随着元器件越来越小以及愈加复杂,能否准确地在线路板指定位置上进行胶水或焊膏微量涂敷已成为许多工艺对设备的一项重要要求。
- 涂敷基本原理
- 胶水与焊膏
- 涂敷的优点
- 涂敷还是印刷？
- 使用何种涂敷系统？
Remy Lim
Camalot产品业务经理
Craig Lazinsky
业务联系经理
Speedline Technologies
由于涂敷工艺有许多优点,因此正在被越来越多生产厂商所采纳,然而各种各样的涂敷技术也使许多用户在选择时无所适从。
涂敷的主要目的是将胶水或焊膏精确地涂布于PCB上,前者(点胶工艺)早已应用于传统的通孔双面板组装中以将元件粘附在相应的位置上,而后者(点膏工艺)也随着生产技术的发展迅速普及。
半导体封装工业中先进封装的迅猛发展也在推动涂敷技术的推广,涂敷工艺在先进封装中可用于倒装芯片(以及最近的CSP)底部填充和BGA与芯片封装的密封。
作为生产商也许仍然对如何利用点胶或点膏的优点不很清楚,此外如果真的决定了选择涂敷工艺,令人眼花缭乱的设备及选项也让人望而却步。
涂敷基本原理
涂敷可以简单地定义为通过压力的作用使液体发生移位。在电子装配工艺中,最基本方法是直接采用压缩空气或者机械方式如旋转螺旋泵或活塞泵来实现。
长期以来,气压泵一直被认为是最直接的涂敷方式,它根据时间-压力原理利用压缩机产生受控脉冲气流进行工作。它有一个注射器,在末端装有一针头,工作时气流脉冲作用时间越长,从针头推出的涂敷材料数量就越多。
其它涂敷技术则利用某种机械装置来实现液体涂敷,如Speedline公司的Camalot涂敷机采用一种旋转螺旋泵,该泵用到的阿基米德螺旋原理实际上在古代灌溉系统中就已经在用了。
这项技术依靠一个精密设计的导引螺杆和圆筒结构,在它里面装有固定数量的涂敷材料,这些材料填满了螺纹凹槽,其涂敷量与导引螺杆转动量成正比。螺杆的转动由一个电机驱动电磁离合系统进行精确控制,电机以恒定速度转动,通过离合器的咬合与释放来推动螺杆。根据螺旋泵转动时间、针管直径和导引螺杆的沟槽深度不同可得到各种涂敷尺寸。
两者之间最主要的区别是采用何种技术进行涂敷。由于阿基米德螺旋原理方法在涂敷过程中是在注射器内部对涂敷材料进行操作,因此可以避免采用气压泵时会产生的两个主要问题:第一,涂敷材料在升温时始终加有气压,这会使其稠度与流变性发生改变。第二,随着涂敷材料的消耗,压缩腔会越来越大最后变空,这将影响气流脉冲信号的响应时间,从而导致无法准确控制材料的涂敷数量。
胶水与焊膏
90%的点胶都是用于对过波峰焊双面板的元件固定,使得线路板在反过来以及进入波峰时元件不会掉下。时至今日,这种工艺仍然对涂敷设备有着很多要求。
点胶工艺并不像看起来那么简单,必须要认真考虑所用元器件的尺寸。对于很小的元件如0402甚至0603,其焊盘间距都非常小,因此胶点的形状、体积和位置必须精确,否则胶粘剂沾到焊盘会影响其可焊性,而导致严重的质量问题。
对于比较大或者比较单纯的器件,如SOIC器件,这一工艺缺陷就不那么突出。当需要涂敷两个或三个点时,由于空间较大,允许的偏差也可以大些。这时对精度与重复精度的要求并不严格,因此可使用精度控制较低的低价位机器。
最近涂敷工艺还用在焊膏涂敷上,尽管模板印刷长期以来一直被认为是最有效的焊膏涂布方式,但现在涂敷技术的发展使其在许多情况下成为首选。
毋庸置疑,涂敷焊膏决不可能与丝网印刷一样快捷,但是丝网印刷却不具有涂敷的灵活性。因为涂敷是一个“参数驱动”的过程,它不需要任何硬件加工,而且还可以涂敷不同大小的焊膏,另外在一些不能印刷的场合也只能采用涂敷,例如在通孔内涂布焊膏(SPOTT)以及移动电话和汽车电子中采用的现代3D电路等。3D电路需要在不同高度平面进行焊膏涂布,这对于丝网印刷而言是根本无法做到的。
涂敷的优点
