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SMT贴片红胶的特性分析以及使用说明

发布时间: 2012-07-28 09:09 作者: 浏览次数: 1602 Views 字号:

1.1 常见的贴片胶涂布方法
    贴片胶的涂布是指将贴片胶从储存容器中(管式包装、胶槽)均匀地分配到PCB指定位置上。常见的方法有针式转移、丝网/模板印刷和注射法。
1.针式转移
    针式转移方法是在金属板上安装若干个针头,每个针头对准要放贴片胶的位置,涂布前将针床浸入一个盛贴片胶的槽中,其深度约为1.2-2mm,然后将针床移到PCB上,轻轻用力下按,当针床再次被提起时,胶液就会因毛细管作用和表面张力效应转移到PCB上,胶量的多少则由针头直径和贴片胶的黏度来决定。针床可以手工控制也可以自动控制。这是早期应用方法之一,如图16所示。
    优点:所有胶点能一次点完,速度快,适合大批量生产;设备投资少。
    缺点:当PCB设计需要更改时,针头位置改动困难;胶量控制精度不够,不适用于精度要求高的场合使用;胶槽为敞开系统,易混入杂持,影响胶合质量;对环境要求高,如温度、湿度等。
   评估:目前这种使用方法已不多见,一般用于试制生产,用针式转移法时,其贴片胶的黏度要求为70-90•s。
2.丝网/模板印刷
    丝网/模板印刷法涂布贴片胶,其原理、过程和设备同焊膏印刷类似。它是通过镂空图形的丝网/模板,将贴片胶分配到PCB上,涂布时由胶的黏度及模板厚度来控制。这种方法简单快捷,精度比针板转移高,早期应用较文(见图17),由于印刷后的胶滴高度不理想故未能广泛使用。近几年,乐泰公司推出Varidot刮板印刷技术,采用特殊的塑料模板,可印刷不同高度的贴片胶。此外清洗模板也较简单,并能显著地提高生产率和现有设备(印刷机)的利用率。
    优点:一次印刷,完成所有胶点的分配,适合大批量生产;丝网/模板更换,相对比针床价廉;印刷机的利用率提高,无需添置点胶机。
    缺点:对PCB更改的适应性差;胶液暴露在空气中,对外界环境要求高;只适合平面印刷。
    评估:随着新模板技术的推广,使用场合会有所增加。
    贴片胶黏度要求:黏度值在300-200 Pa•s.
 

 

3.压力注射
    压力注射方法是目前最常用的涂布贴片胶的方法,点胶机与点胶嘴如图19所示。
    它的原理是将贴片胶装在针管中,在针管头部装接胶嘴,然后将针管安装在点胶机上,点胶机由计算机程序控制,自动将胶液分配到PCB指定的位置。这种方法灵活,易调整,无需模板,产品更换极为方便,由于高速点胶机的出现,它既适合大批量生产,也适全多品种生产。此外,贴片胶装在针管之中密封性好,不易污染,胶点质量高。
    它的不足之处在于,点胶机价钱贵,投资费用大。
    贴片胶黏度要求:黏度值在100-150 Pa•s。
    由于压力点胶工艺应用广,优点多,下面将进行进一步讨论。

2.2   影响胶点质量的因素

   优良的胶点应是表面光亮,有适合的形状和几何尺寸,无拉丝和拖尾现象。国内外很多公司研究表明,影响胶点质量的因素,不仅取决于贴片胶品质,而且与点胶机参数设置及工艺参数的优化有密切关系,现分别叙述如下:

1.    贴片胶品质

贴片胶应具有优良的触变性,适合的黏度,令人满意的初黏力以及初始强度。有关这些概念的物理意义及其对点胶工艺的影响前面已做了讨论。通常高黏度的贴片胶比低黏度的贴片胶容易发生拖尾和拉丝等毛病,初黏力差的贴片胶比初黏力高的贴片胶易发生拖尾。当然黏度过低的贴片胶其初始强度差,易出现元件移位,高温后易出现塌落等缺陷。

2.    点胶机参数的设定

点胶机的工作参数对胶点质量有很大的影响。有关点胶机性能对点胶质量影响的因素主要涉及到两个系统,一是压力调控系统,二是相关参数设定,包括胶嘴针头尺寸,胶嘴与PCB之间的距离,以及压力P和时间t的设定。

