SMT表面贴装工艺中粘合剂最佳点胶效果的尝试

来源:收集 点击数:38 更新时间:2020/2/11 10:58:21

SMT表面贴装工艺中粘合剂最佳点胶效果的尝试
      为了顺利完成表面贴装工艺,需考虑几个方面的工艺设计。粘合剂须有良好的稠度,胶点曲线,湿强度及固化强度。设计师必须考虑表面贴装粘合剂(SMA)胶点的大小并利用CAD或一些示教自动化系统来计算适当的点胶位置。设计过程中必须考虑一些典型的SMA问题,同时,也应考虑SMA完成后可能会出现的问题。关于SMA(如点锡膏或环氧树脂)的一些建议也是非常有帮助的。


    SMA主要目的是粘着电路板上的元件直至完成波峰焊接。元件范围多种多样,可以是规格为1005[0402]的电阻器,也可以是电容器,甚至是大型集成电路元件。点胶SMA成功的标准是在焊接过程中,元件没有从电路板上脱离。通常,由于SMA点胶得太少,使SMA无法在元件贴装时通过蔓延到元件Pad上形成电气连接干扰而使SMA点胶失败。


图1:1608[0603]表面贴装元件
 

元件规格(mm) Land Pattern SMA应用区域宽度 胶点直径(mm)
1608/0603 0.6 0.5
2012/0805 0.6 0.6
3216/1206 1.2 1.2

表1:元件常见尺寸

粘合剂

   良好的粘合剂需有以下特性:良好的湿强度,固化强度,稠度及胶点曲线。胶体应促使整个工艺始终保持在公差范围内。 以1608[0603]的元件为例。 IPC表面贴装设计标准在0.60 mm [.025”] (图2)的land pattern pads间规定一段距离。在精度±0.08mm的标称机器及精度±0.13mm[±0.005”]的粘合剂流向中,粘合剂实际点胶区宽度减少到了0.40mm[0.016“],这样可以防止粘合剂覆盖在导电区而出现问题。虽然所需体积意味着带来胶点压扁问题,使其实际使用中受限,但增高粘合剂胶点曲线可解决部分问题。全新喷射点胶系统可提供更高胶点曲线。


图2:1608 0603元件Land Pattern

    粘合剂接触过程中所需的合理表面面积,指的是在制造过程中,能承受10到20牛顿的剪切力。在回流焊工艺中,SMA需保持元件吸附力,固化强度系数有时也取决于此工艺。

图3:元件应用实例:(a)SMA不足;(b)SMA适量(c)SMA 过量
 

按体积点胶

   确保适当的胶点直径及高度的一种方法是按体积点胶。使用目前最新的SMA点胶法,即正排量活塞泵和喷射法,能达到最佳效果。因为这两种方法都能精确控制体积,且相对来说,对粘合剂的粘度和比重变化不敏感。胶点实际体积可由公式推导出。导电Pad厚度通常是0.05mm[0.002’’],该芯片的导体通常为0.025mm[0.001”], 能为压扁的胶点提供高度(h)为0.08mm [0.003”]的圆柱形体积。 1608[0603]元件所需的最大直径(D)为0.40mm[0.016”]。所应用的胶点体积应当近似圆柱形,体积应为V =¼•D2H

1608[0603]元件尺寸:

                                  D =0.40mm

                                  H =0.08mm

                                  V =0.01mm³

   点胶的胶点体积应与压扁的胶点体积相同,并保证直径不超过贴装区和直径精度所需的范围。在决定SMA点胶数量时,运用此法相当简单。在land pattern实际应用中,导电pad间的距离应比标准距离远一些,体积应接近0.016mm³。3216[1206]元件的体积约为0.30mm³。正排量活塞泵内部安有系统软件,可以简单计算胶体比重来确定点胶体积,因此,正排量活塞泵在通过重量或其它方法确定流速后,可以不依赖粘合剂属性进行点胶工作。喷射法使用阀门调整,在通过测试的基础上点胶特定体积胶体。


