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技术文章--点胶系统


您还在使用SMT粘合剂吗?

摘要

如今可用工具的范围越来越广,因此,以当前可用的材料、钢网和印刷机,似乎没理由在大批量生产中使用SMT粘合剂点胶。使用传统厚实的塑料模板,利用粘合剂适印性测试结果,可得到各种高度和直径沉积物。采用激光三角测量技术,可把粘合剂沉积物的高度和直径数据量化。利用模板及推荐的工艺指南,也可量化孔径对沉积物高度的影响。这里介绍PTH组装前及组装后的SMT粘合剂印刷方法。

介绍

点涂SMT粘合剂为了粘附电路板上的元件,直至波峰焊接完成,此工艺包括点胶,Pin脚转移,印刷。开发具有适印性的粘合剂以便能从单一厚度的模板产生多种高度的沉积物。使用印刷粘合剂可以得到许多形状的孔径,但如今最流行的形状是圆形孔。本文对比三种高速印刷法,讨论粘合剂适印性。第一种印刷方法每小时可以产生400,000个以上的胶点。第二种方法速度较慢,但对高投射元件(如QFP)来说,能产生较为广泛高度的胶点。第三种方法利用较厚的塑料模板,使粘合剂能够印刷在插有通孔元件的组装电路板上。在较厚的塑料模板出现之前,市面上一直使用的是点胶和Pin脚转移法。

测量粘合剂适印性

为了量化粘合剂产生胶点沉积物的能力及测量产量的稠度,出现了一种自动化客观的测量方法。从图1可以看出,使用一系列直径0.3mm(0.0118”) 到1.8mm (0.0709”)的模板孔径来设计适印性测试图案。孔径的射线排列包含16个频段,每个频段包含80个给定直径的孔径,总共1280个孔。利用自动丝网印刷机可编程刮刀头,测试图案通过各种厚度的不锈钢模板印刷到4.5”的方形氧化铝(AL2O3)基板上。选择氧化铝作为基板,是因为其平整度和反射特性。

为了在其底部 和 顶部的位置(如图3所示)获得胶点的直径,创建了自动检测程序 , 该系统利用固定的激光三角传感器测量(X&Y )上每个位置的
高度(Z),本次试验中所使用的传感器工作范围为160密耳,光束直径为1.0密耳, 分辨率为0.4密耳(0.0004”), 割线和胶点周长一旦建立交集,就会计算割线中心,二次测量扫描发生在离割线扫描90℃的位置上。二次扫描和胶点周长的交集就是胶点直径(±0.5密耳)。该信息发送给数据文件,沿直径测量峰高(±0.4密耳)。多个附连测试版的数据导入到电子表格中,在此表格中,可以计算峰值高度和直径的标准偏差,平均值,范围和变异系数(CV)。



方法1:只用芯片

此法相当常见,它使用单冲程印刷周期, 这和锡膏印刷非常相似,此法非常适用于只使用芯片(无源器件)的应用程序。在流变粘合剂出现之前,此法是唯一可行的。根据所选的孔径,胶点高度可以是模板厚度的½到1½倍。刮刀速度非常快,模板厚度通常为6-8密耳。图3所示的是胶点高度和孔径之比。图4所示的是胶水如何从小孔中完全流出及胶水和模板孔壁表面张力效应。

       


方法2:AI前的所有类型元件

从方法1的高度数据可以看出,粘合剂最大高度大约比模版厚度大2密耳。对于较高的投射引脚元件来说,此高度并不够。方法2,也称为溢流印刷法。使用更大的孔径,且粘合剂的高度是模板厚度的3倍,能彻底满足高度需要。开始印刷时,为非接触式印刷设置24密耳(0.6毫米)的印刷间隙。在印刷溢流周期的PCB模板分离阶段不断形成胶点的几何图形。模板小孔上粘合剂存储器和PCB印刷材料之间形成一条线。这条实线最终会回落到模板小孔上,并变成胶点的形状。此方法分离速度缓慢(0.1〜0.4毫米/秒),可确保PCB转移到下个工艺前,此工艺彻底完成。此法虽然比单冲程方法慢,但运用此方法,产量可达每小时100,000点以上。




方法3:AI后的所有类型元件


此工艺的优点是能够在已插有通孔元件的电路板上印刷。传统的厚度为3mm,由乙缩醛塑料构成,其上已有钻孔。因此,此方法在大多数商业产品组装上具有潜在应用。为100个测试图案的印数评估其封闭式印刷头(EPH),刮刀印刷法以及快速(6 IPS),慢速(1 IPS)印刷速度。除了观察小孔内圈丢失的胶点(<20密耳直径),也对其进行计数(图7)。对小孔外圈(>40密耳直径)的气泡缺陷进行观察(图6),并手动对其进行计数。虽然小于40密耳的孔径气泡较少,但相比之下,EPH法比刮刀法产生的气泡多,尤其在较大的孔径中。一种可能的解释是,刮刀前传统的卷状材料有助于粘合剂在进入小孔前“脱气”。从高度和直径的统计数据(图8和图9)表明,使用EPH和刮刀法产生的结果非常相似,与方法1或2相比,不仅步进变异系数更高,而且有效胶点高度范围更小。


 
 
总结:胶水印刷性能概要

方法速度 模板厚度 最高点 气泡缺陷 缺失的小胶点 高度 直径
EPH 6 IPS 3 mm 17.40 mils 4.25% 7.86% 12.08% 17.48%
EPH 1 IPS 3 mm 18.22 mils 4.83% 7.32% 12.70% 20.96
刮刀 6 IPS 3 mm 18.09 mils 0.41% 4.13% 10.43% 19.36%
刮刀 1 IPS 3 mm 17.72 mils 0.99% 9.34% 15.76% 23.29%
溢流印刷 2 IPS 10 mil 36.48 mils none none 0.91% 1.18%
单冲程 6 IPS 6 mil 9.10 mils none none 0.97% 1.43%

摘要图表清晰地显示了一些印刷性能:

1. 整体来说,使用溢流印刷法(方法2)获得的效果最佳。因为此方法形成的胶点最多,产生胶点高度的种类也最多(变异系数最低)。然而,该方法以及单冲程印刷法只能应用在地形平坦的环境。(即没有凸起的通孔元件)。

2. 在3mm厚的塑料模板(方法3)上使用最快的刮刀印刷能获得最佳效果。可能由于刮刀前的卷状材料有自然脱气的效果,此方法产生的气泡最少。

3. 在 EPH和3mm厚的塑料模板上使用大于20密耳小于40密耳的孔径能获得最佳效果。气泡传到较大孔上的现象司空见惯。气泡一旦出现在小孔上,会像点胶一样,以同样的方式传递到电路板表面上。

4. 较厚的塑料模板应当接近传统的模板厚度以达到适印性。预先测试不同的流变粘合剂以得到所需的胶点形状和湿强度。在今后的发展过程中,小孔横截面图形应模仿传统模板厚度以达到预期的表面张力效果。

5. 对于所有传统的波峰焊SMT元件来说,使用3种不同的方法印刷都可产生广泛高度的胶点,专门印刷材料,能长时间曝光在各种工厂环境中下,您为什么仍然使用SMT粘合剂?

设计指南

三种印刷方法的孔径指南保持不变。为了在芯片上获得最佳结果,遵循一系列pad与pad间的空间维度,使
用以下公式:

最大孔径=芯片pad间距 - (2X印刷机校准公差) - 6密耳 
 
例如:0805芯片间距:30密耳印刷机重复性:±1密耳
孔径=30-2-6=22

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