(1)     压力调控系统

压力直接影响出胶量,而压力的大小设定及保持恒定,则由调节器的品质、机器对开关信号的灵敏度和注射器中气压变化等因素来决定,在高速点胶中,速度很快,时间以毫秒为数量级。因此要求机器及气阀灵敏度高,并在注射管道设有专用阀门,通常机器点胶压力在5bar范围内调控,生产中则设定一个最低阈值压力,以取得良好的点胶质量,低于这个阈值压力,则不能保证胶点出来。

(2)     胶嘴尺寸及相关参数

图18为胶嘴针头点胶位置图,IDN表示胶嘴针头口内径,W为胶滴底部直径(见图19);ND表示当定位针触到PCB时,胶嘴针头离PCB的距离,又称为止动高度;H为贴片胶的有效高度(见图19)。

 

 

大量的试验表明,要避免点胶时出现拉丝拖尾现象,应符合下述两个经验规律:

经验规律之一是:胶点的直径(W)与嘴内径(IDN)之比为2:1。

但在生产中胶点直径W的大小又由贴装元器件的大小来决定,换言之应由贴装元件的尺寸来决定胶点直径W,再由胶点直径W选用针嘴。

另一个经验规律是:当胶嘴针头的内径确定下来后,应调节胶嘴口到PCB的距离ND,这也是一个重要参数,ND又称止动高度。当机器工作时,顶针触接到PCB,机器发出信号通过气动机构使阀门打开,施加气压胶管内开始增压,设压力为P,并迫使胶液流出,同时设定加压时间为T,当时间到位后,气压阀关闭,停止点胶。接着点胶头移到下一个点胶位置。显然,当ND,P,T三者的数值调节到一个适合的参数 ,即ND到位时开始点胶,P,T设定为最佳时,胶滴完全点在PCB上(见图19)。

当ND过小,P,T设定又偏大,则胶嘴与PCB之间空间太小,胶液受压并会向四周漫流,甚至会流到定位针附近,且易污染针头(见图20)。反之,ND过大,P,T设定又偏小,则胶点直径W会偏小,而胶点高度H将增大,这样当点胶头移动的一刹那,也会出现拉丝和拖尾现象(见图21)。故当ND值确定后应仔细调节P,T值。

现将胶嘴针头内径与止动高度ND的经验配套参数列于表5。

5   胶嘴内径与止动高度相关表

胶嘴内径IDN

0.4

0.5

0.6

止动高度

止动高度NA

0.1-0.2

0.15-0.25

0.2-0.3

针嘴内径的一半值

实际生产中,因点胶机设备不同,配制的点胶嘴内径也不相同,相应的止动高度也会不同,因此应根据上述原理来设定机器的参数。此外,在生产中除了应仔细调相关系数外,还应经常检查点胶嘴的化妆室顶针和胶嘴端部的磨损情况,磨损太多应及时更换,并保持顶杆、胶嘴清洁,防止黏胶剂和粉尘黏附在定位针上。

(3)     Z轴回程高度

在实际生产中,还有一个重要的机器参数,即机头(Z轴)上升的回程距离(有时又称等待时间),这是因为,当止动杆接触到PCB时,机器发也工作指令,这种信号没有“时间差”,但信号发出后真正的胶液被挤压出来的时刻一个明显的“时间差”,又称为“延迟”效应,就如同给电容器充电一样,需要一个时间,这是因为气体有“可压缩性”的特点。此外还与机器对信号的灵敏度、胶管内径、胶嘴头的长度等综合因素的影响有关。相关动作的原理如图22所示。

因此,如果Z轴回程距离太小,则胶嘴将会拖着胶液从一个胶点移到另一个胶点,易产生拖尾,只有当胶液完全离开胶口的一刹那,点胶头离开为最好。有的点胶机采用多头点胶,就是为降低点胶速度,保证让胶液完全脱离胶嘴出口。考虑到降低胶速,会影响产量,故采取多头点胶,提高点胶的平均速度,达到既消除拖尾又提高产量的目的。

