介紹
 

為了順利完成表面貼裝工藝，需考慮幾個方面的工藝設計。粘合劑須有良好的稠度，膠點曲線，濕強度及固化強度。設計師必須考慮表面貼裝粘合劑（SMA）膠點的大小并利用CAD或一些示教自動化系統(tǒng)來計算適當?shù)狞c膠位置。設計過程中必須考慮一些典型的SMA問題，同時，也應考慮SMA完成后可能會出現(xiàn)的問題。關于SMA（如點錫膏或環(huán)氧樹脂）的一些建議也是非常有幫助的。

SMA主要目的是粘著電路板上的元件直至完成波峰焊接。元件范圍多種多樣，可以是規(guī)格為1005[0402]的電阻器，也可以是電容器，甚至是大型集成電路元件。點膠SMA成功的標準是在焊接過程中，元件沒有從電路板上脫離。通常，由于SMA點膠得太少，使SMA無法在元件貼裝時通過蔓延到元件Pad上形成電氣連接干擾而使SMA點膠失敗。

                                               圖1：1608[0603]表面貼裝元件
 

表1：元件常見尺寸

粘合劑

良好的粘合劑需有以下特性：良好的濕強度，固化強度，稠度及膠點曲線。膠體應促使整個工藝始終保持在公差范圍內。 以1608[0603]的元件為例。 IPC表面貼裝設計標準在0.60 mm [.025”] （圖2）的land pattern pads間規(guī)定一段距離。在精度±0.08mm的標稱機器及精度±0.13mm[±0.005”]的粘合劑流向中，粘合劑實際點膠區(qū)寬度減少到了0.40mm[0.016“]，這樣可以防止粘合劑覆蓋在導電區(qū)而出現(xiàn)問題。雖然所需體積意味著帶來膠點壓扁問題,使其實際使用中受限，但增高粘合劑膠點曲線可解決部分問題。全新噴射點膠系統(tǒng)可提供更高膠點曲線。

                                              圖2：1608 0603元件Land Pattern
 

粘合劑接觸過程中所需的合理表面面積，指的是在制造過程中，能承受10到20牛頓的剪切力。在回流焊工藝中，SMA需保持元件吸附力，固化強度系數(shù)有時也取決于此工藝。


                           圖3：元件應用實例：（a）SMA不足;（b）SMA適量（c）SMA 過量
 

按體積點膠

確保適當?shù)哪z點直徑及高度的一種方法是按體積點膠。使用目前的SMA點膠法，即正排量活塞泵和噴射法，能達到*效果。因為這兩種方法都能控制體積，且相對來說，對粘合劑的粘度和比重變化不敏感。膠點實際體積可由公式推導出。導電Pad厚度通常是0.05mm[0.002’’]，該芯片的導體通常為0.025mm[0.001”], 能為壓扁的膠點提供高度（h）為0.08mm [0.003”]的圓柱形體積。 1608[0603]元件所需的zui大直徑（D）為0.40mm[0.016”]。所應用的膠點體積應當近似圓柱形，體積應為V =¼•D2H

1608[0603]元件尺寸：

                                  D =0.40mm

                                  H =0.08mm

                                  V =0.01mm³

點膠的膠點體積應與壓扁的膠點體積相同，并保證直徑不超過貼裝區(qū)和直徑精度所需的范圍。在決定SMA點膠數(shù)量時，運用此法相當簡單。在land pattern實際應用中，導電pad間的距離應比標準距離遠一些，體積應接近0.016mm³。3216[1206]元件的體積約為0.30mm³。正排量活塞泵內部安有系統(tǒng)軟件，可以簡單計算膠體比重來確定點膠體積，因此，正排量活塞泵在通過重量或其它方法確定流速后，可以不依賴粘合劑屬性進行點膠工作。噴射法使用閥門調整，在通過測試的基礎上點膠特定體積膠體。

可以看出，設計所需的粘合劑種類多種多樣，膠體制造商和應用廠商也進行各種測試來確定滿足市場需要的粘合劑。測試提供許多有價值的信息，但SMA的實際應用才是確定其適用性zui可靠的方法。因此，粘合劑制造商和應用商之間應密切配合，找到合適的膠體，滿足多種機器及機器應用的需要。

