点胶工艺介绍之Underfill胶使用要点
引言
近年来随着消费电子与智能终端类产品的广泛普及,越来越多小精密器件的应用,使得器件焊接后机械强度面临越来越多的挑战。研发在焊接面积和焊点高机械强度上既要又要的要求,使得产品制造对于胶水应用场景越来越多。
胶水的化工特性又特别易受周边环境,保存方法,使用方法的影响,使用过程中若对于胶水特性,操作要点存在认知盲区,会经常性遇到胶水变质,胶筒跳塞,点胶气泡,点胶不渗透,固化后鼓包等疑难问题,异常时好时坏,但总无法找到根因避免,给生产带来极大的痛苦,本文将结合手机生产中Underfill胶的使用场景,完成胶水使用要点介绍及认知盲区汇总,希望同仁对于Underfill胶使用及认知有帮助。
Underfill胶组成
Underfill胶是一系列的化学试剂经过特定配比,经过长时间加温加压混合搅拌而组成的化工试剂,因其多用在器件底部渗透,且在室温下为液态,故常被底部填充胶水,Underfill胶的组成分类可以参考如下图1所示:
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图1:Underfill胶的组成分类
对Underfill的化学成分组成依功能特性细分,有如下11种材料:
充当固化剂都酸酐材料
可降低体系CTE的球形硅微粉
可消除胶水内气泡的消泡剂
可促进填料均匀分散的分散剂
对胶水着色的碳黑色浆
调节胶水反应速度的促进剂
调节体系粘度的环氧稀释剂
调节体系流平效果的流平剂
调节荧光效果的荧光剂
调节体系韧性的橡胶
可提供本体强度和高Tg的高纯环氧树脂
以上信息为Underfill的基础信息,在胶水评估选型等使用前准备阶段需对比了解。本章节不做重复论述。本文笔者依一支胶水从生产到报废的全过程为例,讲解Underfill胶使用中需注意的要点及管制方法。
Underfill胶使用流程说明
Underfill胶水因其化学组成成份的各自特性,胶粘剂分子间一直在持续进行着聚合反应,但是胶水自生产完成后到涂覆在产品上并完成固化,是经过多方运输保存的,故整个搬运存放使用过程中的场景切换,为Underfill胶的使用增加了诸多风险点。Underfill胶使用的整个生命周期,主要流程可分为如下图2的12个场景,后续文本笔者对各流程节点进行逐一拆解讲述。
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图2:Underfill胶使用流程图
胶水生产
如上文所述胶水生产过程,各类化学材料经过特定的配比,在特定的时间,温度,真空条件下,在搅拌釜内经过搅拌,使各化学品充分混合,行成可满足产品要求的胶水。比如高表面绝缘阻率,高硬度,高Tg,低CTE,低粘性,高韧性等要求的胶水。此过程由胶水供货商在生产工厂完成,整个过程行业各厂家均有标准的作业方法,所有交付给客户工厂的胶水均经过大量验证,验证数据非本章讨论重点,此处不再赘述。搅拌完成后胶水为散装,总重约10-50kg/桶,不便于运输使用,后续需进行分装处理。搅拌釜结构示意图如下图3所示:
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图3:搅拌釜结构示意图
整个胶水生产过程均有标准的SOP指引,标准化操作,此过程对胶水使用过程中不良影响相对较小,此处不做总结确认。
胶水分装
为了满足自动化点胶生产需要,胶水出货前需分装成小支包装,以方便客户存储及上线使用,常用的胶筒规格如下图4所示,(依Underfill胶用举例),若胶水为光敏特性,需选用有色胶筒 进行遮光保护。
胶水一般依g或mL为单位进行报价交易,拆分时常用自动化的胶水拆分仪(图5)来进行定量的拆装,拆分仪由气泵驱动,重量采用液位感应器或人工称重实现,拆分时将空胶筒内空气排尽,胶水经由气泵控制,自搅拌釜内通过导管由胶筒底部灌入胶筒内,整个过程无空气接触,可有效的避免气泡进入胶筒内。
拆分完成后仍会进行真空脱泡后再进行贴标包装暂存出货。因材料分子一直在进行聚合反应,为了抑制聚合反应,胶水分装完成后一般需采用超低温存储,这也为后续运输过程中增加了环境要求限制。
