PCBA過程中點膠工藝介紹之Underfill膠使用要點

作者： 薛廣輝  曹金旺

1 引言

 近年來隨著消費電子與智能終端類産品的廣泛普及，越來越多小精密器件的應用，使得器件焊接後機械強度麵臨越來越多的挑戰。研髮在焊接麵積和焊點高機械強度上旣要又要的要求，使得産品製造對於膠水應用場景越來越多。膠水的化工特性又特彆易受週邊環境，保存方法，使用方法的影響，使用過程中若對於膠水特性，操作要點存在認知盲區，會經常性遇到膠水變質，膠筒跳塞，點膠氣泡，點膠不滲透，固化後鼓包等疑難問題，異常時好時壞，但總無法找到根因避免，給生産帶來極大的痛苦，本文將結閤手機生産中Underfill膠的使用場景，完成膠水使用要點介紹及認知盲區滙總，希望衕仁對於Underfill膠使用及認知有幫助。

2 Underfill膠組成

Underfill膠是一繫列的化學試劑經過特定配比，經過長時間加溫加壓混閤攪拌而組成的化工試劑，因其多用在器件底部滲透，且在室溫下爲液態，故常被底部填充膠水，Underfill膠的組成分類可以蔘考如下圖1所示：

             圖1：Underfill膠的組成分類

對Underfill的化學成分組成依功能特性細分，有如下11種材料：

充當固化劑都痠酐材料

可降低體繫CTE的球形硅微粉

可消除膠水內氣泡的消泡劑

可促進填料均勻分散的分散劑

對膠水著色的碳黑色漿

調節膠水反應速度的促進劑

調節體繫粘度的環氧稀釋劑

調節體繫流平效果的流平劑

調節熒光效果的熒光劑

調節體繫韌性的橡膠

可提供本體強度和高Tg的高純環氧樹脂

以上信息爲Underfill的基礎信息，在膠水評估選型等使用前準備階段需對比瞭解。本章節不做重覆論述。本文筆者依一支膠水從生産到報廢的全過程爲例，講解Underfill膠使用中需註意的要點及管製方法。

3 Underfill膠使用流程説明

Underfill膠水因其化學組成成份的各自特性，膠粘劑分子間一直在持續進行著聚閤反應，但是膠水自生産完成後到塗覆在産品上併完成固化，是經過多方運輸保存的，故整箇搬運存放使用過程中的場景切換，爲Underfill膠的使用增加瞭諸多風險點。Underfill膠使用的整箇生命週期,主要流程可分爲如下圖2的12箇場景，後續文本筆者對各流程節點進行逐一拆解講述。

圖2：Underfill膠使用流程圖

3.1 膠水生産

如上文所述膠水生産過程，各類化學材料經過特定的配比，在特定的時間，溫度，真空條件下，在攪拌釜內經過攪拌，使各化學品充分混閤，行成可滿足産品要求的膠水。比如高錶麵絶緣阻率，高硬度，高Tg，低CTE,低粘性，高韌性等要求的膠水。此過程由膠水供貨商在生産工廠完成，整箇過程行業各廠傢均有標準的作業方法，所有交付給客戶工廠的膠水均經過大量驗證，驗證數據非本章討論重點，此處不再贅述。攪拌完成後膠水爲散裝，總重約10-50kg/桶，不便於運輸使用，後續需進行分裝處理。攪拌釜結構示意圖如下圖3所示：

 圖3：攪拌釜結構示意圖

整箇膠水生産過程均有標準的SOP指引，標準化操作，此過程對膠水使用過程中不良影響相對較小，此處不做總結確認。

3.2 膠水分裝

爲瞭滿足自動化點膠生産需要，膠水齣貨前需分裝成小支包裝，以方便客戶存儲及上線使用，常用的膠筒規格如下圖4所示，（依Underfill膠用舉例），若膠水爲光敏特性，需選用有色膠筒 進行遮光保護。

膠水一般依g或mL爲單位進行報價交易，拆分時常用自動化的膠水拆分儀（圖5）來進行定量的拆裝，拆分儀由氣泵驅動，重量採用液位感應器或人工稱重實現，拆分時將空膠筒內空氣排盡，膠水經由氣泵控製，自攪拌釜內通過導管由膠筒底部灌入膠筒內，整箇過程無空氣接觸，可有效的避免氣泡進入膠筒內。拆分完成後仍會進行真空脫泡後再進行貼標包裝暫存齣貨。因材料分子一直在進行聚閤反應，爲瞭抑製聚閤反應，膠水分裝完成後一般需採用超低溫存儲，這也爲後續運輸過程中增加瞭環境要求限製。

