Технология отверждения эпоксидных материалов

пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
Рис. 1
Микросхемы в корпусе
Процесс отверждения эпоксидных материалов (PMC – Post Mold Cure) является важным технологическим этапом при корпусировании электронных изделий. Этот процесс заключается в нагреве материалов, используемых для герметизации в целях их ускоренного отверждения и оптимизации некоторых физических свойств.

Температурная обработка ускоряет процесс отверждения и должным образом выстраивает молекулы полимерных материалов для создания прочных изделий с улучшенными температурными характеристиками.
    Подобно закаленной стали, термоотверждение может позволить улучшить физические характеристики материала, в сравнении с теми, которые достигаются при сушке в комнатной температуре. Среди этих характеристик - предел прочности, прочность на изгиб, температурная деформация. PMC процесс на сегодняшний день является основным методом борьбы с деформацией при корпусировании электронных компонентов.

    Преимущества PMC процесса позволяют широко его использовать в области производства изделий электроники. На рис 1. Показаны различные микросхемы, которые были помещены в корпус с использованием процесса PMC.

    PMC процесс для герметизации микросхем

    Существует два основных технологических этапа в процессе герметизации микросхем. Первый – микросхема герметизируется с помощью термоотверждаемого эпоксидного формовочного компаунда. Этот пластичный материал наиболее часто используется для этой задачи. Компаунд впрыскивается под давлением в горячую форму и заливает установленную микросхему. После этого происходит отверждение полученной формы из эпоксидного материала с микросхемой. Важным моментом для данного этапа является достижение качественной заливки сикросхемы и частичное отверждение формованного изделия.

    Второй этап – процесс отверждения после формовки (PMC). Целью данного этапа является увеличение температуры отверждения и снижение деформации микросхемы. PMC процесс окончательно формирует химические связи между молекулами в компаунде для получения надежной герметизации. Процесс отверждения после формовки может быть разделен на 3 этапа, при условии, что процесс нагрева в печи однородный. На первом этапе производится быстрый нагрев от комнатной температуры до 175оС. На следующим этапе температура 175оС выдерживается в течение нескольких часов. На финальном эта проводится быстрое охлаждение изделий от 175оС до комнатной температуры.

    Применения PMC

    Процесс PMC широко используется производителями электронных изделий. В таблице 1 (ниже) показаны различные типы изделий, в производстве которых используется процесс отверждения после формовки для улучшения их технических характеристик. А также, компании их производящие подобные изделия.
    Влияние процесса PMC на свойства материала

    Окончательные свойства эпоксидного формовочного компаунда (EMC) определяет процесс его отверждения. Эпоксидный материал является наиболее важной составляющей формовочного компаунда. Он определяет текучесть компаунда и влияет на его температурные и электрические характеристики. В настоящее время существует несколько наиболее часто используемых эпоксидных компаундов с различными техническими характеристиками. Примеры в таблице 2 (ниже).
    При PMC процессе формованные изделия размещаются в печи с принудительной воздушной циркуляцией и термически обрабатываются в соответствии с определенным температурным профилем. В течение термообработки молекулярный вес полимеров растет за счёт удлинения полимерной цепи. В свою очередь рост молекулярного веса оказывает влияние на механические, химические и термические характеристики эпоксидных материалов. Рис. 2 иллюстрирует как изменяются физические свойства в течение PMC процесса. После его завершения физические характеристики существенно улучшаются.
    Рис. 2
    Изменение физических характеристик при PMC процессе (образец Torlon 4203L, толщина 3 мм):
    а) Предел прочности; b) Прочность на изгиб; с) Температура тепловой деформации; d) Усадка
    PMC процесс позволяет предотвращать такие проблемы, как деформация в процессе корпусирования микросхем. Также, тепловое отверждение эпоксидных материалов один из основных способов для облегчения дегазации и удаления летучих компонентов из материала. В случае остаточных летучих компонентов и воздействия высокой температуры будет наблюдаться деградация прочностных характеристик, растяжение, остаточная деформация наряду с химическим распадом.

    Не полностью проведенный PMC процесс может стать следствием образования пузырей, выхода газа, расслоения и вязкого налета на поверхности материала. Для достижения требуемых результатов температурный профиль в конвейерной печи должен быть оптимально задан и поддерживаться с высокой точностью.
    пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
    Рис. 3
    Конвейерная печь производства Hengli Eletek
    Выбор печи для PMC процесса

    Подбор оптимальной печи требует знания температуры, времени и рабочей атмосферы техпроцесса. В основном, PMC процесс может проводиться как в камерных, так и конвейерных печах. Камерные печи могут использоваться для изделий любых габаритов, но они ограничены производительностью, поскольку, для разгрузки и выгрузки используется одна и та же дверь. В один момент времени может быть обработана только одна партия изделий. Конвейерные печи используют подвижную конвейерную ленту для перемещения изделий через печь и обеспечивают большую производительность. На рис. 3 изображена конвейерная печь Hengli Eletek.
    Технологические процессы, экономические аспекты и качество готовых изделий влияют на выбор периодического или непрерывного цикла термообработки. Экономические аспекты включают в себя стоимость оборудования, стоимость его использования, стоимость ремонта, выход годной продукции, прибыль на инвестируемый капитал. Вопросы качества продукции часто ассоциируются со стабильностью техпроцесса и систематичностью подхода, в то время как, технология фокусируется на простоте рабочих операций, описании процессов, температурных циклах, рабочей атмосфере, массе изделий и желаемой производительности.

