Технология и оборудование для нанесения адгезива

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

На тему:

«Технология и оборудование для нанесения адгезива»

МИНСК, 2008

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ АДГЕЗИВОВ

Назначение адгезива — обеспечить фиксацию компонентов, сориентированных на контактных площадках, в процессе транспортировки и пайки, особенно при пайке волной припоя.

Основные требования, предъявляемые к адгезивам:

• высокая адгезионная способность;

• требуемые диэлектрические свойства;

• минимальное выделение летучих веществ;

• совместимость с конструкционными и технологическими материалами;

• устойчивость к термоциклическим воздействиям;

• способность выдерживать высокие температуры пайки;

• высокая скорость полимеризации без смещения компонентов;

• высокие реологические характеристики, позволяющие наносить его на поверхность ПП любым способом (трафаретная печать, капельный перенос или дозированная подача).

Выбор адгезива практически зависит от конкретного применения с учетом его специфических свойств. Например, однокомпонентные адгезивы более просты в обращении, однако выделяют летучие вещества, двухкомпонентные — требуют точной дозировки составляю­щих. Поэтому важно иметь конкретные рекомендации для выбора адгезива, удовлетворяющего требованиям монтажа.

Выбор адгезива определяется, прежде всего, методом нанесения. В настоящее время применяется нанесение адгезива методом трафаретной печати, групповым переносом капель и специальными дозаторами.  Наиболее важным свойством адгезива является его способность образовывать каплю необходимых размеров, обеспечивающую заполнение самого большого промежутка между компонентом и платой.

Применяемые адгезивы требуют отверждения. Условия и время отверждения одно- и двухкомпонентных адгезивов различаются. Однокомпонентные адгезивы отверждаются при темпе­ратуре выше 125 С, двухкомпонентные — при более низкой температуре (80-150 °С в течение 3—5 мин). Кроме термического метода отверждения, применяется сочетание нагрева с облучением ультрафиолетовым (УФ) излучением, что позволяет ускорить этот процесс. Однако такой метод может эффективно применяться только для малогабаритных корпусов, незатеняю­щих адгезив от прямого попадания УФ лучей. Оптимальное отвеждение адгезива перед нанесением флюса, припоя или перед транспортировкой ПП должно составлять не менее 70%.

Оптимальные режимы отверждения должны обеспечивать минимальную усадку адгезива и отсутствие удаления летучих веществ во время пайки. Следует иметь ввиду, что даже малая усадка может вызвать значительные напряжения и деформации компонента и платы.

В процессе эксплуатации изделия прочность соединения обеспечивается уже припоем. поэтому адгезивы могут удаляться при последующей промывке платы. Однако в ответственных случаях этого необходимо избегать, так как при задержке технологического цикла может потребоваться удаление и повторное нанесение адгезива.

В технологии ПМ адгезивы обычно изготавливаются на основе эпоксидных, акриловых и цианоакриловых смол.

Эпоксидные смолы хорошо известны в электронной технике. Для них харак­терна хорошая стойкость к растворителям, влагостойкость, возможность полимеризации ультрафиолетовым излучением, хорошее заполнение и ремонтопригодность при местном нагреве. Долговечность хранений в открытой ёмкости довольно короткая. Некоторые адгезивы изготавливаются на основе двух компонентов, требуют перемешивания, что затрудняет их практическое применение.

В настоящее время нa рынке имеется достаточно широкий выбор адгезивов. В частности, фирмой «Ероху» (Германия) разра­ботана целая гамма адгезивов на основе эпоксидных смол, например:

«Epotek H-70E-4» — полимеризуется в течение 5 мин при температуре 150 °С, выдерживает температуру до 400 °С, обладает высокими реологическими свойствами, что позволяет использо­вать адгезив при большой толщине без растекания (капля на каплю);

«Nozland UVA-123» — аналогичен по свойствам «Epotek Н-70Е-4», но может полимеризоваться как под воздействием теп­ла, так и при облучении в ультрафиолетовом спектре.

