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SMT之家论文中心 / 波峰焊接技术 / 电子装配中超声喷雾的出现与成长
电子装配中超声喷雾的出现与成长
2003-12-21    Dr. Harvey L. Berger       点击: 7069
电子装配中超声喷雾的出现与成长

  超声波雾化(ultrasonic atomizing)喷嘴通过超声波能量将液体转化成一种低粘度水滴的精细雾状。这个技术在电子装配工业,特别是在对印刷电路装配、多芯片模块(MCM, multichip module)、分立元件、球栅阵列(BGA)和芯片规模包装(CSP)的液体焊锡助焊剂的应用中,找到广泛的应用。
  低粘性喷雾是这些应用中的关键因素,因为通过空气或氮气,喷雾的形状可根据喷嘴得到小至0.070"和大至18"宽度的形式。由于这种能力,微小数量的助焊剂可以应用到诸如BGA的元件,并且大的印刷电路装配在波峰焊接之前可以覆盖助焊剂。
  因为通过超声波喷嘴产生的速度一般是每秒几英寸,在明确的、慢速移动的空气流中传送喷雾和成型它是简单的。当喷雾指向将要涂盖的目标表面时,液体显现一点从表面反弹的和进入环境中的趋势。
  超声波喷嘴的另一个特性是它能够接纳大范围的流速。超声波雾化不需要压力。液体雾化的速度只决定于其引入喷嘴的速度。喷嘴可设计成处理非常小的传送速度,低至每分钟几毫升,或者相对大的流速,达到每分钟几百毫升。

  助焊剂喷雾
  自从九十年代早期开始,超声波喷嘴已经成功地用于在线的PCB波峰焊接运作的助焊剂喷雾,主要用于诸如免洗、水溶性、无VOC和RA(完全活性化的松香)的焊锡助焊剂。为了用助焊剂覆盖整个板表面,从一个静态喷嘴出来的喷雾在低速的空气中传送,形成一个宽的、狭窄的雾带,当板通过喷雾时在板底面均匀地沉积。同样的技术可用于从顶上往下喷雾。
  助焊剂喷雾超过旧的助焊剂施用方式,如发泡或波峰助焊剂的优点。与旧的方法比较,助焊剂喷雾减少助焊剂的消耗量达70%、消除了助焊剂稀释剂的需要、提供更好的过程控制、和减少缺陷。在过去几年里,工业趋势已经转到助焊剂喷雾。现有许多的设备,使用了或者超声波或者压力式喷雾喷嘴。

  以精确的方式施用助焊剂
  一些超声波喷雾技术的应用要求助焊剂以精确的方式在小的、规定范围内施用助焊剂,而助焊剂超出其所希望的边界。这些应用包括:CSP、MCM、要求选择性焊接的PCB、盘带包装的元件、和异型元件。
  现有能够沉积小量材料的自动分配系统。这些系统使用阀来分配小量非雾化的液体,比如锡膏或CSP的底部充剂和保形涂层。在相同设备上改变,比如用压力雾化,也可用于分配材料。可是,这些雾化系统不能有效出来很少量的沉积物,并且由于相对高的喷雾速度,其可能产生重大的过雾化。
  利用超声波喷嘴的一种技术涉及使用适中压力(大约 1 psi 每平方英寸磅)的压缩空气或氮气,并在从喷嘴雾化表面出来时使喷雾成型。一个扩散室使空气在喷嘴管座周围分散均匀,从室内出来的空气传送喷雾,使它成为聚焦式的方式。

什么是超声波技术?
  在超声波喷嘴的一般构造中,碟形的陶瓷压电换能器将高频的电能从高频放大器转换到相同超声波频率的振动机械能。该换能器是象三明治一样叠放在两个钛圆柱之间,其作用是在雾化表面集中和放大振动幅度。使用钛是因为它强大的听觉声音,和抗腐蚀性。
  液体通过一个与喷嘴一样长的大直径喂给管道送到雾化表面。雾化表面的几何形状可以变化,取决于特定的应用。

