Onmisbaar voor de bestukking van kleine series en prototypes, de SMD Starter productielijn van Paggen Werkzeugtechnik (Review)

Meer en meer interessante IC's zijn enkel nog in SMT-behuizing verkrijgbaar en aangezien consumentenelektronica steeds compacter wordt met meer functionaliteit, mag het niet verbazen dat ook de behuizingen van SMT-componenten steeds kleiner worden. Een beetje handige Harry zal mits enige moeite en een vaste hand het merendeel van deze componenten nog wel op een print gesoldeerd krijgen met eenvoudige middelen, maar zodra regelmatig prototypes of zelfs kleine series dienen gebouwd te worden, wordt deze manier van werken te arbeidsintensief en neemt de kans op montagefouten toe.

De SMD Starter productielijn van Paggen Werkzeugtechniek bestaand uit een stencilprinter, een handmatige bestukkingsmachine en een compacte reflow-oven is dan een ideaal hulpmiddel om uw productiviteit te verhogen.

SD240 stencilprinter met metalen rakel

Een goede voorbereiding is het halve werk en dat geldt uiteraard ook bij het werken met SMT-componenten. Normaal gesproken zullen SMT-componenten zichzelf tijdens de reflowfase in de juiste positie manoeuvreren door de oppervlaktespanning van het vloeibare soldeer. Echter, door de steeds kleiner wordende pitch van componenten en het gebruik van loodvrij soldeer is het correct aanbrengen van soldeerpasta op de print cruciaal voor een goed eindresultaat zonder noodzaak tot tijdrovende nabewerkingen. Helaas is dit in de praktijk meteen ook de moeilijkste fase tijdens het bestukken omdat een goed resultaat afhangt van een heel aantal parameters en omgevingsvariabelen zoals onder meer de temperatuur, de consistentie en ouderdom van de soldeerpasta, de vlakheid van de print, de spanning op het stencil, de hoek van de rakel, de druk die de rakel uitoefent op de print en de oppervlaktefinish van de soldeereilanden op de print. Zelfs vingerafdrukken kunnen roet in het eten gooien. Een aantal parameters hebt u niet altijd even goed in de hand maar een degelijke stencilprinter zoals de SD240 zal het u een stuk makkelijker maken om goede resultaten te bekomen.
 

Bij het uitpakken voelt de stencilprinter degelijk en solide aan. De zware metalen bodemplaat en rubber voeten maken dat het apparaat zeer stabiel is en niet makkelijk kan verschuiven. Het unieke klemsysteem en spanraam maken het mogelijk om metalen en polyester stencils van diverse afmetingen te gebruiken. Door het slimme positioneringssysteem hoeft u geen stencils en printen met uitlijningsgaten (en paspennen) of ingeraamde stencils te gebruiken. Het inklemmen van het stencil gebeurt met behulp van acht inbusschroeven. Bij het eerste gebruik zaten deze schroeven zo vast aangedraaid dat ik gepast geweld heb moeten gebruiken om ze los te krijgen. Eens het stencil ingeklemd is kan u het met de twee knoppen vooraan opspannen, dit doet u tot de veren die het stencil onder spanning houden ongeveer een centimeter ingedrukt zijn. Vervolgens wordt de print met behulp van zes stuks magnetische afstandhouders op de metalen plaat onder het stencil gelegd. De afstandhouders dienen zo geplaatst te worden dat de print niet kan verschuiven en de soldeereilanden ongeveer uitgelijnd zijn met de gaten in het stencil. Dit hoeft niet superprecies te zijn. Bij de stencilprinter worden een perspex plaatje en een uitwisbare markeerstift geleverd om de uitlijning makkelijker te maken. Optioneel kan u voor hetzelfde doel ook een “laserlampje” op een statief bijbestellen. Ik heb twee verschillende stencils en printplaten geprobeerd en mij lukt het vrij aardig om de printplaat op het oog min of meer uit te lijnen met het stencil. Daarna kan u met de knoppen voor het opspannen van het stencil en de twee draaiknoppen aan de rechterkant van de printer de print precies uitlijnen met het stencil. Tot slot dient u met de stelwielen vooraan en achteraan de hoogte van het stencil zo in te stellen dat dit mooi vlak op de print ligt als het frame neergeklapt is.

