贴片胶涂布工艺技术的研究

贴片胶涂布工艺技术的研究鲜飞(烽火通信股份有限公司，湖北武汉430074)1引言在表面安装中，贴片胶用来在波峰焊期间将SMD固定到电路板的焊接面上，为了避免元件在波峰焊的作用下发生位移，必须使用贴片胶。当焊接完成后，贴片胶便不再起作用。粘接到印刷线路板(PrintCircuitBoard，简称PCB)焊接面上的常见元件类型有矩形片状电阻和电容，圆柱形晶体管即金属无引脚面结合晶体管(Metalelectrodefacecomponent，简称MELF)和小外型晶体管(Smalloutlinetransistor)。这些元件常与插装(Throughholetechnology，简称THT)器件一起进行波峰焊。2贴片胶的组成与性质2．1贴片胶的化学组成贴片胶通常由基本树脂、固化剂和固化促进剂、增韧剂以及无机填料等组成，其核心部分为基本树脂。目前普遍采用的基本树脂有丙烯酸脂和环氧树脂2种，它们均具有各自的优缺点，如表1所示。从上表可以看出，两者各有优缺点，但由于环氧树脂有很好的电气性能，且粘接强度高，故目前使用环氧树脂的居多。2．2贴片胶的包装贴片胶的包装一般分为20／30mL注射筒式和300mL筒式。20／30mL注射筒式用于点涂工艺，300mL筒式用于胶印工艺。2．3贴片胶的特性表面安装用理想的贴片胶，必须考虑许多因素，尤其重要的是应当记住以下3个主要方面：固化前的特性、固化特性和固化后的特性。2．3．1固化前的特性对于表面安装来说，目前绝大多数使用环氧胶。目前使用贴片胶都是着色的，通常采用红色和橙色。这是因为焊盘涂上贴片胶将会影响焊接，故这是不允许的。而如果贴片胶采用易于区分的颜色，如果使用过量，以致涂到焊盘上，它们很容易被察觉并进行清除。未固化的贴片胶应具有良好的初粘强度。初粘强度是指在固化前贴片胶所具有的强度，即将元件暂时固定，从而减少元件贴装时的飞片或掉片，并能经受贴装、传送过程时的震动或颠簸。最后，贴片胶必须与生产中所采用的施胶方法相适应。目前对电路板的施胶方式多采用点涂方式，要求贴片胶要适应各种贴装工艺，又要易于设定对每种元件的施胶量，还要点涂施胶量稳定。2．3．2固化特性固化特性与达到希望的粘接强度所需的固化时间和固化温度有关。达到所希望的粘接强度的时间越短，温度越低，则贴片胶越好。表面安装用的贴片胶必须在低温下具有短的固化温度，而在固化之后，就必须有适当的粘接强度，以便在波峰焊时将元件固定住。如果粘接强度太大，则返工困难，相反粘接强度太小元件可能掉到焊料槽中。贴片胶的固化温度应避免过高，以防止电路板翘曲和元件损坏。换言之，贴片胶最好是低于电路板的玻璃转变温度(对于FR-4型基板为120℃)固化。然而，高于玻璃转变温度的很短固化时间一般也能接受。为了保证有足够高的生产率，要求固化时间较短。固化的另一个特性是固化期间的收缩量较小(使粘贴元件的应力最小)。2．3．3固化后的特性尽管贴片胶在波峰焊之后会丧失其作用，但却在随后的制造过程(如清洗和修理返修)中影响部件的可靠性。贴片胶固化后的重要特性之一是可返修能力，为了保证可返修能力，固化贴片胶的玻璃转变温度应相当低，一般应在75℃～95℃。在返修期间，元件的温度往往超过了100℃，因为为了熔化锡铅焊料，端接头必须达到高得多的温度(183℃)。只要固化贴片胶的玻璃转变温度小于100℃以及贴片胶的用量不过分多，可返修能力就不成问题。固化后贴片胶的另一些重要性包括非导电性(一般情况下，胶水表面的电阻在8×1011Ω以上，就可以认为是合格的，即其绝缘电阻足够大，在正常工作时胶水为开路)，抗湿性和非腐蚀性。贴片胶还应有适当的绝缘性质，但在最终选择贴片胶之前，应检查一下在潮湿状态下的情况。3贴片胶的涂布方式及使用工艺要求3．1贴片胶的使用要求3．1．1储藏。按供应商所要求的条件储藏贴片胶，其使用寿命自生产封装之日起计算，严禁在靠近火源地方使用。3．1．2回温。