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用于封装领域的高粘度流体微量喷射技术

作者:Alec J. Babiarz, Asymtek   2006-09-09   点击:929

  摘要  在电子器件和半导体的封装中,需要使用芯片下填充料、微型填充物以及一些其他微量、不连续的材料。通过使用粘结材料喷射技术可以提高整个封装流程的吞吐率。


  在过去几年内,电子组装产业采用多种流体材料的步伐已经显著加快。在上世纪七十年代,芯片的封装仍然采用引线框架、芯片粘片、引线键合以及模塑料包封流程完成。印刷电路板(PCB)的组装则由波峰焊设备和IC贴片设备完成。其中涉及到流体涂敷的两步工艺是芯片粘结和暂时性的焊料掩模。随着混合组装和表面贴装技术(SMT)的增长,涉及到流体涂敷工艺的材料增加到焊膏、表面组装粘结剂、芯片粘贴材料、滴封材料、暂性焊料掩模以及芯片涂层材料。在上世纪八十年代后期,对更高速度更高性能器件的需求驱动半导体封装向面阵列封装发展,这又引入了坝式结构和填充材料、包封材料,倒装芯片用芯片底部填充料也首次得到大规模应用。随着市场的继续发展,要求产品具有更好的性能,尺寸更小、功耗更低、重量更轻、更符合环保要求、功能更强以及运行速度更快。这也引发了对流体材料、粘结剂、涂层材料、包封材料、焊膏和助焊剂的更多需求。

  在过去,由于在组装工艺中涉及流体会带来
很多问题,因此使用流体材料的工艺都要尽量避免。时至今日,流体已经成为电子封装的一个组成部分,比较明显的例子是液晶显示器(LCD)、片上实验室生物技术、透镜和MEMS器件。由连接线到PCB到SMT再到系统级封装(SiP)模块的发展带动了更多新型流体的开发和应用。与此类似,流体技术本身也在经历一场由针管/接触式方法向喷射/非接触式方法的转变。在我们目标市场上的这种转化与打印机市场上从接触/针式打印机向喷墨式打印机的转化非常类似。转化的趋势是无可避免的,并且新的客户需求驱动着市场向创新和开发新技术的方向转变,一个例子就是在组装领域采用流体喷射技术。

  多种喷射方法

  热喷墨是目前使用的喷射技术中最为常见的一种。由于热喷墨技术可以以极低的成本应用于半导体或薄膜技术的量产制造中,因此它非常适用于制造消费类产品。该技术喷射低流动性的小墨滴,在印刷工艺中特别受欢迎。

  热喷墨技术的历史可以回溯到在特殊的热纸上热印刷薄膜电阻。该应用首先来自于发热电阻可以加热墨水并产生液滴的发现。热喷墨技术的工作原理是快速加热小电阻,通过电阻对墨水的加热产生气泡,之后关断电阻的电源,让周围的墨水冷却,气泡消失。气泡产生以及随后消失的过程对气泡顶部的液体带来冲量。在电阻的上方或者附近如果有一个孔,就可以给流体提供一个逸出路线。这样,一滴墨水就从喷嘴发射出来。该技术的优点在于液滴的尺寸、操作速度、对墨水内驻留的空气不敏感、喷头成本低以及可以将很多个喷嘴集成在一起。但热技术的问题在于很难扩展到除了墨水以外的其他流体。该技术使用的最佳范围是黏度低于30cps的低黏度流体。此外加热流体的过程还可能在流体和电阻上产生很多多余的化学反应。

  在电子组装中,有几种压电驱动喷射器和非接触式喷射技术已经得到了应用。在印刷应用中,第一类压电喷射器主要作为热喷墨印刷技术的竞争对手出现。这种喷射器采用一个压电盘、梁或导管来改变流体储存腔的容积。该设备的压电喷射器工作频率可高达20 kHz。推动力也可以非常高,而且偏移很小。市场已有几种型号的喷射器可供OEM选择。这项技术最大的优点在于可以采用喷射器阵列,并且可以以很高的速度喷射材料的小液滴。喷射器阵列的喷嘴数目从125、256到300。电子产业中该项技术一个成功的商业应用是在有机发光二极管(OLED)的制造中。Dimatrix(原Spectra)和Epson制造的喷射器已被用于将有机颜料注入LED单元中形成红光、绿光、蓝光或者白光二极管。该方法已经成为非常可靠的量产工具,这也是喷射技术在电子组装领域的一个重要应用。

  该类喷射器的典型应用范围也是黏度低于30 cps的低黏度流体。同样,由于偏移很小,驻留在流体腔内的空气可能被压电材料挤压,这样会强烈破坏压电材料的正常反应,并使流体无法从喷嘴中发射出来。相对于热喷墨方法来说,压电技术不会带来额外的化学反应,本文作者也相信在喷墨以外的领域,压电技术也会比热喷墨技术有更多优点。

  另一个可实现喷射的方法是快速地打开再关闭喷嘴。在这种方法中,流体处于相对较高的压力下(黏度在30 cps的流体其压力大于0.2 mPa,对更粘稠的材料来说,压力值更显著提高),然后打开喷嘴。这样一束流体就从喷嘴飞溅而出,再关闭喷嘴。快速的关闭将流体切断,这一束流体的冲量可以带着它飞离喷嘴。压电驱动装置与一个杠杆系统配合使用,可以实现如此快速的阀门动作。为了实现精确控制从喷嘴飞出液体的量,要求喷嘴打开和关闭的动作必须快速且重复性好。同时,为了获得小的液滴,也需要采用小喷嘴,使其处于更高的压力下,并且开关动作更快。该方法完全依赖于流体

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