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工藝分析與優(yōu)化

馮志攀 張然 付志凱 王冠

（華北光電技術(shù)研究所）

摘要：

紅外探測器框架涂膠工藝具有膠粘劑種類多、涂膠精度要求高等特點(diǎn)，難以同時(shí)兼顧工藝效率和工藝效果。為了探索較優(yōu)的涂膠工藝，基于一種框架，對比分析了手工涂膠和絲網(wǎng)印刷兩種涂膠工藝對框架芯片粘接工藝效果的影響。結(jié)果表明，絲網(wǎng)印刷涂膠和手工涂膠工藝均能滿足膠粘劑正常固化、耐受１００次溫度沖擊、電路片四周溢膠均勻的基本要求。當(dāng)絲印網(wǎng)版為集中穿孔模式時(shí)，絲網(wǎng)印刷涂膠工藝下的膠層氣泡率小于１％ ，是手工涂膠工藝的０．０９ 倍。使用不同的膠粘劑時(shí)，手工涂膠工藝效果不受膠粘劑的填充物直徑變化的影響，而絲網(wǎng)印刷更適合含有小直徑填充物的膠粘劑。最后，根據(jù)網(wǎng)版設(shè)計(jì)的迭代數(shù)據(jù)，提出了漏印面積的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為精確、快速的網(wǎng)版設(shè)計(jì)提供了支持。

０ 引言

表面貼裝技術(shù)（ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳＭＴ ）是一種通過膠黏劑或焊料把電子元器件和印制線路板相連的組裝技術(shù)。在紅外探測器中，框架是芯片的物理載體，芯片與框架之間多采用ＳＭＴ 中的膠黏劑粘接方式進(jìn)行封裝。框架涂膠工藝是以一定的分布方式和用量將膠黏劑精準(zhǔn)涂覆在芯片粘接區(qū)域的工藝過程。芯片粘接區(qū)域四周分布有密集的焊盤，框架焊盤與芯片焊盤需要進(jìn)行電學(xué)連接。因此，框架涂膠工藝不僅要保證框架與芯片的有效粘接，而且還不能對后續(xù)的焊接工藝產(chǎn)生影響。這就要求涂膠工藝具有較高的精度。此外，該工藝過程還受到框架形狀尺寸差異大、膠黏劑種類多等因素的影響。綜上所述，框架涂膠是制約工藝效果和工藝效率的關(guān)鍵步驟。

手工涂膠和絲網(wǎng)印刷（絲印）工藝是ＳＭＴ中常用的涂膠工藝。為保證粘接質(zhì)量，涂膠工藝有膠層氣泡少、用膠量精準(zhǔn)、膠層分布均勻的要求。但與傳統(tǒng)的印制線路板不同，紅外探測器框架具有表面不平整、涂膠面積大的特點(diǎn)，而且不同膠黏劑的物理化學(xué)性能差別大，紅外探測器芯片封裝過程受到框架涂膠工藝的制約。為了提升紅外探測器框架涂膠工藝的效率及效果，本文從裸膠層的特點(diǎn)、電路片貼裝后的膠層厚度、電路片邊緣溢膠情況、膠層氣泡情況、工藝成本等角度，對手工涂膠和絲印涂膠工藝進(jìn)行了對比分析。最后根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)一步從工藝和設(shè)計(jì)的角度對絲印涂膠工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1工藝操作與測試分析方法

1.1工藝操作

1.1.1涂膠工藝

手工涂膠工藝是在體式顯微鏡下用挑膠針在框架涂膠區(qū)域上涂抹膠粘劑。絲印涂膠工藝是將尼龍網(wǎng)版或不銹鋼網(wǎng)版作為絲網(wǎng)。圖１（ ａ）中的紅色區(qū)域?yàn)槁┯^(qū)域，采用集中穿孔模式。圖１ （ ｂ ）中的紅色漏印區(qū)域采用分散穿孔模式。兩種模式的漏印面積相同。不銹鋼網(wǎng)版的厚度為 ０．０８ｍｍ 。具體工藝過程如下：將框架與網(wǎng)版固定；在網(wǎng)版上涂抹膠粘劑后，用刮板以一定的角度勻速緩慢刮過涂膠區(qū)域；移開網(wǎng)版，涂膠工藝完成。除特殊標(biāo)注外，本文所用的絲印網(wǎng)版均為采用集中穿孔模式的不銹鋼網(wǎng)版。

