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解决Mini LED印刷工艺的挑战
  2021-11-02      58

Axel Lindloff,应用工程师,Koh Young Technology 等。

自从 LED 取代 CFL 管成为 LCD 的主要背光以来,显示器行业几乎没有创新。然而,随着背光模块越来越多地采用Mini LED,这种情况正在发生变化,其对比度可与 OLED 媲美。

Mini LED 显示出用于新型显示器的前景,如基于 LED 的视频墙,让大面积显示器的性能远远超过了以前的技术。

使用Mini LED 最困难的部分是将其组装并焊接到 PCB 上。典型Mini LED 的边缘长度为 240µ 或以下。能容纳这些微小元件的焊接点更小。

锡膏印刷验证

钢网印刷仍然是为Mini LED 应用涂抹锡膏的主要方法,但在这些尺寸级别上需要微小的模版孔径。为了将极小的锡膏印刷均匀且可靠地印刷在电路板上,锡膏的颗粒直径必须小于 15µ。钢网必须按最高精度制造。

只有当印刷机能够提供精确对准且印刷头能够分配最细的结构时,锡膏才能有效地进行印刷。为了可靠地检测和验证这种小几何形状,需要一个准确综合的检测设备。

Christian Koenen 公司的应用中心凭借其专业知识,为电路板贴装和电子制造工艺的技术发展做出了重大贡献。该中心作为一个合作平台,可以与客户一起为苛刻的要求开发最佳的解决方案。该中心配备了无尘室。这些都是确保工艺条件能够可靠地保持最佳品质的基本前提条件。

Koh Young、Heraeus、ASYS 和 Christian Koenen共同进行了一系列的实验,在不使用阻焊剂的情况下,在 PCB 上印刷10 次,PCB底部在印刷过程中从未被清洁过。

印刷品质直接用 Koh Young Meister S 锡膏检测设备进行检测。为统计数据钢网上使用了大约 1000 个孔,使用显微镜和激光扫描仪验证结果。这些 PCB 既没有贴装,也没有印刷。这些测试是在实际制造条件下进行的,使用的是可从市场上购买的元器件和材料。

image.png

使用的系统和材料包括:由 EKRA SERIO 5000 印刷机组成的 ASYS SMD 生产线,带有运输和处理模块;Heraeus LED131(6 型)和 LED100(7 型)迷你 LED 焊膏;CK Nanovate™镍网板,带等离子处理;以及 Koh Young 的 Meister S SPI 系统。

Christian KoenenMini LED 印刷测试环境。

超细锡膏

对于小型化的Mini LED 焊盘的几何形状,需要锡膏颗粒小于 15µ 的特殊锡膏,这样才能为该应用得到可靠的锡膏。

钢网厚度在 15 到 30µ 之间,孔径小于 80µ,这些颗粒能可靠地减少潜在的印刷不良,如大幅波动的锡膏量或锡膏印刷。

在这里描述的研究中,使用了 6、7号粉,由Welco® 专利工艺生产。在这个过程中,焊料合金首先在热稳定的分散介质中被加热到高于其熔点范围。通过一个特殊的转子-定子程序,生产出熔化后的均匀焊料颗粒。

冷却后,得到了锡膏颗粒分布范围非常细的焊粉,在这种情况下,即 6 号粉(5 至 15µ)和 7号粉(2 至 11µ)锡膏。其特点是具有特别好的球形度(长宽比约为 1)和光滑的表面。

这些锡膏参数有助于保证出色的初始印刷能力以及长期的印刷稳定性,这对Mini LED 装配技术的提升尤为重要。

Heraeus 为这些 LED 应用开发了一个优化的 NC 助焊剂配方系列(LED131/LED100),旨在确保出色的印刷性和必要的可焊性。由于颗粒较小,锡膏球体的表面积会大大增加(氧化程度较高),因此首先必须设计一个可靠的活化设计。

其目的是使所有参与的连接部分(特别是Mini LED 和基板)实现良好的润湿,并达到低空隙率,以保持剩余助焊剂残留物的必要绝缘值(SIR)。

除了这些考虑因素和对焊膏的标准要求之外(如低坍落度和低焊球形成),还要特别注意在回流焊之前确保锡膏有足够的粘性。这可以将Mini LED 的颗粒及其明显最小化的连接区域在回流焊之前保持在原位。

钢网

CK 镍钢网的材料近年来得到了 Christian Koenen团队的改进。因此产生了 CK Nanovate镍钢网。这种超级合金的引入让用激光切割镍而不形成微裂缝成为可能。这种材料结合了镍和不锈钢钢网的优点,解决了期其缺点。

该公司可以生产厚度为 15µ 以上的钢网系列。该团队在实验中使用了厚度为 15 至 30 µ 的钢网,从而评估不同的面积和填充率。

为了获得具有代表性的结果,尽管有不同尺寸的Mini LED,但该团队仍决定采用 45 x 45µ、60 x 60µ 和 80 x 80µ 的尺寸。

image.png

小孔的可印刷性得到了进一步改善,因为钢网的底面和孔的内壁都有 Plasma 3.0 涂层。该涂层可减少锡膏和钢网之间的粘附力,从而使其能更好地从孔隙中释放出来,并减少了各个凹槽之间以及后续印刷周期之间的体积分散。

Koh Young Meister S SPI 设备。

印刷系统

现代钢网印刷机必须具有高度的灵活性,就像 EKRA SERIO 5000 一样,可以动态地满足不断变化的要求。决定锡膏印刷的关键因素是基板的平整度及其与钢网的共面性。

通常情况下,Mini LED 基材只有十分之几毫米薄,因此容易弯曲。

EKRA 的先进印刷头是专门为超细间距应用而设计的。刮刀的压力在一个狭窄的公差范围内精确印刷。

锡膏检测

所有相关的印刷参数都通过 EKRA 高端闭环接口连续传输到 Koh Young KPO 检测解决方案,并进行记录和自动优化。刮刀和脱模可以针对高度微型化的Mini LED 等应用进行微调,且无需操作人员的任何调试。

在自动光学检测中,总是需要在检测速度和测量精度之间做出让步。用 SPI 系统处理Mini LED 也会涉及像素大小的问题。在该应用中,这意味着 LED 越小,显示器的分辨率就越高。一个可重复的测量需要大约 100 个像素的信息。然后,就可以快速地从图案的大小来推断。

另一个重要的方面是 z 轴分辨率。光学测量系统会评估单个像素之间的灰度值相移。光线以一个确定的角度从两侧投射到相机领域。投影角度和像素大小与 Z 轴高度分辨率有关。

Meister S SPI 系统正是为了满足这些要求而设计的。在这项研究中,像素尺寸被降低到 5μ,同时投射角也将至了最低。虽然这会导致高度测量范围比标准 SPI 减少了一半,但在 Meister S 系统的具体应用中,低高度的高精度是必须的。此外,Meister 设备的 Plus 版本对反光表面进行了特别优化。

该研究揭示了光学检查的物理极限。为了满足未来的要求,Koh Young 已经在设计一个新的相机系统,其分辨率可以达到 3.5μ。

对于这样小的印刷,印刷机必须能够提供出色的解决方案,以实现基板和钢网之间的最大共面性。

为确保正确的印刷位置,生产线应配备先进的检测设备,如 Koh Young Meister S。

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