框架与芯片粘接中两种涂胶工艺分析与优化_

冯志攀 张然 付志凯 王冠

（华北光电技能研究所）

择要：

红外探测器框架涂胶工艺具有胶粘剂种类多、涂胶精度哀求高档特点，难以同时兼顾工艺效率和工艺效果。
为了探索较优的涂胶工艺，基于一种框架，比拟剖析了手工涂胶和丝网印刷两种涂胶工艺对框架芯片粘接工艺效果的影响。
结果表明，丝网印刷涂胶和手工涂胶工艺均能知足胶粘剂正常固化、耐受１００次温度冲击、电路片四周溢胶均匀的基本哀求。
当丝印网版为集中穿孔模式时，丝网印刷涂胶工艺下的胶层气泡率小于１％，是手工涂胶工艺的０．０９倍。
利用不同的胶粘剂时，手工涂胶工艺效果不受胶粘剂的添补物直径变革的影响，而丝网印刷更适宜含有小直径添补物的胶粘剂。
末了，根据网版设计的迭代数据，提出了漏印面积的履历打算公式，为精确、快速的网版设计供应了支持。

0 弁言

表面贴装技能（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｕｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳＭＴ）是一种通过胶黏剂或焊料把电子元器件和印制线路板相连的组装技能［１］。
在红外探测器中，框架是芯片的物理载体，芯片与框架之间多采取ＳＭＴ中的胶黏剂粘接办法进行封装。
框架涂胶工艺因此一定的分布办法和用量将胶黏剂精准涂覆在芯片粘接区域的工艺过程。
芯片粘接区域四周分布有密集的焊盘，框架焊盘与芯片焊盘须要进行电学连接［２］。
因此，框架涂胶工艺不仅要担保框架与芯片的有效粘接，而且还不能对后续的焊接工艺产生影响。
这就哀求涂胶工艺具有较高的精度。
此外，该工艺过程还受到框架形状尺寸差异大、胶黏剂种类多等成分的影响。
综上所述，框架涂胶是制约工艺效果和工艺效率的关键步骤。

手工涂胶和丝网印刷（丝印）工艺是ＳＭＴ中常用的涂胶工艺。
为担保粘接质量，涂胶工艺有胶层气泡少、用胶量精准、胶层分布均匀的哀求。
但与传统的印制线路板不同，红外探测器框架具有表面不平整、涂胶面历年夜的特点，而且不同胶黏剂的物理化学性能差别大，红外探测器芯片封装过程受到框架涂胶工艺的制约。
为了提升红外探测器框架涂胶工艺的效率及效果，本文从裸胶层的特点、电路片贴装后的胶层厚度、电路片边缘溢胶情形、胶层气泡情形、工艺本钱等角度，对手工涂胶和丝印涂胶工艺进行了比拟剖析。
末了根据剖析结果，进一步从工艺和设计的角度对丝印涂胶工艺进行了优化。

1 工艺操作与测试剖析方法

1.1 工艺操作

1.1.1 涂胶工艺

手工涂胶工艺是在体式显微镜下用挑胶针在框架涂胶区域上涂抹胶粘剂。
丝印涂胶工艺是将尼龙网版或不锈钢网版作为丝网。
图１（ａ）中的赤色区域为漏印区域，采取集中穿孔模式。
图１（ｂ）中的赤色漏印区域采取分散穿孔模式。
两种模式的漏印面积相同。
不锈钢网版的厚度为０．０８ｍｍ。
详细工艺过程如下：将框架与网版固定；在网版上涂抹胶粘剂后，用刮板以一定的角度匀速缓慢刮过涂胶区域；移开网版，涂胶工艺完成。
除分外标注外，本文所用的丝印网版均为采取集中穿孔模式的不锈钢网版。

1.1.2 电路片贴装工艺

本文用电路片代替芯片来仿照芯片贴装的过程。
将电路片放置在完成涂胶的框架上，向电路片表面施加一定的压力，使其四周均匀溢胶。
将贴装后的框架和电路片置于烘箱中固化。

