Xaar e Shifang portano l’inkjet digitale nei conformal coating per l’elettronica
Deposizione selettiva, spessore variabile e niente mascheratura: l’inkjet industriale entra nelle linee PCBA
Xaar e Shifang Technology stanno estendendo l’impiego dell’inkjet industriale alla produzione elettronica con un sistema destinato all’applicazione digitale dei conformal coating sulle Printed Circuit Board Assemblies, le schede elettroniche già popolate con componenti. La tecnologia combina le teste piezoelettriche Xaar della famiglia eX con il sistema di controllo, alimentazione del fluido, software e integrazione sviluppati da Shifang. L’obiettivo è sostituire o affiancare processi tradizionali come spray selettivo, dispensing e applicazione con mascheratura attraverso un metodo nel quale la geometria da rivestire viene definita direttamente da dati digitali e il materiale viene depositato soltanto nelle zone richieste. Non siamo quindi davanti alla stampa 3D di un circuito o alla produzione additiva dei componenti elettronici: si tratta di deposizione funzionale digitale, un processo che condivide con l’additive manufacturing il principio fondamentale del material-on-demand, ma viene utilizzato per creare film protettivi nell’ordine di pochi o alcune decine di micrometri.
Il conformal coating protegge la scheda senza incapsularla completamente
Una scheda elettronica destinata a lavorare in un ambiente controllato può funzionare per anni senza particolari protezioni. La situazione cambia quando l’elettronica deve affrontare umidità, condensa, polvere, sale, agenti chimici, contaminanti o variazioni termiche. Piccole quantità di acqua o materiale ionico possono creare correnti superficiali, corrosione e fenomeni di elettromigrazione tra piste molto vicine. Il conformal coating forma un sottile strato polimerico che segue, almeno in parte, la topografia della scheda e dei componenti, creando una barriera protettiva senza trasformare l’intero assemblato in un blocco di resina.
È differente dal potting, nel quale la scheda viene sostanzialmente immersa o inglobata in un materiale molto più spesso. È differente anche dal solder mask del PCB, che viene applicato durante la produzione della scheda nuda e serve soprattutto a proteggere le piste e definire le aree di saldatura. Il conformal coating arriva invece dopo l’assemblaggio e deve convivere con connettori, componenti, test point, sensori e numerose aree che spesso devono rimanere deliberatamente prive di rivestimento.
Ed è proprio evitare queste zone a rendere complicato il processo tradizionale
Una scheda non può normalmente essere rivestita indiscriminatamente. Possono esistere aree sulle quali il coating non deve arrivare:
- contatti elettrici;
- connettori;
- test point;
- switch;
- zone di grounding;
- sensori;
- superfici destinate a successiva saldatura o collegamento.
Con alcuni processi di coating queste regioni devono essere mascherate manualmente con:
- tape;
- cappucci;
- maschere;
- materiali rimovibili.
Dopo l’applicazione bisogna rimuovere la protezione senza danneggiare il coating circostante. Il problema non è soltanto il tempo necessario. Ogni operazione manuale introduce possibilità di errore: una maschera leggermente spostata può lasciare scoperta una zona da proteggere oppure rivestire un pad che doveva restare libero.
L’inkjet trasforma la zona da non rivestire da problema fisico a problema digitale
Nel sistema sviluppato da Shifang il pattern di deposizione può essere derivato da informazioni digitali come file Gerber, immagini o template generati dal sistema di visione. Il software identifica le aree nelle quali depositare il materiale e quelle che devono essere evitate. La testa inkjet produce quindi gocce soltanto nelle coordinate previste.
Il principio diventa:
dati della scheda → mappa digitale del coating → deposizione selettiva
invece di:
scheda → mascheratura fisica → coating → rimozione maschera.
Questo è probabilmente il vantaggio più importante della tecnologia, prima ancora della velocità della testa di stampa.
Eliminare una fase manuale può ridurre lavoro, materiali consumabili e variabilità del processo.
Non serve neppure creare necessariamente un percorso vettoriale per ogni componente
Nei sistemi tradizionali di selective coating può essere necessario programmare il percorso della valvola o dell’ugello: spostamento lungo una determinata linea, apertura del fluido, chiusura, movimento verso la zona successiva. Con un array inkjet composto da molti nozzle, il processo è più vicino alla stampa di un’immagine.
Il sistema si muove sopra la scheda e i singoli nozzle vengono attivati o disattivati in funzione della mappa digitale.
Una regione complessa può quindi essere definita come insieme di pixel o coordinate di deposizione.
È una differenza particolarmente interessante quando il PCB contiene molti componenti e numerose piccole no-coat zones.
La P Series di Shifang lavora nell’ordine dei picolitri
Shifang ha sviluppato due famiglie principali di sistemi per i coating funzionali.
La serie XF è orientata soprattutto ad applicazioni che richiedono quantità elevate di materiale e coating relativamente spessi, per esempio l’isolamento delle celle per batterie.
La P Series punta invece su volumi di goccia ridotti e controllo fine, ed è quella associata alle applicazioni PCBA, semiconduttori e altri processi di precisione.
Shifang dichiara per la piattaforma P gocce minime nell’ordine di 3 picolitri.
Un picolitro equivale a 10⁻¹² litri.