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图4:各类尺寸的胶筒示例
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图5:胶水拆分仪工作场景图示
管制要点:胶筒颜色选用,灌胶方向,真空脱泡,生产后暂存的时间管制,底温存储时的温度条件管制等均为日常操作易被忽略的盲区,需要有标准化文件列管。
胶水运输
胶水运输的条件需与胶水存储条件一致,Underfill一般采用低温运输,原因有两种:
为了调节CET指标,Underfill内会有大量填料,虽然生产过程中胶水充分搅拌已混合均匀,但长时间垂直放置,会使得填料下沉分层,影响胶水粘度,故采用底温冰冻处理,减少填料下沉,胶水分层风险。
胶水内的固化剂在常温下是被激活活性的,胶水长时间存放在常温下,会使得固化剂快速反应,影响胶水粘度,底温会有效的抑制固化剂活性,进而可以实现胶水长时间存放,且不影响胶水粘度以及其他特性指标。
结合以上胶水存储的必要条件,在胶水完成分装贴标后,供货商工厂会采用低温环境下冷冻存放(以<-20°C的胶水体系为例)。结合不同客户运输距离需求,运输温度条件需与低温存储环境一致,运输方式如下:
超长距离:空运或海运,(保持低温环境)
中长距离:冷链车运输,(保持低温环境)
短距离:干冰+泡沫箱方式(保持低温环境,5Kg/天)
运输过程中需全程保持要求的密闭低温环境,且胶水的堆叠,放置方向,包装方式需有严格的要求。例如需用干冰泡沫箱,纸箱包装,用洞洞板将胶水隔开,保持胶水垂直放置,避免运输过程颠簸,碰撞,磨擦等影响胶水破裂,气泡,湿气进入,放置方式如下图6所示:
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图6:胶水运输包装箱示图
管制要点:全程低温环境,垂直放置,洞洞板隔开,运输时长及干冰剂量的比例,收货过程低温环境保持,工厂内运输转移的时效性控制,以上需有严格的文件要求,以及执行过程中可落地执行,避免因底层员工意识不够,导致温度环境变化,胶水长时间暴露在室温下,导致胶水变质。
胶水入库
胶水送货完成后,一般在中央仓库进行收发入库作业。通过厂内的MES系统,确定数量及批次,并将胶水拆批解绑,以整箱的方式堆叠放置在冰柜中进行集中存放。待后续生产有需求时,由物料房进行数量申报,中央仓库发货即可。此流程中胶水未拆箱,主要为集中存放,温度条件与运输出一致,保持低温垂直放置。来料检测需着重注意已拆箱或拆包的胶水的标识情况,避免因运输中安全检测导致提前拆包的胶水漏至生产现场导致不良。
胶水入库前需进行来料检测,以保证胶水来料符合要求,检测结果与厂商来料的COA文档要求一致即可,COA格式及检测内容由厂商定义,但厂内IPQC检测方案视各司要求而定,以厂商A的某款Underfill胶水为例,其COA文档测试结果如图7所示。
管制要点:集中低温垂直存放,拆包胶水标识防漏出,IPQC检测的COA项目检测。
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图7
胶水存储
因生产需要,物料房需提前一天或多天从央仓领取所需胶水进行暂存,以方便后续回温,领用,追溯等操作(央仓直供模式除外)。存放需采用洞洞板垂直放置,若现场空间不足,将胶水横放,堆叠,取放胶水时易引发碰撞,破裂风险,如下图8所示。原则上不允许解冻上线后的胶水二次回存,避免空气,湿气,异物等进入胶水造成品质不良。胶水存储的条件及时长在胶水TDS内有明确要求,建议严格依TDS管制,如下图9所示:
管制要点:集中低温垂直存放,避免二次回存,避免堆叠碰撞破裂。
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图8:胶水破残影导致漏胶
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图9:胶水TDS内容摘要之存储条件
