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    用于微电子封装的电子胶粘剂及其涂覆工艺

    发布时间:2019-06-12 点击:

      王志,秦苏琼,谭伟

      (连云港华海诚科电子材料有限公司袁江苏连云港222047)

      摘要

      介绍了电子胶粘剂及其涂覆工艺,其所涉及的工艺有大量式点胶,接触式点胶(ContactDispensing),非接触式点胶,总结了各种分配技术的优缺点,指出了不同分配技术的适用情况,提出电子胶粘剂涂覆工艺技术方案。

      前言

      目前,微电子产业已经逐步演变为设计、制造和封装三个相对独立的产业。微电子封装技术即半导体封装技术,又称先进集成电路封装。半导体封装包括组装(Assembly)和封装(Packing)两个方面,它是将数万计的半导体元器件组装成一个紧凑的封装体,与外界进行信息交流,它的基本功能包括电源供给、信息交流、散热、芯片保护和机械支撑。半导体封装一般可分为4个主要层次:

      零级封装———芯片层次上的互连

      一级封装———芯片(单芯片或者多芯片)上的I/O与基板互连

      二级封装———封装体连入印刷电路板或其它板卡

      三级封装———电路板或其它板卡连在整机母版上

      在半导体封装和其他微电子工业装配领域,胶粘剂涂覆是其中的一道重要工艺,其性能的好坏决定着电子产品品质的优良。随着微电子封装技术不断发展,器件尺寸越来越小,安装密度越来越高,新型封装技术不断涌现,对电子胶粘剂的涂覆工艺的精度、速度和灵活性提出了更高的求。

      1电子胶粘剂

      1.1电子胶粘剂分类

      微电子封装用电子胶粘剂按封装形式可分为半导体IC封装胶粘剂和PCB板级组装胶粘剂两大类。半导体IC封装胶粘剂有环氧模塑料(EMC),LED包封胶水(LEDEncapsulant),芯片胶(DieAttachAdhesives),倒装芯片底部填充材料(FlipChipUnderfills),围堰与填充材料(DamandFillEncapsulant)。PCB板级组装胶粘剂有:贴片胶(SMTAdhesives),圆顶包封材料(COBEncapsu-lant),FPC补强胶水(FPCReinforcementAdhe-sives),板级底部填充材料(CSP/BGAUnderfills),摄像头模组组装用胶(ImageSensorAssemblyAd-hesives),敷型涂覆材料(conformalcoating),导热胶水(Thermallyconductiveadhesive)。

      电子胶粘剂按固化方式可分为热固化,UV固化,厌氧固化,湿气固化,UV固化+热固化,UV固化+湿气固化等。按材料体系可分为环氧树脂类,丙烯酸酯类及其它。

      电子制造上常用的胶粘剂有环氧树脂,UV(紫外)胶水,热熔胶,锡膏,厌氧胶,双组胶等。环氧树脂一般通过高温固化,固化后粘接力大,广泛应用在功能器件的粘接,底部填充Underfill等工艺上。在电子制造业中环氧胶的生产厂家有美国汉高旗下的乐泰,日本富士,华海诚科,回天等。UV胶通过紫外光固化,其污染小固化快,在一些包封点胶,表面点胶等领域应用最广,目前UV胶制造厂家有汉高乐泰,信友,德邦,华海诚科,海斯迪克等。芯片封装中固晶胶其对胶水的粘接能力,导热率,热阻等都有要求,在芯片封装中特别是LED芯片封装中,美国道康宁胶水应用最为广泛,国内华海诚科,回天,长信,德邦,鑫东邦等公司也在投入研发生产专用芯片固定的胶水来代替国外产品。热熔胶是结构PUR胶水,其有低温自然水汽固化等特点,固化快,无毒无污染,由于其独特优点正在逐渐代替其他类型胶水,目前推广较好的热熔胶有3M,汉高乐泰,富乐,威儿邦等。

