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胶粘剂与点胶
(Adhesives & Dispensing)

By Jeff Bowin, Brian J. Toleno, Neil Poole

随着制造商们不断强化电路板组件功能的过程,电路板单位面积的元件数也随之增加。在波峰焊接之前,双面组装必须采用表面贴片胶(SMA)将元件附着在组件的底面上。制造商们可以采用两种方式以实现组件上更高的表面贴片胶(SMA)涂敷量,即高速点胶和丝网印刷。

  液态表面贴片胶(SMA)除必须保证在高速状态下具有优异的点胶性能和模板印刷性能以外,还必须具有足够的润湿性能和湿强度,以保证在胶粘剂固化过程中元件保持正确的位置。胶粘剂固化后须具有足够的强度以保证波峰焊接过程中元件不至于脱离电路板,同时,保证焊接后胶粘剂不致影响电路的正常工作。

  胶粘剂必须保证在高速点胶过程中形成胶点,并且胶点具有一致的外形和尺寸,胶点必须具有一定的高度。胶粘剂还必须具备高湿强度、固化迅速以及固化周期内不塌落等特点,同时,在波峰焊接过程中,在保证具有高强度的同时,胶粘剂还应该具有一定的弹性,并应具有良好的热扩散阻值,同时,优异的电学性能是优质胶粘剂的关键性能。


针筒式点胶

  现阶段,点胶机可实现每小时5万胶点甚至更高的点胶速率,而新一代表面贴片胶则相应地为高速点胶过程提供了所需的材料流变性能。了解材料流变性能的适当组合是设计一台可重复性点胶系统最为重要的步骤。

  点胶过程中,贴片胶在剪切应力的作用下黏度会降低。当胶粘剂到达电路板边缘时,随着剪切力的消失,其黏度得以恢复。这种在剪切力作用下黏度随之变化的现象被称为触变性。胶粘剂的触变性机理在材料设计之初必须予以考虑,并进行预加工处理,以保证获得最优化的点胶性能,最大程度地降低点胶缺陷。引起胶粘剂产生流变的最小剪切力称为屈服点或屈服值,在无剪切力时,胶粘剂则保持原貌。屈服点通过流变学测量获得,屈服值不仅影响贴片胶的流变性能,也决定着它的湿强度。湿强度对应着胶粘剂处于液态时移动表面贴装器件所需要的应力值。屈服点可以通过流变曲线外推法而得到。如图1所示,采用相应的数学模型对流变曲线的数据进行计算,从而得出其与剪切应力所在坐标轴的截距。

  胶点的外部形貌主要取决于贴片胶的流变性能、表面张力及其润湿性能。若贴片胶屈服值较大,则相应的胶点呈现尖峰状外型,相反,若屈服值较低,胶点则呈现半球状外型。更为重要的是,胶点形状是由非胶粘剂参数来确定的。

  芯片贴装后,胶点直径必须小于焊盘间距,制造商在选择合适的胶点直径时,必须同时考虑点胶位置精度和焊盘尺寸(如图2所示)。

  胶点必须保证足够的高度以填充PCB表面与SMD器件之间的间隙,但不能过高,妨碍到贴片头的运动。需要贴片胶填充的间隙大小主要取决于印刷电路板阻焊层表面焊盘高度以及金属涂层与SMD(表面贴装器件)厚度之间的高度差。




小尺寸元件点胶

  在过去的几年中,元器件的小型化发展和0402、0603器件应用的增加,对贴片胶的点胶性能提出了更新的要求。

  随着元件尺寸的不断减小,为了保证不对焊盘造成污染,黏着元件所需的胶点直径也必须随之变小。胶点直径与点胶喷嘴内径间的比例一般为1:2,即喷嘴内径一般为目标胶点直径的一半左右。因此,0603元件所需要的目标胶点直径在0.4到0.6毫米之间,就要求喷嘴直径控制在0.2到0.3毫米之内。

  为了控制触变性能,贴片胶中一般含有适量的微粒,经精心配方的这些微粒必须保证足够微细,不至于对哪怕是最细小的针筒造成阻塞。可以用一个近似的经验法则来衡量:利用喷嘴进行点胶时,贴片胶中不能含有任何尺寸大于喷嘴内径1/3的微粒。例如,25标准尺寸(即260μm)内径的喷嘴,要实现稳定的点胶性能,贴片胶中所含微粒尺寸必须保证不超过90μm。


模板印刷

  模板印刷被广泛应用于焊料涂敷工艺过程中,而一些公司则选择把该技术用于贴片胶(SMA)沉积过程。模板印刷技术在大规模生产过程中所表现出来的生产能力优势和固定设备投资成本优势,赢得了越来越多公司的亲睐。

  近期有项研究分析了在各种条件下模板印刷性能与表面贴片胶流变性能之间的关系。上表列出了此项研究中所采用的3种贴片胶的屈服点。模板印刷中,胶粘剂的流变性能以及屈服点等因素会显著影响表面贴片胶胶点形貌特性。

  研究结果表明(见图3),在通常情况下,高屈服点胶粘剂(如材料A)较之低屈服点胶粘剂(如材料C)所得到的沉积高度要高些。

  不同的印刷方法,会对胶粘剂沉淀高度产生不同的影响。研究中对两种印刷方法进行了评估:覆盖印刷,即印刷模板被胶粘剂材料所覆盖。清洁印刷,即单个的胶粘剂小球被滚压在印刷模板上。研究采用1.0mm和0.35mm两种不同孔径6mil印刷模板。

  由图3和图4可以看出,孔径越大,覆盖印刷所得到的胶点越高。孔径越小,清洁印刷所得到的胶点越高。在小孔径下,清洁印刷能够获得更好的胶粘剂释放性能,从而保证获得更高的胶点。而在大孔径下,这一性能的影响显得并不那么重要,如在1.0mm孔径下,覆盖印刷下会有更多的材料沉积而形成更高的胶点。

  
对于具有较大离板间隙的元件,高屈服点贴片胶能够保证形成高度足够的胶点填充元件下侧间隙,这时,采用较大孔径的覆盖印刷工艺能够进一步优化工艺过程。而对于小型元件,则采用低屈服点贴片胶最为适宜。







参考文献
Toleno, B. and Poole, N., "Viscosity and Stencil Printing Behaviour of Stencil rinting Adhesives," NEPCON West, San Jose, December 2002.

作者Jeff Bowin系应用工程师,Brian J.Toleno,Ph.D,Neil Poole,Ph.D均系资深应用化学家。联系方式:Henkel Loctite公司,15051 E Don Julian Road,Industry, CA 91746;电话:(626)968-6511;Fax:(626)336-0526;E-mail:brian.toleno@loctite.com;jeff.bowin@loctite.com;neil.poole@loctite.com。


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