   可以看出,设计所需的粘合剂种类多种多样,胶体制造商和应用厂商也进行各种测试来确定满足市场需要的粘合剂。测试提供许多有价值的信息,但SMA的实际应用才是确定其适用性最可靠的方法。因此,粘合剂制造商和应用商之间应密切配合,找到合适的胶体,满足多种机器及机器应用的需要。

点胶方法

   两种超高速SMA点胶法是针板转移法及丝网印刷法。喷射泵为非接触式点胶,其工艺设计方案与点胶相似。SMA点胶法包括:

        时间/压力泵法

        螺旋泵法

        活塞泵法

        喷射泵法
   所有这些应用方法都有各自的优缺点,在设置应用程序时,须加以考虑。

   针板转移式点胶是把粘合剂点胶到印刷电路板上最快的方法之一。此项技术是把带有一系列Pin脚的,同印刷板上待印焊盘或点胶位置对应的针板浸泡在粘合剂华夫盘中,浸湿Pin脚,并使它们粘附一定数量的粘合剂。针板转移式点胶法有几个缺点。如果pattern改变,压印图案的工具需重做,这样相对来说成本比较高。但对长时间的生产运行来说,这点并不重要。打开华夫盘,粘合剂暴露在空气中,可能会吸收水分或增加固化速率,这意味着在操作粘合剂时要非常小心。


   对于land patterns小于3216 [1206]的元件来说,使用针板转移式点胶法较为困难。

优点:速度快

缺点:重做工具困难成本高,粘合剂操作麻烦


    丝网印刷也是一种点胶粘合剂的快速方法。丝网印刷是使用网版,通过挤压,使粘合剂穿过网版上的孔印到承印物上。与针板转移式点胶法相似,如果pattern改变, 压印图案的工具需重做,但所需成本较低,且供应商都是现成的。粘合剂暴露在空气中后, 操作起来很麻烦。环境温度改变时, 丝网印刷对粘合剂粘度变化更为敏感,与针板转移式点胶法相比更易固化。


优点:快速,可以有多种尺寸的胶点

缺点:需重做工具,粘合剂操作麻烦

     时间/压力点胶法是SMA点胶的第一种方法,对于确定的应用来说仍是一种可行的方法。SMA注射器通过喷嘴阀控制并加压,可以点胶所需数量的粘合剂。此方法简单可靠,速率高达每小时40,000个胶点,注射器中的脉冲空气可以一直保持所需的极限条件。对于1608[0603]尺寸的元件来说, 时间/压力法很难保持胶点大小一致。时间/压力点胶法已证实是一种简单有效的方法,包括清理注射器或更换喷嘴。与其它点胶法相似,它的优点在于能灵活更换应用。


优点:灵活,操作简单,容易清理

缺点:速度影响一致性

图4:时间/压力法示意图
 

       螺旋泵点胶法原理是,使用一个旋转的螺旋泵,对粘合剂施加压力,通过开启或关闭螺旋电动马达,泵出所需数量的粘合剂。螺旋泵按牛顿原理工作,一旦泵内的胶体接触到板上,将维持均匀一致的流动。螺旋泵点胶速度接近时间/压力点胶法,但点胶的胶点一致性更好,且对粘度变化的敏感性大约是时间/压力法的一半。螺旋泵点胶速度主要受到机器三维空间(3D)运动控制的限定。螺旋泵的流动速率取决于针头大小的选择。针头越小将产生的背压越大,随着粘度增加将导致各种问题的出现。在计算胶体的定额时,螺旋泵可以达到2%的精确性,但在生产中按照20%的体积精度计算。

优点:灵活性强,适应点胶各种胶体,与时间压力点胶法相比,对胶体中混入的空气不太敏感。

缺点:对粘度的变化敏感,速度对一致性有些影响

图5:螺旋泵示意图

    活塞泵点胶是施胶应用中一种真正的绝对位移方法,在一个密封的腔体中活塞的位移精确地确定了所分配的胶体体积。胶的粘度变化对活塞泵的速率没有影响。在一定的操作范围内,针头大小同样不改变活塞泵的速率,针头变小,压力增大,如果内部的压力超过规定范围,可能引起其他的问题。活塞泵可提供线性的位移量,也可设计成固定的位移,施加指定的胶点大小。胶点点胶多用固定式位移。如螺旋泵一样,由于机器的3D运动控制的限定,绝对位移泵的点胶速度是有限的。