      1.2选择胶粘剂需考虑的因素

      胶粘剂的重要特性包括流变特性(黏度、触变性、抗塌陷性及拖尾性、储存期/条件及有效寿命)和机械特性(黏滞性、机械强度和耐热性、固化周期、电性稳定性等。

      (1)选择胶粘剂时首先要保证符合环保要求,然后再综合考虑胶粘剂三方面的性能:固化前性能、固化性能及固化后性能。

      (2)因双组份胶粘剂需要在适当时间混合到适当的比例,增加了工艺难度,因而应优先选用单组份系统。

      (3)优选便于与绿油及电路板材料区分的有色胶粘剂,因为可以很快发现是否缺件、胶量多少、是否污染了焊盘/元件、空胶等,便于工艺控制;胶粘剂颜色通常有红色、白色和黄色。

      (4)胶粘剂应有足够的黏滞性及湿度,以保证胶粘剂固化前元器件与电路板粘接牢固。两者通常随黏度而增加,高黏滞性材料可防止元器件在电路板贴装及传送过程中发生活动。

      (5)对印刷工艺,胶粘剂涂覆后应有良好的抗塌陷性,以保证元器件与电路板良好接触,这对于较大支撑高度元器件如SOIC及芯片载体而言尤为重要。触变性好的胶粘剂,其黏度范围通常为60~500Pa·s,高触变率有助于保证良好的可印刷性及一致的模板印胶质量。

      (6)对印刷工艺,胶粘剂应选择能够在较长时间暴露于空气中而对温湿度不敏感的胶粘剂,如某些新型胶粘剂的印刷寿命可达5天以上,且印刷工艺中将剩余的胶粘剂材料存入在容器中,可以再次使用。

      (7)应优选那些可以在较短时间及较低温度达到适当连接强度的胶粘剂。较好的胶粘剂其固化时间及固化温度一般都在30~40s,120~130℃。焊接前后的强度应足以保证元器件粘结牢靠并有良好的耐热性,有足够的粘结力承受焊料波的剪切作用。温度应低于电路板基材及元器件可能发生损伤的温度,通常应低于基材的玻璃化转变温度,此温度以75~95℃为宜。连接强度太大会造成返修困难,而太小则起不到固定作用。

      (8)应尽可能首次完全固化。固化期间不应有明显收缩,以减小元器件的应力。固化时不应有气体冒溢,以免气孔吸取助焊剂及其它污染物,降低电路板的可靠性。

      (9)固化方式比较对于较宽大元器件,应选择UV-热固化方式,以保证涂胶的充分固化。典型的固化工艺是UV加IR辐射固化,某些胶粘剂用IR固化的时间可达到3min以下。同时,某些胶粘剂在低温加热时并不能很好地固化,因而也需要联合式固化工艺。

      (10)胶粘剂在固化后便不再起作用,但应不影响后续工序如清洗、维修等的可靠性。

      (11)固化后应具有良好的绝缘性、耐潮性和抗腐蚀性,尤其是在潮湿环境下的耐潮性,否则有可能发生电迁移而导致短路。

      2 胶粘剂的涂覆工艺技术

      微电子封装工业中包含许多的胶体涂覆技术,一般用来完成点的点胶,线的点胶,面(涂覆)的点胶。根据胶粘剂涂覆技术的特征常用的涂覆技术可分为大量式点胶(MassDispensing),接触式点胶(ContactDispensing),非接触式点胶(Non-ContactDispensing),每一类又有衍生出几种方式,如图1所示。

      2.1大量式点胶(MassDispensing)

      大量式点胶又分为针转移和印刷法两大类。

      2.1.1针转移

      针转移采用特制组合针头吸取胶液后可一次完成整块基板的布胶涂敷工作,是大批量生产时最简单的涂覆工艺。首先根据基板上需要点胶的位置定制专门的针阵列,需要涂覆胶粘剂时,将针阵列的针头上沾取适量的胶粘剂,转移到基板上,针头下移,胶粘剂涂到基板上,这样一块印刷电路板所需的胶滴一次全部滴涂完成。

      针转移技术适用于大批量生产的场合,点胶速度快,操作容易。缺点是,针移法因工装夹具昂贵,换产缓慢;材料易受环境影响;点胶精度不高,涂覆一致性差,质量难以控制。不适合高精度及大胶点高度等,在实际生产中应用不多。