點膠方法

兩種超高速SMA點膠法是針板轉移法及絲網印刷法。噴射泵為非接觸式點膠，其工藝設計方案與點膠相似。SMA點膠法包括：

        時間/壓力泵法

        螺旋泵法

        活塞泵法

        噴射泵法
所有這些應用方法都有各自的優(yōu)缺點，在設置應用程序時，須加以考慮。

針板轉移式點膠是把粘合劑點膠到印刷電路板上zui快的方法之一。此項技術是把帶有一系列Pin腳的，同印刷板上待印焊盤或點膠位置對應的針板浸泡在粘合劑華夫盤中，浸濕Pin腳，并使它們粘附一定數(shù)量的粘合劑。針板轉移式點膠法有幾個缺點。如果pattern改變，壓印圖案的工具需重做，這樣相對來說成本比較高。但對長時間的生產運行來說，這點并不重要。打開華夫盤，粘合劑暴露在空氣中，可能會吸收水分或增加固化速率，這意味著在操作粘合劑時要非常小心。

對于land patterns小于3216 [1206]的元件來說，使用針板轉移式點膠法較為困難。

         優(yōu)點：速度快         缺點：重做工具困難成本高，粘合劑操作麻煩

絲網印刷也是一種點膠粘合劑的快速方法。絲網印刷是使用網版，通過擠壓，使粘合劑穿過網版上的孔印到承印物上。與針板轉移式點膠法相似，如果pattern改變, 壓印圖案的工具需重做，但所需成本較低，且供應商都是現(xiàn)成的。粘合劑暴露在空氣中后, 操作起來很麻煩。環(huán)境溫度改變時, 絲網印刷對粘合劑粘度變化更為敏感，與針板轉移式點膠法相比更易固化。

         優(yōu)點：快速，可以有多種尺寸的膠點         缺點：需重做工具，粘合劑操作麻煩

時間/壓力點膠法是SMA點膠的*種方法，對于確定的應用來說仍是一種可行的方法。SMA注射器通過噴嘴閥控制并加壓，可以點膠所需數(shù)量的粘合劑。此方法簡單可靠，速率高達每小時40,000個膠點，注射器中的脈沖空氣可以一直保持所需的極限條件。對于1608[0603]尺寸的元件來說, 時間/壓力法很難保持膠點大小一致。時間/壓力點膠法已證實是一種簡單有效的方法，包括清理注射器或更換噴嘴。與其它點膠法相似，它的優(yōu)點在于能靈活更換應用。

         優(yōu)點：靈活，操作簡單，容易清理

         缺點：速度影響一致性

        圖4：時間/壓力法示意圖
 

螺旋泵點膠法原理是，使用一個旋轉的螺旋泵，對粘合劑施加壓力，通過開啟或關閉螺旋電動馬達，泵出所需數(shù)量的粘合劑。螺旋泵按牛頓原理工作，一旦泵內的膠體接觸到板上，將維持均勻一致的流動。螺旋泵點膠速度接近時間/壓力點膠法，但點膠的膠點一致性更好，且對粘度變化的敏感性大約是時間/壓力法的一半。螺旋泵點膠速度主要受到機器三維空間（3D）運動控制的限定。螺旋泵的流動速率取決于針頭大小的選擇。針頭越小將產生的背壓越大，隨著粘度增加將導致各種問題的出現(xiàn)。在計算膠體的定額時，螺旋泵可以達到2%的性，但在生產中按照20%的體積精度計算。

優(yōu)點：靈活性強，適應點膠各種膠體，與時間壓力點膠法相比，對膠體中混入的空氣不太敏感。

缺點：對粘度的變化敏感，速度對一致性有些影響


圖5：螺旋泵示意圖

活塞泵點膠是施膠應用中一種真正的位移方法，在一個密封的腔體中活塞的位移地確定了所分配的膠體體積。膠的粘度變化對活塞泵的速率沒有影響。在一定的操作范圍內，針頭大小同樣不改變活塞泵的速率，針頭變小，壓力增大，如果內部的壓力超過規(guī)定范圍，可能引起其他的問題?；钊每商峁┚€性的位移量，也可設計成固定的位移，施加的膠點大小。膠點點膠多用固定式位移。如螺旋泵一樣，由于機器的3D運動控制的限定，位移泵的點膠速度是有限的。

