Bild 1: Die Dispenser-Einheit des Spider High Speed Jet-Dispenser mit einem Piezo-Jetventil (VJV 3200) – diese Kombination hat Essemtec für die Testreihen eingesetzt.

Bild 1: Die Dispenser-Einheit des Spider High Speed Jet-Dispenser mit einem Piezo-Jetventil (VJV 3200) – diese Kombination hat Essemtec für die Testreihen eingesetzt. Essemtec

Anders als Nadeldispenser, die hinsichtlich Geschwindigkeit, Punktgrößen, Prozesssicherheit (beispielsweise wegen Fädenbildung oder Prozessstabilität) sowie Kontakt zum Board an ihre Grenzen stoßen, sind Jetventile um einiges schneller, stabiler und durch das kontaktlose Dispens-Verfahren um einiges prozesssicherer. Ein weiterer Vorteil des Jet-Dispensprozesses ist, dass die Klebetropfen mit einem großen Dosierabstand von bis zu 5 mm zur Leiterplatte gejettet werden können. Dadurch wird das Dispensen auf bereits bestückten Leiterplatten ermöglicht. Natürlich lässt sich der Kleber auch mittels eines Druckverfahrens auf die Leiterplatten auftragen, jedoch bringt das Dispensen mittels Jetventils eine höhere Produktionsflexibilität und qualitative Vorteile mit sich. Je nach Leiterplattengröße und Anzahl an Klebepunkten kann der Jet-Dispens-prozess eine schnellere Durchlaufzeit aufweisen als der Druckprozess. Technisch ausgereifte Jet-Dispenser wie der Spider genannte High-Speed-Jet-Dispenser von Essemtec (Bild 1 und Bild 2) erreichen heute über 2,5 Mio. Schuss (dots) im Linienmodus und über 150.000 dots/h. Für Elektronikfertiger wird mit dieser Klebetechnik die Designfreiheit erweitert. Teure Prozesse wie etwa das Selektivlöten lassen sich vermeiden. Zudem erschließen sich damit Möglichkeiten, optische, mechanische und elektrische Eigenschaften von elektronischen Baugruppen und Komponenten in neuer Art und Weise zu kombinieren.

Testen wie in der Praxis

Bild 2: Der Spider High Speed Jet-Dispenser erreichte mit den beiden Klebemedien ein Versuchsergebnis von mehr als 50.000 Schuss nach dem IPC-9850A-Standard.

Bild 2: Der Spider High Speed Jet-Dispenser erreichte mit den beiden Klebemedien ein Versuchsergebnis von mehr als 50.000 Schuss nach dem IPC-9850A-Standard. Essemtec

In jeder Fertigung ist es vorteilhaft, wenn sich Produktionsmaterialien und -maschinen schnell und unkompliziert auf die Fertigung eines neuen Produktes anpassen lassen. Bezogen auf die SMD-Fertigung mit Klebstoffen würde ein Fertigungsleiter noch ergänzen: Und wie gleichzeitig möglichst viele Klebetropfen pro Stunde realisiert werden können. Im Folgenden beleuchtet Essemtec in einem Praxistests die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die Herstellung und den Produktwechsel. Für diese Versuche hat der Maschinenhersteller seinen Spider-Jet-Dispenser mit einem Piezo-Jetventil (VJV 3200) ausgestattet. SMT-Versuchsmedien waren zwei Kleber unterschiedlicher Hersteller, im folgenden Klebemedium A und Klebemedium B genannt. Für beide Klebemedien wurde beim Ventil dasselbe Hardware-Setup (Düsendurchmesser, Stößelvariante) verwendet. Alle Messungen wurden mit einem standardisierten Messmittel von Cetaq vermessen, um eine hochpräzise Auswertung zu erhalten. Die Dauer eines Tests betrug jeweils vier Stunden, dosiert wurden die Klebepunkte auf eine kalibrierte Glasplatte. Die getesteten Faktoren waren:

  • Geschwindigkeit und Positioniergenauigkeit (XY) nach IPC 9850A
  • Prozessstabilität im Zeitverlauf anhand von Dosiergenauigkeit (Volumen) und Drift
  • Anpassungsfähigkeit der Tropfengeometrie

Tests und Testergebnisse

Die Piezoventile lassen sich mit bis zu 2000 Hz ansteuern, was einer theoretischen Schussrate von nahezu 7,2 Mio. dots/h entspricht. Für die Praxis ist dies jedoch eher irrelevant, weil die Schussraten hier höchstens 2,5 Mio./h betragen. Bisher gibt es allerdings keine anerkannte und nachvollziehbare Messnorm für Jet-Dispensprozesse. Aus diesem Grund wurde die von den Elektronikfertigern her bekannte IPC-9850A-Norm herangezogen und für das Jet-Dispensen mit 0,5 mm großen dots angepasst. Die Testergebnisse, gemessen nach einer belastbaren Messnorm, werden hiermit branchenweit erstmals veröffentlicht. Beide Klebemedien erreichten nach diesem Standard ein Versuchsergebnis von mehr als 50.000 Schuss, wie die Tabelle 1 anschaulich zeigt. Folglich kann der Spider-High-Speed-Jet-Dispenser also mit einem SMT-Bestückautomaten mithalten, der nach der IPC-9850A-Norm mehr als 50.000 BE/h platziert.

Tabelle 1 (oben): Punktgenauigkeit und Geschwindigkeit des Spider High Speed Jet-Dispensers im vierstündigen Test.

Tabelle 2 (unten): Tropfendurchmesser der SMD-Klebstofftropfen im vierstündigen Test.

