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SMT之家论文中心 / 表面贴装工艺 / 胶类工艺 / 胶剂/环氧树脂与分配
胶剂/环氧树脂与分配
2003-12-21    克里斯琴.Q.讷斯和阿伦.R.路易斯(美)       点击: 6608
胶剂/环氧树脂与分配
胶剂的主要目的是在波峰焊接期间把元件保持在PCB上。元件尺寸范围可以从1005(0402)的电阻器和电容器,到更大的IC元件(图1)。因此,成功的分配标准是直接了当的:元件不会在焊接期间掉下来(典型的由于不够胶剂),并且在贴片时胶剂散布在元件焊盘上不会产生导电连接。

胶剂

良好的胶剂特征包括:绿色强度和固化强度,一致性和高的胶点轮廓;液体胶还要保持工艺过程在允许公差限度内。对于1608(0603)元件情况,IPC表面贴片设计标准规定焊盘之间的距离为0.025”(0.635mm)。使用名义机器精度0.003”(0.08mm)和胶剂方向精度0.005”(0.127mm),实际的胶剂分配区域/应用目标宽度降低为0.016”(0.41mm),以防止材料重叠到导电区域。由于对胶点有某个高度的要求,以便元件的底部可以一个合理的表面区域来附着,因此,最小的、一致的胶点直径必须大约为0.020”(0.5mm)。在实际中,这个问题经常被松散实施的焊盘间距标准和实际大于规定的间距所避免。尽管更高的胶点轮廓将是这个问题的一个部分的解决方案,然而必需的胶量意味着胶点“压扁”问题有实际的限制。 新式的喷射分配系统可提供更高的胶点轮廓。

对胶剂接触的“合理”表面面积的要求,是为了给予所要求的阻力,来对付在制造期间10~20N的剪切负载。因此胶剂的固化强度一定要足够承受在波峰焊接以前处理期间板的加速度。胶剂还必须保持在波峰焊接过程中间元件的附着,有时假定一个取决于过程的固化强度因素。

人们可以看见,胶剂液体的设计要求是各式各样的,制造商进行了许多测试,来决定众多的胶剂在市场上的适用性。测试揭示了许多珍贵的信息,但是胶剂的实际应用才是决定对所希望应用的适应性的最肯定的方法。这表示,胶剂供应商和制造商之间,为了给各种各样的机器和机器应用提供合格的胶液而进行密切合作。

分配方法

下列应用方法有优点也有缺点,在准备应用过程中,必须给予考虑:

针头转移是把胶剂施加到PCB的最快的方法之一。在这个技术中,一个带有与电路布线相匹配的一系列针头的板,在胶剂托盘中浸蘸,胶剂以可预计的数量湿润和附着在针头上。针头然后接触电路板层,胶剂转移到板上。

针头转移有若干缺点。如果电路改变,工具必须重做。这可能是相对昂贵的,但是通常适合于较长期的生产运行。在开放的托盘内,胶剂暴露可能导致吸收潮湿或增長固化時間,因此必需更小心地处理胶剂。最后,把胶剂用于比3216(1206)小的元件焊盘,针头转移方法是困难的。

丝印也是一个快的方法。一塊開有正确施膠絲孔的模板放于板的表面附近。然后经由刮板刮過,膠剂被擠壓通過絲孔。最近,为人們所了解的用于厚度變化的材料印刷技術允许使用同一塊模板,得到不同大小的膠点。

正如针头转移法,丝印方法要求在电路板变化时重做模板,尽管在这种情况中,价格较为便宜,并且供应商容易找得到。和针头转移法一样,在生产期间胶剂的暴露可以导致处理上问题。

时间/压力 点滴是分配胶剂的原始方法,并且仍然是一个现有应用的、具有生存力的方法。

在操作中,注射器中的材料受压,用一个针嘴阀门来控制,分配所需要数量的胶剂。

这个方法简单并且可靠,但它赶不上速度的要求。象40,000dph的高速率可以通过注射器中的脉冲气体来达到,以维持步伐。速度越高,一般会造成越不连续的胶点。随着胶剂的水平在注射器中降低,气体的体积变得越大,压力时间的变化造成胶点的不连续。控制系统可以补偿这个液体水平的变化,但对黏度的变化敏感。 时间/压力方法为1608(0603)元件滴出一致的胶点是有困难的,但是仍然是一种以简单和时间效率为特征的证明很好的方法。只要丢弃注射器和清洗或换掉滴嘴。和其它所有分配方法一样,它有适应应用变化的灵活性优势,即,通常的解决方案是相对简单重新输入到自动化控制平台软件。