      2.1.2印刷法

      印刷法利用专门制作的丝网或模版一次完成整块基板的布胶操作。印刷法一般可分为丝印法及模板印刷法,丝印法因涂覆质量等原因在实际生产中应用不多,主要是模板印刷法。主要应用在印制电路板大批量进行表面贴装(SMT),不需要经常修改的场合,所分配胶体一般为焊膏、浆料等高黏度材料。

      近年来模板印刷逐渐成为一种可靠而廉价的涂胶工艺,而胶粘剂新材料/新特性的开发使印胶工艺更为可行,模板印刷法正逐渐成为高产量组装需要的首选工艺之一。印刷可以同时涂覆所有的胶滴,但基板表面必须平坦,一定不能有突起,因为突起将阻碍丝网同基板的接触。印刷工艺不能用于已经装有插装器件的混装板。模板印刷通过控制模板的厚度和开口尺寸也可获得理想的涂覆直径和高度。由于印刷工艺的缺点,分别是胶粘剂暴露于空气中、需要频繁清理丝网掩模或漏板及容易在PCB上形成污点,难以印出最理想的胶滴。

      2.2接触式点胶工艺(ContactDispensing)

      接触式分配技术是通过针头在z向运动使粘附在针头端部的液滴与基板接触,依靠液体黏滞性和界面力作用实现液滴向基板的转移。接触式点胶根据其驱动源不同又可分为:气压驱动的时间压力型,电机驱动的螺杆泵式和电动微注射式两种。接触式分配技术可操作液体种类广泛,尤其适合分配膏状、浆料类等中高黏度的液体材料。

      (1)时间-压力型接触式分配技术,该技术目前使用最广泛,它是随着SMT的发展最先引入的技术而且被业界广泛接受,使用历史较长。早期时间-压力型液体分配系统基于气压直接驱动原理工作,即压缩空气直接施加在注射筒内液体材料上部,并驱使液体从针头内流出。其主要的优点有:结构及原理简单,使用及维护成本较低;料桶和针头更换方便,通过更换零部件可滴出不同量的胶液;设备清洗和维修方便;系统灵活,可用点涂不同黏度的胶液。

      基于气压直接驱动原理的液体分配过程是一个时变参数动态系统,随着分配过程的进行,注射筒内原材料将不断减小,气体体积不断增大,这导致在同样的动作时间和压力下,分配材料体积呈现减小趋势,增大了控制难度,难于点出一致性良好的微小胶点。此外,空气的可压缩性、控阀的响应特性等严重限制了分配精度和工作效率的提高。该种方法多用于分配高黏度材料,当流体黏度降低后,面临脉冲式气压直接击穿液体造成针头虚喷的问题。

      为了避免气压直接驱动式的缺点,产品制造商开发了一系列气压活塞操控型液体分配阀,其原理是用恒压空气将液体材料挤压进分配阀内,用另一路脉冲气压控制活塞的往复振动,当活塞抬起时将打开流动通道,液体在压力作用下从针头内流出,当活塞落下时将切断液路,已挤出液体可在基板上形成点、线或图案。和气压直接驱动型相比,该种方法分配效率较高,液滴体积较小,可分配液体黏度范围较大。如EFD公司的隔膜阀式胶头点胶速度可达500点/min;滑阀式胶头在大压力驱动下,能够对粘合剂、银浆的高黏度胶体实现分配;针阀式胶头适用于中低黏度胶体,可点出0.18mm直径的微滴,在微电子制造等需要精密微量分配场合得到重要应用。

      时间压力型点胶具有结构简单,操作方便,价格低廉,在普通点胶行业广为应用。目前国内自动化公司都推出自已公司的点胶控制器,而且价格低廉。时间压力型点胶机全球应用最广的是日本武藏时间压力型系列产品,MS-1(基础型用于廉价点胶),ML-5000XⅡ(MS-1基础上增加数显),ME-5000VT(ML-5000XⅡ基础上增加气压,流量反馈功能)。