3.    胶嘴孔内径与元件尺寸的关系

由于片式元器件大小不一样,因此与PCB之间所需要的黏结强度也不一样,即元件与PCB之间涂布的胶量也不一样,故在点胶机中常配置不同内径的胶嘴。例如松下点胶机配置3L,S和VS三种内径的胶嘴,它们的内径分别是0.58mm,0.41mm和0.33mm。

胶嘴针管内径与元件尺寸之间有何关系呢?通常胶点尺寸应濒于焊盘之间的距离,同时还要考虑到胶点位置的准确度。以φ0805,φ1206片式元件为例,元件的焊盘尺寸与针嘴内径的关系,根据经验公司:

胶点直径(W)/出胶嘴内径 (IDN)=2/1

可得,胶嘴内径分别为0.4mm及0.6mm,见表6与图23。

元件胶合面积(2.0-0.4×2)×1.25=1.5mm2 ;

胶合强度取150kg/cm2即1.5N/mm2 ;

则每片理论胶合强度 为1.5×15=22.5N/片。

而通常对0805的元件胶合强度大于5N就足够了。若采用双点点胶

的规则,则强度还应增加。

6   片式元件焊盘尺寸与针嘴内径关系

元件尺寸

焊盘宽度X

(mm)

两焊盘间距离A

(mm)

胶点允许最大直径

W(mm)

推荐胶嘴内径

(mm)

[0805]

2.0mm × 1.25mm

21.4

1.0

0.8

0.4

[1206]

3.2mm × 1.6mm

1.6

1.8

1.2

0.4-0.6

2.3   工艺参数优化设定

1.    胶点高度

前面在介绍高质量胶点的几何尺寸时,曾谈到形状系数W/H为2.7-4.6为最好;那么胶点高度H又怎么确定呢?还是让我们考察一下元件贴放在PCB上时的相应尺寸,如图24所示。

从图中可看出,A是PCB上焊盘层的厚度,一般为0.05mm,B是元件端焊头包封金属厚度,一般为0.1mm,对于SO-23则可达0.3mm之多。因此要达到元件底面与PCB良好的黏合,贴片胶高度H>A+B,考虑到胶点是倒三角形状态,顶端在上,为了达到元件间有80%的面积与PCB相结合,工程中H应达到(1.5-2)倍于(A+B),因此,为了增加H高度,有时应设计辅助点胶焊盘以及选用元件底面与引脚平面之间尺寸较小的元件,以达到良好的胶合强度,如图25所示。

2.    胶点数量的设定

早期点胶工艺中对于小尺寸的阻容元件如0805,设一个胶点,现在趋势是所有元件都推荐双胶点,并设在元件的外侧,这对黏合的质量有保证,换言之,即使其中一个胶点出现质量问题,还有一个胶点起到黏结的作用。胶点位置设在元件外侧还兼顾到和焊盘的相对位置有所增大,也可以防止出现过大的黏结,给维修带来困难。此外,还可以把热固化胶所需要的位置与光固化胶所需要的位置兼顾起来。

对于SOIC,一般设3-4个点,这比只采用2个点要好,不仅能增加强度还可以起到抗震作用,因为胶在固化前,黏结力总是有限度的,对于大器件,因重量增大,运动时惯性也会增加。质量较大的IC放在胶点上,如果仅有2个胶点,给人一种“浮”的感觉,稍一震动,就会出现“滑移”,增加胶点数也就是增加黏合面积,对防止大元件的“滑移”可起到良好的防御作用。

点胶的有关参数与元器件尺寸的综合调节参数见表7

7 点机工艺参数与元件尺寸关系表

        元件尺寸

机器参数

C0603

C0805

C1206

SOT23

SOD80

SO16-28

胶嘴直径(mm)

0.3

0.4

0.4

0.4

0.6

0.6

止动高度(mm)

0.1

0.1

0.15

0.15

0.3

0.3

胶点点数

2

2

2

2

2

4

相应针之间的距离

0.8

1

1.0-1.2

1.0-1.3

2

 

胶点直径(W)(mm)

0.5

0.7±0.1

0.9±0.1

0.9±0.1

1.35±0.15

17.7±0.3

压力(bar)

3

3

3

3

2.7

2.7

点胶时间(ms)

50

50

80

80

100

120

胶管温度(℃)