当使用的是环氧树脂类的贴片胶，一般在储存时，为了使其有尽可能长的使用期，都将贴片胶储存在5℃左右的冷藏环境中。当要用于生产时，就要先回温一段时间。一般都是在室温条件下回温，回温时间不能少于30min，严禁使用加温的方法回温。3．2胶水的涂布方式及工艺3．2．1胶水的涂布方式胶水的涂布方式多种多样，一般常采用的方式是胶印和点涂：(1)点涂工艺。所谓点涂工艺就是通过点胶机将贴片胶点涂到PCB指定区域(如图1)。压力和时间是点涂的重要参数，它们对胶点的大小及拖尾进行控制。拖尾还随贴片胶的黏滞度而变化，改变压力能改变胶点的大小。挂线或拖尾使贴片胶的尾巴超过元件的基体表面而拖长到下一个部位，贴片胶覆盖在电路板焊盘上，会引发焊接不良(如图2)。拖尾现象可以由对点胶系统作某些调整来减少。例如：减少电路板与喷嘴之间的距离，采用直径较大的喷嘴口和较低的气压，有助于减少挂丝。若点胶采用的是加压方式(这是常见情况)，则粘滞度和限制流速的任何变化都会使压力下降，结果导致流速降低，从而改变胶点尺寸。贴片胶的黏滞度在形成挂线方面也起作用。例如，黏滞度较大的贴片胶比黏滞度较小的贴片胶更容易挂线。然而，黏滞度太低则可能引起胶量过大，由于黏滞度是随温度而变化的，所以，环境温度的变化可能对胶量有显著的影响。根据资料报道：当环境温度仪变化5℃(15℃变化到20℃)，点胶量变化几乎达50％(从0．13～0．19g)。所有其他点胶变量，如喷嘴尺寸，压力、时间的影响也都相同。为了防止由于环境温度变化而引起的胶点变化，应当采用恒温外壳。漏胶是贴片胶涂敷中的另一个普遍问题，漏胶的可能原因是喷嘴受阻，喷嘴顶端磨损以及电路板不平整。如果贴片胶长时间搁置不用(从几小时到几天，视贴片胶而定)。一般就会堵塞喷嘴。为了避免堵塞喷嘴，应在每次使用之后进行清洁，使用金属丝通一通喷嘴顶端。此外，黏滞度较大也可能引起漏胶。(2)胶印工艺。所谓胶印就是通过丝网印刷工艺将贴片胶印到PCB指定区域，如图4、图5所示。虽然胶印工艺与点胶工艺有其相近之处，但属于2种不同的生产工艺。与后者相比，胶印工艺有这样一些特点：①能非常稳定地控制印胶量。对于焊盘间距小至127～254μm的PCB板，胶印工艺可以很容易并且十分稳定地将印胶厚度控制在50μm±0．2μm范围内。②可以在同一块PCB上通过一次印刷行程实现不同大小，不同形状的胶印。胶印一块PCB板所需时间仅与PCB板宽度及胶印速度等单数相关而与PCB焊盘数量无关。点胶机则是一点一点按顺序将胶水置于PCB板上，点胶所需时间随胶点数目而异。胶点越多，点胶所需时间越长。大多数使用胶印技术的客户在锡膏印刷技术方面往往都是非常有经验的。胶印技术相关工艺参数的确定可以以锡膏印刷技术的工艺参数作为参考点。接下来讨论印刷工艺参数是如何影响胶印过程的。①网板。相对锡膏印刷而言，用于胶印技术的金属网板相对来说就厚一点，一般为0．2～1mm左右。考虑到胶水不具备锡膏在再流焊时所具有的自动向PCB板焊盘聚缩的特性，网板漏孔的尺寸也应小些，但最好不要小于元件引脚尺寸。过多的胶水将导致元件引脚间短路，特别是当帖片机难以达到100％完美的贴片精度时短路状况尤易发生。对于有小间距芯片的PCB板，应特别注意芯片引脚短路问题。②印刷间隙／刮刀。胶印时机器的印刷间隙通常设为一个较小值(而不是零)，以保证网板与PCB板间的剥离尾随刮刀印刷进程而发生。如果采用零间隙(接触)印刷，则应采用较小的分离速度(0．1～O．5mm／s)。刮刀硬度是一个比较敏感的工艺参数，建议采用硬度较高的刮刀或金属刮刀，因为低硬度刮刀刃会挖空网板漏孔内的胶印。用薄的模板，只有当在模板与PCB之间存在一定的印刷间隙印刷时才可以达到很高的胶点。在印刷期间胶被压在模板底面与PCB之间的间隙内。通过模板与PCB之间的缓慢分离(如0．5mm／s)，胶被拉出和落下，这取决于胶的流变性，得到一种或多或少的圆锥形状。用接触式印刷时，由于模板相对较小的厚度，所以胶点高度受到局限。刮板会把大胶点(如1．8mm)的胶切割掉，因此高度与模板的厚度差不多。