La dimensione estremamente ridotta della goccia non significa automaticamente che la risoluzione geometrica finale coincida con il diametro di quella goccia: dopo l’impatto sul substrato il fluido si allarga in funzione di tensione superficiale, energia d’impatto, bagnabilità e viscosità.
Ma permette un controllo molto più granulare rispetto a una valvola che deposita quantità nell’ordine dei nanolitri.
Picolitri e nanolitri sembrano simili, ma rappresentano tre ordini di grandezza
Un nanolitro contiene mille picolitri.
Questo significa che, almeno sul piano del volume elementare depositabile, un sistema inkjet può dividere una quantità equivalente di fluido in un numero enormemente maggiore di eventi controllabili.
Non serve necessariamente usare questa capacità per creare linee microscopiche.
Può essere utilizzata per controllare meglio:
- bordo della zona rivestita;
- quantità locale;
- uniformità;
- transizione tra due spessori.
La risoluzione utile del processo rimane comunque determinata dall’intero sistema e non soltanto dalla goccia minima.
Shifang dichiara coating da circa 1 a 50 micrometri
La P Series viene proposta per depositare film con spessori target compresi indicativamente tra 1 e 50 µm, con accuratezza dello spessore dichiarata entro circa ±10% del valore impostato.
La possibilità più interessante è che lo spessore può cambiare all’interno della stessa scheda.
Una zona potrebbe ricevere:
10 µm
mentre un’altra:
30 µm
e una terza:
nessun coating.
Questo introduce una logica differente rispetto alla semplice applicazione uniforme.
Il coating diventa una proprietà localmente programmabile.
Non significa però che 1 µm sia sufficiente per qualsiasi conformal coating
La capacità della macchina e il requisito del prodotto sono due cose differenti.
Gli standard utilizzati nell’elettronica prevedono range di spessore che variano in funzione della chimica del coating, dell’applicazione e della specifica cliente. Per molti coating acrilici, epossidici e poliuretanici si utilizzano tipicamente film nell’ordine di alcune decine di micrometri; i siliconi possono richiedere spessori superiori, mentre alcuni coating speciali possono essere più sottili.
Il fatto che una macchina possa depositare un film da 1 µm dimostra la capacità di controllo del processo.
Non significa che un film da 1 µm fornisca automaticamente:
- isolamento elettrico;
- resistenza all’umidità;
- resistenza chimica;
- conformità IPC.
La prestazione finale appartiene alla combinazione materiale + spessore + processo + geometria + ambiente operativo.
IPC-CC-830 qualifica il materiale, non la stampante inkjet
Nel settore è frequentemente utilizzata la specifica IPC-CC-830 per la qualificazione e le prestazioni dei materiali isolanti destinati alle schede assemblate. Esistono inoltre norme IEC della famiglia 61086 dedicate ai conformal coating.
È importante distinguere i livelli.
Una testa Xaar non diventa “IPC-qualified”.
Un materiale può essere qualificato secondo determinate specifiche.
Successivamente il produttore dell’assemblato deve dimostrare che il proprio processo:
- deposita correttamente il materiale;
- raggiunge lo spessore richiesto;
- copre le aree necessarie;
- mantiene libere quelle escluse;
- produce un film correttamente curato.
La sostituzione dello spray con l’inkjet non elimina quindi la qualification.
Modifica il metodo con cui il film viene creato.
Il processo deve anche seguire la topografia reale della scheda
Una PCBA non è una superficie piatta.
Può contenere:
- componenti alti;
- package bassi;
- connettori;
- pin;
- bordi verticali;
- zone d’ombra.
Questo crea uno dei problemi principali di qualsiasi sistema di coating.
Un pattern perfetto visto dall’alto non garantisce che il materiale raggiunga uniformemente tutte le superfici tridimensionali.
Una goccia proiettata verticalmente può coprire bene la parte superiore di un package e molto meno la sua parete laterale.
È quindi necessario distinguere:
accuratezza XY del pattern
da
copertura conformale tridimensionale.
Sono metriche differenti.
“Conformal” non significa automaticamente che ogni superficie abbia esattamente lo stesso spessore
Il termine indica che il film segue la forma dell’assemblato.
Nella pratica, bordi, angoli e geometrie verticali possono presentare spessori differenti.
Questo vale per spray, dipping, dispensing e inkjet.
Il comportamento dipende da:
- viscosità;
- surface tension;
- wetting;
- volume depositato;
- curing.
Un sistema digitale può compensare alcune differenze aumentando localmente la quantità di materiale, ma deve conoscere o prevedere la topografia della scheda.
È uno dei motivi per cui sistemi di visione e controllo diventano importanti.
Il materiale utilizzato da Shifang viene polimerizzato con UV
La collaborazione con Xaar è basata su fluidi funzionali UV-curable.
La testa deposita il materiale nello stato fluido e un sistema di irraggiamento ultravioletto avvia la polimerizzazione.
Il vantaggio principale è la rapidità.
Un coating solvent-based può richiedere:
- evaporazione;
- flash-off;
- curing più lungo.
Un materiale UV può essere immobilizzato rapidamente dopo la deposizione.
Questo è particolarmente utile in una linea ad alta produttività perché limita il tempo durante il quale il fluido può:
- colare;
- migrare;
- espandersi oltre il bordo desiderato.
