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电路板分板后除尘工艺探析
  2021-12-07      530

作者:石建华:博世汽车部件(苏州)有限公司 Staff Engineer

摘要:本文复盘了十年来铣刀式电路板分板机后除尘工艺现场经验,针对目前工厂产品复杂化(元器件密集化和切割路径复杂化)、电路板基材要求高可靠化和低成本化(通过添加高硬度的石英、云母、氧化铝等)造成的粉尘难以在分板工艺中完全清除的问题。同时由于客户对品质要求越来越严格的现状,一些工厂开始考虑通过在分板后增加除尘工艺。同时,考虑到因提高除尘效率增加的分板机的成本,有时在分板后再除尘成本反而更低、除尘效率更高即性价比更高。还有些由于产品的特殊性造成分板工艺的窗口很窄,为了实现高的产品品质工厂不得不采用分板后工艺来满足要求。Dr.Escherich的Taifun-Clean单元是常用的模块式清洁系统(如下图),其工作原理是通过把普通压缩空气经独特结构从气嘴高速喷出并以每分钟600转以上速度旋转产生带脉冲的强力气流把附着在工件上的粉尘振荡出去并由附带的真空系统来抽取排出,其它清洁系统工作原理也大致相同或类似。

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关键词:电路板  分板后除尘 清洁系统工艺方案 汽车电子

目录

一、前言1

二、分板后工艺除尘方案分析1

三、分板后工艺除尘关键控制点3

四、分板后工艺除尘改善现场管理措施4

五、结论7

六、参考文献7

一、前言 

  随着越来越多的厂家加入汽车电子行业,竞争空前激烈,于是产品设计追求高可靠性和低价性,在设计上产品形状、拼板样式、板层和板材等复杂多样不一而足,因此分板工艺的难度也是空前的。而厂家为了提高竞争力必须提升产品质量,所以对制造工艺却提出了更高要求。对分板工艺有特殊要求的产品,如B公司的ESX产品有振动敏感元件且切割路径中有金属线路,在公司分板工艺被定义使用特定的低振动铣刀以减少振动及控制金属粉尘颗粒大小,这样分板工艺的窗口就很有限。加上基于产品质量考虑的保守的无预切割拼板设计以及基于成本考虑的XX175F基材造成粉尘残留情况十分恶劣,为了追求高质量,B公司不得不采用分板后的除尘工艺。

虽然分板工艺本身带有除尘功能,对于上集尘式分板机,由于分板机主轴是在电路板辅面(也就是包含最简单、数量最少元件面)切割的,除尘系统也在此面,因此这一面的粉尘基本没有问题。然而,电路板主面(也就是包含最复杂或数量最多的元器件那一面)却在除尘系统的对面,对于元件相对简单的产品来说尚且可以,对于元件相对复杂的产品来说这一面的粉尘问题就不理想了。对于下集尘式分板机,虽然有些工厂对于有些产品可以使用特殊的治具挡墙以防止粉尘飞入电路板主面。但是随着产品追求高集成化和电路板元件排布高利用率,元件离分板边缘离的越来越近,最近可达1mm左右,考虑到潜在的撞件风险(一般要保持1.5到3mm)及治具挡墙的可靠性(挡墙需要保证至少1.5mm厚度),实际上元件离板边要达3mm及以上才能使用治具挡墙,而满足条件的产品也是有限的,尤其是对具有安全保护的汽车电子产品(一般为主打产品)更是大多不符合。另外,加了挡墙后的夹具在分板前放板及分板后取板时会有撞件风险,夹具清洁和维护也有诸多不便,同时夹具的制作成本也会很高。

同时,由于产品本身的特性、分板设备本身的除尘性能的差异、技术人员对分板工艺除尘的理解的差异和分板设备的维护管理不善等,造成了最终产品的粉尘残留不理想。由于分板设备是主设备,投资相对较高且一般不会有富裕配置(国外主流设备如欧洲分板机,半自动的要近80万人民币,全自动的价格要达200万人民币左右),二次分板除尘会造成设备的使用效率严重下降(影响50%左右效率),而且还会有设备切割时“带板”(或叫“吸板”)等质量问题。尤其是对于汽车电子类这种要求高稳定性的产品,重工是不允许的,所以分板后除尘工艺变成了一个非常实用的选择