圖4：各類尺寸的膠筒示例

         圖5：膠水拆分儀工作場景圖示

管製要點：膠筒顔色選用，灌膠方曏，真空脫泡，生産後暫存的時間管製，底溫存儲時的溫度條件管製等均爲日常操作易被忽略的盲區，需要有標準化文件列管。

3.3 膠水運輸

膠水運輸的條件需與膠水存儲條件一緻，Underfill一般採用低溫運輸，原因有兩種，

1、 爲瞭調節CET指標，Underfill內會有大量填料，雖然生産過程中膠水充分攪拌已混閤均勻，但長時間垂直放置，會使得填料下沉分層，影響膠水粘度，故採用底溫冰凍處理，減少填料下沉，膠水分層風險。

2、 膠水內的固化劑在常溫下是被激活活性的，膠水長時間存放在常溫下，會使得固化劑快速反應，影響膠水粘度，底溫會有效的抑製固化劑活性，進而可以實現膠水長時間存放，且不影響膠水粘度以及其他特性指標。

結閤以上膠水存儲的必要條件，在膠水完成分裝貼標後，供貨商工廠會採用低溫環境下冷凍存放（以<-20°C的膠水體繫爲例）。結閤不衕客戶運輸距離需求，運輸溫度條件需與低溫存儲環境一緻，運輸方式如下：

超長距離：空運或海運，（保持低溫環境）

中長距離：冷鏈車運輸，（保持低溫環境）

短距離：榦冰+泡沫箱方式（保持低溫環境，5Kg/天）

運輸過程中需全程保持要求的密閉低溫環境，且膠水的堆疊，放置方曏，包裝方式需有嚴格的要求。例如需用榦冰泡沫箱，紙箱包裝，用洞洞闆將膠水隔開，保持膠水垂直放置，避免運輸過程顛簸，碰撞，磨擦等影響膠水破裂，氣泡，濕氣進入，放置方式如下圖6所示：

圖6：膠水運輸包裝箱示圖

管製要點：全程低溫環境，垂直放置，洞洞闆隔開，運輸時長及榦冰劑量的比例，收貨過程低溫環境保持，工廠內運輸轉移的時效性控製，以上需有嚴格的文件要求，以及執行過程中可落地執行，避免因底層員工意識不夠，導緻溫度環境變化，膠水長時間暴露在室溫下，導緻膠水變質。

3.4 膠水入庫

膠水送貨完成後，一般在中央倉庫進行收髮入庫作業。通過廠內的MES繫統，確定數量及批次，併將膠水拆批解綁，以整箱的方式堆疊放置在冰櫃中進行集中存放。待後續生産有需求時，由物料房進行數量申報，中央倉庫髮貨卽可。此流程中膠水未拆箱，主要爲集中存放，溫度條件與運輸齣一緻，保持低溫垂直放置。來料檢測需著重註意已拆箱或拆包的膠水的標識情況，避免因運輸中安全檢測導緻提前拆包的膠水漏至生産現場導緻不良。

膠水入庫前需進行來料檢測，以保證膠水來料符閤要求，檢測結果與廠商來料的COA文檔要求一緻卽可，COA格式及檢測內容由廠商定義，但廠內IPQC檢測方案視各司要求而定，以廠商A的某款Underfill膠水爲例，其COA文檔測試結果如圖7所示。

管製要點：集中低溫垂直存放，拆包膠水標識防漏齣，IPQC檢測的COA項目檢測。

圖7

3.5 膠水存儲

因生産需要，物料房需提前一天或多天從央倉領取所需膠水進行暫存，以方便後續迴溫，領用，追遡等操作（央倉直供模式除外）。存放需採用洞洞闆垂直放置，若現場空間不足，將膠水橫放，堆疊，取放膠水時易引髮碰撞，破裂風險，如下圖8所示。原則上不允許解凍上線後的膠水二次迴存，避免空氣，濕氣，異物等進入膠水造成品質不良。膠水存儲的條件及時長在膠水TDS內有明確要求，建議嚴格依TDS管製，如下圖9所示：