上文已介绍过Underfill胶水为什么需低温存储,但是为什么温度设定是-20°C或其他温度,是如何定义的呢?其实胶水的存储温度上限和下限是受特定的因子影响,最终结合情况计算得来的。
上限值:胶水厂商结合长时间存储的粘度数据测试得出,考量点为存储时间与粘度变化的关系,如某H胶水,要求6个月存储期,粘度变化需在20-25%之间,以上限制条件下,多次测试数据分析得出存储条件。
下限值:胶水内混合的各类材料,比如基材树脂等,每种材料都会有自己的冰点,过低温会出现结冰现象,一般上游材料厂商会结合实验值给出建议的存储温度,另外越低的存储温所需配备的设备成本越高,也是厂商考量的要点。
结合粘度变化及材料的冰点值,以及冰柜成本等综合情况,胶水厂商最终得出相应的存储温度,如上图胶水,存储温度-20°C。
胶水回温
胶水自冰柜中领出时为-20度低温冰冻状态,此时无法直接上机使用。此状态下的胶水粘度与产品需求也不相符,故胶水需经过等待,使胶水温度缓慢回至室温,此过程即为胶水回温,一般回温时间要求2-4H,此时间要求主要是结合胶水回温过程中,胶水内部温度与时间的关系得出的。2-4H是实验得出的经验数据,回温过程严禁使用任何物理加热的方式人为缩短时间。
刚出冰柜的胶桶表面温度与室温有温差,回温过程中表面会行成水滴,此为空气中的水分子遇冷液化为水滴,此过程为凝露,如下图10所示。回温后需将表面水滴擦拭干净,避免水滴沿着胶桶表面流入弧形底部,造成胶水污染,进而导致胶水过炉后炸开有气泡空洞。
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图10:胶水回温过程凝露现象
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图11:胶水回温垂直放置示意图
整个回温过程胶水需垂直放置,如上图11所示,不可橫置或倒立,避免胶水倒流或气泡进入胶筒内,影响点胶效果。若回温后胶水顶度有气泡及空洞,建议人工手动排泡,避免使用中空气混入胶水,出现跳塞,称重波动较大,炉后鼓包等异常,人工排泡方法如下图12所示:
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图12人工排泡方法图示
Underfill建议用铝箔袋真空包装出货,运输回温过程不拆包装,物品标签使用可二次转贴的标签纸,便于后续MES上料追溯,否则易出现转贴撕裂,重叠无法扫码,如下图13所示。
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图13
管制要点:回温时间2-4H,严禁物理加速回温,垂直放置,凝露擦拭,真空包装,人工排泡。
胶水脱泡
为了更好的将回温后的胶水内气泡排除干净,工厂会采用脱泡机对胶水进行排泡操作,Underfill胶无特殊情况不建议脱泡。原因有三,
胶水生产过程为真空搅拌,分装过程无空气接触,存储运输过程低温状态,至客户端回温后有人工排泡,胶水内仍含气泡机率较小,无需脱泡。
胶水内有大量填料,脱泡过程中的离心力可使气泡上浮至胶塞顶部,但过大的转速以及长时间脱泡会导致填料析出,造成胶水分层,影响生产品质。
Underfill为真空包装出货,脱泡过程需拆包装放置在设备内,操作过程不便,拆包破坏真空状态,不有利于阻挡气泡进入胶水。
若个别场景仍需进行脱泡操作,建议依胶水内填料占比,适当选用脱泡机的转速和时间设定,如某H Underfill胶水,建议脱泡设定500转 1min,进行排泡作业。脱泡机转子如下图14所示:
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图14
管制要点:脱泡机参数设定不可过大,过久,非必要不脱泡,真空包装不脱泡。
胶水领用
胶水在物料房回温后,进行贴厂内标签过MES追溯,然后由生产现场的人员来领取已提报的数量,领用过程并无重大风险点。但在胶水转移过程中需注意不可单手抓握或倒立拿取胶水,不建议多支胶水横向堆叠存放,禁止将胶水放置在容器内晃动,碰撞。建议领取时使用带洞洞板的纸箱,一穴一胶转移存放,或使用专用冶具支架存放,如下图15所示。