二、分板后工艺除尘方案分析

由于分板工艺时,绝大部分肉眼不可见的细粉尘(约小于0.1mm直径的粉尘)及少量肉眼可见的粉尘(约大于或等于0.1mm直径的粉尘)已被清除掉,因此分板后残留在产品上的粉尘大多是大颗粒的重粉尘。

2.1 除尘的原理是先“起尘”(工业粉尘起尘所需气流速度≥20mm/s)再“排尘”;

2.2 对于大颗粒粉尘纯粹靠真空吸尘的工艺窗口比较狭窄。当真空吸尘口离粉尘越远时,气流速度下降得就越明显,吸尘效率也就降低得越快。在距离与管道直径相等的位置,气流速度就已经下降到只有吸气管内气流速度的7.5%。然而与产品离的越近,真空吸尘口对元件造成损伤的可能性就越高,尤其对于一些高元件(如铝电解电容)。而过高的气流速度有可能造成产品被吸起而报废,同时吸尘设备的价格也会因之大幅度的提高。另外,随着产品元件复杂度的提高,有可能当高元件的吸尘条件满足后,其它元件就满足不了了,也就是说这种情况下采用纯真空吸尘的方式已经行不通了。考虑到工厂HSE的防爆及环境排放要求,高配置的吸尘器价格不菲,如主流的欧洲防爆款吸尘器3千瓦的价格要达到8万到15万人民币。如果追求更好的负压或流量的话,价格更是惊人。所以纯粹靠吸尘器来提升性能的话,性价比低也是一个不得不考量的问题。

2.3 由于纯真空除尘的工艺局限性,以压缩空气把粉尘吹起后再用真空吸尘排尘的方法成了一个目前业界常用的方法。压缩空气相对纯真空吸尘的优势如下:

除尘的效率高:

工艺可操作性强;

工艺容易控制:气流容易调整,气流角度和位置容易控制;

压缩空气是电子厂常用配置,容易取材;

设备技术难度低,设计可行性强;

设备可以选用的市场上的标准件多

设备系统相对简单,设计容易

维护方便;

成本低;

环保 

三、分板后工艺除尘关键控制点

3.1鱼骨图分析

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3.2分板后工艺除尘原理

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四、分板后除尘工艺管理措施

4.1、标准化车间环境管理

合适的温湿度不仅对电子元件的功能产生影响,同时也会对粉尘产生一定影响。

1)合适的温度:22~28℃。

温度太低粉尘不容易清除,太高又会对气管、粉尘管的使用寿命产生影响。

2)合适的湿度:30%RH~70%RH;

太低的湿度容易生产静电,太高的湿度会造成粉尘粘度加大难以清除。

4.2、制定分板后工艺除尘措施

1)如何清掉电路板上的粉尘---用压缩空气来“起尘”

推荐的措施有:

1.1)气源的设计

1.1.1)使用独立的气源;

1.1.2)设备内部的气管也要独立使用,不要分流;

1.1.3)通过实验选择合适管径的压缩空气管软管,根据经验压缩空气软管外径10mm~16mm范围内为优先。考虑到气管在线槽及设备中的布局及可能的随部件的移动,相对软些材质的气管更好。

1.1.4)必要时可以采用储气罐来减少工作时压缩空气的压力或流量损耗。

现场情况比较复杂,过粗管径的压缩空气软管相对较硬,在设备中布局时很难转弯排布,在设计应用时需要考虑。同时它会影响同一设施桥架上其它站设备尤其是对压缩空气流量和气压敏感的设备的正常使用,另外也会造成过多的气量消耗,增加成本。但是过细管径的压缩空气软管又造成在吹气起尘时空气流量和气压的迅速下降,所以建议具体压缩空气软管直径以实验数据为准。

1.2)  喷气头设计

1.2.1) 考虑高速流动的气体在除尘腔体会产生静电对电路板上的静电敏感元件造成影响,所以要加离子风机;

1.2.2)一般采用旋转喷气头计以增加吹气的覆盖面积,同时旋转喷气头可以 

1.2.3)增加气体对粉尘的冲击便于起尘。市场有标准的旋转吹气头如Dr.Escherich的Taifun-Clean系列,可以直接选ESD版本的旋转头这样就不用单独购买离子风机了。