De volgende stap is het aanbrengen van de soldeerpasta met de metalen rakel. Het verdient daarbij de aanbeveling om de klemmen die het stencil vasthouden af te plakken met wat schilderstape. Dat bespaart u vervelend schoonmaakwerk achteraf. Breng voldoende soldeerpasta aan en breng dit indien mogelijk in één vloeiende beweging aan terwijl u de rakel onder een hoek van ongeveer 60 graden houdt bij matige druk. U kan altijd oefenen door eerst een proefafdruk op papier te maken. Hiertoe legt u eenvoudig een vel printerpapier tussen het stencil en de print. Vergeet ook niet om de onderkant van het stencil regelmatig schoon te maken. Voor kleine stencils is de meegeleverde rakel misschien wat minder handig en kan u voor een Japans of een klassiek plamuurmes opteren.
 

Mijn eerste afdrukken met de stencilprinter waren nagenoeg perfect met links en rechts een paar kleine tekortkomingen. Desondanks weet ik uit ervaring dat de print perfect zal zijn na het reflowproces. Oefening baart kunst en dat is met deze stencilprinter niet anders.

Manuele bestukkingsmachine placeMAN

De placeMAN bestaat uit een metalen chassis met verstelbare printhouders en een vacuümpipet die u handmatig kan verplaatsen in horizontale en verticale richting door middel van twee mechanische geleidingen die ook als pols- en armsteun functioneren. Het vacuümpipet kan naar onder en boven bewogen en geroteerd worden met de gekartelde knop bovenaan de handgreep. Het pipet is voorzien van een zogenaamde “Luer Lock” aansluiting die vooral in de medische wereld bekend is. Zo kan u onbeperkt standaard doseernaalden gebruiken met de placeMAN mochten de meegeleverde doseernaalden en zuignapjes niet volstaan of verloren raken. Vier warmwitte leds onderaan het pipet zorgen voor een gelijkmatige belichting van het werkgebied. Het benodigde vacuüm wordt voorzien door een geluidsarme, speciaal aangepaste aquariumpomp waarbij de zuigkracht handmatig instelbaar is met een ventieltje. Ook aan de details is gedacht met een aardpunt voor ESD-bescherming en een ingebouwd opbergdoosje voor doseernaalden en zuignapjes.

Het plaatsen van onderdelen gaat erg eenvoudig en snel. Positioneer het pipet boven het losse onderdeel en duw dan langzaam het pipet zachtjes naar beneden met de gekartelde knop tot het onderdeel vastgezogen wordt aan het pipet. Verplaats dan het pipet naar de locatie op de print waar het onderdeel moet komen en laat het pipet opnieuw zakken. Indien nodig kan u het onderdeel roteren en als het onderdeel eenmaal perfect in positie is drukt u het met de knop van het pincet op de print. Duw daarna de knop van het pincet verder naar beneden totdat u een stop voelt waardoor het vacuüm uitgeschakeld wordt. U kan het pincet nu terug naar boven laten gaan. Voor hele kleine onderdelen is het soms niet nodig om de knop door te duwen om het vacuüm te verbreken, omdat die voldoende in de soldeerpasta blijven kleven en vanzelf loskomen van het pipet als dit omhoog bewogen wordt.
 