Il curing rapido aiuta quindi anche la precisione geometrica
Supponiamo di depositare una linea molto precisa vicino a un connettore che deve rimanere libero.
Se il materiale resta liquido per diversi minuti, la tensione superficiale può farlo espandere.
Se viene gelificato o polimerizzato rapidamente tramite UV, la geometria viene stabilizzata quasi subito.
L’accuratezza finale dipende quindi non soltanto dalla testa, ma anche dalla sincronizzazione:
deposito → wetting → UV curing.
Troppo presto, e il film potrebbe non distendersi sufficientemente.
Troppo tardi, e potrebbe perdere la precisione desiderata.
UV-curable non significa automaticamente zero VOC
È frequente associare i processi UV a minori emissioni rispetto a formulazioni fortemente solventate, e la deposizione selettiva può effettivamente ridurre materiale sprecato e overspray.
Ma la composizione reale del coating rimane determinante.
Un materiale UV può contenere:
- oligomeri;
- monomeri reattivi;
- fotoiniziatori;
- additivi;
- eventualmente solventi.
La riduzione dei VOC deve quindi essere valutata sul prodotto chimico specifico e sul confronto con il processo che viene sostituito.
Non deriva automaticamente dalla parola “inkjet”.
La vera sfida per Xaar è riuscire a jetting fluidi che non sembrano normali inchiostri
Le prime tecnologie inkjet sono state sviluppate soprattutto per fluidi relativamente poco viscosi destinati alla grafica.
Un conformal coating funzionale deve invece fornire dopo il curing:
- barriera ambientale;
- adesione;
- isolamento;
- resistenza meccanica.
Questo richiede formulazioni molto più complesse rispetto a un semplice inchiostro colorato.
Xaar ha sviluppato la eX Series proprio per aumentare la finestra di materiali processabili.
La società dichiara la capacità di jetting di fluidi fino a circa 100 cP alla temperatura operativa della testa.
È un valore elevato per l’inkjet industriale.
La viscosità cambia però fortemente con la temperatura
Un fluido che presenta 500 o 1.000 cP a temperatura ambiente può diventare molto meno viscoso quando viene riscaldato.
Per questo una scheda tecnica deve sempre specificare:
viscosità a quale temperatura?
La eX viene caratterizzata con valori dell’ordine di 100 cP nelle condizioni di jetting, mentre Xaar descrive la possibilità di lavorare con formulazioni che a temperatura ambiente possono essere significativamente più viscose.
Non sarebbe corretto confrontare direttamente due valori senza conoscere le condizioni.
Un fluido più viscoso permette potenzialmente film più funzionali
Se la formulazione può contenere più solidi o polimeri a maggiore peso molecolare, può essere possibile ottenere:
- film più spessi;
- proprietà meccaniche migliori;
- maggiore dielectric strength;
- minore numero di passaggi.
Ma aumentare la viscosità rende anche più difficile generare una goccia stabile.
L’inkjet richiede un equilibrio molto delicato tra:
- viscosità;
- tensione superficiale;
- densità;
- dimensione particelle;
- waveform.
Un fluido perfetto come coating può essere impossibile da jetting.
Un fluido perfetto da jetting può produrre un coating mediocre.
Lo sviluppo applicativo consiste proprio nel trovare il punto nel quale entrambe le esigenze vengono soddisfatte.
La waveform è parte del processo tanto quanto il materiale
Nelle teste piezoelettriche un elemento piezo modifica rapidamente il volume della camera e genera la pressione necessaria a espellere la goccia.
La forma dell’impulso elettrico controlla:
- formazione;
- velocità;
- eventuali satelliti;
- stabilità della goccia.
Fluidi differenti richiedono waveform differenti.
Non basta quindi montare una testa e caricare una nuova resina.
Serve caratterizzare il fluido e adattare l’attuazione.
È uno degli elementi nei quali il know-how del produttore della testa diventa importante.
Xaar utilizza TF Technology per mantenere il fluido in movimento
Uno dei problemi principali nei fluidi funzionali è la stabilità vicino al nozzle.
Particelle, pigmenti o componenti ad alta densità possono sedimentare.
Le bolle d’aria possono causare misfire.
Materiale stagnante può modificare localmente viscosità o temperatura.
La TF Technology di Xaar mantiene il fluido in ricircolo dietro la nozzle plate.
Questo aiuta a:
- uniformare temperatura;
- ridurre sedimentazione;
- trasportare bolle lontano dagli ugelli;
- mantenere il fluido condizionato.
È particolarmente importante nei processi industriali che devono funzionare per molte ore e non semplicemente produrre un campione da laboratorio.
La stabilità industriale vale più di una stampa perfetta una volta
Un laboratorio può essere soddisfatto se una testa produce una bella linea dopo una lunga preparazione.
Una linea SMT deve invece produrre:
scheda 1 → scheda 10.000 → scheda 100.000
con risultati compatibili.
La domanda diventa quindi:
- quanti nozzle rimangono attivi?
- quanto spesso serve pulire?
- cosa accade dopo una pausa?
- quanto tempo richiede il recovery?
È proprio su questi aspetti che TF Technology e SureFlow cercano di intervenire.
