框架與芯片粘接中兩種涂膠

共讀好書(shū)

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(cè)器框架涂膠工藝具有膠粘劑種類(lèi)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(duì)比分析了手工涂膠和絲網(wǎng)印刷兩種涂膠工藝對(duì)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(mǎn)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(guò)膠黏劑或焊料把電子元器件和印制線(xiàn)路板相連的組裝技術(shù)。在紅外探測(cè)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?？蚣芡磕z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(guò)程。芯片粘接區(qū)域四周分布有密集的焊盤(pán)，框架焊盤(pán)與芯片焊盤(pán)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(duì)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(guò)程還受到框架形狀尺寸差異大、膠黏劑種類(lèi)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(xiàn)路板不同，紅外探測(cè)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(cè)器芯片封裝過(guò)程受到框架涂膠工藝的制約。為了提升紅外探測(cè)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(duì)手工涂膠和絲印涂膠工藝進(jìn)行了對(duì)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(duì)絲印涂膠工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1工藝操作與測(cè)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(guò)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(guò)涂膠區(qū)域；移開(kāi)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(lái)模擬芯片貼裝的過(guò)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(cè)試分析方法

實(shí)驗(yàn)采用 Ａ１１框架。實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)清洗工藝處理。使用萬(wàn)分位天平稱(chēng)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(cè)試方法如下：

（１ ）裸膠層厚度。在工具顯微鏡下測(cè)量膠層四角和框架表面的 Ｚ相值。兩者相減的絕對(duì)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(wú)膠的情況下進(jìn)行電路片貼裝，使用工具顯微鏡測(cè)量電路片四角的 Ｚ 相值。兩者相減的絕對(duì)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(pán)上或電路片四角無(wú)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?xún)煞N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(cè)量和計(jì)算膠層內(nèi)的氣泡率。

（５ ）絲印對(duì)多種膠粘劑的適用優(yōu)化?；诓煌┯∶娣e的絲網(wǎng)，在框架上涂膠后，貼裝

電路片。通過(guò)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(duì)它 們進(jìn) 行對(duì) 比分析。

2手工涂膠與絲網(wǎng)印刷工藝的對(duì)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(cè)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(shù)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(guò)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(guò)多時(shí)，芯片貼裝后膠粘劑被擠壓到焊盤(pán)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(wèn)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(wú)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(méi)有氣泡（見(jiàn)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(zhǎng)方體；向下按壓芯片，長(zhǎng)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(wú)法排出的空氣（見(jiàn)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(lái)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(duì)手工涂膠工藝的影響較小，而對(duì)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(wú)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(wú)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(wú)裂痕。這說(shuō)明在這個(gè)溫度沖擊條件下，涂膠工藝對(duì)芯片框架粘接效果沒(méi)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(shuō)明絲網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)于含有大顆粒填充物的膠粘劑（如２＃環(huán)氧膠）來(lái)說(shuō)，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(guò)程中破壞網(wǎng)版表面平整度；（３）網(wǎng)版形狀需經(jīng)過(guò)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(duì)比情況?？梢钥闯觯止ね磕z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(duì)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(shì)，能夠適用于多種膠粘劑。但是，絲印涂膠的工藝效果依賴(lài)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(guò)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(duì)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(lài)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(jiàn)式（１））。式（ １）利用芯片貼裝前后膠粘劑體積不變的原理來(lái)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(cè)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(zhǎng)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(duì)于一種膠粘劑來(lái)說(shuō)，保持芯片貼裝工藝參數(shù)不變時(shí)，只需經(jīng)過(guò)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(zhǎng)（ ｍｍ）； ｈ２為芯片貼裝前的膠層厚度（ ｍｍ）。

4結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)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(lài)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(guò)度溢膠，我們對(duì)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(cè)器芯片具有形狀尺寸差異大、膠粘劑種類(lèi)多等特點(diǎn)，手工涂膠難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)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?，提升了工藝效率和工藝效果，能夠滿(mǎn)足紅外探測(cè)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(lái)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(duì)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(lài)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