      (2)螺杆泵式点胶:又叫阿基米德螺栓法。螺杆泵式点胶分液技术,它是通过螺杆旋转带动胶液往针嘴处流动,并挤出完成点胶。螺杆泵式点胶在结构上利用伺服电机提供驱动压力,可以在保持一致性的情况下对黏度较高的胶液进行分液。该胶液分配技术是目前发展最快的技术之一,在市场上的份额不断增加,而且在很多应用上正替代时间压力式。

      这种点胶方式的优点是:适应范围广,可以用来点涂不同黏度的胶液,该技术驱动力大,适于分配如焊膏、银浆等特高黏度的胶体类材料;胶点受螺杆旋转和针头直径的影响,因而可以通过调节这些参数,产生不同大小的胶点以适应不同的需要;螺杆泵不但可以用来产生一系列均匀的胶点,还可以画线和画出不同轮廓的图案。该技术不但可以用于滴涂贴片胶,也可以应用在诸如围坝、填充、底填料、粘结剂和焊膏涂布等具有高精密要求的大批量工业化生产当中。缺点是:螺杆泵式点胶分配过程对温度变化、胶内气泡敏感,较时间压力法需要更多的清洗,设备投资较大。

      在点胶市场上主要有两种类型螺杆泵点胶阀,一种是含定子螺杆泵,另一种是无定子螺杆泵。含定子螺杆泵优点是可以对全黏度胶液进行点胶,点胶体积几乎只受螺杆转动角度控制,可以实现非常高精度点胶作业。由于设备加工精度高,含定子螺杆泵德国Viscotec公司生产的Preflow系列最好。无定子螺杆泵其结构简单,对中高黏度点胶精度控制高,特别适合焊膏点胶、银浆点胶和高黏度硅胶点胶。最常见的无定子螺杆泵厂家有美国诺信,日本武藏,美国泰康,韩国世宗和国内高凯精密机械等。

      (3)活塞式点胶。活塞式点胶基于直线位移原理,是一种正向位移的点胶方式。采用类似活塞-气缸的机构来点胶,通过活塞挤压针管内胶体使其流出,特别适合中、高黏度的胶体。点胶量主要由活塞位移大小决定,对胶体黏度、温度、和压力不敏感,在高速时有很好的一致性,重复性高,特别适合小体积连续点胶。缺点是:设备需要经常清洗,而且清洗流程较复杂;每一点胶系统所滴胶点的尺寸固定,点较量大小不好调节,灵活性稍差;对针管容腔内气体敏感,对密封性要求很高;点胶频率难以提高;胶液中包含较大的微粉时不适用,只适用于滴点,不适合于画线或绘制轮廓图案。目前活塞式点胶阀应用最广的为日本武藏MPP-1型柱塞泵。在LED灯珠荧光粉点胶作业中以打点为主,对精度要求高,而且点胶过程中不能污染荧光粉,国内LED荧光粉点胶大多采用MPP-1柱塞泵或者与其相似的产品。

      2.3非接触式喷射滴胶

      目前非接触式喷射滴胶按其驱动方式不同可分为:气动驱动式喷射点胶和压电驱动式喷射点胶。喷射点胶技术,通过动量使胶水高速喷射至基板上并形成微点,由于不再需要针头点胶中用于克服胶水附着实现点胶的z轴运动,喷射技术大幅度提高了点胶速度。当从一个点胶位置转移到另一个位置的时候,喷射是在飞行中完成,可以在非常紧凑的区域和非粘胶区域很小的地方等苛刻工况下完成的点胶操作。由于喷射式点胶技术具有分配速度快,一致性好,液滴微小的特点。目前在小批量高精度的半导体装配上得到了应用。例如:非接触式点胶在电子行业如linebar灯条上应用非常广泛。Linebar行业的用胶点在PC透镜与PCB的粘接,快速定位点胶,单个点点胶速度可以在5ms完成。

