喷射式涂敷技术在高密度线路板组装中的应用

随着线路板上元器件封装尺寸不断缩小以及密度不断升高,电子组装对助焊剂涂敷精度和可靠性方面的要求也在不断提高。本文介绍一种喷射式涂敷技术,它具有极佳的边界涂敷形状,并可改进助焊剂涂敷的厚度控制情况。

William E. Donges

Nordson Electronics Systems

bdonges@.

Kevin J. Fox

Nordson Electronics Systems

在电子组装生产中,无论是焊接球栅格阵列(BGA)、板上倒装片(FCOB)、带封装倒装片(FCIP)、多芯片模块(MCM)还是直接芯片贴装(DCA)封装形式的器件,助焊剂都具有不可替代的作用。随着这些封装尺寸不断缩小以及密度不断升高,对助焊剂的涂敷精度和可靠性要求也在不断提高。

目前有多种助焊剂选择性涂敷方式可供制造商们挑选,如人工及自动刷涂、针式点涂、针式转移、浸涂、丝网印刷、模板印刷以及超声涂敷等,这些工艺很多都可用于选择性涂敷。但这些方法在多数情况下助焊剂要与基板表面直接接触,有时还要暴露在空气中,而另一些方式则受速度的限制,并且需要用涂敷掩膜。因此,这些工艺几乎都不能克服助焊剂涂敷所面临的各种困难,如:

?只在所需区域涂敷,同时与贴片机保持相同的生产进度

?在要求的区域内涂敷均匀

?涂敷稳定、涂层薄,且具有足够的助焊性能

?助焊剂用量与残留物都很少

?所要求区域以外及基准对位点上不能有助焊剂

?芯片周围的无源元件不会发生污损及墓碑现象。

为取代传统的助焊剂涂敷技术,如今出现了一种喷射式涂敷,它可以形成超薄的涂层及高清晰涂敷边界,精确控制助焊剂的涂敷量,从而解决许多助焊剂涂敷方面的问题。涂层薄可避免助焊剂残留物过多,提高连接的可靠性,另外采用喷射方式使得助焊剂涂敷时无须作Z方向运动,因此可用于高速度、大批量生产场合。

影响助焊剂选择性涂敷的因素有很多,我们先给出一些关键变量的定义,然后对工艺参数进行解释,介绍几种喷射方式,最后对试验结果进行分析。

工艺参数

助焊剂作选择性涂敷时,有三组基本参数会影响工艺过程与最终结果:

涂敷结果=基板参数+材料参数+涂敷参数

基板参数:基板参数直接影响液体材料在其表面上的流动性。镀金触点的周围可能80%是裸露的FR-4基板,其余部分是阻焊层,各种表面的表面张力不同,从而导致不同的流动特性。除表面张力外,影响流动性的其它参数包括板面平整度、通孔的数量以及表面清洁度等。

材料参数:材料参数决定了助焊剂的特性,材料的流变性由溶剂、稀释成分、表面活性剂及活性成份等一起决定。

涂敷参数:这部分参数直接影响涂敷的最终结果,它们一直由系统控制器内涂敷头上的调节器进行控制。影响工艺效果最主要的涂敷参数包括压力、阀门微调情况和喷嘴尺寸。

压力:涂敷器采用压力推进系统实现材料的供给,压力的大小决定了每次材料喷出的数量,同时喷头还要有足够的压力以形成适当的流量。

阀门微调:所谓微调就是指阀门的开启量,阀门开口大小与从喷孔喷出的材料数量成正比。

喷嘴尺寸:喷嘴是喷射过程的最后一段,喷嘴有两种不同的设计,直接影响着材料的涂敷量与涂敷形状。喷嘴的口一般呈圆柱形,开口尺寸应根据助焊剂粘度不同而进行更换以控制涂敷的数量。

喷涂工艺

对线路板组装而言,目前很多种助焊剂都可以满足各种涂敷方式以及对粘度的不同要求。如针式点涂工艺要用非常稀(即粘度很低)的助焊剂,而丝网印刷则要用膏状助焊剂,因此可以使用的助焊剂粘度范围非常宽,从很低(含80%～97%异丙醇)的液状助焊剂到粘度超过200kcps的膏状助焊剂。正是由于助焊剂粘度各不相同,再加上产量的要求,所以单纯一种喷涂方式是无法适用于所有场合的。

目前应用范围最广的是点式喷射,但点喷工艺通常受到基板参数和产量的制约。经验表明,基板的表面张力对于其上所涂敷的助焊剂流动性有很大影响,要想使某种液体在基板表面流动,则基板的表面张力必须低于该液体的表面张力,这也说明表面张力高的基板具有防止助焊剂液滴流动的特性。反过来它又会影响产量,因为不会流动的助焊剂液点基板覆盖面较小。

为克服这些缺陷,可以在助焊剂从喷嘴喷出后紧跟着向它喷一束气流(图1)。一般同轴式点喷或线喷采用锥状气流以帮助助焊剂的扩散,从而从根本上消除基板特性对助焊剂涂敷的影响。点喷是一个断续式过程,它可以确保助焊剂覆盖更大的面积并同时提高产量；线喷则是以恒定的速率进行涂敷,能提高生产速度,进一步提高产量(图2)。