Tabelle 1 (oben): Punktgenauigkeit und Geschwindigkeit des Spider High Speed Jet-Dispensers im vierstündigen Test.
Tabelle 2 (unten): Tropfendurchmesser der SMD-Klebstofftropfen im vierstündigen Test.
Tabelle 2 (unten): Tropfendurchmesser der SMD-Klebstofftropfen im vierstündigen Test. Essemtec

Bei der Positioniergenauigkeit von XY-Gantry-Systemen kann gerne einmal geschummelt werden: So kann bei der Messung der Genauigkeit das System abgebremst und bei der Angabe zur Geschwindigkeit die Genauigkeit ausgeblendet werden. Die Anwendung der IPC-Regeln hat dieser Praxis Einhalt geboten. Für die Betriebspraxis ist es daher wichtig, dass die Genauigkeit bei voller Geschwindigkeit angegeben wird. Im Bild 3 ist die typische XY-Positioniergenauigkeit des getesteten Klebeprozesses mit Klebemedium A dargestellt. Die auf einer kalibrierten Glasplatte gemessenen Werte zeigen eine Streuung von weniger als 30 µm @ 3 Sigma bei einem Durchsatz von mehr als 50.000 BE/h gemäß IPC 9850A.

Bewährt sich auch in der Industriepraxis

Essemtec hat seinen Spider genannten High-Speed-Jet-Dispenser mit einem Piezo-Jetventil (VJV 3200) ausgestattet und unter den Bedingungen der IPC-9850A-Norm nach verschiedenen Kriterien getestet. Die Testergebnisse zeigen, dass er mit einem SMD-Bestücker mithalten kann (mehr als 50.000 BE/h). Die anderen Kriterien wie Positioniergenauigkeit (XY) und Prozessstabilität (Dosiergenauigkeit und Drift) sowie die Anpassungsfähigkeit der Tropfengeometrie sind ebenfalls mehr als zufriedenstellend. Der Dispenser ist nunmehr auch in der Industriepraxis bewährt.

Prozessstabilität im Zeitverlauf

Tabelle 2 zeigt eine Zusammenfasssung der Tropfendurchmesser-Messungen. Die Stabilität des Prozesses, gemessen als Standardabweichung des Tropfendurchmessers, ist außerordentlich hoch. Bemerkenswert ist zudem, dass sich die Klebepunkte in diesem vielfältigen Durchmesserbereich mit nur einem Hardware-Setup generieren lassen. Dabei lässt sich die Tropfengröße on-the-fly während des Prozesses von Position zu Position verändern. Unterschiedliche Bauteile erhalten dadurch genau die jeweils benötigte Klebermenge.

Bild 4: Stabilität des Punktdurchmessers im Zeitverlauf für das Klebemedium A.

Bild 4: Stabilität des Punktdurchmessers im Zeitverlauf für das Klebemedium A. Essemtec

Bild 4 veranschaulicht die Stabilität des Klebepunktdurchmessers im Zeitverlauf für das Klebemedium A. Die drei Messungen erfolgten anhand von 416 Punkten mit einem nominalen Durchmesser von 300 µm: direkt nach dem Jet-Dispensen (blaue Linie), nach 1 Stunde (rote Line) und nach 4 Stunden (grüne Line). Die Dispensgenauigkeit erfährt in dieser Zeit also keine Drift. Der Fehler bei minimalem Durchmesser über alle Testreihen hinweg (3 x 416 Punkte pro Klebemedium) beträgt weniger als 6 Prozent. Die abgegebene Menge bei einem Tropfen mit einem Durchmesser von 300 µm liegt bei etwa 0,010 mg. Die Ergebnisse des Klebemediums B sind ähnlich gut. Folglich ist es möglich, beide Kleber über mehrere Stunden prozesssicher und -stabil zu jetten. Der Test zeigt, dass mit demselben Piezojetventil (VJV 3200) und nur einem Hardware-Setup ein Tropfendurchmesser im Bereich von 300 µm bis 1800 µm (Klebemedium A) respektive 330 µm bis 2000 µm (Klebemedium B) erreicht wird. Diese Spektren sind ausreichend, um Klebepunkte für beinahe alle Gehäuseformen abzudecken. Der Zeitaufwand für die Betreuung von Klebeprozessen und eventuell notwendige Eingriffe ist somit minimal.

Bild 5: Durch die Piezo-Ventiltechnik und Ansteuerung des Ventils im Sider High Speed Jet-Dispenser lässt sich die Qualität und die Geometrie des Dispenspunktes nahezu beliebig steuern.

Bild 5: Durch die Piezo-Ventiltechnik und Ansteuerung des Ventils im Sider High Speed Jet-Dispenser lässt sich die Qualität und die Geometrie des Dispenspunktes nahezu beliebig steuern. Essemtec

Anpassungsfähigkeit der Tropfengeometrie

Durch die Piezotechnik und spezielle Ansteuerung des Ventils im Spider-High-Speed-Jet-Dispenser lässt sich die Qualität und die Geometrie des Dispenspunktes (Bild 5) nahezu beliebig steuern und auch während des Dosiervorganges beliebig verändern. Mit der zugehörigen E-Place-Software kann jeder einzelne Dosierpunkt – falls erwünscht – beliebig eingestellt werden. Bild 5 zeigt, dass sich der Klebetropfen auch im Verhältnis Höhe zu Durchmesser (1:1) anpassen lässt. Dies ist möglich durch das Verändern der Energie, einer Anpassung der Flanken beim Öffnungs- beziehungsweise Schließvorgang und der Öffnungsdauer des Ventils. Natürlich beeinflussen auch rheologische Eigenschaften des Klebers die Geometrie des Tropfens.