  应用
  聚焦式喷雾的第一次工业应用以各种形状施用 0.002"±0.001"厚度和0.100"宽度的助焊剂线,来顺应PCB上导体结构1。一个喷嘴或者空气处理装置安装在一个机械臂上。助焊剂层的厚度是机械臂速度和流速的函数,增加机械臂速度要求增加流速来维持一个特定的厚度。最好的结果是在速度为33 in/min 和流量为0.15 ml/min 时得到的。雾化表面在板上的最佳高度是大约 0.4"。
  在这个应用中,经过涂镀的典型的PCB要求以0.15ml/min的流量施用0.5ml的助焊剂,这相对于大约180"的总的线性长度。在该速率下,一加仑的助焊剂可涂盖7000块板,每块板涂一遍。
  该应用建议机械臂运动的方式对获得好结果是重要的。一个恒定速度可产生最好的结果。最困难的控制操纵是角的成型,而不在角上的顶尖上建立过多的助焊剂。通过编成机械手保持转角时的速度,可以在整个转角过程中产生尖锐的、成型良好的和均匀的涂层。

  BGA、倒装芯片、CSP
  已经有许多的包装方法,目的是要减少半导体元件所占用的“地产”。已经开发出许多技术来减少单个包装的尺寸和把未包装的芯片植入较大的电路模块。
  有许多这类方法要求在工艺过程中在一些点的位置沉积液体助焊剂。例子包括芯片上附着锡球、为绑接芯片准备载体和把BGA包装直接附着到电路板。
  聚焦式喷雾技术已经成功用于这些方面。在一个现在的应用中,必须在贴装BGA芯片之前将助焊剂施用到PCB上尺寸为 0.25"x0.25"的小矩形区域。助焊剂不能沉积在超出每个矩形的四周,在表面上沉积物必须均匀。在这个应用中,喷雾装置可以安装在机械手传输系统上,该系统将头移动到每个矩形内所希望喷雾的位置,达到均匀的涂层,而没有过多喷雾。
  另一个由一家半导体制造商成功地实施的应用涉及将助焊剂沉积于MCM的附着球上。这些球沿元件周边附近的两个对称矩形分布。还有,该喷雾装置可安装在一个传输系统上,随着它跟踪矩形的图案将液体的助焊剂分配到球上。

  盘带包装、分立元件,其它应用
  聚焦式喷雾技术已经成功地使用于将助焊剂施用到包装在盘带包装(tape-and-reel)的元件。通常,喷雾装置是静止的,带在喷雾之下或之上移动。与该应用相关的流速通常相当地低 - 每分钟几毫升。
  在其它应用中,特殊类型的分立元件当选择性地将完成的元件焊接到PCB上时要求特别处理。当助焊剂必须施用到元件的特定部位时,它们也可能在元件制造期间要求特别处理。
  特殊的上助焊剂应用有很多。一个例子是在制造保险丝元件,其中熔断元素的一个金属表面必须涂有助焊剂。三个这些元素可以放在一个载体上,以每秒几英尺的速度传送通过喷雾区域。聚焦喷雾装置可从上面安装,垂直于载体的运动方向。覆盖的宽度将按照制造的保险丝特殊类型而变化,但通常将在 0.3"~0.8" 的范围。

  结论
  超声波喷嘴喷雾技术已经在电子装配中找到许多应用,对各种类型的基板施用数量受控的焊锡助焊剂,诸如PCB装配、CSP和分立元件。
  该技术独特的性能包括:柔性喷雾、精确控制喷雾形状的能力、沉积大量和少量材料的能力、和避免过程喷雾与喷嘴堵塞。这些特性在为所描述的各种应用产生可变化的喷雾工艺是非常重要的因素。

    Reference
  1. Berger, H. (1990). Precision fluxing of SMTs using ultrasonic nozzles. 1990 Expo SMT/HiDEP Conference.

  Harvey L. Berger is cofounder and president of Sono-Tek Corp., Milton, NY; (914) 795-2020.

责任编辑: skylee
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