Импульсная сварка (бондирование) для производства многослойных печатных плат

Авторы:

Гаэтано Даллора (Gaetano Dall’Ora), Андрей Мусин

Технология сварки (бондирования) хорошо известна и уже не одно десятилетие широко применяется для производства многослойных печатных плат. Она быстро завоевала популярность благодаря тем преимуществам, которые предоставляет эта технология по сравнению с альтернативными методами сборки слоев, связанными с использованием заклепок или штифтов.

Введение

Рис. 1. Сварочная головка

Решающим достоинством стала возможность легко создавать сварные точки, соединяющие внутренние слои перед процессом прессования. Процесс весьма стабилен и надежен, особенно для относительно малослойных печатных плат, и отличается высокой производительностью и чистотой. Следует отметить, что при этом дополнительные материалы не требуются.

На начальном этапе сварка была термической. Установки сварки были оборудованы нагревателями, с помощью которых сварные горячие точки создавались вдоль кромок внутренних слоев пакета. С ростом количества слоев на применение термической сварки стали накладываться определенные ограничения. На рынок вышла индукционная сварка. В рамках этой технологии нагрев создавался вихревыми токами в меди внутренних слоев с помощью переменного магнитного поля.

Так как тепло генерировалось изнутри, проблема толщины была преодолена, однако при внедрении этой технологии специалисты также столкнулись с рядом ограничений. Количество сварных точек было ограничено четырьмя или шестью, что было связано исключительно со сложностью конструкций сварочных головок. Трудности также возникали с управлением температурой для слоев разной толщины и совмещением головок с местами фиксации слоев.

Импульсная сварка (бондирование)

Импульсная сварка — новая технология, разработанная компанией Piergiacomi. Благодаря ей можно не только преодолеть все обозначенные выше проблемы, но и обеспечить значительные преимущества техпроцесса, такие как увеличение скорости, повышение гибкости и приспособляемости к различным материалам, а также крайне низкое энергопотребление.

Рассмотрим технологию бондирования подробнее.

В первую очередь необходимо отметить, что эта технология не является индукционной сваркой,и смешивать эти два понятия не следует. Импульсная сварка гораздо совершеннее индукционной и построена на ином физическом принципе: для генерации тепловой энергии используются высокочастотные импульсы.

Каждую сварочную головку (рис. 1) можно рассматривать в качестве радиопередатчика. Обычно наличествует 12 сварочных головок, которые, работая одновременно, способны создавать 12 сварных точек вдоль двух кромок внутренних слоев пакета (шесть справа и шесть слева).

Каждая головка содержит внутри электронный модуль, который принимает данные от ПК и вычисляет энергию, которую необходимо выделить. ПК управляет каждой головкой независимо от остальных.

Каждая головка излучает импульсы, которые улавливаются медью внутренних слоев, то есть медный слой в реальности работает как приемная антенна. Управление объемом выделяемой энергии осуществляется с помощью изменения амплитуды, длины и частоты импульса. Такая технология работает только с одной стороны пакета, поэтому головки располагаются только с его верхней стороны, в то время как для индукционной сварки головки должны располагаться и с нижней стороны пакета, чтобы замыкать магнитный поток.

Помимо этого, каждая головка может получать данные о передаче энергии расположенному ниже материалу и таким образом может управлять передачей энергии в режиме замкнутой обратной связи, тем самым оптимизируется эффект формирования сварных точек.

Чтобы эта технология работала, необходимо предусмотреть наличие меди на слоях в области сварки, однако при этом не требуется никаких специальных шаблонов.

Управление и программное обеспечение

Рис. 2. Программа сварки (бондирования

Рис. 3. Термопрофиль импульсной сварки (бондирования)

Одним из новшеств, привносимых им пульсной сваркой, является то, что программа сварки составляется на основе не просто двух параметров — температуры и времени, как это происходит на других установках сварки, а выполняется по термопрофилю, что обеспечивает высокий уровень гибкости и воз можность адаптации к различным материалам и толщине.

Как показано на рис. 2, программа сварки предусматривает задание основных параме тров, таких как ширина, толщина и количе ство слоев печатной платы. Имеется также воз можность отключать и включать по отдельно сти каждую из сварочных головок.

Например, на рис. 2 показано, что головки 1-12-6-7 не используются. После нажатия кнопки Generate («Создать») установка сама сгенерирует реко мендуемый термопрофиль.

На рис. 3 приведен пример такого термопрофиля.

Созданный термопрофиль необходимо под твердить либо внести в него изменения на ос нове собственных знаний и опыта, используя имеющийся на установке сенсорный дисплей

Этот способ управления придает установке исключительную гибкость.

Такой подход, связанный с использованием термопрофи ля, сходен с уже применяющимся подходом для техпроцесса прессования многослойного пакета печатных плат. (Физически процессы формирования сварных точек и прессования пакета многослойных печатных плат очень схожи.)

Возможность управления термопро филем обеспечивает гораздо более высокий уровень гибкости с целью подстройки техпро цесса под большинство различных материалов и структур многослойных печатных плат.

