Aaltojuotoskoneen esilämmittimen kehittäminen

Abstract

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli kehittää Turun ammattikorkeakoulun elektroniikkatuotannon tiloissa käytettävälle ERSA 350C -aaltojuotoskoneelle uusi esilämmitin käyttäen pohjana vanhaa harjoitustyönä rakennettua esilämmitintä. Tavoitteena oli korjata vanhassa esilämmittimessä todetut puutteet muuttamalla lämmittimen rakennetta ja korvaamalla joitain osia uusilla. Uusi esilämmitin perustuu pakotettuun konvektioon eli ilman koneelliseen kierrättämiseen. Tarvittava lämpö tuotetaan kolmella 2 kW:n kiuasvastuksella ja ilman kierrätyksestä vastaa taajuusmuuttajaohjattu kolmivaihemoottori.

Työn teoriaosuudessa tarkasteltiin yleisesti aaltojuotosprosessia ja sen tämän hetkistä asemaa elektroniikkateollisuudessa. Lisäksi selvitettiin aaltojuotoskoneen eri moduulien merkitystä ja perehdyttiin aaltojuotoksessa käytettäviin materiaaleihin. Teoriaosuudessa pohdittiin myös esilämmityksen merkitystä aaltojuotoksen onnistumisen kannalta sekä tutkittiin lämpötilan vaikutuksia piirilevyyn ja komponentteihin. Lisäksi teoriaosuudessa tarkasteltiin lyhyesti myös taajuusmuuttajiin ja oikosulkumoottoreihin liittyvää teoriaa.

Opinnäytetyön työosuudessa esilämmittimen rakenteeseen tehtiin tarvittavat muutokset uuden moottorin kiinnittämistä varten ja rakennetta muutettiin paljon myös ilman kierron osalta. Tavoitteena oli saada ilma virtaamaan tasaisesti ulos lämmittimestä siten, että ilma ehtisi lämmetä riittävästi. Ulostulevan ilmavirtauksen tuli olla myös riittävän voimakas, jotta fluksi ehtisi kuivua piirilevyltä. Seuraavaksi suoritettiin taajuusmuuttajan käyttöönotto asentamalla tarvittavat ohjainlaitteet sekä säätämällä laitteen parametrit käyttötarkoitusta varten sopiviksi. Tarkoituksena oli myös testata esilämmittimen toiminta suorittamalla aaltojuotoskoneella sarja koeajoja.

Saavutetut tulokset vastasivat odotuksia, sillä esilämmittimen tuottama lämpötila-alue oli melko laaja ja siihen pystyttiin vaikuttamaan muuttamalla laitteen säätöjä. Lisäksi ilmavirtauksen tasainen jakautuminen saavutettiin, eikä piirilevyn lämmityksessä tapahdu enää notkahduksia. Esilämmittimen säädettävyys parani merkittävästi, joten myös läpimenoaika ja juotoslaatu paranivat.

The main objective of this thesis was to develop a new preheater for the ERSA 350-C wave soldering machine located at Turku University of Applied Sciences, using the old preheater as a base of construction. The old preheater which had been built as practical work was not functioning as intended, so it needed some updates on its structure, and some of the main components had to be replaced with new ones. The operating principle of the new preheater is the same as that of the old model, and it is based on forced convection which means circulation of air. Required heat is generated by three 2 kW heat resistors and air circulation is carried out by a three phase short circuit motor which is controlled by a frequency converter.

In the theoretical part of this thesis, the wave soldering process and its current position in electronics industry was examined. Materials used in the wave soldering process and different modules of the wave soldering machine were also made familiar with. The significance of preheating in the wave soldering process and its effects on soldering quality were studied. It was also studied what kind of effects heating has on circuit boards and components. At the end of the theoretical part, theory about frequency converters and short circuit motors is presented briefly.

In the practical part of the thesis, the structure of preheater was modified greatly by building a new support for the motor and re-constructing the inner parts of the preheater to improve circulation and flow of the air. The main goal was to achieve constant airflow and temperature high enough for a successful preheating process. The rate of airflow must also be kept high so that the flux has time to dry off from the surface of the circuit board. The last part of the practical work was the implementation of the frequency converter, which included the installation of controllers and the adjustment of frequency converter parameters. The correct operation of the preheater was ensured by performing test runs on the wave soldering machine.

The results of the test runs were successful. The measured temperature range of the preheater was quite wide and it could easily be controlled by altering the preheater adjustments. Constant flow of air was also achieved, which means that temperature drops will not occur during the preheating process. Adjustability of the new preheater was found to be much better compared to the old model, which resulted in improving of soldering quality and a shorter lead time.