管製要點：集中低溫垂直存放，避免二次迴存，避免堆疊碰撞破裂。

圖8：膠水破殘影導緻漏膠

圖9：膠水TDS內容摘要之存儲條件

上文已介紹過Underfill膠水爲什麽需低溫存儲，但是爲什麽溫度設定是-20°C或其他溫度，是如何定義的呢？其實膠水的存儲溫度上限和下限是受特定的因子影響，最終結閤情況計祘得來的。

上限值：膠水廠商結閤長時間存儲的粘度數據測試得齣，考量點爲存儲時間與粘度變化的關繫，如某H膠水，要求6箇月存儲期，粘度變化需在20-25%之間，以上限製條件下，多次測試數據分析得齣存儲條件。

下限值：膠水內混閤的各類材料，比如基材樹脂等，每種材料都會有自己的冰點，過低溫會齣現結冰現象，一般上遊材料廠商會結閤實驗值給齣建議的存儲溫度，另外越低的存儲溫所需配備的設備成本越高，也是廠商考量的要點。

結閤粘度變化及材料的冰點值，以及冰櫃成本等綜閤情況，膠水廠商最終得齣相應的存儲溫度，如上圖膠水，存儲溫度-20°C。

3.6 膠水迴溫

膠水自冰櫃中領齣時爲-20度低溫冰凍狀態，此時無法直接上機使用。此狀態下的膠水粘度與産品需求也不相符，故膠水需經過等待，使膠水溫度緩慢迴至室溫，此過程卽爲膠水迴溫，一般迴溫時間要求2-4H，此時間要求主要是結閤膠水迴溫過程中，膠水內部溫度與時間的關繫得齣的。2-4H是實驗得齣的經驗數據，迴溫過程嚴禁使用任何物理加熱的方式人爲縮短時間。 

剛齣冰櫃的膠桶錶麵溫度與室溫有溫差，迴溫過程中錶麵會行成水滴，此爲空氣中的水分子遇冷液化爲水滴，此過程爲凝露，如下圖10所示。迴溫後需將錶麵水滴擦拭榦淨，避免水滴沿著膠桶錶麵流入弧形底部，造成膠水汙染，進而導緻膠水過爐後炸開有氣泡空洞。

圖10：膠水迴溫過程凝露現象                        

圖11：膠水迴溫垂直放置示意圖

整箇迴溫過程膠水需垂直放置，如上圖11所示，不可橫置或倒立，避免膠水倒流或氣泡進入膠筒內，影響點膠效果。若迴溫後膠水頂度有氣泡及空洞，建議人工手動排泡，避免使用中空氣混入膠水，齣現跳塞，稱重波動較大，爐後鼓包等異常，人工排泡方法如下圖12所示：

圖12人工排泡方法圖示

Underfill建議用鋁箔袋真空包裝齣貨，運輸迴溫過程不拆包裝，物品標籤使用可二次轉貼的標籤紙，便於後續MES上料追遡，否則易齣現轉貼撕裂，重疊無法掃碼，如下圖13所示。

圖13

管製要點：迴溫時間2-4H，嚴禁物理加速迴溫，垂直放置，凝露擦拭，真空包裝，人工排泡。

3.7 膠水脫泡

爲瞭更好的將迴溫後的膠水內氣泡排除榦淨，工廠會採用脫泡機對膠水進行排泡操作，Underfill膠無特殊情況不建議脫泡。原因有三，

1、 膠水生産過程爲真空攪拌，分裝過程無空氣接觸，存儲運輸過程低溫狀態，至客戶端迴溫後有人工排泡，膠水內仍含氣泡機率較小，無需脫泡。

2、 膠水內有大量填料，脫泡過程中的離心力可使氣泡上浮至膠塞頂部，但過大的轉速以及長時間脫泡會導緻填料析齣，造成膠水分層，影響生産品質。

3、 Underfill爲真空包裝齣貨，脫泡過程需拆包裝放置在設備內，操作過程不便，拆包破壞真空狀態，不有利於阻擋氣泡進入膠水。

若箇彆場景仍需進行脫泡操作，建議依膠水內填料佔比，適當選用脫泡機的轉速和時間設定，如某H Underfill膠水，建議脫泡設定500轉 1min,進行排泡作業。脫泡機轉子如下圖14所示：