SureFlow affronta il problema degli ugelli ostruiti
La deposizione di coating UV introduce un rischio particolare: materiale che si accumula o parzialmente polimerizza vicino alla nozzle plate può compromettere la qualità.
SureFlow è il sistema Xaar destinato alla pulizia e al ripristino degli ugelli senza dover smontare la testa.
Ridurre interventi manuali è fondamentale perché un singolo nozzle non funzionante può generare:
- striscia priva di materiale;
- difetto localizzato;
- coating insufficiente.
In un’applicazione grafica può essere un difetto estetico.
Su una PCBA può diventare un problema funzionale.
Il controllo nozzle-to-nozzle deve essere particolarmente rigoroso
Una testa inkjet contiene molti ugelli.
Se ciascuno deposita una quantità leggermente diversa, possono comparire variazioni di spessore.
Xaar utilizza tecnologie di calibrazione del volume della goccia proprio per aumentare l’uniformità.
Quando più printhead vengono affiancate, compare inoltre il problema della zona di stitching.
Il confine tra una testa e la successiva deve essere gestito senza creare:
- sovrapposizione eccessiva;
- gap;
- banda più spessa.
È un problema molto simile a quello incontrato nella stampa grafica single-pass, ma qui l’errore modifica un coating funzionale.
Più teste possono essere affiancate per aumentare la larghezza
La soluzione Shifang è progettata per essere scalabile su PCB di dimensioni differenti.
Affiancando più eX printhead si aumenta la print swathe.
Questo permette, almeno in linea di principio, di passare da schede piccole a board industriali più larghe senza trasformare necessariamente il sistema in uno scanner estremamente lento.
È una delle differenze tra:
scanning inkjet
e
single-pass inkjet.
Nel primo caso la testa deve attraversare ripetutamente l’oggetto.
Nel secondo una barra sufficientemente larga può depositare il pattern durante un unico movimento relativo.
Single pass non significa che una singola goccia crei sempre l’intero coating
La definizione può generare confusione.
Quando Shifang parla di deposizione in un passaggio, il significato principale è che il sistema può costruire il pattern e lo spessore previsto durante un singolo attraversamento produttivo, senza ripetute fasi di masking e coating.
La quantità effettivamente depositata da ogni nozzle può essere controllata attraverso:
- numero di drop;
- grey level;
- frequenza.
Quindi “single pass” non implica necessariamente una singola goccia per punto.
Indica un processo integrato nel quale il coating viene formato senza far tornare più volte la scheda attraverso linee differenti.
È qui che nasce il dato “fino a dieci volte più veloce”
Shifang afferma che l’approccio possa aumentare l’efficienza produttiva di un ordine di grandezza rispetto a processi tradizionali.
È plausibile che una parte importante del guadagno derivi dall’eliminazione di:
- mascheratura manuale;
- programmazione path-by-path;
- rimozione della maschera;
- gestione dell’overspray.
Ma il numero deve essere letto come claim del produttore.
Non sono stati pubblicati insieme all’annuncio:
- dimensione della scheda benchmark;
- coating tradizionale utilizzato;
- numero di keep-out zones;
- takt time;
- curing time;
- carico/scarico;
- rework.
Senza questi dati non è possibile trasformare “10×” in una regola generale.
Una scheda semplicissima potrebbe ottenere un vantaggio molto più piccolo
Se un PCB è quasi completamente rivestibile e possiede pochissime aree da proteggere, uno spray automatico può essere estremamente rapido.
L’inkjet deve comunque:
- rasterizzare il pattern;
- depositare il materiale;
- effettuare curing.
Il vantaggio cresce soprattutto quando aumentano:
- complessità;
- numero delle zone escluse;
- varianti;
- necessità di spessori differenti.
È quindi probabile che il business case migliore non sia identico per ogni PCBA.
High-mix manufacturing è particolarmente adatto al digitale
Supponiamo che una fabbrica debba produrre oggi 200 schede A e domani 100 schede B.
Con una maschera fisica possono essere necessari:
- nuovo tooling;
- preparazione;
- setup.
Con un processo digitale il cambio può consistere principalmente nel caricare un nuovo file e richiamare la corretta ricetta.
Il vantaggio aumenta nei settori caratterizzati da:
- molti codici;
- batch piccoli;
- frequenti revisioni.
È lo stesso motivo per cui l’inkjet ha sostituito processi analogici in molte applicazioni grafiche.
Il file Gerber può diventare parte della catena coating
I file Gerber vengono normalmente utilizzati nella produzione dei PCB per descrivere rame, solder mask, silkscreen e altre informazioni geometriche.
Recuperare direttamente questi dati permette di collegare il coating al digital thread della scheda.
In teoria, il sistema può sapere già dal progetto quali zone:
- devono essere rivestite;
- devono rimanere libere.
Questo riduce la necessità di ridisegnare manualmente il pattern.
Ma è necessario verificare che il dato progettuale corrisponda alla scheda reale assemblata.
La scheda reale non è mai perfettamente identica al CAD
Componenti e PCB presentano tolleranze.
La board può arrivare leggermente spostata sul conveyor.
Un connettore può essere montato con una piccola deviazione.
Per questo una deposizione molto precisa richiede un sistema di registrazione.
Camera e fiducial possono essere utilizzati per allineare:
pattern digitale ↔ PCBA fisica.
