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流体点胶技术分类及发展趋势

摘要:本文详细对当前电子封装中各种流体点胶技术进行了对比研究,对于流体点胶技术分类及发展趋势指出了各自的优缺点从而对未来流体点胶技术的发展趋势做出阐述。

关键字电子封装、点胶方式、发展

1.点胶技术的发展背景:

1974 年世界上**只晶体管出现以来,各种微电子封装技术极大地影响并推动着以电子计算机为核心、集成电路(Integrated Circuit,IC)产业为基础的现代信息产业的发展,使 IC产业及封装产业已成为衡量综合国力的重要标志之一。现代微电子封装技术已形成与 IC 产业相适应的高新技术产业,并且随着 IC 产业的发展而不断前进。微电子封装业中,以表面贴装技术(Surface Mount TechnologySMT)新一代电子封装技术得到广泛应用。SMT中通常需要点胶来固定元件,对元件进行密封等,所以随着SMT的发展对点胶的技术要求也越来越苛刻

2.点胶技术的作用及其应用形式:

PCB板上的元件从开始到*后进行波峰焊焊接,历时较长,而且其他工艺较多,元件的固定尤为重要。PCB 板上广泛使用胶体进行元件固定、引线搭接、保形涂料以及元件密封,主要作用如下:

1)在制造过程起辅助作用,如在元件完全焊接前临时固定元件;

2)在产品服务期限内,能减轻焊接部位的应力以防止电子连接的过早损坏;

3)防止元件连接受环境振动的影响而引线位置移动,起结构上的粘结作用;

4)防止元件受到环境的损坏和腐蚀。

微电子封装工业中包含多种流体点胶技术,一般用来完成点、线、面(涂敷)以及简单图案的点胶点胶技术主要用在芯片固定、倒扣封装、表面涂层等。

3.点胶技术的定义及分类:

点胶技术是一种通过可控的方式,将注射器中的胶体输送到基板的指定位置,以实现元器件之间的机械或电气的连接。

随着SMT不断变革,点胶技术也不断的发生变化,适应的环境越来越广,采用的胶体种类、粘度范围也越来越多。根据点胶技术的特征可分成:大量式点胶(MassDispensing)接触式点胶(Contact Dispensing)非接触式点(Non-Contact Dispensing),每类又有衍生出几种方式,具体如下:

3.1大量式点胶

这种方法针对不同胶点的引脚或者在模板上开启的导孔,一次能完成整块PCB的点胶,有针脚点胶(Pin-Transfer)丝印点胶(Screen-Printing)。它有一个明显的优势是速度*快,主要用于 PCB 板等大规模生产线上,但通常只对 PCB 裸板使用;辅助装置较多,清洁和保存繁杂;胶体露于大气中易受污染;点胶精度不高。

3.2接触式点胶

接触式点胶过程是靠末端装有针管的 Z 轴向下运动靠近 PCB 板,使粘结剂与PCB板接触,然后Z轴向上运动,胶体靠与基板间的接触表面张力和针尖自然断开或拉断,也有称其为针头式点胶,如图1所示。在这种点胶方式中,除胶体本身的特性会影响其一致性或可重复性外,针尖与PCB间的距离以及针头直径也是影响一致性的重要因素。对于高粘度的胶体,接触式点胶中针尖胶体易残留,即拖尾效应明显,严重影响点胶一致性,尤其对于微量高速点胶影响明显,这是一个至今悬而未决的问题。

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接触式点胶中,针对不同应用场合选择合适的点胶设备是提高效率的关键,点胶设备因作用胶体的压力方式不同,常分为:

a)时间/压力式          b)螺杆式            c)活塞式

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3.2.1时间/压力式点胶

以高压气体为动力,驱动针筒内的胶体通过针尖流出至 PCB ,如图2.a一个典型的时间/压力式点胶系统主要由几部分组成:气压稳定装置、控制装置、连接气管、控制器以及装满胶体的针筒。该点胶技术适用于中等粘度的胶体,胶点的大小取决于气体压力和作用时间。这种设备价格便宜、操作简单,维护方便,但对胶体粘度敏感,气压反复压缩释放过程中易使胶体温度升高影响胶体流变特性,点胶速度难以提高,针筒内胶体余量变化及针管尺寸都会影响点胶体积。

3.2.2螺杆式点胶

采用恒定的气压使胶体流入螺纹空隙,通过旋转的螺纹作用挤出胶体,胶点的大小取决于螺纹旋转速度和时间,如图2.b。一个典型的螺杆式点胶系统主要由几部分组成:气压稳定装置、驱动电机、物料桶、螺杆以及针头。这种点胶方式点胶过程控制简单,适用的胶体较广;可以软件编程决定点胶量,控制灵活,且**度比时间/压力式高,有较高的一致性;但是它对胶体粘度同样比较敏感,螺纹反复旋转会降低粘度。点胶体积的一致性受到液面高度、气压、胶体粘度、温度等因素的影响。