点喷与同轴式点喷

在标准点喷过程中,喷头首先沿X方向或Y方向运动,到达喷射位置后即进行喷射。助焊剂从喷嘴中喷出,在基板表面形成一个圆点,如此在每一需要位置重复该过程,以一定的顺序和位置完成喷涂后就会在基板形成一定的形状。基板上助焊剂液点之间的空隙主要取决于两个因素??助焊剂的润湿性和基板的表面张力。

同轴式点喷用于基板表面张力很大或具有其它不规则特性的场合。这种方法是当助焊剂到达基板表面后立即再向它喷出一束气流,以促进助焊剂的流动与扩散,这样无需再对基板的表面进行预处理。

点喷低粘度材料可以用不同的喷射器对涂敷过程进行严格控制。由于低粘度材料受基板表面润湿性的限制较小,所以涂敷结果主要受基板表面其它特性如平整度的影响。

中等粘度材料的涂敷通常会比较厚,其润湿性受基板表面特性的影响较大。

高粘度材料涂敷到基板表面后一般不会流动,这类材料通常用于需要不同涂敷厚度的场合,以保证元件与基板间形成良好的金属结合。为满足这些不同的要求,可以在同一位置进行多次涂敷,以形成较厚的涂层。

在各种基板上涂敷低粘度助焊剂得到的结果基本相同,主要是因为助焊剂中溶剂的润湿特性。而对于中等粘度和高粘度材料而言,结果则表现出明显的差异。

同轴式线喷

在要求速度高厚度薄的场合,可以在涂敷助焊剂的后面施加一股锥形气流。这种方法可使助焊剂材料形成非常小的颗粒,以极薄的厚度扩散开来,同时因扩散交迭情况不同还可形成不同的喷涂形状。

喷涂系统的组成

喷射装置含有符合SMEMA规范的宽度可调传送带、三轴运动控制系统、供料系统、压力调节装置、计算机、显示器及控制软件,另外系统还有高度传感器、定位校正摄像机、喷嘴定位装置、温度控制装置以及真空清洗装置等。

喷射器是一个电动或气动控制的螺旋管,助焊剂在里面处于完全密封的状态,保证在整个过程中压力稳定。这种方法能够对低粘度材料如助焊剂进行高速非接触式喷涂,喷射出的形状清晰,无拖痕。

上述所有部件必须组合在一起并能够进行控制,控制部分则将所有系统功能集成到一个用户界面内。这个界面实际上是一个WindowsNT应用程序,可以利用计算机在上面进行设置、编程和正常运行控制。材料输送系统是一个典型的边缘式传送装置,它也符合SMEMA协议。

涂敷系统产量随涂敷面积、喷射方式及每次需涂敷的数量而变化,喷射式涂敷的速度目前已达到3,000件/小时以上。

助焊剂配置可按生产所需数量进行调整,贮存容器的大小从10cc至20cc不等。供料系统采用密封式设计,可以防止溶剂挥发并避免外界杂质混入。

本文结论

?助焊剂选择性涂敷有三种方式:点喷、同轴式点喷和同轴式线喷。三种方式对低中粘度助焊剂涂敷均能达到很好的效果,而膏状助焊剂则只能采用点喷方式。

?喷涂方式应由助焊剂类型、涂敷面积、选择要求以及生产速度等决定。

?助焊剂本身与基板表面特性是影响涂敷效果的两个主要因素。基板的表面张力及平整度对助焊剂流动性能的影响比点涂过程本身的影响要大,使用低粘度助焊剂时尤其如此。

?助焊剂装在密封的容器中并施加有一定的压力,然后再送入喷射装置,这样可以避免因暴露在空气中而造成助焊剂溶剂挥发及外界杂质的混入。

?在整个涂敷过程中备用助焊剂无需作Z向运动。

有多种喷涂方式可用于助焊剂选择性涂敷。尽管点喷在很多场合都可以应用,但经常要受基板参数的影响。为克服这些缺陷,可以在助焊剂离开喷嘴后立刻施加一束气流,这种同轴气流能消除基板表面张力的影响,保证较大的涂敷面积并提高产量。此外,同轴点喷与线喷涂敷的边缘比较清晰而且涂层很薄,可以减少甚至无需焊后的清洗。上述这些喷射工艺完全可以融入到整个生产系统中,满足工业生产对助焊剂涂敷的要求。

[High-Density Interconnect]

参考文献:1．Johnson, Curtus 1993. Process Control Instrumentation Technology, New Jersey: Prentice Hall.2．Lewis, Richard J. 1993. Hawley's Condensed Chemical Dictionary, New York: VanNostrand Reinhold Company.3．Munson, Bruce R., Okiishi, Theodore H., and Young, Donald F. 1994. Fundamentals of Fluid Mechanics, New York: John Wiley & Sons Inc.4．Smith, James A. and Whitehall, Frank B. 1996. Optimizing Quality in Electronics Assembly, A Heretical Approach, New York: McGraw-Hill.