1.2.4)旋转喷气头要尽量离电路板元件距离近些,以增加吹气的效率,推荐离最高元件25mm~50mm左右,具体视元件特性以及WPC设计等情况而定。

1.2.5)一般电路板放在WPC(Work Piece Carrier工件托架)上,以便于适用不同的产品搬运。如果有条件,可以使用电路板非夹持式的WPC(即电路板直接放在WPC上),这样设备结构会更简单些,同时由于电路板接触部分少这样清洁时的阴影区也就少,清洁效果也好。

1.2.6)旋转喷气头一般为一对,分别安装在电路板的两面。一般电路板背面(即电路板辅面)的旋转喷气头相对于电路板正面(即电路板主面)的要远离电路板些(如可以适当再远离11mm左右),这样不容易在工作时把WPC或WPC上的电路板吹掉。同时由于电路板背面粉尘少,下旋转喷气头吹气气压可以相对小些,具体视情况而定。

1.2.7)气管的排布:长度越短越好,转弯越少越好,以减少气流的损耗。

2)如何把除尘腔体中的粉尘及时排出---“排尘”

2.1)除尘腔体设计时要尽量小,以提高除尘效率;

2.2)除尘腔体设计要尽量避免粉尘死角;

2.3)除尘腔体下面要做成倒锥体的,而且越陡越好,推荐和水平面角度≥60°(常用角度为60°和75°,以方便制造),同时锥体内表面越平整越好。 

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2.4)除尘腔体吸尘口位于锥体的顶角处,同时吸尘器直径越大越好。具体可以和吸尘器供应商探讨,如吸尘器吸尘口直径为Ø70,如果对应一个吸尘口的话直径仍为Ø70,如果对应两个吸尘口的话那么每个吸尘口直径为Ø50。注意:一般除尘腔体的吸尘口直径要不大于所连接吸尘器的直径。

除尘腔体吸尘口一般和旋转喷气头同轴、同侧,这个可以使除尘效率最大化。

相对单独的吸尘口,建议使用大表面的罩子来集尘的深度。

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 2.5)关于吸尘器,建议和吸尘器供应商一起选择合适的吸尘器。由于由压缩空气来起尘,因此不必配置高真空度的吸尘器,但是要配置高空气流量的吸尘器,以便及时把由压缩空气扬起的粉尘排走.

 2.6)合理布局粉尘管,力求使用最短的粉尘管,尽量使粉尘随重力向下被吸尘器吸走,尽量避免或减少反重力让粉尘往上吸走。

3)如何减少因设备产生的质量问题、停机及维护成本–设备设计“精益化”

3.1)产品固定最好由设备的合理设计来完成,不要使用额外的固定部件来防止产品从WPC上掉落或脱离位置。皮带带动WPC的方式相对气缸带动WPC在除尘腔体的运动更安全,另外,避免或减少WPC在除尘腔体的停留。可以通过改变皮带速度或多个旋转喷气头来实现除尘时间的控制以保证除尘效果。另外,除尘腔体内应该尽量避免气缸(包括水平移载气缸及上下升降气缸),如果需要可以把WPC的 

等待区及相关气缸设置在除尘区外。

3.2)优先使用市场的标准件,如Dr.Escherich的Taifun-Clean单元

3.3)如果考虑噪声对环境或操作员的影响,要使用密闭或相对密闭的腔体。

3.4)除尘腔体内要避免使用光电部件(如光电传感器等)、轴承、气缸等。

五、结论

对于分板后工艺除尘,推荐采用相对密闭的除尘腔体来除尘,腔体体积越小越好。使用旋转压缩空气吹气(如果工厂内气源有水气和杂质,要使用三连件过滤)把电路板上的粉尘吹起后,再用吸尘器把粉尘吸走。考虑到防静电,一般采用压缩空气吹气+棒型静电消除器来实现。合理设定除尘腔体,选择合适的旋转吹气头和吸尘器,合理排布压缩空气软管和吸尘软管。购买Dr.Escherich的Taifun-Clean系统,把它集成在自动化轨道或设备中也是一个不错的选择。

在设计时可以根据产品特性设计WPC,减少阴影区和避免撞件。

六、参考文献

1.《TBH_companybrochure_CN》

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