Акриловые смолы обладают хорошей влагостойкостью и устойчивы к растворителям, имеют малое время полимеризации (3 мин при 120 0С), долговечны, но они не пригодны для трафаретной печати.

Цианоакриловые смолы долговечны при хранении в открытой емкости. Для них характерна быстрая полимеризация и чувствительность к воде. Из-за посредственного заполнения использование цианоакриловых смод трудоемко.

Ряд отечественных предприятий, применяющих технологию поверхностного монтажа, опробовали в качестве адгезивов традиционные клеи ВК-9 и КБ-2 и признали их нетехнологичными из-за трудоемкости приготовления и очень длительной полимеризации. ПО «Интеграл» использует клей БФ-4 для предварительной фиксации ПМ-компонентов перед пайкой оплавлением ИК нагревом.

Возможно использование при ПМ ряда адгезивов, применяемых в толстоплёночной технологии, например:

ТКЛ-2 АУЭО.028.004 ТУ — теплопроводный клей, предназначенный для установки и крепления теплонагруженных элементов и бескорпусных ИМС на ПП, отличается хорошей технологичностью;

ТКЛ-150 АУЭО.028.011 ТУ — теплопроводный клей для сборки мощных микросборок, двухкомпонентный состав, срок годности 6 ч;

УПЛ-3 АУЭО.028.018 ТУ — быстросхватывающийся клей для прецизионного механизированного крепления. Наносится методом отпечатки без нитеобразования, позволяет производить монтаж выводов элементов до проведения процесса полного отвердения, сокращает технологический цикл;

ТПК-69, ТПК-73 и ТПК-100 АУЭО.028.021 ТУ — теплопроводные пленочные клей обеспечивают сокращение трудоемкости, срок хранения до 6 мес.

Для закрепления пассивных компонентов в прямоугольных корпусах и транзисторных корпусов (SOT) фирмой «Xerox» определена оптимальная масса капли адгезива — 0,2±0,05 мг, что обеспечивает закрепление при минимальном наплыве на контактные площадки. Высота капель должна позволять фиксировать корпуса, имеющие интервал расположения над ПП от 0,5 до 1,0 мм.

2. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ АДГЕЗИВА

Как указывалось выше нанесение адгезива производится тремя основными методами: методом трафаретной печати, групповым переносом капель и методом капельного дозированная (табл. 1).

Таблица 1. Характеристика методов нанесения адгезива

Рассмотрим особенности каждого из методов и применяемое оборудование.

Метод трафаретной печати применяется для крепления прямоугольных корпусов размером 1206 (3,05x1,5 мм) и больше. Он практически не находит применение для фиксации транзисторных корпусов (SOT), а также корпусов ИМС (SO, PLCG), для которых требуются малые размеры точек адгезива.

Метод аналогичен применяемому в технологии печатных плат. На печатную схему накладывают трафарет и адгезив равномерно наносят на определенные места печатной платы через отверстия в трафарете. Однако при своей простоте и производительности он не позволяет наносить адгезив различной высоты и его можно использовать только на ровных поверхностях. Высота нанесенного клея зависит от вязкости адгезива, а также от толщины трафарета. Трафаретный метод увеличивает расход клеевой композиции. Процесс менее гибок, так как для каждого типа плат необходимо изготовление нового трафарета. Трафаретное нанесение клея требует периодической очистки нижней стороны шаблона, так как подсохший клей препятствует точному позиционированию.

Трафареты, изготовленные из латуни, используют чаще других, потому что они являются самыми дешевыми для производителей. Для увеличения срока эксплуатации можно использовать трафарет из нержавеющей стали. Толщина трафарета определяется свойствами клея (вязкость) и расстоянием между корпусом компонента и ПП.

Для трафаретной печати применяются ручные, полуавтоматические и автоматические устройства (printer).