1.2 测试剖析方法

实验采取Ａ１１框架。
实验前经由洗濯工艺处理。
利用万分位天平称量１＃环氧胶、２＃环氧胶和凝胶，并分别将其置于甩胶机中撤除气泡以备用。
每种涂胶工艺重复涂胶３次。
详细测试方法如下：

（１）裸胶层厚度。
在工具显微镜下丈量胶层四角和框架表面的Ｚ相值。
两者相减的绝对值即为裸胶层厚度。

（２）电路片贴装后的胶层厚度。
在有胶和无胶的情形下进行电路片贴装，利用工具显微镜丈量电路片四角的Ｚ相值。
两者相减的绝对值即为电路片贴装后的胶层厚度。

（３）四周溢胶情形。
在体式显微镜下不雅观察电路片四周和四角溢胶情形。
胶粘剂爬上电路片、外溢到框架焊盘上或电路片四角无胶等情形均为不合格。
电路片四周均匀溢胶为合格。

（４）贴装后胶层内的气泡情形。
用透明的宝石片代替框架。
以两种涂胶工艺在宝石片上涂胶，与电路片完成贴装工艺。
在宝石片背面不雅观察胶层内的气泡情形，用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件丈量和打算胶层内的气泡率。

（５）丝印对多种胶粘剂的适用优化。
基于不同漏印面积的丝网，在框架上涂胶后，贴装电路片。
通过电路片四周溢胶情形得出三种胶粘剂的最优漏印面积。

（６）胶粘剂固化和温度冲击试验。
胶粘剂于烘箱固化后，在显微镜下检讨固化情形。
完成液氮１ｍｉｎ、常温３ｍｉｎ的温度冲击１００次，检讨电路片与框架的粘接情形以及胶粘剂表面是否有裂痕。

（７）数据处理。
本文设手工涂胶工艺的裸胶层内部厚度的均匀值为ａ（ａ＝１），其它的胶层厚度以ａ为参考。
然后对它们进行比拟剖析。

2 手工涂胶与丝网印刷工艺的比拟剖析

2.1 裸胶层的特点剖析

如图２所示，手工涂胶时裸胶层呈现四周高、中间低的特点。
在显微镜下不雅观察，胶层表面不只滑。
丝印涂胶工艺中，胶层表面平整光滑，四周和内部的胶层厚度附近，呈现轻微的下凹状态［３］。
网版为不锈钢材质时，胶层厚度ｈ２显著增加，这是由于不锈钢网版的厚度大于尼龙丝网的厚度。
丝印涂胶工艺的内部胶层厚度约为手工涂胶工艺的３～５倍。

2.2 电路片贴装后的胶层特点剖析

胶层厚度影响探测器芯片的高度。
从图３（ａ）中可以看出，贴装电路片后，两种不同涂胶工艺下１＃环氧树脂胶层的厚度ｈ１有差异。
个中，手工涂胶工艺的ｈ１略小于裸胶层厚度ｈ２。
手工涂胶工艺的胶层厚度呈现四周高、中间低的特点。
芯片贴装过程中，电路片四周快速溢胶，向电路片施加的压力小。
丝印网版采取集中穿孔模式，胶粘剂集中在涂胶区域中央，向电路片施加的压力大。
这可能是导致手工涂胶胶层厚度更大的缘故原由。
其余，从图３中还可以看出，手工涂胶工艺ｈ１的同等性低于丝印工艺。

芯片四周的溢胶征象是芯片与框架完备粘接的直不雅观表现。
胶粘剂用量过多时，芯片贴装后胶粘剂被挤压到焊盘上，或上溢到芯片表面，影响下一阶段工艺。
胶粘剂用量不足时，芯片与框架的粘接面积变小，构造可靠性降落。
因此，芯片四周溢胶情形是判断涂胶工艺利害的主要标准。
如图３（ｂ）和图３（ｃ）所示，电路片贴装后两种涂胶工艺都能得到均匀的边缘溢胶，符合芯片贴装的工艺哀求。

