技術(shù)文章--評(píng)估SMT粘合劑的關(guān)鍵參數(shù)

來(lái)源：上海銳馳創(chuàng)通電子科技有限公司 2013年07月31日 15:13

評(píng)估SMT粘合劑的關(guān)鍵參數(shù)

SMT工藝中往往忽略粘合劑的運(yùn)用。多數(shù)情況下，粘合劑的運(yùn)用仍被作為一項(xiàng)粘接元件的臨時(shí)工藝，直至焊點(diǎn)形成。當(dāng)洛克希德宣稱粘合劑點(diǎn)膠是提高工藝質(zhì)量的關(guān)鍵因素時(shí)，其評(píng)估方法和關(guān)鍵參數(shù)大多沒(méi)有正式記錄，并很少為人理解。通過(guò)評(píng)估粘合劑的測(cè)試方法，并在工程原理的基礎(chǔ)上編訂了相關(guān)選集,研究SMT環(huán)氧樹(shù)脂性能的三大類：點(diǎn)膠能力，機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境穩(wěn)健性。這些研究結(jié)果大大提高了點(diǎn)膠工藝的整體產(chǎn)量和穩(wěn)定性。

點(diǎn)膠能力

行業(yè)內(nèi)部使用的元件趨于小型化，如規(guī)格為0805，0603的元件。IPC Class3要求粘合劑材料不能與焊盤接觸。為了使0805或更小的的貼片元件也能達(dá)到此要求，應(yīng)嚴(yán)格控制膠點(diǎn)直徑，使之達(dá)到適當(dāng)尺寸。洛克希德采用活塞正排量泵技術(shù)作為粘合劑點(diǎn)膠的基礎(chǔ)。圖#2顯示了該泵的操作概念，圖#1顯示4個(gè)泵實(shí)際的揚(yáng)程配置。

研磨細(xì)度

粘合劑系統(tǒng)中的填充劑是以粒子形式存在，粒子能明顯影響材料的流動(dòng)能力。如果填充劑相對(duì)于噴嘴的內(nèi)徑較大，（一般至少應(yīng)保持1:7的比例），那么材料更易結(jié)塊而不是產(chǎn)生均勻且結(jié)構(gòu)單一的膠體。粒子尺寸可使用研磨細(xì)度塊檢測(cè)。這是在材料工業(yè)中常用的方法，參考ASTMD1210。圖＃3清楚地表明粒子大小和噴嘴口徑之間的關(guān)系。

膠點(diǎn)直徑變化

把每種受試的環(huán)氧樹(shù)脂點(diǎn)涂到測(cè)試板上，泵的參數(shù)調(diào)整好后，從每種環(huán)氧樹(shù)脂中提取14，18和30密耳的標(biāo)準(zhǔn)膠點(diǎn)。每種尺寸的膠點(diǎn)都選擇50滴進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量工具為帶視覺(jué)系統(tǒng)的三次元測(cè)量?jī)x器；；測(cè)量膠點(diǎn)直徑的平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差和Cpk值。圖＃2顯示其測(cè)量結(jié)果。結(jié)果表明，與目標(biāo)尺寸相近的環(huán)氧樹(shù)脂性能表現(xiàn)*，且它們相對(duì)于目標(biāo)直徑變化較小。

形狀計(jì)分 - 速度測(cè)試

調(diào)整每個(gè)泵使之達(dá)到*性能，提取四種標(biāo)準(zhǔn)的膠點(diǎn)直徑（即14密耳到50密耳），依次點(diǎn)涂提取的5000個(gè)膠點(diǎn)。通過(guò)目測(cè)檢查，記錄這些膠點(diǎn)所出現(xiàn)的異常情況，如擴(kuò)散，滑塌，滲出，拖尾等。通過(guò)膠點(diǎn)大小和環(huán)氧樹(shù)脂類型，計(jì)算這些偏差，并把它們定義為“百分比缺陷”。整體而言，缺陷率越低當(dāng)然越理想。