в ручном принтере все операции, такие, как установка платы, трафарета, нанесение адгезива, вдавливание адгезива осуществляются оператором. В конструкции предусмотрены направляющие для базирования трафарета и платы, направляющие для возвратно-поступательного движения ракиля, специальный винт для регулирования давления ракиля.

В полуавтоматическом устройстве с пульта управления оператора осуществляется установка основных параметров подачи и вдавливания адгезива (скорость и расстояние перемещения ракиля, давления вдавливания, угол наклона ракиля и др.) с возможностью их контроля в процессе работы установки. Трафарет устанавливается вручную. Более сложные устройства содержат системы визуального отображения точности совмещения платы и трафарета.

Автоматические принтеры выполняют большинство технологических контрольных операций в программно-управляемом режиме. Они эффективны для применения в средне- и крупносерийном производстве, когда необходима высокая точность нанесения адгезива (для корпусов с малым шагом выводов). Загрузка и выгрузка плат производится с помощью встроенной конвейерной системы. Все параметры печати программируются специальной программой, находящейся в памяти компьютера. Позиционирование платы и трафарета осуществляется видеоконтрольной системой.

Установлено, что наиболее оптимальной толщиной адгезива, наносимого методом трафаретной печати, является 0,2 мм. При меньшей толщине (0,15 мм) не создается необходимая прочность сцепления, чтобы удержать компонент на месте. При большей толщине (0,25 мм) может иметь место затекание адгезива на контактные площадки и дорожки. Максимальная прочность крепления компонента достигается, если адгезив выдавливается из под компонента с двух сторон на расстояние 0,5 мм. В этом случае также гарантируется незатекание адгезива на соседние проводники и контакгные площадки. Применение предварительного ультрафиолетового облучения также препятствует растеканию адгезива, так как УФ излучение быстро формирует на поверхности адгезива твердую пленку. Полное отвердение осуществляется при нагреве.

Метод капельного дозирования позволяет последовательно наносить капли различной высоты. Дозированную каплю адгезива можно наносить также и на неровную поверхность.

Суть метода заключается в том, что через специальный дозатор, представляющий собой перо диаметром 0,25—0,35 мм (рис.1.) выдавливается (пневматически, гидравлически или с помощью электрического привода) капля адгезива. Для регулировки диаметра капли обычно контролируется скорость потока жидкости.

Рис. 1 Общий вид дозатора адгезива

Для мелкосерийного производства применяются специальные ручные и полуавтоматические дозаторы. Кроме того, используются и автономные автоматические устройства.

В ручных устройствах все операции, включая позиционирование, выполняются вручную, что снижает производительность и требует высокой квалификации оператора. Применяется импульсно-пневматический метод подачи адгезива.

Полуавтоматические устройства  имеют программное управление координатографом и дозирующей головкой с возможностью управления основными механизмами со встроенного пульта Привод координатографа осуществляется от шаговых или серводвигателей, имеющих высокую точность позиционирования. Установка и снятие платы выполняются вручную, прижатие к координатному столу — вакуумным присосом или механически. Точность позиционирования обеспечивается базированием по краю платы или встроенной системой визуального контроля. Точность системы должна составлять 10% от минимально­го диаметра капли. Например, если капля имеет диаметр 1,3 мм, то точность позиционирования должна составлять 0,13 мм.

Полностью автоматические капельные дозаторы  обеспечивают полную автоматизацию всех операций. Они обычно встраиваются в гибкие автоматические линии ПМ. Додача плат производится с помощью конвейера. Программная перестройка всех систем на очередное изделие осуществляется с помощью встроенного или центрального компьютера. Дозаторы оснащаются системами технологического контроля режимов работы всех механизмов и устройств. Требования по точности соответствуют полуавтоматическим дозаторам. Кроме систем точного позиционирования по координатам Х и Y такие устройства имеют датчики расстояния пера дозатора от платы (лазерные, оптические и др.), что также оказывает влияние на форму капли и качество фиксации компонента. Контролируется и стабилизируется также температура адгезива, от величины которой значительно зависит его вязкость. Осуществляется автоматический выбор оптимальной тем­пературы в зависимости от марки адгезива.