芯片贴装后，胶层中的气泡会造成芯片与框架的粘接面积变小、在真空环境中放出气体、框架与芯片之间的热传导效率降落等问题。
因此，胶层气泡面积比是芯片粘接工艺中的主要参数。
由于手工涂胶时裸胶层呈现四周厚、中间薄的特点，电路片贴装中电路片底面与胶层四周突出区域打仗形成密闭环境，中央凹陷区域与电路片底面之间的气体不能及时排出，从而团圆形成气泡。
如图４（ａ）所示，手工涂胶工艺呈现大气泡和小气泡无规分布的特点。

丝印工艺的胶层气泡情形与网版形状有关。
当网版为集中穿孔模式时，胶层四边和中央的厚度附近，芯片底面与胶层不能形成密封环境，胶层中险些没有气泡（见图４（ｂ））。
网版为分散穿孔模式时，裸胶层为整洁排列的长方体；向下按压芯片，长方体被压成圆柱体，相邻四个圆柱体之间的空隙中会留有无法排出的空气（见图４（ｃ））。
因此，胶层中存在分布规律的大气泡。
从图４（ｄ）中可以看出，分散穿孔模式下的胶层气泡面积比是手工涂胶工艺的２．３倍旁边，贴装芯片时气体排出效果不佳。
集中穿孔模式下的胶层气泡面积比是手工涂胶时的０．０９倍，气泡排出效果好。

接下来研究电路片贴装后２＃环氧胶和凝胶的胶层厚度及边缘溢胶情形。
结果表明，胶粘剂的物理特性对手工涂胶工艺的影响较小，而对丝网网版设计则有显著影响。
胶粘剂中增强相的尺寸影响贴装后的胶层厚度ｈ１。
２＃环氧胶中有大颗粒添补物，ｈ１为１＃环氧胶的５倍旁边。
２＃环氧胶的流动性较差，电路片四角无溢胶，导致电路片与框架的粘接性能差。
凝胶的流动性强于１＃环氧胶。
无需分外设计，溢出的凝胶即可均匀地环绕在电路片四周。
以是丝印涂胶工艺需根据不同胶粘剂的特性设计丝印网版。

不同的涂胶工艺中，电路片与框架粘接后１＃环氧胶均能正常固化。
这表明手工涂胶工艺和丝印涂胶工艺不影响胶粘剂的固化。
同时在１００次液氮－－常温温度冲击后，两种涂胶工艺所粘接的框架和电路片均不分离；在体式显微镜下不雅观察，电路片边缘溢胶无缝隙。
这解释在这个温度冲击条件下，涂胶工艺对芯片框架粘接效果没有明显影响。

2.3 结果与谈论

手工涂胶工艺的裸胶层呈现四周高、中间低的描述。
电路片粘接时，胶层中气泡率较高。
丝网印刷涂胶工艺的裸胶层平整；电路片与框架贴装后，胶层中只有少量小气泡。
因此，从芯片性能角度剖析，丝印涂胶工艺要强于手工涂胶工艺。
分散穿孔和集中穿孔模式下的气泡率差异解释丝网设计对工艺效果影响显著。

从图３和图５中可以看出，丝印涂胶工艺适用于添补颗粒直径较小的胶粘剂，且电路片四周能够均匀溢胶。
但是对付含有大颗粒添补物的胶粘剂（如２＃环氧胶）来说，丝印工艺具有以下局限性：（１）采取尼龙网版时，须要根据大颗粒添补物的直径选择得当目数的尼龙网；（２）采取不锈钢网版时，胶粘剂中的大颗粒添补物会在刮胶过程中毁坏网版表面平整度；（３）网版形状需经由分外设计，以担保四角均匀溢胶。

表１列出了两种涂胶工艺的本钱比拟情形。
可以看出，手工涂胶工艺效率低，一次涂１个框架，每个用时约８ｍｉｎ。
丝印涂胶工艺可在网版上设计多个孔，同时在多个框架上涂抹胶粘剂。
不同批次之间，胶层分布和胶粘剂用量的稳定性好。
而对付小批量生产，手工涂胶工艺的用胶量小，丝印工艺中胶粘剂的损耗量较大。

