SMT印胶工艺能力研究

印胶工艺能力研究LeeHongKim、RickOng—DEK亚太有限公司中文审校：李亿—DEK中国有限公司[2009.7.1]在表面贴装领域，利用印刷的方式对胶水的应用是经过长时间评估并获得验证的工艺。传统的SMT胶或环氧树脂材料可以通过点胶或印刷的方式沉积到基板上[1]。本次研究工作的目的是通过分别应用印胶刮刀和封闭式印刷头系统，评估几种已商业化的胶的印刷性能，并比较采用两种印刷方式材料所表现出的印刷特性。本次研究中共选用了来自5个不同供应商的9种胶。选用的所有的胶在第一遍印刷时都表现出良好的印刷性能，但是经过连续印刷超过20块板后，其中有些胶的印刷性能明显减弱。针对如何获得最佳的印胶特性，我们提出了一些建议。此外，我们还对影响环氧树脂材料印刷品质的关键因子做了一些测试。试验研究介绍随着贴片机速度持续的增加，电路板装配的复杂程度也越来越高，即使最快的点胶机与所要求的产能之间还存有一定的差距。印刷工艺为点胶应用提供了一种具成本效益和高产能的替代解决方案[2,3]。例如，一款每块板上有1,000个点的典型产品，印刷机可以轻松地在一个印刷周期里完成所有胶点的沉积，时间大约需要25秒甚至更短。相对点胶工艺而言，生产周期可以降低40%。在本次的印刷研究中，我们采用了一个较厚的塑料模板。应用一个3mm典型厚度的塑料模板可以在装配有常见自动插件元件（AI）的产品上进行胶水印刷，且印刷面可以是插件元件引脚伸出来的一面。采用单一厚度的印刷模板的好处在于，不同尺寸和高度的胶点得以一次印刷完成，不需要模板底部清洁系统（USC）。试验研究材料基板FR4光板，尺寸为140×140×1.6mm，在印刷面没有焊盘。塑料模板本试验研究中选用一个3mm厚的塑料模板。应用这种厚的模板进行挤压式印刷获得了国际专利[4]。图1是本次研究中使用的塑料印刷模板，表1列出的是模板上圆孔的尺寸设计。该印刷模板被安装在一个被称为VectorGuard的系统上，无需另外的模板外框。与传统的印刷模板相比，这个系统可以使模板从其框架上方便地拆卸以便清洗和存放。印刷模板的设计涵盖了直径从0.4～2.5mm很宽范围的孔的尺寸，包括了制造工业中常见的胶点孔的特征尺寸。胶水样品选用9种已商业化的环氧树脂材料被应用在本次研究中，它们分别来自5个不同的供应商；在试验中为了清晰地加以区分，给每种印刷材料指定了一个编号，如表2所示。供应商2提供了三种型号的环氧树脂材料，供应商1和3分别提供了两种环氧树脂材料，供应商4和5分别提供了一种环氧树脂材料。封闭式印刷头系统先前的研究表明，使用封闭式印刷头和厚的塑料模板，环氧树脂材料的印刷的一致性和印刷速度要比使用印胶刮刀高[2]，参见图2。因为封闭式印刷头的特殊设计，其在印刷速度和质量方面要好过印胶刮刀。从首次发布开始，封闭式印刷头系统的设计随着时间的推移已经过了多次改进。在本次研究中，我们使用了最新的封闭式印刷头，它减少了空腔对胶的容量，并且印刷材料可以采用标准的注射器包装。这两点不同减少了要求填加到空腔中的印刷材料的量，也为盒式包装的印刷材料节省了成本。当然，印刷质量在变化前后是完全一样的。印胶刮刀因为使用塑料模板和封闭式印刷头具有以上优点，所以这种组合被推荐应用。通常，由于产品上需要很大的开孔，或没有封闭式印刷头的情况下，会选用传统的刮刀。在此情况下，仅推荐使用专门的印胶刮刀。与标准的胶刮刀相比，印胶刮刀在设计上有微小的差别，即其头部是平的而不是尖的，如图2所示；与传统胶刮刀相比，其获得的印刷品质更好。印刷机本试验中使用的是一台高速全自动印刷机。试验初始，对使用封闭式印刷头和印胶刮刀，进行了机器优化设置。所有的环氧树脂材料都使用印胶刮刀和封闭式刮刀头两种印刷方式印刷。表3和表4显示的是本次研究中机器的设置。值得注意的是，通常在使用金属模板时，经过几次印刷会要求用USC对模板底部进行清洁。但在本试验的印刷过程中不需要清洁模板底部，这是塑料模板优于金属模板的地方，大大减少了循环时间，但同时维持了良好的印刷质量。