Shifang indica inoltre la possibilità di generare template da immagini.
Questo può essere utile per adattare il pattern direttamente all’oggetto osservato.
Machine vision diventa quindi parte della qualità del coating
Un errore di 500 µm può essere irrilevante in una grande zona aperta.
Può essere critico se la deposizione avviene vicino a un connettore.
Il sistema di visione deve identificare:
- orientamento;
- posizione;
- eventuali differenze.
La qualità non dipende quindi soltanto dalla precisione della testa Xaar.
Dipende dalla catena:
visione → registrazione → motion → jetting → curing.
Una specifica isolata della printhead non descrive l’accuratezza complessiva.
L’approccio permette anche di creare bordi molto più definiti
Spray e coating atomizzati generano inevitabilmente un plume di gocce.
Anche quando il getto viene controllato, una parte del materiale può arrivare oltre il limite desiderato.
L’inkjet Drop-on-Demand genera la goccia soltanto quando richiesta e la lancia verso una coordinata specifica.
Questo può ridurre:
- overspray;
- contaminazione;
- quantità da aspirare.
È particolarmente utile quando il bordo del coating deve passare molto vicino a un elemento escluso.
Ma il fenomeno di spreading rimane
La goccia non rimane un cilindro perfetto nel punto d’impatto.
Interagisce con la superficie.
Su un substrato ad alta energia superficiale può allargarsi molto.
Su una superficie poco bagnabile può formare una bead.
Se la scheda contiene residui di:
- flux;
- silicone;
- grasso;
- contaminanti,
la bagnabilità può variare localmente.
Per questo la pulizia della PCBA rimane fondamentale anche con un processo digitale estremamente preciso.
Un coating perfettamente posizionato può comunque aderire male
Questo è un punto che spesso viene perso quando si parla di automazione.
La testa può depositare il materiale nella coordinata corretta con grande precisione.
Ma se la superficie è contaminata, il film può:
- dewet;
- staccarsi;
- creare fisheye;
- generare void.
Il processo deve quindi comprendere anche:
- pulizia;
- preparazione;
- controllo della contaminazione.
L’inkjet risolve la deposizione.
Non risolve automaticamente la chimica dell’adesione.
Il curing UV introduce anche il problema delle zone in ombra
Una scheda con componenti alti può impedire alla radiazione UV di raggiungere completamente alcune regioni.
Se il materiale dipende esclusivamente dalla luce per polimerizzare, le shadow zones possono restare non completamente curate.
Le formulazioni industriali possono affrontare il problema in modi differenti, per esempio attraverso dual-cure o meccanismi secondari.
Ma non va assunto che qualsiasi coating UV sia automaticamente adatto a qualsiasi PCBA tridimensionale.
La chimica deve essere selezionata in funzione della geometria reale.
Conformal coating e inkjet richiedono quindi co-design tra fluido e macchina
Non esiste la “resina conformal coating universale” che può essere caricata indifferentemente in qualsiasi printhead.
Ogni formulazione deve soddisfare contemporaneamente:
- proprietà elettriche;
- resistenza ambientale;
- viscosità;
- tensione superficiale;
- UV response;
- stabilità nel circuito fluidico.
È uno dei motivi per cui Xaar collabora direttamente con:
- system integrator;
- produttori di fluidi;
- utilizzatori.
Il printhead è soltanto una parte dell’ecosistema.
La precedente collaborazione sulle batterie è importante proprio per questo
Xaar e Shifang non stanno iniziando da zero.
Le due aziende hanno già lavorato insieme nell’isolamento superficiale delle celle per batterie EV, utilizzando la famiglia eX per sostituire processi tradizionali come film plastici e coating analogici.
In quel mercato la richiesta è differente:
- strati più spessi;
- maggiore quantità di materiale;
- elevata velocità.
Shifang dichiara che le proprie linee per batterie hanno già lavorato milioni di celle e raggiunto material utilization superiore al 99% nei progetti implementati.
Il nuovo PCBA coating utilizza lo stesso principio digitale ma affronta un problema quasi opposto:
meno materiale, più precisione e pattern più complessi.
Questo spiega perché Shifang abbia due famiglie di macchine differenti
La XF Series è progettata per high laydown e throughput.
La P Series è progettata per precisione e volumi di goccia molto inferiori.
È una distinzione importante anche per l’additive manufacturing in generale.
Non esiste una singola tecnologia di deposizione ottimale contemporaneamente per:
- grande quantità;
- altissima precisione.
Aumentare la portata della goccia tende ad aumentare throughput.
Ridurre la goccia aumenta la granularità.
Il sistema deve essere progettato intorno all’applicazione.
Il PCBA conformal coating potrebbe diventare per Shifang un secondo grande mercato
L’azienda cinese definisce questo settore una nuova area di crescita dopo le batterie.
Il motivo è comprensibile.
La quantità di elettronica protetta aumenta in:
- automotive;
- telecomunicazioni;
- industrial IoT;
- power electronics;
- consumer;
- infrastrutture.
Allo stesso tempo le schede diventano più dense e i componenti più ravvicinati.
Questo rende sempre più importante sapere esattamente dove depositare il materiale.
Un coating grossolano può essere accettabile su una scheda semplice.
Su un PCBA ad alta densità può diventare problematico.