3.2.3活塞式点胶

活塞式点胶是一种正向位移的点胶方式,采用恒压使胶体流入针尖内,通过活塞冲击挤压针管内胶体使其流出,特别适合中等到高粘度的流体,如图2.c点胶体积受活塞位移的控制,对胶体粘度、温度和压力不敏感,在高速时有很好的一致性,可重复性高,特别适合小体积的点胶。但这种方式清洗过程复杂,对针管容腔内气体敏感,密封要求高。

3.3非接触式点胶

接触式点胶不同,非接触式点胶不需要 Z 轴方向的运动,极大地减少了点胶周期,且不需考虑针尖和 PCB 板之间的距离对点胶质量的影响,一致性也有所提高。常用的点胶方式有:

3.3.1流体喷射点胶

是一种刚刚兴起的点胶技术,它的工作原理和喷墨打印机类似。其基本原理是向胶水上施加一个波动的压力,在压力作用下胶水通过一个小孔后会自动分离,这样就在基板上留下了一个胶点。致动器一般由压电晶体来实现,并配有专用的温度控制装置。

喷射式点胶Jet Dispensing)如图3.a,胶体被注射器内的恒压挤到喷嘴和活塞之间的空腔内,通过马达快速驱动活塞(球状或柱状)上下往复运动喷射出胶体,可以实现高速点胶。但机械结构复杂,清洁麻烦;成本很高,不方便维护;同样还受到流体粘度变化影响。

3.3.2压电式点胶Piezoelectric Dispensing

压电式点胶如图3.b,压电陶瓷是具有双向作用的介质,可以实现电-力相互转化。在压电陶瓷上通以高频率交流电,产生的作用力可以使压电陶瓷做同频震动。在点胶过程中,胶体被注射器内的恒压挤到喷嘴和压电陶瓷之间的空腔内,压电陶瓷沿喷嘴轴向震动,挤出胶体。

非接触式点胶过程中,喷嘴不与工作面接触,喷嘴尺寸一定的情况下,可以通过在同一位置连续喷射多点叠加来达到调节胶点尺寸的目的。影响非接触式点胶质量的主要因素有:喷嘴内径、活塞的直径和行程、胶体温度等。

 

 

 

 

a)喷嘴放大图           b)喷射式           c)压电式

 

 

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4.点胶技术的发展趋势:

尽管上述方法均可以点胶各种胶体,但每一种都有其适用的胶体和特定的场合以及各自的应用特点。其中,超过 70%的点胶系统是使用针头点胶方式,但熟悉液态点胶过程的技术人员知道,如果采用针头式点胶技术,点胶针头必须距离器件很近。对于需要进行底部填充的器件,点胶针头需要降低至器件顶部以下,针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近,且不会引起接触和器件损坏。同时,针头式点胶需要高**的传感器系统以决定针头相对于电路板各个器件的高度,通过编程控制针头在电路板上的三维运动,避免与器件产生碰撞。随着电子封装技术的发展,对点胶技术也提出了更高的要求,这就不仅激发电子产品制造商对现行的点胶技术更深入的研究,以提高点胶效果,而且也触发他们研究新的点胶技术

*新的喷射式点胶技术采用喷嘴替代针头,解决了上述难题。喷嘴可在需要进行底部填充的器件上方进行点胶,无需到达其顶面以下的位置。喷嘴在整个电路板上方沿xy方向运动,而无需垂直运动。

针头式点胶技术不同,喷射式点胶并不是形成连续的胶液流体,而代之以每秒钟喷射200点以上经过**测量的胶点。随着喷嘴的水平移动,胶点可形成各种需要的线型与图案,如实线、虚线等以及其他各种不同的图案。每次喷射都经**控制,一次喷射所形成的胶点直径*小可达0.33mm,这对于涂敷贴片胶等需要对面积进地**控制的场合非常重要。

喷嘴并不像点胶针头那样对点胶高度要求严格。根据胶液类型的不同,喷嘴可置于电路板上0.5mm3mm的高度范围内,但在水平方向上,则必须对喷嘴进行**定位。对于电容、电阻非常接近需进行底部填充的器件时,为避免胶液沾染无源器件,也可采用喷射点胶技术。

这些特点使喷射点胶技术更具灵活性、生产效率显著提高,因此在大多数的电子封装和电路板的组装中,与针头式点胶技术相比,喷射式点胶已经成为优选的点胶方法。利用喷射点胶技术,设计者可以修改设计规则,把设备设计得更小、成本更低、功能更强。

5.结束语喷射点胶技术在电子封装领域中正在成为一种点胶的标准,它还在继续发展。每天都不断有新的胶水在通过测试和认证。速度、精度和胶点体积控制都在改进。提高操作的简易性,同时降低成本是一直追求的目标。对于焊膏、高黏度热敏材料之类具有磨损性及难以点胶的材料,也在尝试使用喷射点胶技术,它将变得更加实用。随着喷射点胶技术的能力越来越为人所认识,设计师们可以结合各。种标准来充分利用该技术的优势,为用户带来更低的成本,更高的成品率和产出率,以及更好的质量。

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