Проблема с температурой

Наиболее важный фактор при сварке многослойных структур — управление температурой формирования сварных точек, реализовать которое не так просто по ряду причин:

1. Необходимо одновременно управлять несколькими головками.

2. Датчик неизбежно располагается внутри головки, а не внутри пакета слоев, поэтому температура фактически измеряется совершенно в иной точке.

3. Датчики температуры со временем деградируют и дают различающиеся показания.

Все это создает ряд проблем, не последняя из которых — выравнивание «производительности» процесса создания сварных точек различными головками одной установки. На устаревших моделях оборудования типичными были ситуации, когда некоторые из головок пережигали пакет, в то время как другие на той же установке еще даже не довели температуру до точки плавления диэлектрика.

Выход из таких критических ситуаций обычно достигался благодаря опыту оператора, который мог «подстраивать» калибровку на основе своих знаний и интуиции. То есть для эксплуатации установки требовался специалист высокой квалификации, с большим опытом работы.

Мы должны осознавать, что в большинстве случаев, когда мы видим некое значение температуры на экране установки, оно не соответствует в реальности той температуре, которую мы получаем внутри сварной точки, и с течением лет эти показания могут претерпевать изменения. Мы также знаем, что наладка, которая обеспечивает хорошую работу сегодня, может потребовать изменений через несколько месяцев для того же самого варианта конструкции пакета многослойной печатной платы, поскольку показания датчиков стали другими.

Другими словами, мы соглашаемся с компромиссами, компенсировать которые собираемся за счет квалификации и опыта оператора (то есть на основе значительного субъективного фактора). Но если мы посмотрим на ситуацию с точки зрения системы менеджмента качества, то увидим, что в реальности такое положение дел недопустимо и достаточно рискованно относительно обеспечения качества получаемых изделий. Вследствие этого при разработке технологии импульсной сварки эта проблема была тщательно изучена специалистами компании Piergiacomi.

Вопрос заключался в следующем: как мы сможем сделать этот процесс управляемым, простым, точным, надежным и стабильным на протяжении всего жизненного цикла установки? Решение было найдено, и оно зарекомендовало себя как весьма эффективное. Оно заключается в том, что температура измеряется не напрямую, что и создавало все описанные выше проблемы, а через другой параметр, прямо пропорциональный температуре.

В импульсной сварке мы измеряем энергию, передаваемую к внутренним слоям каждой из 12 головок. Измерение этой энергии осуществляется очень просто и точно, поскольку для этого достаточно измерить ток. Таким образом, эти измерения точны, стабильны, могут легко поддаваться автоматической калибровке по всем головкам, а также, что немаловажно, обладают исключительно хорошей повторяемостью. Электроника дает возможность программировать не просто температуру, как это делается в других установках сварки, а температурноэнергетический профиль (термопрофиль).

Такой подход реализует гораздо более высокий уровень гибкости, что в результате дает оборудованию возможность адаптироваться к большинству различных возникающих технологических ситуаций. Оборудование позволяет подать максимум энергии в определенный момент времени, тем самым можно довести температуру до необходимого уровня, а затем выполнить охлаждение и в течение определенного времени поддерживать более низкую температуру.

Профиль поддается полной настройке с помощью сенсорного дисплея. Он сохраняется в памяти установки как программа сварки, а во время ее выполнения установка отображает соответствующий термопрофиль в графическом виде, точно отрабатывая его параметры на физическом объекте (пакете многослойной печатной платы). Всякий раз, когда сваривается новый пакет многослойной печатной платы, подготовленный для него профиль будет извлечен из памяти и воспроизведен с высокой точностью и повторяемостью.

Заключение

Рис. 4. SBM1000 — модель сварочного оборудования на основе новой технологии импульсной сварки

Эта технология обеспечивает для производителей печатных плат множество преимуществ при объеме затрат, равном стоимости установки для индукционной сварки. Перечислим эти преимущества:

Увеличенное количество сварных точек, что повышает надежность бондирования. Стандартная установка поставляется в комплекте с 12 головками для выполнения 12 сварных точек (шесть справа + шесть слева).
Высокая скорость сварки: три внутренних слоя могут быть сварены за 12 с, шесть слоев — за 35 с.
Возможность сварки очень толстых многослойных панелей, толщина которых превышает 15 мм.
Очень низкое энергопотребление. Установки сварки обычно потребляют более 10 кВт. Суммарное энергопотребление этой установки с 12 головками составляет всего лишь 700 Вт.
Очень высокий уровень гибкости выбора и корректировки режимов бондирования и простая адаптация к различным материалам и структурам пакетов многослойной печатной платы.
Точное управление термопрофилем. Высокая повторяемость с течением времени.
Самовыравнивание сварочных головок.
Индивидуальное управление сварочными головками.

Импульсная сварка, несомненно, является инновационной технологией, которую следует рассмотреть, анализируя возможности приобретения новой установки сварки в рамках техперевооружения производства печатных плат и перспектив развития производства радиоэлектронной аппаратуры.

Компания Piergiacomi постоянно проводит новые исследования и разрабатывает новые конструкции установок (рис. 4), так что скоро эта технология сделает очередной шаг вперед.