L’automotive è probabilmente uno dei casi d’uso più interessanti
Un modulo elettronico montato su un veicolo può affrontare:
- umidità;
- sale;
- vibrazioni;
- temperature variabili.
L’affidabilità richiesta è molto superiore a quella di molti dispositivi consumer.
Al tempo stesso automotive significa grandi volumi.
Una tecnologia di coating deve quindi essere:
precisa ma anche altamente produttiva.
È precisamente il punto nel quale un sistema single-pass può essere interessante, a condizione di dimostrare:
- uptime;
- takt time;
- qualità;
- manutenzione.
Un buon campione da laboratorio non basta
In una produzione automotive, dieci secondi di fermo ripetuti frequentemente possono diventare molto costosi.
La valutazione industriale deve comprendere:
- mean time between cleaning;
- nozzle recovery;
- changeover;
- consumo materiale;
- curing;
- inspection.
L’annuncio Xaar-Shifang parla esplicitamente di passaggio verso linee produttive reali, ma non rende pubblici tutti questi indicatori.
Saranno probabilmente i dati più interessanti quando le installazioni aumenteranno.
L’ispezione dopo il coating rimane indispensabile
Una macchina digitale può conoscere perfettamente ciò che ha comandato.
Non significa che il materiale sia arrivato esattamente come previsto.
Possono verificarsi:
- nozzle-out;
- contamination;
- dewetting;
- bubble;
- curing difettoso.
La linea industriale necessita quindi di verifica.
A seconda del materiale possono essere utilizzati:
- sistemi ottici;
- UV tracer;
- misure dello spessore;
- electrical test.
L’ideale è creare un loop nel quale la deposizione sia controllata e successivamente verificata.
Il vero salto arriva se la misura viene riportata nel digital thread
Un sistema tradizionale può registrare semplicemente:
“coating completato”.
Una linea digitale potrebbe in prospettiva conservare per ogni PCBA:
- file utilizzato;
- quantità materiale;
- parametri;
- nozzle status;
- immagini;
- inspection result.
Questo aumenta la tracciabilità.
Per applicazioni ad alta affidabilità può diventare altrettanto importante della deposizione stessa.
Una scheda potrebbe avere persino uno spessore specifico in funzione della regione
È forse la possibilità più interessante introdotta dal processo.
Tradizionalmente il coating viene spesso pensato come:
rivestito / non rivestito.
La deposizione digitale introduce una terza dimensione:
quanto rivestire ogni zona.
Una regione particolarmente esposta potrebbe ricevere un film maggiore.
Una zona con clearance critica potrebbe riceverne meno.
Una zona di keep-out potrebbe ricevere zero.
Si passa quindi da un pattern binario a una mappa funzionale dello spessore.
Questo avvicina davvero il processo alla manifattura additiva
Non perché venga costruito un oggetto tridimensionale di grandi dimensioni.
Ma perché il materiale viene distribuito voxel per voxel secondo un file digitale.
Il coating stesso diventa geometricamente programmabile.
È la stessa logica fondamentale che distingue:
mettere materiale ovunque e rimuoverlo
da
metterlo soltanto dove serve.
In questo senso il confine tra stampa industriale e additive manufacturing diventa sempre meno netto.
Non è però corretto chiamarla “stampa 3D di elettronica”
La scheda è già costruita.
I componenti sono già montati.
Le piste elettriche non vengono create dal sistema.
Il materiale depositato svolge principalmente una funzione protettiva.
La definizione più corretta è quindi:
digital functional coating o selective inkjet deposition.
Associare la tecnologia alla printed electronics può essere corretto nel senso ampio della produzione elettronica mediante processi di stampa, ma non significa che Xaar e Shifang abbiano stampato transistor, circuiti integrati o PCB completi.
La sostenibilità deriva principalmente dall’efficienza del materiale
Un processo spray inevitabilmente deposita una parte del fluido in zone non utili oppure richiede aspirazione e gestione dell’overspray.
La deposizione Drop-on-Demand utilizza materiale soltanto quando un nozzle viene attivato.
In teoria:
materiale consumato ≈ materiale necessario al componente + piccole perdite di processo.
Shifang ha già riportato livelli molto elevati di material utilization nelle proprie applicazioni battery coating.
Per il PCBA il principio è analogo.
Ma il beneficio ambientale complessivo deve includere anche:
- energia UV;
- cleaning;
- consumabili;
- chimica del coating.
Non basta misurare soltanto i millilitri risparmiati.
Eliminare il masking riduce anche rifiuti apparentemente secondari
Tape, cap e maschere monouso possono sembrare irrilevanti rispetto al valore della scheda.
In una linea che produce milioni di unità diventano però:
- materiale;
- lavoro;
- rifiuto.
Il digitale può eliminare una parte significativa di questi consumabili.
Il vantaggio economico può quindi essere superiore al semplice risparmio di coating.
Anche il footprint della linea può diminuire
La soluzione sviluppata con Shifang utilizza un sistema di alimentazione compatto e può controllare più teste dalla stessa elettronica.
L’obiettivo è facilitare l’integrazione nelle linee SMT esistenti, dove lo spazio ha valore.
Se una fase di masking manuale e una macchina coating separata vengono sostituite da un modulo digitale inline, il layout complessivo può semplificarsi.