1.1.2電路片貼裝工藝

本文用電路片代替芯片來模擬芯片貼裝的過程。將電路片放置在完成涂膠的框架上，向電路片表面施加一定的壓力，使其四周均勻溢膠。將貼裝后的框架和電路片置于烘箱中固化。

1.2 測試分析方法

實(shí)驗(yàn)采用 Ａ１１框架。實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過清洗工藝處理。使用萬分位天平稱量 １＃環(huán)氧膠、 ２＃環(huán)氧膠和凝膠，并分別將其置于甩膠機(jī)中除去氣泡以備用。每種涂膠工藝重復(fù)涂膠３次。具體測試方法如下：

（１ ）裸膠層厚度。在工具顯微鏡下測量膠層四角和框架表面的 Ｚ相值。兩者相減的絕對值即為裸膠層厚度。

（２ ）電路片貼裝后的膠層厚度。在有膠和無膠的情況下進(jìn)行電路片貼裝，使用工具顯微鏡測量電路片四角的 Ｚ 相值。兩者相減的絕對值即為電路片貼裝后的膠層厚度。

（３ ）四周溢膠情況。在體式顯微鏡下觀察電路片四周和四角溢膠情況。膠粘劑爬上電路片、外溢到框架焊盤上或電路片四角無膠等情況均為不合格。電路片四周均勻溢膠為合格。

（４ ）貼裝后膠層內(nèi)的氣泡情況。用透明的寶石片代替框架。以兩種涂膠工藝在寶石片上涂膠，與電路片完成貼裝工藝。在寶石片背面觀察膠層內(nèi)的氣泡情況，用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ軟件測量和計(jì)算膠層內(nèi)的氣泡率。

（５ ）絲印對多種膠粘劑的適用優(yōu)化。基于不同漏印面積的絲網(wǎng)，在框架上涂膠后，貼裝

電路片。通過電路片四周溢膠情況得出三種膠粘劑的最優(yōu)漏印面積。

（６ ）膠粘劑固化和溫度沖擊試驗(yàn)。膠粘劑于烘箱固化后，在顯微鏡下檢查固化情況。完成液氮 １ｍｉｎ 、常溫 ３ｍｉｎ 的溫度沖擊 １００ 次，檢查電路片與框架的粘接情況以及膠粘劑表面是否有裂縫。

（７ ）數(shù)據(jù)處理。本文設(shè)手工涂膠工藝的裸膠層內(nèi)部厚度的平均值為 ａ（ ａ＝１ ），其它的膠層厚度 以ａ 為參 考。然后 對它 們進(jìn) 行對 比分析。

2手工涂膠與絲網(wǎng)印刷工藝的對比分析

2.1裸膠層的特點(diǎn)分析

如圖２所示，手工涂膠時(shí)裸膠層呈現(xiàn)四周高、中間低的特點(diǎn)。在顯微鏡下觀察，膠層表

面不光滑。絲印涂膠工藝中，膠層表面平整光滑，四周和內(nèi)部的膠層厚度相近，呈現(xiàn)輕微的

下凹狀態(tài)。網(wǎng)版為不銹鋼材質(zhì)時(shí)，膠層厚度ｈ２ 顯著增加，這是因?yàn)椴讳P鋼網(wǎng)版的厚度大于尼龍絲網(wǎng)的厚度。絲印涂膠工藝的內(nèi)部膠層厚度約為手工涂膠工藝的３～５倍。