對更大的膠點直徑，螺旋泵和活塞泵都將在速度能力上降級，但是活塞泵在高得多的流動速率下仍保持膠點的一致性，而且對各種大小尺寸的膠點都將維持40,000dph的速率。與時間/壓力和螺旋泵相比，活塞泵的一個缺點是清洗復雜，要求每周或雙周安排清洗。但隨著設計不斷發(fā)展，其復雜性會逐漸降低。

          優(yōu)點：高速時膠點一致性仍然很好，能點大膠點。                   

          缺點：清洗復雜，對膠體中的空氣敏感

噴射點膠是施膠的一個新方法。它使用一個彈簧加力針或“錘”以快速循環(huán)的方式迫使粘合劑通過針嘴。類似于固定位移活塞泵，但用高速噴射膠體。具體操作是空氣壓力將針提到膠體面上，當氣壓斷開時，彈簧將針往下驅動，迫使膠劑通過針嘴。

在針嘴和PCB的目標點之間，膠點是經過一條彈道被噴射出來。而其它分配方法，膠量的實際轉移是在膠體接觸到板并且在表面上建立濕潤效果期間發(fā)生的。由于不必有Z軸的移動來使膠體接觸到印制板上，噴射頭可在點膠的兩維方向受控，從而節(jié)省大量時間，增加速度，與螺旋泵和活塞泵相比，速度提高10~50%，且膠點的一致性相當或更好。如噴射泵在一個班次的點膠生產中，連續(xù)一致性是螺旋泵的兩倍。在膠點的高度上，噴射泵還能產生更高的膠點輪廓，這對特別小的元件具有優(yōu)勢。

機器噴射頭離PCB的高度對噴射式點膠的膠點質量很重要，但和其它的應用方法相比，噴射距離的允許誤差要大些。有些機器的噴射高度可以調整，有些機器的噴射距離是固定的，它的點膠速度更快，但膠體受力更大。

噴射泵每次只能點膠一種膠點尺寸，這種尺寸是在設置面板上預先選定好的，故噴射泵點膠速度的增加受到了一定的限制。膠點尺寸的選定必須對應于板上zui小的膠點尺寸，較大膠點是zui小膠點的數(shù)倍組成。雙頭噴射泵的開發(fā)可使這個問題得到減輕。另外噴射泵使用一、二周后就需拆卸以便清洗。當然自動清洗系統(tǒng)能減少清洗的時間和復雜性。


               圖6：噴射泵原理

          優(yōu)點：非接觸式施加膠體，對板的翹曲和高度的變化不敏感。比其他方法速度快。                                       
          缺點：大膠點多次噴射，清洗復雜。

由于設置不當或操作不當，生產中常常出現(xiàn)一些點膠缺陷。這些典型問題如下：

         拉絲/拖尾

         衛(wèi)星點

         爆米花、空洞

膠的拉線/拖尾是點膠工藝中常見現(xiàn)象。當針頭移開時，在膠點的頂部產生細線或“尾巴”，尾巴可能塌落，直接污染焊盤，引起虛焊。實踐證明控制拉絲/拖尾的方法是在滴膠針頭上或附近點進行加熱，降低粘度，貼片膠易斷開，不產生拉絲/拖尾。產生這種原因可能是由于貼片膠與施加工藝不兼容，由于噴嘴已加熱，適當?shù)恼{節(jié)噴射參數(shù)不會引起拖尾。衛(wèi)星點是在高速點膠時產生的細小無關的膠點。在接觸點膠中，通常是由于拖尾和針嘴斷開而引起的。在非接觸噴射中，因不正確的噴射高度而產生的。噴射高度是重要的工藝參數(shù)，在接觸式點膠中，如果噴射高度不適當，可能造成拖尾。這取決于自動點膠設備的加工精度和軟件控制精度以及高度傳感器系統(tǒng)的設計。

