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噴射式發配技術在高密度線路板組裝中的應用

上網時間: 2001年04月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:噴射式發配技術  高密度線路板組裝  焊接球柵格陣列(BGA)  板上覆晶(FCOB)  帶封裝覆晶(FCIP) 

隨著線路板上零配件封裝尺寸不斷縮小以及密度不斷升高,電子組裝對助焊劑發配精度和可靠性方面的要求也在不斷提高。本文介紹一種噴射式發配技術,它具有極佳的邊界發配形狀,並可改進助焊劑發配的厚度控制情況。

Kevin J. Fox

William E. Donges

Nordson Electronics Systems

Email:bdonges@nordson.com.

在電子組裝生產中,無論是焊接球柵格陣列(BGA)、板上覆晶(FCOB)、帶封裝覆晶(FCIP)、多晶片模組(MCM)、或是直接晶片貼裝(DCA)封裝形式的元件,助焊劑都具有不可替代的作用。隨著這些封裝尺寸不斷縮小以及密度不斷升高,對助焊劑的發配精度和可靠性要求也在不斷提高。

目前有多種助焊劑選擇性發配方式可供製造商們挑選,如人工及自動刷塗、針式點塗、針式轉移、浸塗、絲網印刷、模板印刷以及超聲發配等,這些製程很多都可用於選擇性發配。但這些方法在多數情況下助焊劑要與基板表面直接接觸,有時還要暴露在空氣中,而另一些方式則受速度的限制,並且需要用發配光罩。因此,這些製程幾乎都不能克服助焊劑發配所面臨的各種困難,如:

  • 只在所需區域發配,同時與貼片機保持相同的生產進度

  • 在要求的區域內發配均勻

  • 發配穩定、塗層薄,且具有足夠的助焊性能

  • 助焊劑用量與殘留物都很少

  • 所要求區域以外及基準對位點上不能有助焊劑

  • 晶片周圍的無源元件不會產生污損及墓碑現象

為取代傳統的助焊劑發配技術,如今出現了一種噴射式發配,它可以形成超薄的塗層及高清晰發配邊界,精確控制助焊劑的發配量,從而解決許多助焊劑發配方面的問題。塗層薄可避免助焊劑殘留物過多,提高連接的可靠性,另外採用噴射方式使得助焊劑發配時無須作Z方向運動,因此可用於高速度、大量生產場合。

影響助焊劑選擇性發配的因素有很多,我們先給出一些關鍵變量的定義,然後對製程參數進行解釋,介紹幾種噴射方式,最後對試驗結果進行分析。

製程參數

助焊劑作選擇性發配時,有三組基本參數會影響製程過程與最終結果:

發配結果=基板參數+材料參數+發配參數

基板參數 基板參數直接影響液體材料在其表面上的流動性。鍍金觸點的周圍可能80%是裸露的FR-4基板,其餘部份是阻焊層,各種表面的表面張力不同,從而導致不同的流動特性。除表面張力外,影響流動性的其它參數包括板面平整度、通孔的數量以及表面清潔度等。

材料參數 材料參數決定了助焊劑的特性,材料的流變性由溶劑、稀釋成分、表面活性劑及活性成份等一起決定。

發配參數 這部份參數直接影響發配的最終結果,它們一直由系統控制器內發配頭上的調節器進行控制。影響製程效果最主要的發配參數包括壓力、閥門微調情況和噴嘴尺寸。

壓力:發配器採用壓力推進系統實現材料的供給,壓力的大小決定了每次材料噴出的數量,同時噴頭還要有足夠的壓力以形成適當的流量。

閥門微調:所謂微調就是指閥門的開啟量,閥門開口大小與從噴孔噴出的材料數量成正比。

噴嘴尺寸:噴嘴是噴射過程的最後一段,噴嘴有兩種不同的設計,直接影響著材料的發配量與發配形狀。噴嘴的口一般呈圓柱形,開口尺寸應根據助焊劑黏度不同而進行更換以控制發配的數量。

噴塗製程

對線路板組裝而言,目前很多種助焊劑都可以滿足各種發配方式以及對黏度的不同要求。如針式點塗製程要用非常稀(即黏度很低)的助焊劑,而絲網印刷則要用膏狀助焊劑,因此可以使用的助焊劑黏度範圍非常寬,從很低(含80%∼97%異丙醇)的液狀助焊劑到黏度超過200kcps的膏狀助焊劑。正是由於助焊劑黏度各不相同,再加上產量的要求,所以單純一種噴塗方式是無法適用於所有場合的。

目前應用範圍最廣的是點式噴射,但點噴製程通常受到基板參數和產量的制約。經驗表明,基板的表面張力對於其上所發配的助焊劑流動性有很大影響,要想使某種液體在基板表面流動,則基板的表面張力必須低於該液體的表面張力,這也說明表面張力高的基板具有防止助焊劑液滴流動的特性。反過來它又會影響產量,因為不會流動的助焊劑液點基板覆蓋面較小。

為克服這些缺陷,可以在助焊劑從噴嘴噴出後緊跟著向它噴一束氣流(圖1)。一般同軸式點噴或線噴採用錐狀氣流以幫助助焊劑的擴散,從而從根本上消除基板特性對助焊劑發配的影響。點噴是一個斷續式過程,它可以確保助焊劑覆蓋更大的面積並同時提高產量;線噴則是以?定的速率進行發配,能提高生產速度,進一步提高產量(圖2)。