De zuigkracht dient aangepast te worden aan de grootte van de onderdelen die u wenst te plaatsen en verschillende onderdelen hebben aangepaste diameters van doseernaalden nodig, al dan niet voorzien van een zuignapje. Het is aangewezen om de doseernaald niet te vast op het pipet te duwen om een vlotte wissel mogelijk te maken. Om veelvuldig wisselen te vermijden is het ook handig om meerdere printen tegelijk te bestukken en dit op volgorde van grootte van de componenten. Ik kon vrij vlot hele grote onderdelen zoals een RJ45 connector met magnetics of een ESP32 module oppikken. Ook een 0603 weerstandje was geen enkel probleem. Hoge grote onderdelen zoals de eerder genoemde RJ45 connector of sommige elco's kan u beter handmatig plaatsen met een pincet omdat het pipet niet altijd hoog genoeg kan om hiermee boven het printoppervlak uit te raken.

In tegenstelling tot bestukken met een pincet loopt u met de placeMAN dankzij de pols- en armsteun niet het risico om per ongeluk reeds eerder bestukte componenten ongewild te verplaatsen bij de wat grotere printen. U hoeft dan de print ook niet steeds te roteren om overal goed bij te kunnen. Een vaste hand en vooral een goed zicht blijven wel nog steeds noodzakelijk.

De basisversie van de placeMAN welke bij de SMD Starter productielijn geleverd wordt is vrij kaal en u zal minstens bijkomend een SMT tape feeder voor prototyping moeten voorzien om vlot te kunnen werken. Deze is in diverse uitvoeringen beschikbaar als accessoire, maar het is ook goed mogelijk om zelf iets in elkaar te zetten of te 3D-printen. Voor de test in het kader van deze review heb ik een tape feeder gemaakt uit lasergesneden 3 mm triplex.

Als rechtshandige ligt het metalen handvat van het pincet goed in de hand en voelt de bediening comfortabel aan. Vermoedelijk zullen linkshandigen wat meer moeite hebben om met de placeMAN te werken. Het metalen handvat van het pipet is voorzien van twee montagegaten met schroefdraad voor een optionele dispenser. Met wat handigheid zou u deze gaten ook kunnen gebruiken voor de montage van een kleine USB camera. Een puntje van kritiek is dat de ledverlichting bij het door mij geteste apparaat flikkert bij het bewegen van het pipet. De oorzaak daarvan blijkt bij nadere inspectie aan een slechte soldeerverbinding te liggen van de voedingskabel aan het LED-printje.

Reflow-oven HR-10

De HR-10 reflow-oven oogt niet alleen solide, maar is ook compact en neemt weinig oppervlakte in beslag met zijn afmetingen van ongeveer 36 centimeter breed bij 50 centimeter diep. De verwarmingselementen bestaan uit vier stuks 1.000 W R7s halogeenlampen. Een metalen ventilator die is opgesteld te midden van de lampen zorgt voor de circulatie van de hete lucht door de oven. De lade is voorzien van twee draadstangen waarop zich vier positioneerbare printhouders met lage thermische massa bevinden. Bij het openen van de lade zorgen twee ventilators voor een versneld afkoelen van de pas gesoldeerde print. De reflow-oven wordt verder geleverd met een Lenovo-tabletcomputer met beschermhoes en een type K thermokoppel. De tabletcomputer heb ik niet geprobeerd omdat ik hier geen verrassingen verwacht en ik heb de app “HR10LF” op mijn smartphone gezet. De bediening van de oven, hetzij via het frontpaneel, hetzij via de app is eenvoudig en no-nonsense.
 