Один из крупнейших производителей дозаторов припойной пасты и адгезива в мире в настоящее время — фирма CAMELOT (Великобритания). Этой фирмой разработан и выпускается самый быстрый дозатор (140 000 доз в 1 ч), оснащенный четырьмя независимыми дозирующими головками, каждая из которых имеет производительность 35 000 доз в 1 ч. На головках располагаются два шнековых дозатора, обеспечиваю­щих прецизионное нанесение материала (одновременно работает восемь дозаторов). Это повышает гибкость оборудования при нанесении различных размеров доз, материалов, например клея и пасты.

Отечественной промышленностью разработаны и выпускаются пневмодозаторы ЦДЖ-901, МДУ-1, Пульс-1, совмещенные смесители-дозаторы типа ГГМ 3.283.003 для двухкомпонентных клеев.

Перспективным устройством является полуавтоматический дозатор КН-901. Нанесение адгезива на поверхность осуществляется автоматически с позиционированием с помощью двухкоординатного шагового двигателя с управлением процессом от встроенного микропроцессора. Объем капли рассчитывается по времени истечения адгезива (могут использоваться и двухкомпонентные составы ). Производительность устройства — 300 капель в 1 ч.

Метод группового переноса капель адгезива заключается в одновременном нанесении адгезива на все точки поверхности платы соблюдая нужную толщину слоя. Специальный держатель с определенно установленными иголками опускается в емкость с адгезивом, уровень которого должен быть постоянным. В зависимости от диаметра иголок забирается некоторое количество адгезива (рис.2). Далее держатель приподнимается и совмещается с печатной платой. При касании платы на ее поверхности в соответствии с топологией остаются капли адгезива. Адгезив должен обладать точно определелённой и постоянной вязкостью, поэтому к нему предъявляются повышенные требования и не все типы адгезивов им удовлетворяют. Необходимо иметь ввиду, что при таком способе объем капли может увеличиваться из-за «обрастания» иголки остатками адгезива. Поэтому необходима постоянная очистка оснастки.

1 — ванна с адгезивом; 2 — держатель с набором игл; 3 — плата печатная

Рис. 2 Нанесение адгезива методом капельного переноса:

Рассматриваемый метод наиболее эффективен для крупносерийного производства, когда объем выпускаемых однотипных изделий большой (оснастка должна изготавливаться или переналаживаться для каждой новой топологии). Оборудование, реализующее метод просто в использовании, ремонте и обслуживании, имеет сравнительно низкую стоимость.

Как уже упоминалось, отверждение адгезива осуществляется в зависимости от состава при удалении или протекании реакции полимеризации. При этом применяются два метода активации: термическая и совмещенная, облучение ультрафиолетовым излучением с последующей термической обработкой. Наиболее широко используется полимеризация при нагреве в конвекционных печах (парогазовой фазе) или в инфракрасных печах. В конвекционных печах процесс происходит при более низких температурах, но требует более длительного времени. За счет меньшей инерционности нагрева инфракрасные печи позволяют проводить полимеризацию при более высоких температурах за более короткий промежуток времени (3-5 мин. При 120-100 °С). Кроме того, эти методы успешно применяются для пайки ПМ - изделий.

Полимеризация в ультрафиолетовом излучении, как отмечалось выше, чаще всего применяется в комбинации с нагревом. При ультрафиолетовом облучении на поверхности адгезива образуется затвердевшая пленка, препятствующая его растеканию на соседние конструктивные элементы печатного монтажа.

ЛИТЕРАТУРА

1.            Технология поверхностного монтажа: Учеб. пособие / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфриев Л.П. и др. – Мн.: «Армита - Маркетинг, Менеджмент», 2000.

2.            Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П. Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. – Мн.: Выш. шк., 2002

3.            Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. - М., 2006.

4.            Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры М.:Радио и связь, 2006.-176с.