2.2電路片貼裝后的膠層特點(diǎn)分析

膠層厚度影響探測器芯片的高度。從圖３（ａ）中可以看出，貼裝電路片后，兩種不同涂

膠工藝下１＃ 環(huán)氧樹脂膠層的厚度 ｈ１ 有差異。其中，手工涂膠工藝的 ｈ１ 略小于裸膠層厚度 ｈ２ 。手工涂膠工藝的膠層厚度呈現(xiàn)四周高、中間低的特點(diǎn)。芯片貼裝過程中，電路片四周快速溢膠，向電路片施加的壓力小。絲印網(wǎng)版采用集中穿孔模式，膠粘劑集中在涂膠區(qū)域中心，向電路片施加的壓力大。這可能是導(dǎo)致手工涂膠膠層厚度更大的原因。另外，從圖３ 中還可以看出，手工涂膠工藝ｈ１ 的一致性低于絲印工藝。

芯片四周的溢膠現(xiàn)象是芯片與框架完全粘接的直觀表現(xiàn)。膠粘劑用量過多時(shí)，芯片貼裝后膠粘劑被擠壓到焊盤上，或上溢到芯片表面，影響下一階段工藝。膠粘劑用量不夠時(shí)，芯片與框架的粘接面積變小，結(jié)構(gòu)可靠性降低。因此，芯片四周溢膠情況是判斷涂膠工藝優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。如圖３ （ｂ ）和圖３ （ｃ ）所示，電路片貼裝后兩種涂膠工藝都能獲得均勻的邊緣溢膠，符合芯片貼裝的工藝要求。

芯片貼裝后，膠層中的氣泡會(huì)造成芯片與框架的粘接面積變小、在真空環(huán)境中放出氣體、框架與芯片之間的熱傳導(dǎo)效率降低等問題。因此，膠層氣泡面積比是芯片粘接工藝中的重要參數(shù)。由于手工涂膠時(shí)裸膠層呈現(xiàn)四周厚、中間薄的特點(diǎn)，電路片貼裝中電路片底面與膠層四周凸起區(qū)域接觸形成密閉環(huán)境，中心凹陷區(qū)域與電路片底面之間的氣體不能及時(shí)排出，從而團(tuán)聚形成氣泡。如圖４（ ａ）所示，手工涂膠工藝呈現(xiàn)大氣泡和小氣泡無規(guī)分布的特點(diǎn)。

絲印工藝的膠層氣泡情況與網(wǎng)版形狀有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)版為集中穿孔模式時(shí)，膠層四邊和中心的厚度相近，芯片底面與膠層不能形成密封環(huán)境，膠層中幾乎沒有氣泡（見圖４（ ｂ））。網(wǎng)版為分散穿孔模式時(shí)，裸膠層為整齊排列的長方體；向下按壓芯片，長方體被壓成圓柱體，相鄰四個(gè)圓柱體之間的空隙中會(huì)留有無法排出的空氣（見圖４（ ｃ））。因此，膠層中存在分布規(guī)律的大氣泡。從圖４ （ ｄ ）中可以看出，分散穿孔模式下的膠層氣泡面積比是手工涂膠工藝的２．３倍左右，貼裝芯片時(shí)氣體排出效果不佳。集中穿孔模式下的膠層氣泡面積比是手工涂膠時(shí)的０．０９倍，氣泡排出效果好。

接下來研究電路片貼裝后２＃環(huán)氧膠和凝膠的膠層厚度及邊緣溢膠情況。結(jié)果表明，膠粘劑的物理特性對手工涂膠工藝的影響較小，而對絲網(wǎng)網(wǎng)版設(shè)計(jì)則有顯著影響。膠粘劑中增強(qiáng)相的尺寸影響貼裝后的膠層厚度ｈ１ 。２＃ 環(huán)氧膠中有大顆粒填充物，ｈ１為１＃環(huán)氧膠的５倍左右。２＃環(huán)氧膠的流動(dòng)性較差，電路片四角無溢膠，導(dǎo)致電路片與框架的粘接性能差。凝膠的流動(dòng)性強(qiáng)于１＃環(huán)氧膠。無需特殊設(shè)計(jì)，溢出的凝膠即可均勻地圍繞在電路片四周。所以絲印涂膠工藝需根據(jù)不同膠粘劑的特性設(shè)計(jì)絲印網(wǎng)版。