Bij het inschakelen van de oven wordt gevraagd om de deur te openen en dan weer te sluiten. Bij het sluiten wordt de deur hoorbaar vergrendeld met een klik en start een korte voorverwarmingscyclus. Zodra deze is afgelopen, wordt u gevraagd om de deur opnieuw te openen en niet lang daarna is de oven klaar voor gebruik. Voor een eerste test heb ik het door Paggen aanbevolen reflowprofiel gebruikt voor loodvrij solderen. Ik heb ook speciaal wat grotere onderdelen gebruikt zoals SMT-elco's omdat die soms wat minder goed solderen in infraroodovens. De eerste test was succesvol, maar omdat de reflowtemperatuur toch ietwat te hoog was opgelopen heb het ik het reflowprofiel vanuit de app wat aangepast naar een voorverwarmcyclus van 160 °C gedurende 60 seconden en een reflowcyclus van 220 °C gedurende 15 seconden. Met die instellingen was mijn tweede poging perfect gelukt. Hierbij had ik als test onder andere gele tantaal-elco's gebruikt omdat die al snel verkleuren bij te hoge temperatuur. Uiteraard zal u deze waarden waarschijnlijk zelf nog licht moeten aanpassen in functie van de kleur van het soldeermasker (matzwart neemt bijvoorbeeld meer warmte op dan groen), de aanwezigheid van massavlakken en het aantal lagen van de print. De volgende drie printen met diverse onderdelen, deze keer voor een echt product, kwamen ook perfect gesoldeerd uit de oven. Met het bijgeleverde thermokoppel kan u ook de temperatuur op de print zelf meten tijdens het reflowen. Om het thermokoppel op de print te bevestigen dient u wat temperatuurbestendig kapton tape te gebruiken. Het is een beetje jammer dat het thermokoppel alleen voor temperatuurmetingen fungeert en niet ook het reflowproces kan sturen. Dat is misschien een idee voor een volgende firmware-update. De temperatuur in de oven wordt geregeld door de halogeenlampen periodiek in en uit te schakelen. Het totaal opgenomen vermogen piekt daarbij tot iets minder dan 3.500 W wat meer is dan wat in de handleiding en op het apparaat staat aangegeven. In stand-by valt dit terug tot circa 60 W. Gezien het opgenomen vermogen sluit u de reflow-oven best aan op een stopcontact op een aparte groep.
 

Naast reflowen is de oven ook geschikt voor drogen en ook daarvoor kan u temperatuurprofielen instellen. Drogen van materiaal heb ik uitgetest door silica gel met oranje indicator te regenereren, met perfect resultaat. Wel trad er enige condensatie op ter hoogte van het venstertje en onderaan de lade waar de twee ventilatoren voor het afkoelen zitten. Het drogen van SMT-componenten in afwachting van een reflow-proces en het temperen van perspex na lasersnijden zijn eveneens mogelijke toepassingen. Ook bij langdurig gebruik van de oven gedurende meerdere uren blijft de buitenkant koel. Als een profiel voor drogen ingesteld staat, zal de oven bij het inschakelen niet voorverwarmen, maar meteen vragen om het materiaal in de lade te plaatsen en de deur te sluiten.

De app is makkelijk en intuïtief te gebruiken. Na het de eerste keer starten kan u naar de reflow-oven zoeken via bluetooth en verbinding maken. In totaal zijn honderd temperatuurprofielen beschikbaar welke u via de app, maar ook via het display en de knoppen op de reflow-oven kan kiezen en bewerken.
 

Er is ook een demo mode zodat u zich een beeld van de app kan vormen zonder een fysieke reflow-oven in de nabijheid. Soms had ik wat problemen met occasionele foutmeldingen in het Slovaaks en de Bluetooth-verbinding die soms verbrak, maar dat laatste kan ook aan mijn smartphone liggen die zo nu en dan in slaap valt. Daar de HR-10 een manueel bediende lade heeft kan de reflow- of droogcyclus zelf niet vanuit de app gestart worden. Dat doet u eenvoudigweg door de lade te sluiten waarna u de instructies via de app of het LCD-scherm dient te volgen.

Alles bij elkaar is de HR-10 een degelijk en intuïtief te bedienen reflow-oven die goede resultaten geeft. Het reflowen van printen gaat behoorlijk snel in ongeveer twee minuten. Met de afkoelingscyclus erbij is dat dik 6 minuten. Als u veel printen wenst te reflowen is het raadzaam om de optionele afzuigunit FE10 voor soldeerdampen aan te schaffen.