      由于高频电磁阀结构原理的限制,气动驱动式喷射阀最大工作频率为333Hz。国际上推出气动喷射点胶阀的公司及相应型号有武藏的Aero-Jet、美国诺信Asymtek的DJ9500、美国泰康公司的9000、深圳轴心自控有限公司的Jet-6000、Jet-7000等。随后上海力桥自动化有限公司,常州高凯精密机械有限公司等陆续推出相应产品。压电驱动式喷射点胶具有响应速度快、输出位移精度高等特点,点胶一致性在±2%,最高频率可达40kHz,主要应用于油墨喷印、UV胶喷印、银浆喷印中。

      3不同胶黏剂涂覆工艺的比较

      目前,各种胶粘剂涂覆工艺技术在适用黏度范围、分配速度、微滴体积等方面均各有优势,在不同场合得到应用。对比不同分配技术,可得出如下结论:

      (1)分配胶粘剂黏度适应情况不同。液体驱动方法的差异,导致各种分配技术适用黏度范围不同。如螺杆泵式分配技术驱动力大,适合分配焊膏、含微粒浆料等特高黏度的胶体类材料;而非接触式分配技术分配高黏度液体的能力较差,仅适合分配低中等黏度类液体材料。

      (2)可分配液滴体积不同。接触式分配技术一般获取的液滴体积较大,实际应用中,多用于大剂量液体材料需求场合。非接触式分配技术可获取更微小的液滴。另外,现有技术在分配更高黏度液体时,可分配的最小微滴体积往往呈现增大趋势。

      (3)分配速度情况不同。非接触式分配技术不需要喷嘴在z向移动,省略了液体与基板接触后的停滞时间,因此具有更高的分配效率。一般,低黏度液体材料更容易实现高速分配,随着液体黏度的增大,需要的驱动力、单滴分配时间都将增大,从而影响了分配速度的提高。

      (4)工作可靠性不同。基于接触式分配技术的液体分配过程更容易受到如针头位置、基板表面质量、物理空间障碍等外界因素的影响,其工作可靠性低于非接触式分配技术。另外,非接触式分配技术和系统对物理空间环境要求低,更适合在紧密空间、高密度分配场合应用。但非接触式喷射系统复杂,控制麻烦,维护费用及设备成本高。

      可见,不同液体分配技术在工作特性方面差异很大,微量液体配场合众多,要求不一,使用液体材料类型广泛。因此,充分考虑具体应用环境,结合流体类型及经济条件等因素,选择合适的微量液体分配方法显得至关重要。

      4结论

      本文介绍了目前电子胶粘剂涂覆工艺发展及应用现状,总结了各种涂覆工艺的优缺点,指出了不同分配技术的适用情况。如今胶粘接技术为了适应更加苛刻的工作环境,满足更加精密的技术要求,提出了新的发展方向。胶滴的微小化、系统的自动化,点胶阀的非接触化以及胶粘剂黏度兼容化成了精密点胶技术新的研究方向。

      (1)胶滴微小化。随着微电子技术的发展,微装配面对的零件也变得越来越小,就要求点胶系统得到的胶滴要向微小化方向发展。

      (2)点胶系统自动化。我国许多行业中自动化程度并不高,在微小装配中绝大多数是利用工人的技术和工作经验来完成粘接的,因此,点胶量的波动很大,一致性难以保证,提高点胶系统的自动化程度有重要意义的。

      (3)点胶阀非接触化。传统的点胶系统一般采用的是时间/压力式、螺杆泵式以及活塞式点胶阀。接触式的点胶阀除有一致性难以保证、难以维护等缺点之外,还很难实现狭小空间中的点胶操作,喷射点胶技术不但克服了空间的局限性而且消除了z轴方向上的移动,并具有点胶速度快、生产效率高、一致性好、响应速度快等优点,因此点胶分液技术正在经历一场由接触式向非接触式的转变。

      (4)胶粘剂黏度的兼容化。胶粘剂的黏度是影响点胶质量的一项重要因素,黏度过低时,在喷射点胶过程中很容易发生飞溅;黏度太高,表面张力过大,又很难形成较小的胶滴,也容易发生拉丝、堵塞喷头、喷头边缘黏滞等问题。一种点胶系统如果能够适用于多种黏度胶粘剂,不仅可以降低设备成本,而且可以缩短生产周期。

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