點噴與同軸式點噴

在標準點噴過程中,噴頭首先沿X方向或Y方向運動,到達噴射位置後即進行噴射。助焊劑從噴嘴中噴出,在基板表面形成一個圓點,如此在每一需要位置重複該過程,以一定的順序和位置完成噴塗後就會在基板形成一定的形狀。基板上助焊劑液點之間的空隙主要取決於兩個因素──助焊劑的潤濕性和基板的表面張力。

同軸式點噴用於基板表面張力很大或具有其它不規則特性的場合。這種方法是當助焊劑到達基板表面後立即再向它噴出一束氣流,以促進助焊劑的流動與擴散,這樣無需再對基板的表面進行預處理。

點噴低黏度材料可以用不同的噴射器對發配過程進行嚴格控制。由於低黏度材料受基板表面潤濕性的限制較小,所以發配結果主要受基板表面其它特性如平整度的影響。

中等黏度材料的發配通常會比較厚,其潤濕性受基板表面特性的影響較大。

高黏度材料發配到基板表面後一般不會流動,這類材料通常用於需要不同發配厚度的場合,以保証元件與基板間形成良好的金屬結合。為滿足這些不同的要求,可以在同一位置進行多次發配,以形成較厚的塗層。

在各種基板上發配低黏度助焊劑得到的結果基本相同,主要是因為助焊劑中溶劑的潤濕特性。而對於中等黏度和高黏度材料而言,結果則表現出明顯的差異。

同軸式線噴

在要求速度高厚度薄的場合,可以在發配助焊劑的後面施加一股錐形氣流。這種方法可使助焊劑材料形成非常小的顆粒,以極薄的厚度擴散開來,同時因擴散交迭情況不同還可形成不同的噴塗形狀。

噴塗系統的組成

噴射裝置含有符合SMEMA規範的寬度可調傳送帶、三軸運動控制系統、供料系統、壓力調節裝置、電腦、顯示器及控制軟體,另外系統還有高度感測器、定位校正攝像機、噴嘴定位裝置、溫度控制裝置以及真空清洗裝置等。

噴射器是一個電動或氣動控制的螺旋管,助焊劑在?面處於完全密封的狀態,保証在整個過程中壓力穩定。這種方法能夠對低黏度材料如助焊劑進行高速非接觸式噴塗,噴射出的形狀清晰,無拖痕。

上述所有部件必須組合在一起並能夠進行控制,控制部份則將所有系統功能整合到一個用戶界面內。這個界面實際上是一個WindowsNT應用程式,可以利用電腦在上面進行設置、編程和正常運行控制。材料輸送系統是一個典型的邊緣式傳送裝置,它也符合SMEMA協議。

發配系統產量隨發配面積、噴射方式及每次需發配的數量而變化,噴射式發配的速度目前已達到3,000件/小時以上。

助焊劑配置可按生產所需數量進行調整,貯存容器的大小從10cc至20cc不等。供料系統採用密封式設計,可以防止溶劑揮發並避免外界雜質混入。

本文結論

  • 助焊劑選擇性發配有三種方式:點噴、同軸式點噴和同軸式線噴。三種方式對低中黏度助焊劑發配均能達到很好的效果,而膏狀助焊劑則只能採用點噴方式。

  • 噴塗方式應由助焊劑類型、發配面積、選擇要求以及生產速度等決定。

  • 助焊劑本身與基板表面特性是影響發配效果的兩個主要因素。基板的表面張力及平整度對助焊劑流動性能的影響比點塗過程本身的影響要大,使用低黏度助焊劑時尤其如此。

  • 助焊劑裝在密封的容器中並施加有一定的壓力,然後再送入噴射裝置,這樣可以避免因暴露在空氣中而造成助焊劑溶劑揮發及外界雜質的混入。

  • 在整個發配過程中備用助焊劑無需作Z向運動。

有多種噴塗方式可用於助焊劑選擇性發配。盡管點噴在很多場合都可以應用,但經常要受基板參數的影響。為克服這些缺陷,可以在助焊劑離開噴嘴後立刻施加一束氣流,這種同軸氣流能消除基板表面張力的影響,保証較大的發配面積並提高產量。此外,同軸點噴與線噴發配的邊緣比較清晰而且塗層很薄,可以減少甚至無需焊後的清洗。上述這些噴射製程完全可以融入到整個生產系統中,滿足工業生產對助焊劑發配的要求。

參考文獻:

1.Johnson, Curtus 1993. Process Control Instrumentation Technology, New Jersey: Prentice Hall.

2.Lewis, Richard J. 1993. Hawley's Condensed Chemical Dictionary, New York: VanNostrand Reinhold Company.

3.Munson, Bruce R., Okiishi, Theodore H., and Young, Donald F. 1994. Fundamentals of Fluid Mechanics, New York: John Wiley & Sons Inc.

4.Smith, James A. and Whitehall, Frank B. 1996. Optimizing Quality in Electronics Assembly, A Heretical Approach, New York: McGraw-Hill.





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