24±1

24±1

24±1

24±1

24±1

24±1

 

点胶工艺中常见的缺陷

   拉丝/拖尾是点胶中常见的缺陷,拉丝/拖尾易污染焊盘,会引起虚焊。

   初黏力差,会导致元器件在外力作用下或固化时元件移位以致引起虚焊。

   贴片胶过少,当元器件贴放后会因胶量过小,引起强度不足,元器件固化后会引起掉片,在波峰焊时更会出现。

2.5   贴片胶的固化

   贴片胶涂布后,贴装完元器件,即可送入固化炉中固化,固化是贴片胶—波峰焊工艺中一道关键工序,很多情况下由于贴片胶固化不良或未完全固化(特别是PCB上元件健分布不均的情况下最为多见),在进行运输、焊接过程中,便会出现元器件脱落。

   因此应认真做好固化工作。采用的胶种不同,其固化方法也不同,常用两种方法固化,一种是热固化,另一种是光固化,现依次讨论如下:

1.  热固化

环氧型贴片胶采用热固化,早期的热固化是放在烘箱中进行,现在,多放在红外再流炉中固化,以实现连续式生产。在正式生产前应首先调节炉温,做出相应产品的炉温固化曲线,做固化曲线时多注意的是:不同厂家、不同批号的贴片胶固化曲线不会完全相同;即使同种贴片胶,用在不同产品上,因板面尺寸、元件多少不一,所设定的温度也会不同,这一点往往会被忽视。经常会出现这样的情况:在焊接IC器件时,固化后,所有的引脚还落在焊盘上,但经过波峰焊后IC引脚会出现移位甚至离开焊盘并产生焊接缺陷。因此,要保证焊接质量,应坚持每个产品均要做温度曲线,而且要认真做好。

(1)     环氧胶固化的两个重要参数

 环氧树脂贴片胶的热固化,其实质是固化剂在高温时催化环氧基因。

 XXXXX开环发生化学反应。因此固化过程中,有两上重要参数应引起注意:一是起始升温速率;二是峰值温度。升温速率决定固化后的表面质量,而峰值温度则决定固化后的黏接强度。这两上参数应由贴片胶供应商提供,这比供应商仅提供固化曲线更有意义,它能使你对所用的贴片胶性能有所了解。图26是采用不同温度固化一种贴片胶的固化曲线。

 从图26中可以看出黏结温度对黏结强度的影响比时间对黏结强度的影响更重要,在给定的固化温度下,随着固化时间的增加,剪切力小幅度增加,但当固化温度升高时,相同固化时间里剪切强度却明显增加,但过快的升温速率有时会出现针孔和气泡。因此在生产中,应首先用不放元件的PCB光板点胶后放入红外炉中固化,冷却后用放大镜仔细观察贴片胶表面是否有气泡和针孔,若发现有针孔时,应认真分析原因,并找出排除方法。在做炉温固化曲线时,应结合这两个因素反复调节,以保证得到一个满意的温度曲线。

(2)     固化曲线的测试方法

贴片胶在红外再流炉中的固化曲线测试方法及所用仪器,同焊锡膏红外再流焊炉温曲线方法相同,这里不再介绍。其升温速率和固化炉温曲线可按供应商提供的参数设计。遇到有争议时除了与供应商协商外,还可以到有关测试部门进行差示扫描热分析(DSC),鉴定黏合剂性能。

2.  光固化/热固化

当采用光固化胶时,则采用带UV光的再流炉进行固化,其固化速度快且质量又很高。通常再流炉附带的此外灯管功率为2-3kW,距PCA约10cm高度,经10-15s就使暴露在元件体外的贴片胶迅速固化,同时炉内继续保持150-140℃温度约1min,就可使元件下面的胶固化透。