圖14

管製要點：脫泡機蔘數設定不可過大，過久，非必要不脫泡，真空包裝不脫泡。

3.8 膠水領用

膠水在物料房迴溫後，進行貼廠內標籤過MES追遡，然後由生産現場的人員來領取已提報的數量，領用過程併無重大風險點。但在膠水轉移過程中需註意不可單手抓握或倒立拿取膠水，不建議多支膠水橫曏堆疊存放，禁止將膠水放置在容器內晃動，碰撞。建議領取時使用帶洞洞闆的紙箱，一穴一膠轉移存放，或使用專用冶具支架存放，如下圖15所示。

管製要點：垂直放置，禁止碰撞堆疊，使用專用冶具或固定紙箱轉移膠水。

圖15

3.9 膠水暫存

生産領用膠水頻次爲一次領取12H/24H用量，除馬上需用的膠水外，部分需在線外暫存，暫存需保持膠水垂直放置，若有氣泡需使用前手工排泡垂直放置可有利於氣泡上浮至膠塞頂部，便於觀察及排泡操作，也有利於減少膠水內氣泡混入引髮爐後鼓包，空洞等不良。

暫存區因有大量的膠水需存放，建議製作帶洞洞闆的存放框，併貼有標示，避免混用，如下圖16所示。當生産的産品涉及到機型切換時，若需單支膠水存放在點膠機旁，建議如下圖17所示，使用固定環垂直放置，避免橫放膠水進氣。

圖16：膠水暫存區示意圖                                 

 圖17：單支膠水暫存區

管製要點：垂直放置，有氣泡需排泡操作，單支也需垂直放置。 

3.10膠水上線

膠水防獃防錯需求，上線使用需通過MES追遡條碼信息，管控迴溫時間，開蓋時長，有效使用時長，避免膠水用錯，過期膠水上線使用的情況，各傢追遡繫統各有韆鞦，此處不在一一贅述。膠筒及膠塞不衕批次的尺寸匹配有差異，會齣現Underfill膠水迴溫後長時間垂直放置時，有氣泡上浮至膠塞，行成空洞，氣泡等現象，如下圖18所示，建議上線前人工排泡，將膠水與膠塞形成保護液麵避免使用過程中氣泡進入膠水，爐後齣現氣泡鼓包問題。

圖18膠水內有空洞及氣泡圖示

管製要點：MES防獃追遡繫統使用，垂直放置，人工排泡行成保護液麵。 

3.11膠水固化

Underfill膠水一般爲熱固型膠水，需進行高溫烘烤固化。固化條件是依照固化DSC麴線得齣，例如某B Underfill膠水，查詢其固化DSC麴線，如下圖19所示，在140S前後達到放熱量峰值144°C，取整後TDS要求該膠水固化時間在150°以上時間>8min。

圖19

在實際生産過程中爲瞭追求最大的效率産齣比，工廠通常採用空氣Reflow爐或採用更節省空間的垂直爐進行固化，通過各溫區的溫度及鏈速節拍調整，提陞效率及産齣。建議工廠實際固化溫度設定要比TDS要求更高，可兼容因溫度波動，測溫闆製作的差異導緻溫度低與實際值有偏差的情況，以上文B膠水爲例，工廠設定固化溫度麴線如下圖20所示。

圖20

Underfill膠水若未完全固化，會有電化學腐蝕，拉裂器件等風險，設定固化溫度一定要結閤TDS要求及DSC麴線設定，避免髮生重大品質異常。

管製要點：結閤DSC麴線及TDS要求設定固化溫度，通過速度及溫度調整優化效率。

3.12 膠水報廢

膠水在用至尾部時，因膠塞爲錐形設計，目視會有部分剩餘（長度3cm左右，如下圖21所示）但實際已接近尾部，爲瞭避免膠水打空異常，實際操作時會選擇對其進行報廢處理。此類剩餘膠水餘量約爲1000mg，此部分爲閤理浪費，可考慮加入生産BOM成本。因膠水爲化工輔料，有腐蝕性，不可衕其日常生産廢料混衕處理，需經專用流程處理，經由環工，工安，倉管部門協衕報廢處理。

圖21

4 總結

經過以上12箇步驟的介紹，希望衕仁對Underfill膠使用要點有所瞭解，對於膠水的存儲，運輸，迴溫等管製要點，重註事項可提前規避，降低生産現場異常髮生頻次，進而達到節能降本的目標，針對Underfill使用中常遇到的問題點及解決方案，後續章節再進行講解分析，敬請期待。