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用顶面对齐工艺(TAP)制造更好、更亮的LED前照灯
  2021-04-29      152

作者:Glenn Farris通用仪器公司

摘要

汽车行业出现的新趋势是采用先进的LED前照灯照明系统。这些照明系统对LED封装的贴装要求带来巨大的挑战。在本文,我们将回顾这些独特的挑战并讨论用来实现LED封装高精度贴装的新方法,从而实现可扩展的生产方案。

驱动力

汽车前照灯采用LED照明技术可以提高安全性和照明智能化。LED汽车前照灯正成为甚至是价格最经济实惠的汽车标准,预计到2022年,汽车前照灯LED市场规模将达到30亿美元。

挑战

LED汽车前照灯和新出现的像激光定位(LIDAR)这些应用都非常复杂,需要极为精确的组装才能达到非常高的性能标准。在制作更明亮和(颜色、方向、强度)更适合的LED汽车前照灯时,高精度贴装与精确的LED对正是最基本的要求。

快速且精确地贴装LED面临的一些制造挑战包括:

• 精确的顶面视觉校正要求

• 以10-25微米的精确度高通量的要求

• 非标准的基准点

• 关于材料、工艺和应用方面的知识的需求

实现这一目标的最有效方法是利用顶面对正(TAP)工艺来放置LED。

顶面对正

顶面对正工艺(TAP)确保LED放置的精确性、可重复性,是一种高速和经济的生产方案。TAP工艺根据顶面的特点精确放置和对正LED。在背光的真空床上检查LED(发光二极管)顶面的特点,然后再检查LED底面的关键特点。TAP消除各种其他的LED贴装方法的不准确性,这些不准确性是在拾起过程中零件移动造成的,这种情况只能在拾起-贴装工艺后的顶面检查中发现。

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图1:顶面对正工艺的特点。

顶面对正工艺的七个工艺步骤

1、机器开始将元件送到送料器的位置。

2、图案错误校正(PEC)摄像机在元件上查找编写好程序的顶面特征。顶面的特征被称为原图。

3、PEC摄像机定位与原图有关的参考特征。

4、然后,机器计算并存储原图与参考特征的偏离量。

5、拾起头拾起LED时,俯视摄像头(ULC)扫描拾起的LED。使用ULC时,ULC可以识别由PEC使用的相同参考特征。

6、在确定最终贴装位置时考虑原图与参考特征的偏离量。

7、然后,把元件贴装到基板上。

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图2:TAP工艺的流程。

案例研究

为了精确地测量TAP工艺的结果,我们进行下面的案例研究。研究的目的是:

1、回流后的LED放置精确度达到+/-25微米之内。

2、测量基准线精确度。

3、为可重复的解决方案编写完整的工艺文档。

目标:回流后的LED放置精确度达到+/-25微米之内。

工艺:

• 在每个电路上使用两个钻孔作为对正参考

• 根据每个电路上的参考孔测量贴装精度

• 使用常用的拾起与贴装LED的SMT设备来模拟工艺

本测试使用以下材料(表1和表2):

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表1:LED材料的精确度列表。

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表2:LED精确度试验的工艺信息。

工艺步骤

第一步:印刷锡膏

• 印刷锡膏

• 速度:25毫米/秒

• 压力:4.0 kg

第二步:点胶

• 涂布低温固化的粘合剂

第三步:自动化光学检查

• 检查涂布的锡膏体积

第四步:拾起与贴装

• 使用TAP工艺贴装LED

• 贴装力:150克

第五步:在回流炉中回流

• 升温速率:1.4°C/秒

• 回流时间(TAL):50秒

• 峰值温度:237°C

第六步:自动化光学检查

• 检查贴片的精确性

第七步:X光检查

• 检查元件的焊点中是否有空洞

目标:测量LED贴片精确性的基准线。

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图3:精确贴片的LED材料的图像。

工艺

• 测量贴装在玻璃板上的LED的贴装精确性

• 测量贴装在面板上的LED的贴装精确性校验

• 干式组装的不润湿工艺

• 比较回流前和回流后的粘合剂和锡膏

测量LED在玻璃板上的贴装精确度

• 在每块电路板上贴装32个LED

• 分别在0、90、180和270四个方向测量

• 样品尺寸,5块电路板,160个数据点

精确度结果:玻璃测试板

目的:测量LED的贴装精确度,验证在面板上的贴装精确度

• 在玻璃板上涂布锡膏和粘合剂之前的性能

• 5微米可重复性,所有贴装都在18微米内

结果

所有的160个数据点都在20微米内

精确度结果:面板

用来测试“在面板上”贴装测试、分析的基准线

• 在涂布锡膏和粘合剂之前的性能

• 小于4.5微米的可重复性,所有贴装都在15微米内

结果

• 贴装的精确度不受使用面板的影响

• 所有样品的贴装都符合组装的要求,都在+/-25微米内


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图4:玻璃测试板。

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图5:测试结果。

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图6:使用TAP工艺贴装LED时的LED的X、Y偏移图,所有的160个数据点的偏移都在20微米之内。