与印胶刮刀相比，由于其较快的印刷速度，使用封闭式印刷头也较使用印胶刮刀减少了循环时间。另外，封闭式印刷头只需一次印刷，而印胶刮刀需要来回两次印刷，增加了循环时间量测设备利用全自动显微镜量测基板上胶点的高度和胶点直径。印刷研究流程研究中印刷顺序如下：•加胶到机器中•记录所有点上都印有胶时需要的印刷次数•印刷两块板来量测环氧树脂材料的直径和高度•每种材料各印刷25块板•中断印刷30分钟后继续印刷•中断印刷30分钟后再印刷板•整个印刷过程中记录所发现的所有问题。量测位置所有的环氧树脂材料的量测采用同样的方法。量测程序有两个：一是用于量测环氧树脂材料的直径；二是量测其高度。图4显示的是针对每种材料量测的位置。每种环氧树脂材料有两组数据：其中一组是使用封闭式印刷头获得的结果，另外一组是使用印胶刮刀获得的结果。每组数据来自对两块印刷板的量测，如表5所示。印刷结果总共印刷了34块板并获得了大量的数据，先分析如下：可印刷性测试为了了解每种环氧树脂材料的可印刷性，安排了两项测试：第一项测试的机器设置见表3和表4。每项测试都使用新的环氧树脂材料，印刷模板在印刷每种材料之前都被彻底地清洁。通过这种方法定义经过多少次印刷所有的开孔都能印下胶。第二项测试是连续印刷25块板后，获得较好的印刷品质，然后中断印刷30分钟；之后再印刷一块板，然后检查是否有少胶或胶点中有气泡等缺陷。如果有类似的缺陷则将其归为失效。表6显示的是所有环氧树脂材料使用印胶刮刀和封闭式印刷头印刷的结果。一块3mm厚的塑料模板需要若干次印刷，才能将模板上所有的开孔全部填充满。表6显示，一般地，使用封闭式印刷头当基板上的点完全被印上胶，能够降低印刷次数。封闭式印刷头在保证基板被完整且稳定的印刷的情况下，平均至少减少印刷行程50%。分别分析环氧树脂材料我们发现，材料C在基板得到完全印刷之前需要更多的印刷次数；材料C的粘度较材料E要低；同样地，材料E在基板得到完全印刷之前也需要更多的印刷次数。中断30分钟后对可印刷性的测试发现，除了材料G所有材料都表现良好，G材料在中断印刷30分钟后再次印刷出现印刷不完整缺陷。另外注意到，这种失效只是在使用印胶刮刀时才会发生，当使用封闭式印刷头时，并未出现此缺陷。分析指出，这是因为印刷过程中封闭式的印刷头在胶内部产生了较高的压力，使得材料的转移效率提高。这表明，当印刷胶点时，封闭式印刷头给出了较宽的工艺窗口。粘度与获得完整印刷所需的印刷次数没有直接的相关性。这可以从材料C和G测试的结果看出来，因为C和G粘度差异很大。因此，有其他因素在影响材料的转移。材料的流变性在其中起着非常重要的作用，对于流变性的影响将在今后的试验中另做研究。连续印刷25块板的结果环氧树脂材料A和B来自同一供应商，印刷结果从胶点的高度和直径来比较非常接近。两种材料都表现出良好的印刷一致性，没有少胶的缺陷。当使用封闭式印刷头时，脱模距离小于3mm时印刷材料就完全和模板分离。而使用印胶刮刀时，脱模距离达到3mm环氧树脂材料还是没有和模板完全分离，这在大批量生产中可能会因为不完整的脱模而出现胶点坍塌或胶量不足等缺陷。曲线1显示在高度方面4组测试数据存在30%的差异，模板开孔小于0.8mm对应的胶点尤其明显；例如，直径0.6mm开孔对应的胶点，最低的点和最高的点分别为0.112mm和0.154mm，这表明对于给定厚度的印刷模板和开孔尺寸，印刷材料与印刷方式的选择对于所需胶点高度的获得非常重要。胶点的直径在曲线2被描出。从4组测试条件来看，4组测试数据差异较小，约为10%。结果显示，胶点的直径接近于模板开孔的直径，这主要是因为模板和基板之间达到了0印刷间隙的状态。在业界多数情况下PCB的表面不是完全平整的，例如，一些印刷字体会导致印刷过程中印刷模板和基板之间的密封问题。供应商2提供了C、D和E三种材料。总体上看，材料的粘度越高其获得的胶点高度越低。曲线3显示材料C通过封闭式印刷头和印胶刮刀获得的胶点高度最高，接下来分别是材料D和E。