与丝网印刷相比,涂敷的最大优点在于其灵活性。涂敷比丝网印刷成本低,因为它不需要为每一个新产品或每一次布局改动去制作昂贵的模板,然后留待以后使用。采用丝网印刷时,哪怕只是对板面设计的某一个元件进行了变动,也必须要制作一块全新的模板。而对于涂敷来说,仅仅只需对涂敷程序中的某一行作一小小的调整,所做的工作也只是用几秒时间敲几下键盘即可,不需要额外的投入。这使得涂敷焊膏特别适合于小批量或多品种的生产,尤其是需要做大量样品的场合,如像研发部门。
涂敷工艺还可作为一种非常有效的返修工具用于中、大批量生产中,它可以精确地将焊膏涂敷到某一个元件位置。对于又小又复杂的板,由于无法用手工组装,这一点就显得非常重要。
此外,丝网印刷与涂敷之间的速度差别也一直在减小。以Xyflex四头涂敷机为例,根据不同使用条件,在75μm精度下速度可达每小时140,000点(dph)或者50μm精度下120,000dph。这一速度使其完全能够加入到目前产量在40,000至90,000cph的大多数由新型贴片机和高速贴片机组成的生产线上,这样扩宽了工艺条件范围,因为焊膏的涂布可选用涂敷来取代丝网印刷。
涂敷还是印刷？
决定是采用涂敷还是印刷可大致分成三种情况来考虑。对于小批量、多品种而言涂敷是最佳选择,因为这种方法不需要对每一次新的板面设计或变更制作模板,既节省了开支又避免了因此而带来的时间延误。但是对于大批量、少品种生产,丝网印刷仍是最合适的焊膏涂布方法,因为其具有绝对的速度优势,而且相对大批量的产品而言,模板的制作费用基本可以忽略。难以作出决定的是介于两个极端中间的情况??中等批量、中等品种的生产,此时两种方法都可能适用。
尽管正向位移泵已被证实在速度与涂敷性能方面具有一定优势,但在挡块位置及Z轴运动时间方面还存在一些问题。另外,有很多人关注到喷涂,因为喷涂可以在飞行中进行,然而喷涂同样受到最小涂敷点和液体稠度的影响,而且喷涂也需要对高度进行监测,特别在板子翘曲时。探测高度有两种方法,即接触式和激光非接触式。在需要对每个点都进行检查时,接触式探测法显得很慢,而激光式则又对基板的反射性和颜色变化过于敏感。
因此,多头涂敷仍然是提高涂敷产量的最有效方法。多头系统在不影响产量的情况下,可实现多材料、多种挡块位置以及更小涂敷点的涂敷,最为重要的是还可由挡块来控制保持稳定的针头高度。
涂敷的另一个主要用途是通孔焊膏涂敷(SPOTT)工艺。在这里,焊膏涂敷在通孔元器件经剪折的引线周围,然后进行再流焊。现在越来越多的制造商都转向完全表面贴装化生产,但他们还是得采用一些穿孔元器件,因此这种用法正在不断推广。与此类似,可以利用涂敷工艺为较大元器件的焊盘添加焊膏,因为此处需要更多的焊膏而印刷方式却做不到。
使用何种涂敷系统？
如果决定了采用涂敷工艺,那么随后就要挑选最能符合要求的涂敷机类型。在对所用元器件的尺寸与复杂性进行调查分析之后,机器的速度、精度和重复性将是作选择的首要因素,同时也需要考虑产量和对工艺参数的要求。
首先应考虑的是涂敷速度与相应的涂敷面积,目前既有半自动台式机型(速度为10,000～15,000dph),也有独立式和全在线式机型(速度为20,000～140,000dph)。大多数设备的精度为75μm～200μm,涂敷量重复精度为±2%～±5%。
设备本身通常还有一系列的选件,选型时也应考虑。例如,当用于密封或底部填充时,可在多种旋转螺旋泵和正向位移活塞泵间进行选择。对于需要相同涂敷速度和涂敷尺寸的场合,可以只用单泵系统；而对于可以同时以完全不同的尺寸涂敷四种不同材料的系统如Xyflex涂敷机,则要用到四个泵。
选定好涂敷机后,必须通过试运行来验证其对实际生产的适用性,这是对实际涂敷速度进行测定的唯一方法。作为一名工程师在确定涂敷机时必须要小心这一点,因为大多设备制造商的资料中所列出的最高涂敷速度都是在最小间距、最低上升高度(针头抬起)和最短涂敷时间(即针头停留在焊盘上方涂敷所需数量焊膏的时间)等理想条件下所得出的。
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