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图7:测试结果。

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图8:X、Y的精确度数据。

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图9:X、Y的精确度数据。

目标:为了测试和记录成功贴装LED的完整工艺,内容包括:

• 锡膏的印刷和检查

• 低温固化点胶

• 用来检查焊锡印刷特性的AOI

• 拾起和贴装

• 回流温度曲线设置

• 用X光检查空洞

• AOI精确度测量

• 横截面测试

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图10:LED的放置位置。

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图11:SPI数据——评估锡膏体积确定工艺稳定性。

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图12:点胶测试结果。

锡膏印刷检查

我们使用检查锡膏的SPI机器进行一次彻底的锡膏检查,以评估锡膏的质量,也可以知道锡膏印刷是否正确,有没有出现制造故障。锡膏体积的评估被用来说明印刷工艺的一致性,或者对印刷工艺的影响。

低温固化粘合剂

为了进行这项测试,我们遵循LED制造中对锡膏印刷建议的标准。请注意,胶水的性能是得到精确性结果的关键。

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图13:测试结果。

点胶:

• 粘合剂要在回流时保持LED的位置不受表面张力影响

• 周围区域不会污染焊盘

• 粘合剂在LED下面只要涂布一个点就足够了

• 粘合剂要涂布在最靠近焊盘和LED的位置

在回流前的精确度结果

 “在湿面板上”基准线贴装的测试/分析

• 锡膏和粘合剂的润湿性能

• 5微米重复性,所有贴装都在18微米内

• 每块面板有32个样品

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图14:X、Y方向的精确度数据。

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图15:进行精确度测量的位置。

结果

• 材料潮湿不会影响贴装的精确度

• 所有的256个贴装都在+/- 25微米的规范之内

回流温度曲线

为了测试固化时间,我们对电路板进行一次回流工艺。下面的结果显示一个典型的斜坡升温到峰值温度的回流温度曲线,使用SAC 305锡膏,在大气环境中回流。

结果

• 固化转变温度低于焊膏的液相,从而消除了由于表面张力的自定心效应而导致的LED移动。

回流后的精确度结果

回流后“湿面板上”的贴装测试/分析

• 锡膏和粘合剂的润湿性能

• 5.5微米重复性,所有放置都在18微米内

• 每个面板有32个样品

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图16:回流测试结果。

结果

• 在规范之内的回流时粘合剂控制LED的移动

• 所有的256个贴装都在+/- 25微米的规范之内

回流前与回流后的精确度

以下是回流前和回流后的精确度结果:

• 回流前和回流后之间的个人测量误差

• 回流后的所有样品都满足Cpk >1.0 @ 25mm

结果

• 回流后的精确度结果良好

• 标准偏差没有变化

• y轴变化最小,平均值~5微米

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图17:测试结果。

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图18:X、Y方向的精确度结果。

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图19:回流前与回流后贴装精确度的误差比较。

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图20:X、Y方向精确度结果。

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图21:X光图像。

空洞检查的X光图像

空洞规范

• 所有焊盘<25%,单个焊盘<10%

结果

所有的样品都符合空洞规范。

LED的横截面

我们进行一次电子显微镜(SEM)扫描图像分析,在放大下观察LED的倾斜和焊点中的空洞。

结果

• 涂布的粘合剂很少,不会引起封装倾斜

• 空洞最少

结论

• TAP提供一种新颖的方法来实现LED封装的高精确度贴装,从而实现可以扩大生产的解决方案

• TAP消除各种LED放置方法由于零件移动造成的贴装不精确性,这些不精确性只能在拾起、贴装工艺之后的顶面检查中发现

• TAP可根据顶部特征在任何旋转方向上对齐贴装位置,从而实现广泛应用的高精度贴装,包括汽车、太阳能CPV和半导体

• 对于制造LED前照灯的那些组件时面临的许多挑战,TAP是解决这些挑战的一种极好方案,因为它确保LED的快速、可重复的精确贴装。

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图22:放大的横截面。

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图23:贴装在环氧树脂上的LED显示没有热位移。

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图24:放大的环氧树脂侧面图像。

鸣谢

本文所述的工艺开发,产品组装和工艺分析由通用仪器公司的先进工艺实验室(APL)提供。联系方式:David Vicari, APL实验室的主任,Vicari@uic.comSMT007

本文在SMTA 2020国际会议上发表。文中的所有图片均由Universal images提供。

作者简介:Glenn Farris是通用仪器公司负责战略市场推广的副总裁。

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