曲线4也显示出所获得的胶点直径接近于对应模板开孔的直径。当使用印胶刮刀印刷材料C时发现，连续印刷的第六块板上胶点形状不完整；而使用封闭式印刷头来印刷则没有出现同样的问题，这可以看出应用封闭式印刷头获得较好的印刷结果。同时，相对于标准的印胶刮刀，其工艺窗口也会更大。材料D和E与材料C显示出类似的印刷特性，当使用印胶刮刀时出现胶点形状不完整的现象，如胶量不足等印刷缺陷可能是因为印刷当中印刷材料不够。换成封闭式印刷头，没有发现上述印刷缺陷。材料D获得的胶点高度低于材料C，这主要是因为粘度的关系。材料A、B、C和D不需要3mm的脱模距离。建议对于粘度较高的材料设置较低的脱模距离。供应商3提供了F和G两种型号的材料，这两种材料在本次研究选用的九种材料中粘度是最低的。曲线5中所显示的这两种材料获得的胶点高度要低于材料C、D和E，如曲线3所示。在25块板连续印刷过程中，材料F和G表现出胶量不足和胶点坍塌印刷缺陷，如图5和6所示。这些印刷缺陷主要是因为在3mm的脱模距离上材料没有完整脱开。脱模距离达到3mm后基板迅速离开印刷模板，致使印刷材料没有足够时间与印刷模板完全分离。结果显示，应用于此工艺的材料的粘度不应低于100帕斯卡·秒。与前面的材料类似，所得到的胶点的直径和印刷模板的开孔非常接近，如曲线6所示。用封闭式印刷头印刷较低粘度的材料，相对粘度较高的材料，其在印刷模板上有轻微的挤出现象，从图7和图8中可以看出两者的区别。供应商4提供了H一种材料，使用这种材料获得的胶点的高度和直径和其它材料类似，如曲线7和曲线8所示。在本次研究中我们发现其呈现和材料F和G一样的缺陷，主要是胶量不足。试验中有一个重要的发现：在使用印胶刮刀印刷材料H之前，轻轻的将材料在罐内搅拌，印刷结果会好很多，没有胶量不足等缺陷。最后，我们看使用供应商5的材料J。和其它材料相比，这种材料表现出最佳的印刷性能，它在3mm的脱模距离内脱模效果很好，结果显示使用这种材料脱模距离设定约2.2mm，连续印刷25块板，获得胶点的一致性非常好，没有发现印刷缺陷。曲线9显示的是不同的模板开孔尺寸对应的胶点高度和直径。结论研究显示市场上已商业化的不同环氧树脂材料其印刷结果明显不同。粘度在200帕斯卡·秒的材料脱模效果和印刷品质较好。低粘度的材料因为不恰当的脱模，印刷结果出现少胶或胶点坍塌等缺陷。较高粘度的材料趋向胶点胶量不足，主要是将材料挤压印刷通过厚的模板增加了难度。本次研究中，较高粘度的材料获得了较低的印刷高度，需要较小的脱模距离。如材料J脱模距离为2.2mm，而获得了好的印刷品质。在其它材料上发现即使脱模距离设置为最大3mm还是不够。要获得好的印刷品质，要求印刷完成后，产品在全速下降之前，印刷材料与模板完全分离。所有材料印刷胶点的直径接近于对应无板的开孔尺寸。本次研究中印刷间隙趋近于0，基板的外形对于印刷结果的可重复性起着非常重要的作用，例如，印刷字体，标签等影响到印刷的品质。试验显示，脱模速度设置在0.1～0.5mm/s有利于较好的脱模，但是有些材料对于这些关键的印刷参数有比较大的工艺窗口。具有较高粘度的材料的印刷结果显示出与慢的脱模速度较小的相关性。厚的塑料模板具有不需要板底清洁系统的优越性。当使用塑料模板印刷所选用的材料时，封闭式印刷头在完全填充模板上开孔的最短时间，连续印刷后中断时间，提高胶点品质和胶点高度方面具有优势。对于一些材料使用封闭式印刷头可以获得较好的印刷效果，而使用印胶刮刀却不可能达到。此外，封闭式印刷头系统与印胶刮刀相比，具有更快的印刷速度和更高品质的一次通过率。综上所述，封闭式印刷头系统应用于大批量产品生产中，可以获得更高的装配良率，和宽广且稳健的工艺窗口。相比点胶技术，应用塑料模板的挤压式印刷工艺可以提升40%的产量。致谢：感谢OpticalGaging公司的RaymondGo在量测仪器的设置和验证方面给予的大力协助。同时我们非常感激对此项目提供印刷材料样品的不同供应商，对于他们的帮助和支援表示衷心的感谢！他