L’effettivo risparmio di superficie dipende naturalmente dalla configurazione di fabbrica.
La modularità delle teste aiuta la scalabilità
Un costruttore non deve necessariamente sviluppare un sistema completamente nuovo per ogni larghezza di PCB.
Può aumentare il numero di printhead.
È un principio utilizzato da anni nelle digital press:
più moduli → maggiore swathe.
Ma quando aumenta il numero di teste aumenta anche la necessità di:
- calibrazione;
- stitching;
- uniformità;
- manutenzione.
Scalare l’hardware è relativamente semplice.
Scalare la qualità è la parte difficile.
Shifang ha sviluppato anche la propria elettronica e il proprio software
L’azienda non si presenta come semplice integratore di una testa Xaar in una macchina generica.
Dichiara di sviluppare internamente:
- control board;
- ink supply;
- printing software;
- algoritmi;
- motion integration.
Questo è importante perché nel digital manufacturing il valore spesso si sposta dall’hardware di deposizione al sistema che lo controlla.
La stessa testa può produrre risultati molto differenti se:
- waveform;
- fluidics;
- motion;
- registration;
non sono correttamente integrati.
Il vero prodotto è quindi la combinazione Xaar + Shifang
Xaar fornisce principalmente la tecnologia di jetting.
Shifang costruisce intorno a essa la macchina e il processo.
È una divisione dei ruoli comune nell’inkjet industriale.
Il produttore della testa non deve necessariamente conoscere ogni dettaglio della linea SMT.
L’integratore deve invece trasformare una printhead generica in una soluzione per un problema produttivo preciso.
Il prossimo confronto sarà con selective coating machines già molto mature
Il mercato non parte da zero.
Esistono da anni sistemi robotizzati che utilizzano:
- needle;
- jet;
- spray valve;
- curtain.
Sono già capaci di seguire pattern e ridurre masking rispetto allo spray manuale.
L’inkjet deve quindi dimostrare il proprio vantaggio non soltanto contro il pennello o una pistola spray.
Il confronto reale sarà con le migliori piattaforme selettive automatizzate già installate nell’elettronica.
Le metriche importanti saranno:
- edge definition;
- takt time;
- maintenance;
- fluid compatibility;
- cost per board.
La compatibilità materiali potrebbe essere uno dei limiti principali
Le tecnologie tradizionali possono gestire fluidi con gamme di viscosità molto ampie.
Una valvola dispensing può utilizzare materiali che una testa inkjet non riuscirebbe a espellere attraverso centinaia di micro-ugelli.
Xaar ha ampliato notevolmente la finestra grazie alla Ultra High Viscosity Technology, ma non ogni conformal coating esistente diventa automaticamente inkjettable.
Questo significa che alcuni utilizzatori potrebbero dover:
- cambiare formulazione;
- qualificare un nuovo materiale.
Per un settore ad alta affidabilità questo può rappresentare un costo significativo.
La trasformazione digitale del coating richiede quindi anche una trasformazione della chimica
Non basta sostituire una macchina.
Spesso serve progettare il materiale pensando fin dall’inizio a:
- jetting;
- curing;
- prestazione finale.
È una dinamica già vista nella stampa 3D.
Una lega progettata per casting non è automaticamente ideale per LPBF.
Una resina progettata per dispensing non è automaticamente ideale per inkjet.
Nuova tecnologia di deposizione e nuova formulazione devono evolvere insieme.
I requisiti di reliability rimangono identici indipendentemente da come è stato depositato il film
Il cliente finale non è interessato al fatto che la scheda sia stata rivestita con una printhead sofisticata.
Vuole sapere se dopo anni di esercizio il coating:
- aderisce;
- isola;
- protegge dalla corrosione;
- resiste ai cicli termici.
Il successo industriale verrà quindi determinato da test ambientali e di durata.
La precisione digitale è un mezzo.
La reliability resta il risultato.
Il vantaggio potrebbe emergere soprattutto nella ripetibilità tra schede
Un processo manuale dipende fortemente dall’operatore.
Un sistema digitale può ripetere lo stesso pattern migliaia di volte.
Se:
- nozzle;
- fluido;
- substrate;
- curing
rimangono sotto controllo, la variabilità può ridursi.
È particolarmente importante quando le clearance diventano molto piccole.
L’obiettivo non è soltanto ottenere una media corretta.
Serve ridurre la dispersione.
E questo rende interessante la combinazione con SPC e Industry 4.0
Un processo completamente digitale può generare grandi quantità di dati.
In futuro si può immaginare un controllo statistico che correlaziona:
- temperatura fluido;
- pressure;
- nozzle health;
- coating thickness;
- inspection.
Una deriva lenta potrebbe essere identificata prima che produca un lotto difettoso.
Non è necessariamente una funzione già presente in tutta la soluzione Shifang annunciata, ma è una delle conseguenze naturali della trasformazione da coating analogico a digitale.
La tecnologia potrebbe estendersi anche oltre il conformal coating
Shifang indica già applicazioni in:
- batterie;
- solid-state battery sealing;
- semiconduttori;
- automotive components;
- fotovoltaico;
- LED.
Il principio è sempre simile:
depositare un materiale funzionale precisamente dove serve.
Il fluido cambia.