管制要点:垂直放置,禁止碰撞堆叠,使用专用冶具或固定纸箱转移胶水。
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图15
胶水暂存
生产领用胶水频次为一次领取12H/24H用量,除马上需用的胶水外,部分需在线外暂存,暂存需保持胶水垂直放置,若有气泡需使用前手工排泡垂直放置可有利于气泡上浮至胶塞顶部,便于观察及排泡操作,也有利于减少胶水内气泡混入引发炉后鼓包,空洞等不良。
暂存区因有大量的胶水需存放,建议制作带洞洞板的存放框,并贴有标示,避免混用,如下图16所示。当生产的产品涉及到机型切换时,若需单支胶水存放在点胶机旁,建议如下图17所示,使用固定环垂直放置,避免横放胶水进气。
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图16:胶水暂存区示意图
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图17:单支胶水暂存区
管制要点:垂直放置,有气泡需排泡操作,单支也需垂直放置。
胶水上线
胶水防呆防错需求,上线使用需通过MES追溯条码信息,管控回温时间,开盖时长,有效使用时长,避免胶水用错,过期胶水上线使用的情况,各家追溯系统各有千秋,此处不在一一赘述。胶筒及胶塞不同批次的尺寸匹配有差异,会出现Underfill胶水回温后长时间垂直放置时,有气泡上浮至胶塞,行成空洞,气泡等现象,如下图18所示,建议上线前人工排泡,将胶水与胶塞形成保护液面避免使用过程中气泡进入胶水,炉后出现气泡鼓包问题。
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图18胶水内有空洞及气泡图示
管制要点:MES防呆追溯系统使用,垂直放置,人工排泡行成保护液面。
胶水固化
Underfill胶水一般为热固型胶水,需进行高温烘烤固化。固化条件是依照固化DSC曲线得出,例如某B Underfill胶水,查询其固化DSC曲线,如下图19所示,在140S前后达到放热量峰值144°C,取整后TDS要求该胶水固化时间在150°以上时间>8min。
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图19
在实际生产过程中为了追求最大的效率产出比,工厂通常采用空气Reflow炉或采用更节省空间的垂直炉进行固化,通过各温区的温度及链速节拍调整,提升效率及产出。建议工厂实际固化温度设定要比TDS要求更高,可兼容因温度波动,测温板制作的差异导致温度低与实际值有偏差的情况,以上文B胶水为例,工厂设定固化温度曲线如下图20所示。
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图20
Underfill胶水若未完全固化,会有电化学腐蚀,拉裂器件等风险,设定固化温度一定要结合TDS要求及DSC曲线设定,避免发生重大品质异常。
管制要点:结合DSC曲线及TDS要求设定固化温度,通过速度及温度调整优化效率。
胶水报废
胶水在用至尾部时,因胶塞为锥形设计,目视会有部分剩余(长度3cm左右,如下图21所示)但实际已接近尾部,为了避免胶水打空异常,实际操作时会选择对其进行报废处理。此类剩余胶水余量约为1000mg,此部分为合理浪费,可考虑加入生产BOM成本。因胶水为化工辅料,有腐蚀性,不可同其日常生产废料混同处理,需经专用流程处理,经由环工,工安,仓管部门协同报废处理。
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图21
总结
经过以上12个步骤的介绍,希望同仁对Underfill胶使用要点有所了解,对于胶水的存储,运输,回温等管制要点,重注事项可提前规避,降低生产现场异常发生频次,进而达到节能降本的目标,针对Underfill使用中常遇到的问题点及解决方案,后续章节再进行讲解分析,敬请期待。
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