    Значимость тех или иных составляющих зависит от конкретной ситуации и производственной задачи.

    Многие производители в настоящее время продолжают использовать камерные печи для PMC процессов, но большое количество исследований показывает, что для серийного производства лучше использовать непрерывные процессы. Это связано с тем, что конвейерные печи легко перенастраиваются и могут быть использованы для производства широкой номенклатуры изделий. Таким образом, для среднесерийного и крупно серийного производства конвейерные печи – оптимальный выбор.

    Основные преимущества при переходе с периодических процессов на непрерывные:

    • Лучшая температурная однородность
    • Увеличенная производительность
    • Совмещение процессов
    • Сниженное время перехода к новой продукции
    • Гибкость в загрузке изделий

    Конвейерные печи идеальны для процессов герметизации компонентов и других применений, требующих высокой производительности, стабильности и прецизионного контроля. В течение цикла термообработки обеспечивается требуемый нагрев изделий на всех стадиях. Возможные дефекты могут быть предупреждены и устранены. Поддержание постоянства непрерывного процесса позволяет добиться значительного увеличение производительности (в случае использования камерных печей, они должны нагреваться и охлаждаться). Для дальнейшей автоматизации процессов герметизации полупроводниковых компонентов конвейерные печи так же можно успешно использовать.
    пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
    Рис. 4
    Процесс нагрева излучением и конвекцией
    При выборе типа конвейерной печи важным моментом является рассмотрение способа нагрева рабочей среды. В отличии от традиционных печей, использующих тепловое излучение, в печах с конвекционным нагревом, разогрев осуществляется посредством конвекции. Конвекционный нагрев обеспечивает высокую однородность для проведения PMC процесса. Рис. 4 иллюстрирует разницу между традиционным нагревом с помощью теплового излучения и конвекционным нагревом. Важные преимущества конвейерных печей с конвекционным нагревом - энергоэффективность на 70% выше в сравнении с традиционными печами.
    Большинство PMC процессов с «длинным» профилем термообработки требуют многозонных конвейерных печей. Такие печи лучше всего использовать во встроенных линиях, используемых многими контрактными производителями печатных плат. PMC процесс требует жесткого контроля температуры и времени, поскольку, данные параметры критичны для получения высокого качества обработки. Если температура в печи во время обработки выше установленной, высока вероятность повреждения компонентов, и производственного брака. С другой стороны, если температура не достигает заданного значения, отверждение происходит не полностью и качество материала резко снижается.

    Поскольку PMC процесс очень чувствителен к температуре, поддержание её высокой однородности в печи необходимо. Температурная однородность – это разница температуры между самой холодной и самой горячей точкой в печи. Обычно самая горячая точка располагается возле места подачи горячего воздуха в рабочую зону, а самая холодная возле вытяжного отверстия.

    В печи должна быть реализована возможность автоматического отключения и ручной перезагрузки. Хорошая печь также подразумевает автоматическое отключение при превышение заданной температуры на 2,8оС. Это требуется для предотвращения деформации изделий, которая может случиться при отклонении от профиля термообработки.
    пайка оплавлением в печах Hengli Eletek
    Рис. 5
    Печь серии HSF с конвекционным нагревом, производства Hengli Eletek
    Конвейерная печь с конвекционным нагревом серии HSF производства Hengli Eletek (рис. 5), эффективное решение, разработанное для процессов отверждения эпоксидных компаундов.

    Максимальная температура печи до 400оС. Печь может быть нагрета с использованием ИК-нагрева и/или конвекцией горячего воздуха, в зависимости от требований технологического процесса и температурного профиля, и способна обеспечить требуемую скорость нагрева для удовлетворения PMC процесса в контролируемой рабочей атмосфере (воздух или азот). Прецизионный контроль температурных зон и однородность распределения температуры в печах серии HSF обеспечивают точное выполнение термопрофиля и благодаря этому получение продукции высокого качества. Ультрачистая рабочая камера позволяет получать быстрый тепловой отклик.
    Микропроцессорное управление на базе ПИД- контроллера Shimaden (Япония) выполняет высокоточный контроль печью. Для определения температуры в каждой температурной зоне используются термопары типа K. Центральный процессор располагается при входе в рабочую зону печи. Простое управление посредством Windows, программирование и контроль параметров техпроцесса, таких как, скорость движения конвейера, температура рабочих зон, рабочая атмосфера. Температурные профили могут храниться и использоваться в дальнейшей работе. Печь также оснащена системой контроля перегрева с дополнительной термопарой типа K, расположенной в центре каждой контролируемой температурной зоны, и многозонной сигнализацией

    Заключение

    Процесс PMC является важным технологическим этапом в производстве электронных компонентов и изделий и оказывает сильное влияние на их качество. В свою очередь, качество проведения PMC сильно зависит от выполнения температурного режима в печи.

    Таким образом, выбор правильной конвейерной печи с конвекционным нагревом и прецизионным контролем температуры, обеспечит оптимальное осуществление отверждения эпоксидных компаундов и позволит получать изделия высокого качества.