La testa e parte dell’infrastruttura possono rimanere concettualmente simili.
È questo a rendere il functional inkjet interessante come piattaforma di advanced manufacturing.
Non serve costruire altezza per essere additive manufacturing in senso funzionale
Nel linguaggio comune “additive” viene spesso associato a un oggetto tridimensionale alto centimetri.
Ma la caratteristica fondamentale è l’aggiunta controllata di materiale.
Qui l’altezza è soltanto:
1-50 µm.
Eppure il processo è totalmente digitale, localizzato e privo di tooling fisico.
Dal punto di vista della filosofia produttiva è molto vicino alla manifattura additiva.
La differenza è che la funzione vale più del volume depositato
Un grammo di PLA in una stampa FFF può essere semplicemente struttura.
Pochi milligrammi di conformal coating possono determinare se una scheda elettronica sopravvive o meno per dieci anni in un ambiente corrosivo.
Nell’advanced manufacturing, quindi, la quantità di materiale non è necessariamente la metrica più importante.
Conta dove viene depositato e quale funzione svolge.
Xaar sta costruendo proprio su questa idea una parte crescente della propria strategia
La società britannica è storicamente conosciuta per le printhead industriali, ma negli ultimi anni ha spinto sempre di più verso functional fluid deposition:
- batterie;
- automotive paint;
- advanced manufacturing;
- electronics.
La caratteristica comune è la conversione di processi analogici in processi digitali.
Non si tratta semplicemente di stampare più immagini.
Si tratta di utilizzare la precisione del Drop-on-Demand per distribuire materiali industriali.
La collaborazione con Shifang dimostra quanto questa transizione dipenda dagli integratori
Una printhead non sostituisce da sola una linea produttiva.
Serve qualcuno che conosca:
- substrato;
- handling;
- ispezione;
- tempi ciclo;
- qualità.
Shifang porta questo livello applicativo nel settore elettronico cinese.
La partnership sulle batterie ha già fornito alle due aziende un ambiente industriale nel quale sviluppare affidabilità e coating ad alta viscosità.
Il PCBA rappresenta ora un problema differente, ma tecnicamente contiguo.
Il vero salto non è quindi passare da “spruzzo” a “getto”
È passare da:
processo basato su maschere e traiettorie
a
processo basato su dati.
Quando cambia il prodotto, si cambia il file.
Quando cambia lo spessore, si modifica la dose digitale.
Quando una zona deve rimanere libera, viene esclusa dal pattern.
È questa programmabilità che può produrre il maggiore impatto sulla fabbrica.
Ma la promessa dovrà essere verificata nelle linee di massa
Le specifiche sono interessanti:
- deposizione selettiva;
- 1-50 µm;
- spessore localmente variabile;
- eliminazione del masking;
- multihead;
- UV curing.
Il dato decisivo sarà però quanto queste caratteristiche resistano alla produzione continua.
Bisognerà osservare:
- yield reale;
- uptime;
- frequenza di pulizia;
- durata delle teste;
- costo del fluido;
- qualità dopo environmental testing.
Soltanto allora sarà possibile confrontare completamente l’economia con i processi di conformal coating maturi.
Il dato “10×” va quindi considerato un obiettivo applicativo, non una legge dell’inkjet
Su una scheda molto complessa può essere perfettamente plausibile ottenere un guadagno enorme eliminando mascheratura e programmazione manuale.
Su un prodotto semplice il vantaggio potrebbe essere molto inferiore.
Il valore reale deve essere calcolato sul caso specifico.
È lo stesso principio che vale nella stampa 3D:
una tecnologia digitale non è automaticamente più economica perché più flessibile.
Diventa più conveniente quando quella flessibilità risolve un costo reale del processo precedente.
Nel caso di Xaar e Shifang quel costo sembra essere soprattutto la complessità
Le PCB assemblate stanno diventando:
- più dense;
- più variabili;
- più difficili da mascherare.
Contemporaneamente automotive, telecom e industrial electronics richiedono affidabilità ambientale crescente.
È quindi ragionevole che il conformal coating si sposti verso un controllo molto più locale.
L’inkjet offre esattamente questa granularità.
Ed è qui che il processo può cambiare il ruolo stesso del coating
Se il sistema permette realmente di controllare con affidabilità pattern e spessore regione per regione, il coating smette di essere semplicemente una “vernice protettiva”.
Diventa una feature progettata del prodotto elettronico.
Il progettista può decidere già nel digital model:
- quali zone proteggere;
- con quale spessore;
- quali lasciare libere.
Produzione e progettazione si avvicinano.
È probabilmente questa, più del semplice incremento di velocità, la parte più interessante della collaborazione.
Xaar e Shifang non stanno quindi portando una stampante 3D all’interno della linea elettronica. Stanno portando la logica della produzione additiva — materiale soltanto dove serve, quantità programmabile e passaggio diretto dal dato digitale al pezzo — in un processo industriale che fino a oggi ha utilizzato soprattutto coating analogici e mascherature fisiche.
Se precisione, reliability e produttività dichiarate verranno confermate su grandi volumi, il conformal coating potrebbe diventare uno dei casi più interessanti di come l’inkjet industriale stia progressivamente uscendo dal mondo della grafica per trasformarsi in una vera tecnologia di fabbricazione funzionale.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