2.6 使用贴片胶的注意事项
(1) 储存
购回的贴片胶应低温(0℃)储存,并做好登记工作,注意生产日期和使用寿命(大批进货应检验合格入库)。
(2) 使用
使用时应注意胶的型号,黏度,根据当前产品的要求,并在室温下恢复1小时左右(大包装应有4小时左右)方可停机使用,使用时注意跟踪首件产品,实际观察新换上的贴片胶各方面的性能。
需应用分装的清洁的注射管;灌装不要太滿(2/3体积)并进行脱气泡处理。
不要将不同型号、不同厂家的胶互相混用,更换品种时,一切与胶接触的工具都应彻底清洗干净。
在使用时应注意胶点直径的检查,一般可在PCB的工艺边处高1-2个测试胶点,必要时可入0805元件,经常观察固化前后胶点直径的变化,对使用的贴片胶品质真正做到心中有数。
点好胶的PCB应即时贴片并固化,遇到特殊情况应暂停点胶,以防PCB上胶点吸收空气中水汽与尘埃,导致贴片质量下降。
(3) 清洗
在生产中,特别是更换胶种或时间用久后,都应清洗注射筒等工具,特别是针嘴,通常应将针嘴等小型物品分类处理,金属针嘴应浸泡在广口瓶中,瓶内放专用清洗液(可由供应商提供)或丙酮、甲苯及其化合物,不断摇摆,均有良好的清洗能力。注射筒等也可浸泡用用毛刷及时清洗,配合压缩空气,无纤维的纸布清洗干净。无水乙醇对未固化的胶也有良好的清洗能力,且对环境无污染。
(4) 返修
对需要返修的元器件(已固化)可用热风枪均匀地加热元件,如元件已焊接好,还要增加温度使焊接点也能熔化,并及时用镊子取下元件,大型的IC需要维修站加热,去除元件后仍应在热风枪配合下用小刀慢慢铲除残胶,千万不要将PCB银条破坏,需要时重新点胶,用热风枪局部固化(应保证加热温度和时间)。

3, 点胶—波峰焊工艺中常见的缺陷与解决方法

1. 拉丝/拖尾
现象:拉丝/拖尾是点胶中常见的缺陷。
产生的原因:胶嘴内径太小,点胶压力太高,胶嘴离PCB的时间距太大,黏胶剂过期或品质不好,贴片胶黏度太高,从冰箱中取出后未能恢复到室温,点胶量太多。
解决方法:改换内径较大的胶嘴,降低点胶压力,调节“止动”高度,换胶,选择适合黏度的胶种,从冰箱中取出后恢复到室温(约4小时),调整点胶量。
2. 胶嘴堵塞
现象:胶嘴出量偏少或没有胶点出来。
产生原因:针孔内未完全清洗干净,贴片胶中混入杂质,有堵孔现象,不相容的胶水相混合。
解决方法:换清洁的针头,换质量好的贴片胶,贴片胶牌号不应搞错。
3. 空打
现象:只有点胶动作,却无出胶量。
产生原因:混入气泡,胶嘴堵塞。
解决方法:注射筒中的胶应进行脱气泡处理(特别是自己装的胶),按胶嘴堵塞方法处理。
4. 元器件移位
现象:固化后元器件移位,严重时元器件引脚不在焊盘上。
产生原因:贴片胶出胶量不均匀(例如片式元件两点胶水中一个多一个少),贴片时元件移位,贴片胶初黏力低,点胶后PCB放置时间太长,胶水半固化。
解决方法:检查胶嘴是否有堵塞,排除出胶不均匀现象,调整贴片机工作状态,换胶水,点胶后PCB放置时间不应太长(小于4小时)。
5. 固化后,元器件黏结强度不够,波峰焊后会掉件
现象:固化后,元器件黏结强度不够,低于规定值,有时用手触摸会出现掉片。
产生原因:固化工艺参数不到位,特别是温度不够,元件尺寸过大,吸热量大,光固化灯老化,胶水量不够,元件/PCB有污染。
解决方法:调整固化曲线,特别是提高固化温度,通常热固化胶的峰值固化温度很关键,达到峰值温度易引起掉片,对光固胶来说,应观察光固化灯是否老化,灯管是否有发黑现象;胶水的数量,元件/PCB是否有污染都是应该考虑的问题。
6. 固化后元件引脚上浮/移位
固化后正确的形态如图27所示。
现象:固化后元件引脚浮起来或移位,波峰焊后锡料会进入焊盘,严重时会出现短路和开路,如图28所示。
产生原因:贴片胶不均匀,贴片胶量过多,贴片进元件偏移。
解决方法:调整点胶工艺参数,控制点胶量,调整贴片工艺参数。

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