螺旋泵分配使用一个泵,在其体内有一个旋转的螺杆对胶剂的路径增加能量。通过螺杆电动机的通断,胶剂以一定的数量泵出。螺旋泵按牛顿原理工作,一旦泵内的液体接触到板上,将维持好的,一致的流动。螺杆对材料也有剪切作用,通过均匀排出残留空气和降低黏度,这种剪切作用可能有助于胶的分配。

螺旋泵可适用于大范围的胶剂,胶点分配速度的限定因素实际上是自动机器的三维控制。其分配胶点的范围大约和时间/压力方法一样,但更一致性,对黏度变化的敏感性大约是时间/压力分配方法的一半。泵的流动率也取决于针头大小的选择:更小的计量针头将产生更大的背压,这可能因粘性随着时间的增加而导致问题。最后,螺旋泵可以达到2%的精确性,但是典型地,在生产中达到20%的体积精度。

活塞泵是一种真正的、施胶应用中的绝对位移方法,在一个密封的容室中活塞的运动置换了精确的相应体积的液体。在液体中粘性变化对流动率没有影响。针头大小同样地不改变在合适操作以内的活塞泵的速率(尽管由活塞的“无情”的本性所产生的压力,如果内部的压力超过指定操作水平,可能引起另外的问题)。

活塞泵可以提供线性的位移变量,或可能设计成固定的位移产出指定的胶点大小。象螺旋泵一样,由于机器控制的3-D运动,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降级,但是后者在高得多的流动速率上保持一致性,对一个更大范围的胶点大小将维持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复杂清洗的方法,要求每周或双周安排清洗。活塞泵的设计开发也许可以减少这复杂性。

喷射分配是施胶的一个新方法;它使用一个弹簧加力的针或“锤”以快速轮转的方式迫使材料通过针嘴。它类似于定量活塞泵用高速来喷射材料。空气压力将针提起到液体容器上面,当气压移开时,弹簧将针往下驱动,迫使胶剂通过针嘴。

胶点的路径是一条在滴嘴和板上目标点之间的弹道。这是和其它分配方法的对比,液体的实际转移是在居留期间发生的,期间液体接触到板并且在表面上建立湿润的效果。由于喷射,液体保持在位置上,当滴胶头移开时分断。

因为喷射不必有Z轴的移动来使液体接触到板上,它可在分配的两维方向受到控制。

这提供了在时间上的重大节省,并且,以同样的或更好的一致性,在速度上比螺旋泵和活塞泵方法超出10~50%。喷射泵可以在胶点分配时和螺旋泵相比,在一个班次的生产中,有两倍的连续一致性;并且,产生更高的胶点轮廓。这对特别对小型元件是个优势。

在每小时点数增加的主要限制是喷射泵只能相应其刻度设定分配一种胶点尺寸。结果,喷射泵的设定必须对应于板上最小的胶点大小,较大的胶点是由最小点的数倍组成。(双头喷射泵的开发可使这个问题得到减轻)。喷射泵的另外缺点是需要一周或双周的拆卸或清洗。然而,自动清洗系统能减少清洗的时间和复杂性。 可能的应用程序问题

在胶剂分配中,问题可能发生,不一定是胶剂、分配方法或控制应用程序的设备的缺陷;问题可能是由于这些方面的一个或多个的不适当的设定或来自培训和操作问题联合产生。一些典型的问题包括:

胶剂拖尾。当滴胶针嘴移开,在胶点的顶部产生细线或“尾巴”。尾巴可能塌落,并且引起导电焊盘上的问题,或者造成元件胶量过多,当压平时,导致与电气连接的干涉。控制拖尾的最好方法是通过在滴胶针头上的加热(或在液体的路径靠近滴胶点附近的某个另外的点),这通常会允许胶剂断开的改进。这个问题也可能源自一个液体的不相容性。然而,这些困难通常对应用系统的某个部件作机械调整即可得到解决。 卫星点是在高速分配时发生的小的无关的点。在接触分配中,问题通常是拖尾和针嘴断开的结果。在非接触喷射中,通常是不正确的分配高度的结果。分配高度是一个关键的过程参数并且能有助于接触式分配方法中拖尾的解决。自动滴胶设备的工装夹具和软件控制在决定高度传感精度中是重要的。

