PCBA过程中点胶工艺介绍之Underfill胶使用要点

作者： 薛广辉  曹金旺

1 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。

2 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：

             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。

3 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。

图2：Underfill胶使用流程图

3.1 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：

 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。

3.2 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。

图4：各类尺寸的胶筒示例

         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。

3.3 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，

1、 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。

2、 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：

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。

3.4 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。

图7

3.5 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。

图8：胶水破残影导致漏胶

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。

3.6 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。

图10：胶水回温过程凝露现象                        

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：

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。

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。

3.7 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，

1、 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。

2、 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。

3、 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：

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。

3.8 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。

图15

3.9 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。

图16：胶水暂存区示意图                                 

 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。 

3.10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。

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。 

3.11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。

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。

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。

3.12 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。

图21

4 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。