固化后，貼片膠中有空洞或爆米花現(xiàn)象，這是因為空氣或潮濕進入貼片膠內，在固化期間突然爆出或形成空洞的結果。爆米花和空洞現(xiàn)象，造成粘接強度降低，并為焊錫打開通路，滲入元件下面，造成橋接、電路短路。在注射器中，貼片膠的濕氣很少，但貼片膠長時間暴露在室內，特別是潮濕的環(huán)境中，如點膠后停留時間較長再固化，可能吸取潮氣。針式轉移法滴膠時，由于膠是開放的，暴露面積較大。貼片膠很易吸潮。 空氣的混入是不正確操作貼片膠而引起的，特別是自行灌裝的貼片膠。解決辦法是使用低溫慢固化，加熱時間較長，可幫助潮氣在固化前跑出，避免空洞形成。盡量縮短貼裝與固化之間的時間，采用低吸潮的貼片膠減少空洞?；蛴脤N片膠進行預烘干處理，消除潮氣。應嚴格按照貼片膠的儲存、管理和使用工藝執(zhí)行。對自行灌裝的貼片膠要進行脫氣泡處理。

工藝自動化

必須正確控制點膠法及表面貼裝技術才能完成此工藝。因此，需考慮一些注意事項。目前，自動化機器在點膠粘合劑及貼裝元件時使用視覺系統(tǒng)進行的對中調整。需在板子基準數(shù)量及元件間的間距基準數(shù)量之間找到平衡。通常使用CAD數(shù)據(jù)充分開發(fā)板子細節(jié)和貼裝工藝。

自動工藝控制過程中，CAD數(shù)據(jù)直接轉換并導入到軟件中，保證生產的順利進行，并減少裝配系統(tǒng)時間?？梢岳肅AD導入系統(tǒng)定位SMA膠點的實際位置，此過程須小心控制基準點和原始生產板信息。電路板管理是一項重要的設計依據(jù)。電路板形狀和大小及傳送系統(tǒng)應相互兼容。如果一個板子或一系列板子可以在面板中結合起來，那么在制造過程中會大大提高生產效率。

點膠錫膏和環(huán)氧樹脂

通過回流，錫膏*地焊接在元件上，保證了良好的電氣連接。錫膏點膠到導電焊盤上（圖2）。在SMA應用中，錫膏有好幾種點膠方法。絲網印刷是應用錫膏點膠的方法。Point點膠靈活性高，用于絲網印刷無法實現(xiàn)的應用。錫膏點膠法包括時間/壓力法和螺旋泵法。活塞泵法和噴射法已不適合目前錫膏應用，因為錫膏對分離或堵塞很敏感。

幾乎所有關于錫膏點膠的問題都與點膠頭堵塞或材料分離有關。焊料合金和磁通密度及按重量計算的合金比重是決定點膠質量的關鍵因素。濕潤的焊球表面面積應與以體積計算的合金比重成正比。錫膏含金量少85％（40％合金）似乎更適合點膠。

在選擇錫膏時也應考慮合金顆粒大小。篩孔尺寸越精細，錫膏點膠性能越好，尤其在細間距應用中尤為明顯。 在超精細間距應用中，篩孔尺寸應為-400 /+500;粗間距應用中，-325 /+500的篩孔就能滿足條件。在噴射量較大的應用中，需用大于21量規(guī)的點膠針頭，-200/+325的篩孔較為適合。錫膏顆粒越小價格越高。

 表2：適合錫膏的篩孔尺寸

焊膏儲存在3，5，10，或30毫升的注射器中。注射器越小，錫膏分離的可能性越小。錫膏分離往往是由于自動點膠設備高速攪動造成的。更大的注射器將持續(xù)更長的時間，從而更暴露導致分離的力量。注射器越大，攪動持續(xù)時間越長，就越易引起分離。在特定的應用中，注射器越小，更換越頻繁。實際的應用發(fā)展是找出注射器大小及錫膏*組合的方法。

銀膠用于芯片粘貼、取代錫膏及TAB（卷帶自動接合）。它主要執(zhí)行四種功能：它可作為粘合劑，可作為導電層，可匹配板子與芯片間熱膨脹率，以及通過良好的銀的導熱性釋放芯片區(qū)熱量。使用銀膠，盡管因攪拌而產生的分離問題仍然存在，但是閥門堵塞情況不再是什么棘手問題，因為它與錫膏同時使用。隨著時間的推移，與錫膏相比，銀膠粘度變化越來越明顯，因此，在其他應用設計中，小注射器與大注射器的選擇仍是需要解決的問題。正如預期的那樣，與表面貼裝粘合劑或錫膏相比，銀膠價格更昂貴。