機(jī)械粘著

潛在因素：濕強(qiáng)度和固化強(qiáng)度

SMT粘合劑基本功能是機(jī)械地粘著PWB上的部件，直至完成焊接過(guò)程。粘合劑需在生產(chǎn)環(huán)境下保持固有的穩(wěn)定性，例如，點(diǎn)膠和貼裝之間或植入和固化之間出現(xiàn)稍微延遲（這些情況在工藝過(guò)程中不可避免），環(huán)氧樹(shù)脂不應(yīng)失去粘性。當(dāng)暴露在液體助焊劑，預(yù)熱溫度及芯片層流波時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂也應(yīng)保持強(qiáng)勁的粘性。

濕強(qiáng)度

對(duì)濕強(qiáng)度的拉力和切變進(jìn)行評(píng)估;先從數(shù)量上評(píng)估，再?gòu)馁|(zhì)量上評(píng)估。濕強(qiáng)度拉力的測(cè)試方法為：在測(cè)試版上用絲網(wǎng)印刷一個(gè)直徑40密耳厚10密耳的粘合劑液滴;把接桿正交地降到未固化的粘合劑上;控制接桿移動(dòng)時(shí)，使用稱重傳感器裝置記錄負(fù)荷水平。圖＃3顯示了其結(jié)果。粘合劑濕強(qiáng)度拉力越大，相對(duì)于均值變化越小越理想。

濕強(qiáng)度切變的測(cè)試方法為：將零件放入相應(yīng)的尺寸為0603, 0805，1206及TANTD的環(huán)氧樹(shù)脂液滴上。并把這些材料放在高速射片機(jī)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。這項(xiàng)測(cè)試可以對(duì)一系列不同膠點(diǎn)直徑進(jìn)行比較，并研究在加載切變的情況下其未固化的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)零件的粘著能力。

固化強(qiáng)度

扭矩和搭接切變實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)量SMT粘合劑在固化狀態(tài)下的承載性能。此外，我們也希望對(duì)粘合劑固化強(qiáng)度的曲線進(jìn)行分析。三種曲線：1）100℃，停留時(shí)間為10分鐘，2）125℃，停留時(shí)間為3.5分鐘，3）150℃，停留時(shí)間為1.5分鐘。結(jié)果見(jiàn)圖＃4。圖＃4顯示粘合劑＃8和10隨著溫度增加，粘性增強(qiáng)。粘合劑扭矩越高，搭接切變?cè)綇?qiáng)，相對(duì)于均值變化越小越理想。

有趣的是，盡管測(cè)試了多種PWB基板的相對(duì)固化強(qiáng)度（即帶有LPI阻焊的多功能FR-4，不帶阻焊的多功能FR-4，不帶阻焊的四種功能FR-4），這些材料的固化強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異。

環(huán)境穩(wěn)健性

正常生產(chǎn)環(huán)境下，SMT粘合劑必須保持強(qiáng)健的穩(wěn)定性。溫度通?？刂圃? / - 5F，濕度控制在+/ - 15％RH。根據(jù)操作指南，涂上環(huán)氧樹(shù)脂PWB一小時(shí)后才貼裝SMT零件的情況亦屬正常，例如：由于機(jī)器故障，供料器超時(shí)等原因。在此期間，環(huán)氧樹(shù)脂不應(yīng)吸收周圍水分，釋放揮發(fā)物或起皮（即部分固化）。因?yàn)樗羞@些因素都會(huì)阻礙環(huán)氧樹(shù)脂形成固態(tài)，高強(qiáng)度的機(jī)械粘合劑。

吸濕特性

吸濕性是指一種材料從周圍吸收水分的傾向。發(fā)生吸濕現(xiàn)象有三種可能的類型：1）重量減輕意味著溶劑損失。 2）重量無(wú)增減通常是空隙進(jìn)了空氣