与手工涂胶比较，丝印涂胶在工艺效果和工艺效率方面都具有上风，能够适用于多种胶粘剂。
但是，丝印涂胶的工艺效果依赖于恰当的网版设计。

3 丝印设计与工艺优化

3.1 丝印工艺优化

3.1.1 硬件

丝印工艺需选用硬度大于８０Ａ的聚合物刮板或不锈钢刮板才能得到平整胶面。
丝网多为尼龙材质，经由频繁的化学溶剂洗濯后，感光聚合物易降解，网孔内的胶粘剂不易洗濯［４］，丝网重复利用性较差。
不锈钢网版制作精度高，可以达到０．４ｍｍ，且网版洗濯方便，不随意马虎破坏。
因此，不锈钢网版更适宜于框架涂胶工艺。

3.1.2 工艺操作

以４５～６０角度夹持刮刀，并对刮刀施加一定的压力，保持匀速刮胶，避免涌现胶粘剂在网版漏印区域中添补不完备的问题。
工艺操作中要避免重复刮胶，防止漏印形状边缘挤出多余的胶粘剂，造成漏胶形状禁绝确。

3.2 网版设计优化

芯片四周过度溢胶的征象会严重影响芯片性能和后续工艺流程。
为防止过度溢胶，有些工艺中会设计防止芯片溢胶的构造［５－６］。
但是通过合理的网版设计，也能精准掌握胶粘剂的用量和分布，进而调节芯片四周的溢胶量。
此外，网版的穿孔模式直接影响胶粘剂的分布和芯片粘接后胶层的气泡率。
分散穿孔模式下胶层气泡率较高，集中穿孔模式下胶层中险些没有气泡。
为担保四角均匀溢胶，在网版设计中需为芯片四角单独设计漏印区域。

网版设计紧张依赖履历和反复的实验迭代。
为了提升设计效率，本文根据集中穿孔模式下的网版设计迭代结果，提出了网版漏印面积的履历打算公式（见式（１））。
式（１）利用芯片贴装前后胶粘剂体积不变的事理来打算网版设计中的关键参数———漏印面积Ｓａ。
丝印漏胶量由探测器芯片底部的胶量和芯片边缘溢胶组成。
式（１）中引入参数Ｃ描述芯片贴装后单位长度内芯片边缘的溢胶体积。
参数Ｃ与胶粘剂的表面张力、芯片贴装后的胶层厚度ｈ１有关。
表２列出了１＃环氧胶、凝胶、２＃环氧胶三种胶粘剂的Ｃ值。
由式（１）可知，对付一种胶粘剂来说，保持芯片贴装工艺参数不变时，只需经由一次网版迭代，就能得到芯片贴装前后的胶层厚度ｈ１和ｈ２，进而打算出Ｃ值，终极进行精确的网版设计。

式中，Ｓａ为丝印网版漏印面积（ｍｍ２）；ｈ１为芯片贴装后的胶层厚度（ｍｍ）；Ｓ为芯片底面积（ｍｍ２）；Ｃ为参数（ｍｍ２）；Ｌ为芯片的周长（ｍｍ）；ｈ２为芯片贴装前的胶层厚度（ｍｍ）。

4 结束语

本文首先比拟了手工涂胶和丝印涂胶工艺的胶层特点和电路片粘接效果。
结果表明，手工涂胶工艺精度高，工艺效率较低；丝印涂胶工艺具有高工艺效率和低工艺本钱的特点，但工艺精度依赖于网版设计。
为了提升丝印网版设计的效率和精度，防止芯片粘接后过度溢胶，我们对网版漏印区域的形状和面积进行了多次实验，并提出了一种网版漏印面积的打算公式，为该工艺中丝印网版的精确设计供应了理论支持。

红外探测器芯片具有形状尺寸差异大、胶粘剂种类多等特点，手工涂胶难以知足日益增长的生产需求。
而本文提出的漏印面积打算公式可使丝印涂胶工艺达到与手工涂胶相称的工艺精度，提升了工艺效率和工艺效果，能够知足红外探测器封装的生产需求。

本文紧张从丝印网版漏印面积的角度来精准掌握胶粘剂的用量，从而担保工艺精度。
但在实验中创造，漏印形状对工艺精度有一定的影响。
目前，在实际利用中漏印形状仍依赖于履历设计。
为了进一步提升丝印涂胶工艺的精度，后续需探索网版漏印形状的精准设计方法。