    对更大的胶点直径,螺旋泵和活塞泵都将在速度能力上降级,但是活塞泵在高得多的流动速率下仍保持胶点的一致性,而且对各种大小尺寸的胶点都将维持40,000dph的速率。与时间/压力和螺旋泵相比,活塞泵的一个缺点是清洗复杂,要求每周或双周安排清洗。但随着设计不断发展,其复杂性会逐渐降低。

优点:高速时胶点一致性仍然很好,能点大胶点。                   

缺点:清洗复杂,对胶体中的空气敏感


   喷射点胶是施胶的一个新方法。它使用一个弹簧加力针或“锤”以快速循环的方式迫使粘合剂通过针嘴。类似于固定位移活塞泵,但用高速喷射胶体。具体操作是空气压力将针提到胶体面上,当气压断开时,弹簧将针往下驱动,迫使胶剂通过针嘴。


   在针嘴和PCB的目标点之间,胶点是经过一条弹道被喷射出来。而其它分配方法,胶量的实际转移是在胶体接触到板并且在表面上建立湿润效果期间发生的。由于不必有Z轴的移动来使胶体接触到印制板上,喷射头可在点胶的两维方向受控,从而节省大量时间,增加速度,与螺旋泵和活塞泵相比,速度提高10~50%,且胶点的一致性相当或更好。如喷射泵在一个班次的点胶生产中,连续一致性是螺旋泵的两倍。在胶点的高度上,喷射泵还能产生更高的胶点轮廓,这对特别小的元件具有优势。


   机器喷射头离PCB的高度对喷射式点胶的胶点质量很重要,但和其它的应用方法相比,喷射距离的允许误差要大些。有些机器的喷射高度可以调整,有些机器的喷射距离是固定的,它的点胶速度更快,但胶体受力更大。


  喷射泵每次只能点胶一种胶点尺寸,这种尺寸是在设置面板上预先选定好的,故喷射泵点胶速度的增加受到了一定的限制。胶点尺寸的选定必须对应于板上最小的胶点尺寸,较大胶点是最小胶点的数倍组成。双头喷射泵的开发可使这个问题得到减轻。另外喷射泵使用一、二周后就需拆卸以便清洗。当然自动清洗系统能减少清洗的时间和复杂性。


图6:喷射泵原理

优点:非接触式施加胶体,对板的翘曲和高度的变化不敏感。比其他方法速度快。                                       

缺点:大胶点多次喷射,清洗复杂。

由于设置不当或操作不当,生产中常常出现一些点胶缺陷。这些典型问题如下:


拉丝/拖尾

卫星点

爆米花、空洞

     胶的拉线/拖尾是点胶工艺中常见现象。当针头移开时,在胶点的顶部产生细线或“尾巴”,尾巴可能塌落,直接污染焊盘,引起虚焊。实践证明控制拉丝/拖尾的最好方法是在滴胶针头上或附近点进行加热,降低粘度,贴片胶易断开,不产生拉丝/拖尾。产生这种原因可能是由于贴片胶与施加工艺不兼容,由于喷嘴已加热,适当的调节喷射参数不会引起拖尾。卫星点是在高速点胶时产生的细小无关的胶点。在接触点胶中,通常是由于拖尾和针嘴断开而引起的。在非接触喷射中,因不正确的喷射高度而产生的。喷射高度是重要的工艺参数,在接触式点胶中,如果喷射高度不适当,可能造成拖尾。这取决于自动点胶设备的加工精度和软件控制精度以及高度传感器系统的设计。