（雖然空氣也會(huì)排出）。3）吸濕性，吸濕性是重量增減的主要原因。為了觀察反映曲線，在室溫（68°F），3％RH的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試：這里顯示的是28，50，80.28％和50％RH的測(cè)試結(jié)果。圖＃5，＃6描繪的是隨著時(shí)間的推移，幾種材料在28％和50％RH環(huán)境下各自凈重增減情況。值得注意的是幾種環(huán)氧樹(shù)脂的吸濕性- 相對(duì)來(lái)說(shuō)，能吸收大量的水分。當(dāng)它們同時(shí)與28％及50％RH的數(shù)據(jù)比較時(shí)，效果更明顯。

應(yīng)首先在測(cè)試中幾乎沒(méi)有重量增減的環(huán)氧樹(shù)脂。值得注意的是，當(dāng)暴露在各種環(huán)境下，一些環(huán)氧樹(shù)脂的重量會(huì)發(fā)生大幅度變化- 甚至才1小時(shí)就能發(fā)生巨大的變化。吸濕性的影響的是下一個(gè)測(cè)試的動(dòng)力。 “固化表面”。

固化后表面

此項(xiàng)試驗(yàn)中，把每種環(huán)氧樹(shù)脂點(diǎn)涂到載玻片上，膠點(diǎn)直徑分別為14，18和30密耳。點(diǎn)膠和貼裝之間相隔30分鐘；貼裝和固化之間也相隔30分鐘。環(huán)境溫度和濕度分別控制在68+/ - F及30+/ - 5％RH。固化后，用顯微鏡透過(guò)載玻片對(duì)每組環(huán)氧樹(shù)脂/點(diǎn)尺寸進(jìn)行檢測(cè)。圖＃3表示在一個(gè)樣品中發(fā)現(xiàn)的總的空隙數(shù)。在固化過(guò)程中，大部分粘合劑吸收的水分存于空隙中。粘合劑以不同的方式固化。值得注意的是，一些固化由外至內(nèi)進(jìn)行，由粘合劑表面吸收水分。有些粘合劑在100℃以上的溫度下固化，緩慢失去水分，盡管吸濕性很強(qiáng)，但其空隙數(shù)量很少。無(wú)空隙的材料顯然是。隨著空隙增多，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)加大?？障吨苯佑绊懻掣搅驼掣街档姆植?。空隙越多，代表助焊劑/或焊料粘附力存在的不可靠性越大。

結(jié)論

點(diǎn)膠是一項(xiàng)為大眾知之甚少的技術(shù)，通常，用戶選擇粘合劑前，沒(méi)有或很少進(jìn)行測(cè)試。即使點(diǎn)膠設(shè)備制造商也缺乏關(guān)于材料對(duì)工藝影響的知識(shí)。SMT環(huán)氧樹(shù)脂性能測(cè)試有三大類：點(diǎn)膠能力，機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境穩(wěn)健性。在每種分類中，都對(duì)粘接劑評(píng)估測(cè)試及典型結(jié)果進(jìn)行了描述。評(píng)估結(jié)果如

下：

1）在整個(gè)應(yīng)用范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)環(huán)氧膠點(diǎn)的直徑/體積進(jìn)行測(cè)試。

2）操作前，應(yīng)選擇5000 - 10,000個(gè)膠點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)評(píng)估某種材料的特性，以便掌握材料不良的特性：如擴(kuò)散，滑塌，滲出，拖尾等

3）濕強(qiáng)度及固化強(qiáng)度測(cè)試可以驗(yàn)證環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)械固定零件的能力，直至完成焊接。

4）吸濕性測(cè)試結(jié)果（即水分吸收率）與之后固化環(huán)氧膠點(diǎn)空隙的形成息息相關(guān)。

通過(guò)良好的工程范例和研究，可改進(jìn)材料性能。今后行業(yè)所用的元件越來(lái)越小，此類測(cè)試也會(huì)變得越來(lái)越普遍。關(guān)于粘合劑的其它領(lǐng)域尚未討論：如流變，保質(zhì)期，機(jī)器壽命，萃取離子和表面絕緣電阻等。除了點(diǎn)膠泵技術(shù)，適當(dāng)?shù)哪z點(diǎn)尺寸和位置也是關(guān)鍵參數(shù)。

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