不同的涂膠工藝中，電路片與框架粘接后１＃環(huán)氧膠均能正常固化。這表明手工涂膠工藝和絲印涂膠工藝不影響膠粘劑的固化。同時(shí)在１００次液氮－－ 常溫溫度沖擊后，兩種涂膠工藝所粘接的框架和電路片均不分離；在體式顯微鏡下觀察，電路片邊緣溢膠無裂痕。這說明在這個(gè)溫度沖擊條件下，涂膠工藝對芯片框架粘接效果沒有明顯影響。

2.3結(jié)果與討論

手工涂膠工藝的裸膠層呈現(xiàn)四周高、中間低的形貌。電路片粘接時(shí)，膠層中氣泡率較高。絲網(wǎng)印刷涂膠工藝的裸膠層平整；電路片與框架貼裝后，膠層中只有少量小氣泡。因此，從芯片性能角度分析，絲印涂膠工藝要強(qiáng)于手工涂膠工藝。分散穿孔和集中穿孔模式下的氣泡率差異說明絲網(wǎng)設(shè)計(jì)對工藝效果影響顯著。

從圖 ３ 和圖 ５ 中可以看出，絲印涂膠工藝適用于填充顆粒直徑較小的膠粘劑，且電路片

四周能夠均勻溢膠。但是對于含有大顆粒填充物的膠粘劑（如２＃環(huán)氧膠）來說，絲印工藝具有以下局限性：（１ ）采用尼龍網(wǎng)版時(shí)，需要根據(jù)大顆粒填充物的直徑選擇合適目數(shù)的尼龍網(wǎng)；（２）采用不銹鋼網(wǎng)版時(shí)，膠粘劑中的大顆粒填充物會(huì)在刮膠過程中破壞網(wǎng)版表面平整度；（３）網(wǎng)版形狀需經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，以保證四角均勻溢膠。

表 １ 列出了兩種涂膠工藝的成本對比情況。可以看出，手工涂膠工藝效率低，一次涂１個(gè)框架，每個(gè)用時(shí)約 ８ｍｉｎ。絲印涂膠工藝可在網(wǎng)版上設(shè)計(jì)多個(gè)孔，同時(shí)在多個(gè)框架上涂抹膠粘劑。不同批次之間，膠層分布和膠粘劑用量的穩(wěn)定性好。而對于小批量生產(chǎn)，手工涂膠工藝的用膠量小，絲印工藝中膠粘劑的損耗量較大。

與手工涂膠相比，絲印涂膠在工藝效果和工藝效率方面都具有優(yōu)勢，能夠適用于多種膠粘劑。但是，絲印涂膠的工藝效果依賴于恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)版設(shè)計(jì)。

3絲印設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

3.1絲印工藝優(yōu)化

3.1.1硬件

絲印工藝需選用硬度大于８０Ａ的聚合物刮板或不銹鋼刮板才能獲得平整膠面。絲網(wǎng)多為尼龍材質(zhì)，經(jīng)過頻繁的化學(xué)溶劑清洗后，感光聚合 物易 降解，網(wǎng) 孔內(nèi) 的膠 粘劑 不易 清洗，絲網(wǎng)重復(fù)利用性較差。不銹鋼網(wǎng)版制作精度高，可以達(dá)到０．４ｍｍ，且網(wǎng)版清洗方便，不容易損壞。因此，不銹鋼網(wǎng)版更適合于框架涂膠工藝。

3.1.2工藝操作

以 ４５°～６０° 角度夾持刮刀，并對刮刀施加一定的壓力，保持勻速刮膠，避免出現(xiàn)膠粘劑在網(wǎng)版漏印區(qū)域中填充不完全的問題。工藝操作中要避免重復(fù)刮膠，防止漏印形狀邊緣擠出多余的膠粘劑，造成漏膠形狀不精確。

