Glenn Farris

Universal Instruments Corporation公司战略营销副总裁

 

摘要

汽车行业新的趋势之一是采用高阶LED前灯照明系统，但这种系统对LED封装的贴装要求提出了诸多挑战。本文概述了这些特有的挑战，并介绍了一种能够高精度组装LED的新方法，实现了可扩展的生产方案。

 

驱动因素

汽车前灯使用LED照明技术可提高汽车安全性和照明智能化。如今LED前灯照明是汽车的标准配置，2022年车用LED的市场规模预计将达到30亿美元。

 

挑战

LED汽车前灯和激光雷达（LiDAR）应用都很复杂，需要超级精密的组装工艺才能达到极端的性能标准要求。高精度组装和精确LED对准是打造更亮、适应性更强（颜色、方向、强度）LED汽车前灯所必需的。

快速、精确组装LED所面临的加工挑战包括： · 精准的顶部视觉校正要求；· 需要在10µm-25µm的精度下保持高产出；· 非标准基准；· 对材料、工艺和应用专业知识的需求。

战胜这些挑战最有效的方式就是采用顶部对准（Top-side Alignment Process，简称TAP）工艺来贴装LED(见图1）。

顶部对准TAP工艺能根据元件的顶部特征对准来精密贴装LED，并提供精确、可重复、高速和价格合理的生产方案。在从背光真空巢上对LED特征进行俯视检验，然后再对关键特征进行底部检测。TAP检测台能避免其他方案在检验后（仅限于顶部位置）的拾取过程中因部件移动而导致的不精确。

顶部对准工艺步骤顶部对准工艺步骤图见图2。

1. 机器首先将元件从喂料器的位置送入；2. 图形误差校正（PEC）相机按照已经编好的程序定位元件的顶部特征，顶部特征指的是LED发光芯片；3. PEC摄像头定位芯片和相关的基准特征；4. 随后机器计算并存储底片与基准特征的偏移；5. 贴装头拾取元件，并用上视相机（Upward Looking Camera ，简称ULC）扫描元件，识别出PEC识别的同一基准特征；6. 在最终确定元件的贴装位置时，考虑芯片与基准特征的偏移；7. 最后将元件贴装在基板上。

案例分析 为了准确测量TAP工艺的结果，进行了以下案例研究，达成的目标如下：

1. 回流焊后LED的贴装精度达到±25 μm；2. 测量精度基准线；3. 记录整个工艺流程，以形成可重复的解决方案。

目标：回流焊后LED的贴装精度达到±25 μm。

工艺流程：· 以基板上的两个钻孔作为校正基准；· 根据基准孔测量元件贴装精度；· 拾放普通SMT封装LED元件，模拟整个流程。

测试过程所需物料见表1表2，相关的材料图片见图3。

工艺步骤第1步：焊膏印刷· 印刷焊膏· 速度：25mm/s· 印刷压力：4.0 kg

第2步：黏合剂点涂· 点涂低温固化黏合剂 第3步：自动光学检测· 检测焊膏量 第4步：拾放元件· 采用TAP工艺贴装LED· 贴装压力为150克 第5步：回流焊· 升温速度：1.4 ℃/s· TAL：50秒· 峰值温度：237 ℃ 第6步：自动光学检测· 检验贴装精度 第7步：X光检测· 检查元件焊点是否出现空洞

目标：测量LED贴装精度基准值。

工艺 · 测量LED在玻璃板上的贴装精度· 在电路板上验证测量到的LED贴装精度· 不使用润湿工艺的干燥组装· 对比回流焊前后黏合剂和焊膏的状态

测量LED在玻璃板上的贴装精度玻璃测试板见图4。

• 在每块电路板上贴装32个LED· 元件贴装朝向分别为0°、90°、180°和270°· 样品规模：5块玻璃基板，160个数据点

玻璃测试板精度测试结果目标：在电路板上验证测量到的LED贴装精度。玻璃测试板精度测试结果见图5。

• 在黏附到玻璃板之前的性能；· 可重复性为5 μm，所有的贴装精度误差均在18 μm内。

测试结果 所有160个数据点均在±20 μm内。LED贴装图及X轴和Y轴精度数据见图6和图7。

电路板精度测试本测试用于检测/分析LED “在电路板上”的贴装精度基准线：黏附到电路板之前的性能；可重复性

测试结果电路板精度测试结果见图8—图10。

• 安装电路板的方式对精度没有影响；· 根据组装要求，所有样品的贴装精度误差均在±25 μm内

目标测试并记录成功贴装LED的整个工艺流程，包括：· 焊膏印刷及检测；· 点涂低温固化黏合剂；· AOI检测焊膏印刷特性；· 拾放元件；· 回流焊温度曲线设置；· X光检验空洞；· AOI精度测量；· 剖面测试。

印刷焊膏检测采用了焊膏检测SPI机器来检测焊膏的印刷情况，以评估焊膏的质量，确保焊膏印刷适当，不会出现任何制造故障。测试焊膏量是为了评估工艺的一致性和/或对工艺的影响（见图11）。

低温固化黏合剂  为进行该测试，我们遵循了LED生产商所给出的标准焊膏印刷建议。请注意，黏合性能对于精度测试结果至关重要，测试结果见图12。

点涂黏合剂：· 回流焊过程中保持LED的位置不受表面张力的影响；· 不能污染焊盘；· LED主体下方添加一点黏合剂足够；· 要和与焊盘及元件主体保持最近的距离。 

 

由于篇幅有限，本文节选刊登，更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》3月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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