la conseguente rottura delle finissime connessioni interne (wire bonding). Il processo di Dam and Fill avviene in due fasi. La resina viene riscaldata a una temperatura attorno ai 60 °C mentre il substrato viene portato a circa 90 °C per facilitare la penetrazione sotto le connessioni. Nella prima fase si traccia una diga che delimita e conterrà la copertura operata nella seconda fase. La valvola, nell'operare la copertura procede a spirale dall'esterno verso il centro del chip. La resina riempie tutti gli spazi attorno ai fili e poi prosegue ricoprendo tutto il chip. Sono utilizzate due resine differenti, diverse anche nel colore, dove quella destinata al contenimento è ad alta viscosità. Il Glob Top utilizza un'unica resina e il percorso di copertura, oltre che a spirale, può essere secondo i lati di un quadrato o di un rettangolo. Si esegue poi la fase di curing per conferire stabilità meccanica alla protezione.

Flip Chip
Il Flip Chip è un componente che appartiene alla famiglia degli area array come i BGA, ma a differenza di questi non gode della protezione del molding. Di conseguenza una volta rifusi i bump e formate le connessioni, bisogna provvedere a garantire l'adeguata resistenza contro gli stress termici e meccanici. L'operazione, che prende il nome di underfilling, consiste nel riempimento della luce esistente tra la superficie attiva del componente e la superficie del substrato su cui poggiano i bump rifusi. La resina, di tipo epossidico, viene dispensata lungo i bordi del componente e in funzione delle sue dimensioni viene deposta lungo uno, due o tre lati, da cui penetra verso il centro dell'area interessata per capillarità. In alcuni casi l'area del substrato sottostante il chip viene scaldata per facilitare la penetrazione della resina che deve avviluppare incondizionatamente tutti i giunti, senza creare vuoti; il riscaldamento ha inoltre il compito di velocizzarne lo scorrimento. Nel caso si volesse eseguire un test di connessione o di funzionalità, andrebbe effettuato prima dell'underfilling, perché la riparazione risulterebbe poi impossibile. Anche in questo caso, al termine si esegue la polimerizzazione.

Conformal Coating
Il coating, o tropicalizzazione, è il metodo per fornire una consistente protezione di tutto il pcb o di una o più delle sue parti, contro un ampio spettro di avversi fattori ambientali.
Tra i più ricorrenti ricordiamo l'umidità e la corrosione, senza dimenticare che questo rivestimento aumenta l'isolamento elettrico e la protezione nei confronti dei cicli termici, degli shock meccanici e delle vibrazioni. Introdotta originariamente per fronteggiare situazioni ambientali ostili quali l'ambiente marino o quello aerospaziale, questa tecnologia si è andata estendendo all'automotive e alle telecomunicazioni e, in seguito, ad alcuni settori del controllo di processo industriale e dell'elettronica di consumo. Tra i materiali utilizzabili, quelli di più comune impiego sono di tipo acrilico, siliconico, epossidico e poliuretanico. I sistemi di dispensazione automatica garantiscono tanto la precisione dello spessore del deposito quanto il rispetto della delimitazione delle aree non interessate al trattamento. Come tutti i processi robotizzati presenta sia un alto grado di ripetibilità che di flessibilità. L'uniforme distribuzione del film si ottiene quando sono soddisfatti quattro requisiti: l'appropriata generazione del flusso, la definizione dell'area di dispensazione, il controllo dello spessore del film e il controllo dell'effetto ombra dovuto ai componenti più alti. L'uscita del materiale di rivestimento dalla valvola di dispensazione deve essere di tipo laminare per poter garantire uno spessore costante del deposito e una precisa delimitazione dell'area interessata alla protezione. Nel processo interviene anche la variabile viscosità, che può cambiare il suo valore in seguito all'aggiunta di nuovo materiale a quello ancora presente nel serbatoio.La velocità di traslazione della testa e la pressione con cui il liquido fuoriesce influiscono sul risultato finale. Un'uscita pulsante o atomizzata produrrà delle turbolenze che risulteranno in uno spessore irregolare e bordi ondulati dell'area coperta. I sistemi di conformal coating pur essendo dei dispensatori si differenziano enormemente per il tipo di valvole impiegato e per il più complesso sistema di alimentazione del materiale alla valvola. Il risultato finale ne giustifica comunque la scelta rispetto ai sistemi di coating per immersione o per distribuzione spray.

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