     固化后,贴片胶中有空洞或爆米花现象,这是因为空气或潮湿进入贴片胶内,在固化期间突然爆出或形成空洞的结果。爆米花和空洞现象,造成粘接强度降低,并为焊锡打开通路,渗入元件下面,造成桥接、电路短路。在注射器中,贴片胶的湿气很少,但贴片胶长时间暴露在室内,特别是潮湿的环境中,如点胶后停留时间较长再固化,可能吸取潮气。针式转移法滴胶时,由于胶是开放的,暴露面积较大。贴片胶很易吸潮。 空气的混入是不正确操作贴片胶而引起的,特别是自行灌装的贴片胶。解决办法是使用低温慢固化,加热时间较长,可帮助潮气在固化前跑出,避免空洞形成。尽量缩短贴装与固化之间的时间,采用低吸潮的贴片胶减少空洞。或用对贴片胶进行预烘干处理,消除潮气。应严格按照贴片胶的储存、管理和使用工艺执行。对自行灌装的贴片胶要进行脱气泡处理。

工艺自动化
    必须正确控制点胶法及表面贴装技术才能高效完成此工艺。因此,需考虑一些注意事项。目前,自动化机器在点胶粘合剂及贴装元件时使用视觉系统进行精确的对中调整。需在板子基准数量及元件间的间距基准数量之间找到平衡。通常使用CAD数据充分开发板子细节和贴装工艺。

   自动工艺控制过程中,CAD数据直接转换并导入到软件中,保证生产的顺利进行,并减少装配系统时间。可以利用CAD导入系统定位SMA胶点的实际位置,此过程须小心控制基准点和原始生产板信息。电路板管理是一项重要的设计依据。电路板形状和大小及传送系统应相互兼容。如果一个板子或一系列板子可以在面板中结合起来,那么在制造过程中会大大提高生产效率。

点胶锡膏和环氧树脂

   通过回流,锡膏永久地焊接在元件上,保证了良好的电气连接。锡膏点胶到导电焊盘上(图2)。在SMA应用中,锡膏有好几种点胶方法。丝网印刷是应用锡膏点胶的首选方法。Point点胶灵活性高,用于丝网印刷无法实现的应用。锡膏点胶法包括时间/压力法和螺旋泵法。活塞泵法和喷射法已不适合目前锡膏应用,因为锡膏对分离或堵塞很敏感。


   几乎所有关于锡膏点胶的问题都与点胶头堵塞或材料分离有关。焊料合金和磁通密度及按重量计算的合金比重是决定点胶质量的关键因素。湿润的焊球表面面积应与以体积计算的合金比重成正比。锡膏含金量少85%(40%合金)似乎更适合点胶。

    在选择锡膏时也应考虑合金颗粒大小。筛孔尺寸越精细,锡膏点胶性能越好,尤其在细间距应用中尤为明显。 在超精细间距应用中,筛孔尺寸应为-400 /+500;粗间距应用中,-325 /+500的筛孔就能满足条件。在喷射量较大的应用中,需用大于21量规的点胶针头,-200/+325的筛孔较为适合。锡膏颗粒越小价格越高。


所需筛孔尺寸 颗粒大小 针距 间距
-200/+325 0.043-0.074 21 or less 标准间距
-325/+500 0.036-0.043 23 or less 精细间距
-400/+500 0.036-0.038 25 or less 精细间距 

 表2:适合锡膏的筛孔尺寸


    焊膏储存在3,5,10,或30毫升的注射器中。注射器越小,锡膏分离的可能性越小。锡膏分离往往是由于自动点胶设备高速搅动造成的。更大的注射器将持续更长的时间,从而更暴露导致分离的力量。注射器越大,搅动持续时间越长,就越易引起分离。在特定的应用中,注射器越小,更换越频繁。实际的应用发展是找出注射器大小及锡膏最佳组合的最好方法。

    银胶用于芯片粘贴、取代锡膏及TAB(卷带自动接合)。它主要执行四种功能:它可作为粘合剂,可作为导电层,可匹配板子与芯片间热膨胀率,以及通过良好的银的导热性释放芯片区热量。使用银胶,尽管因搅拌而产生的分离问题仍然存在,但是阀门堵塞情况不再是什么棘手问题,因为它与锡膏同时使用。随着时间的推移,与锡膏相比,银胶粘度变化越来越明显,因此,在其他应用设计中,小注射器与大注射器的选择仍是需要解决的问题。正如预期的那样,与表面贴装粘合剂或锡膏相比,银胶价格更昂贵。


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