高度传感器系统本身是关键的设计考虑因素。尽管高度对喷射式分配的胶点质量是重要的,但实际的分配高度的允许误差和其它的应用方法相比,重要性要小得多。固定嘴到板高度的胶泵可以更快,但是付出高接触力代价。 “爆米花”是当空气或潮湿进入胶剂内,并且在固化期间突然爆出的结果。这通常是不适当处理液体或使用过时的液体的结果。

墓碑”的发生是在固化期间由于锡膏内不平衡的力量元件在一端或一侧立起。由于不准确的分配或一个糟糕设计的工艺过程,问题很可能发生。它也可能由于处理不当的或过时的液体。

工艺自动化

分配方法和胶剂必须适当控制,以达到有效的工艺过程。为保证最好的控制,有很多考虑因素:

现有的自动化机器使用一个视觉系统,用于胶剂以及元件贴放的精确对中。整个板的以及各个密脚元件的基准点的数量和工艺流程的产量之间应该找到平衡。CAD数据经常用来开发机板数据和生产布线图照片。
CAD数据的直接传送到自动过程控制的软件中,允许流畅的生产准备,减少装配系统的编程时间。CAD输入系统可以用基准点和机板的座标原点的控制来找到实际的胶点位置。机板有时在印制时并不精确,这样即使是完美的对准,目标也不能找中。因此有必要通过人工的对过程控制软件的改变来调节CAD位置。
板的处理是重要的设计考虑。板的形状、大小和传送系统应该是兼容的。如果一块板或板的系列可以组合成为组合板,则其处理会更为有效。
锡膏和含银树脂的分配

锡膏回流后,永久地固定元件,并保证良好的电气连接。锡膏的应用包括了一些来自于胶剂的独特考虑,虽然这是一个相关的过程。例如,焊膏可以使用描述胶剂的几个方法来分配。模板印刷是首选的,但是点滴分配提供灵活性,并且当模板印刷不切实际时可以使用。锡膏的分配方法也包括时间/压力方法和螺旋泵方法。(活塞泵和喷射法现时不合适锡膏应用,因为材料对分离或堵塞的敏感性。)

几乎所有与锡膏分配有关的问题都和分配设备的堵塞与材料分离有联系。锡合金和助焊剂密度与占重量百分比的合金决定可分配性的一个主要的因素:按体积的百分比合金。锡球湿润表面区域和按体积的百分比合金成比例的,如果太高,锡膏容干燥,可能堵塞阀或针嘴。相反,太湿的锡膏可能在分配后塌落,并且导致锡桥和分配针嘴的渗漏。

模板印刷使用的锡膏用于时间/压力或螺旋泵分配显然太干燥。少于85%金属的锡膏(体积上40%的合金)好象对分配是理想的。类似地,合金颗粒大小是锡膏选择中的考虑因素。细目的锡膏有较好的分配特征,特别是用于密脚应用。对超密脚,要求-400/+500的网目;对较大的脚间距,-325/+500网目是足够的。对于使用21口径或更大的分配针嘴的较大胶点的应用,-200/ +325是合适的。

用于分配的锡膏包装在3、5、10和30cc的注射器中。更小的注射器减少锡膏分离的机会,这种分离经常是由于自动液体分配设备的高加速度引起的搅拌所引起的。较大的注射器将持续时间更长,这样更暴露于引起分离的力量中。更小的注射器必须较经常地更换。应用发展是发现最好的注射器大小和锡膏成份的最肯定的方法。

含银环氧树脂用于裸芯附着、锡膏代替和带式自动绑接应用。它完成四个主要功能:起胶剂作用、作为板与芯片之间的电气传导层和热扩张率的匹配、以及通过其良好的热交换性能从芯片区域传导热量。含银环氧树脂也可用来代替贴装元件使用的锡膏,主要是出于锡膏中含铅对环境考虑。应用方法具有相同的优势,尽管在材料中的空气是一个更大的问题。 使用含银环氧树脂的阀的堵塞问题和锡膏相比要少些担心,尽管由于液体搅拌而出现的分离问题还存在。在另一方面,和锡膏相比,含银环氧树脂的粘性随着时间会有更显著变化。

因此,小的或是大的注射器仍然是需要其它应用设计考虑来解决的一个问题。最后,由于可能为人们所期待,含银环氧树脂趋于比胶剂和锡膏更昂贵。

CHRISTIAN Q. NESS and ALAN R. LEWIS can be contacted at Asymtek, 2762 Loker Ave. W., Carlsbad, Calif. 92008-6603; (800) 279-6853; Internet: http://www.asymtek.com/; E-mail: or cness@asymtek.com.

责任编辑: skylee
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