3.2網(wǎng)版設(shè)計(jì)優(yōu)化

芯片四周過度溢膠的現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響芯片性能和后續(xù)工藝流程。為防止過度溢膠，有些工藝中會(huì)設(shè)計(jì)防止芯片溢膠的結(jié)構(gòu)。但是通過合理的網(wǎng)版設(shè)計(jì)，也能精準(zhǔn)控制膠粘劑的用量和分布，進(jìn)而調(diào)節(jié)芯片四周的溢膠量。此外，網(wǎng)版的穿孔模式直接影響膠粘劑的分布和芯片粘接后膠層的氣泡率。分散穿孔模式下膠層氣泡率較高，集中穿孔模式下膠層中幾乎沒有氣泡。為保證四角均勻溢膠，在網(wǎng)版設(shè)計(jì)中需為芯片四角單獨(dú)設(shè)計(jì)漏印區(qū)域。

網(wǎng)版設(shè)計(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)迭代。為了提升設(shè)計(jì)效率，本文根據(jù)集中穿孔模式下的網(wǎng)版設(shè)計(jì)迭代結(jié)果，提出了網(wǎng)版漏印面積的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（見式（１））。式（ １）利用芯片貼裝前后膠粘劑體積不變的原理來計(jì)算網(wǎng)版設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)———漏印面積Ｓａ 。絲印漏膠量由探測器芯片底部的膠量和芯片邊緣溢膠組成。式（１）中引入?yún)?shù)Ｃ描述芯片貼裝后單位長度內(nèi)芯片邊緣的溢膠體積。參數(shù) Ｃ 與膠粘劑的表面張力、芯片貼裝后的膠層厚度ｈ１ 有關(guān)。表２列出了１＃環(huán)氧膠、凝膠、 ２＃環(huán)氧膠三種膠粘劑的 Ｃ值。由式（ １）可知，對于一種膠粘劑來說，保持芯片貼裝工藝參數(shù)不變時(shí)，只需經(jīng)過一次網(wǎng)版迭代，就能得到芯片貼裝前后的膠層厚度ｈ１ 和ｈ ２，進(jìn)而計(jì)算出 Ｃ值，最終進(jìn)行精確的網(wǎng)版設(shè)計(jì)。

式中， Ｓａ 為絲印網(wǎng)版漏印面積（ｍｍ２ ）；ｈ１ 為芯片貼裝后的膠層厚度（ｍｍ ）；Ｓ 為芯片底面積（ｍｍ２ ）；Ｃ 為參數(shù)（ｍｍ２）； Ｌ為芯片的周長（ ｍｍ）； ｈ２為芯片貼裝前的膠層厚度（ ｍｍ）。

4結(jié)束語

本文首先對比了手工涂膠和絲印涂膠工藝的膠層特點(diǎn)和電路片粘接效果。結(jié)果表明，手工涂膠工藝精度高，工藝效率較低；絲印涂膠工藝具有高工藝效率和低工藝成本的特點(diǎn)，但工藝精度依賴于網(wǎng)版設(shè)計(jì)。為了提升絲印網(wǎng)版設(shè)計(jì)的效率和精度，防止芯片粘接后過度溢膠，我們對網(wǎng)版漏印區(qū)域的形狀和面積進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并提出了一種網(wǎng)版漏印面積的計(jì)算公式，為該工藝中絲印網(wǎng)版的精確設(shè)計(jì)提供了理論支持。

紅外探測器芯片具有形狀尺寸差異大、膠粘劑種類多等特點(diǎn)，手工涂膠難以滿足日益增長的生產(chǎn)需求。而本文提出的漏印面積計(jì)算公式可使絲印涂膠工藝達(dá)到與手工涂膠相當(dāng)?shù)墓に嚲龋嵘斯に囆屎凸に囆Ч軌驖M足紅外探測器封裝的生產(chǎn)需求。

本文主要從絲印網(wǎng)版漏印面積的角度來精準(zhǔn)控制膠粘劑的用量，從而保證工藝精度。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，漏印形狀對工藝精度有一定的影響。目前，在實(shí)際使用中漏印形狀仍依賴于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提升絲印涂膠工藝的精度，后續(xù)需探索網(wǎng)版漏印形狀的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。

審核編輯 黃宇