对于中等尺寸的胶点(如0．8mm)，可能发生不规则的胶点形状，因为与模板和与PCB的胶剂附着力几乎相等。在模板与PCB的分离期间，模板拖长胶剂，因此胶点高度大于模板厚度。对于0．3～0．6mm的尺寸，由于胶剂与模板的附着力比与PCB的好，部分胶留在模板内。这些胶点的高度较低，一致性非常好，如图5。③印刷压力／印刷速度。胶水的流变性较锡膏要好，胶印速度可相对高一些，但万万不可高到无法使胶水在刮刀前沿滚动。一般来讲，胶印压力为9．8～98．1kPa。胶印压力应以刚好刮净网板表面胶水为准。3．3影响粘接效果的因素施胶工艺应该说还是很重要的。它要求材料具有可粘接性，像其它粘接剂一样，有3个因素会影响粘接效果：用胶量、SMD和PCB。3．3．1用胶量粘接所需胶量由许多因素所决定，一些用户根据自己的经验编制了一些内部使用的应用指南。在选择最适宜的胶量时可以参考这些指南。但由于贴片胶的流变性各有差异，完全照搬不现实，所以经常进行一定量的调整是完全有必要。粘接的强度和抗波峰焊的能力是由粘接剂的强度和粘接面积所决定。最好的粘接剂也需在展开之后与SMD元件至少有80%的接触面积，这意味着胶点高度要超过SMD与PCB之间的距离。一个合格的点胶工艺中对胶点的形状尺寸有严格限制。如贴片胶可能与焊盘粘连，粘接剂尺寸应小于焊盘间的距离，同时还要考虑到点胶位置的准确度和焊盘空间的余量，过大的面积会使得返工非常困难。所有的推荐采用双点胶。如1206C。首先分析焊盘之间的距离2mm，然后考虑到焊盘和点胶位置的准确性以及放置片状电容后胶水的展开，得到胶点最大允许直径为l．2mm，而典型高度方向间隙为O．1mm，以此类推，0805C，焊盘间距为1mm，而胶点尺寸为0．8mm。如表2所示。3．3．2SMD元件的影响SMD在设计时并不会考虑粘接的问题，但幸运的是绝大多数元件的粘接都不成问题。但也必须意识到一些个别的和容易出错的地方。SMD的主体通常是环氧树脂作外壳，但也有采用玻璃、陶瓷和铝材。环氧树脂一般粘接没有问题，但陶瓷和玻璃二极管的粘接力通常比较低。3．3．3PCB板的影响PCB板通常是一块加强玻璃纤维环氧树脂板，上面带有铜线和焊盘，一块PCB板和焊接保护膜的PCB板在光洁度方面，没有本质的区别。而粘接是在环氧树脂基板的护膜上进行的。通常与护膜的粘接都是没有问题的，当测试剪切强度时，你会看到护膜首先被破坏。但一些护膜上也会出现粘接强度不够的情况，这可能是因为护膜粘接前受到了污染或部分区域固化不好造成的。当焊盘过高或SMD元件下面间隙过大时，在焊盘间放一个辅助焊盘，然后将贴片胶点在上面。3．4胶水固化大多数环氧贴片胶都是采用热固化(最流行的固化方式)，热固化可以简单地在对流加热炉或红外炉中完成。而无需购买紫外线设备，红外炉还可以用于再流焊。对于贴片胶的固化，温度较之时间更为重要。在任何给定的固化温度下，当固化时间增加时，剪切强度的增加不大。然而，当固化温度上升时，在相同的固化条件下，剪切力明显增大。实践中，对于已固化的贴片胶，推荐最小与最大剪切强度分别是1000g和2000g。然而业已发现，较高的粘接强度(达4000g)不会带来返工困难，因为贴片胶在返工温度下会变软。对于贴片胶的热固化还有一个十分重要的附加要求，固化温度的分布应使贴片胶内不致形成空隙。如果提高传送带速度满足生产量的需求则固化期间较快的温度变化速率可能引起贴片胶内出现孔隙。贴片胶的固化温度分布有两个重要因素：即初始上升速率(温度升高的速率)和最高温度。上升速率或贴片胶的固化速率决定了贴片胶内形成孔隙的容易程度，而最高温度则决定固化的百分比和固化后的粘接强度，这两者都很重要，但对固化时间的上升速率进行控制则更为重要。对于环氧贴片胶而言，在红外线炉的贴片胶固化安全升温速率是0．5℃／s。对于某些制造环境，0．5℃／s的升温速率可能与所需求的产量(传送带速度)相矛盾。例如：对于典型的加热炉，依据炉内的加热区及其总长，0．5℃／s的上升速率相当于传送带速度约为76