電子制造領域UV固化設備選型的幾點思考
邵建義 博士
好樂紫外技術貿易（上海）有限公司
隨著我國改革開放的不斷推進，印證中國從制造大國邁向制造強國的，便是制造業(yè)整體實力的不斷提升，從大型高端制造裝備走出國門，到半導體封裝行業(yè)的高精度高集成設備的突破，幾十年的制造大國的辛勤沉淀造就了中國成為世界上具有最完整產(chǎn)業(yè)鏈的國家。
期間，快速的經(jīng)濟發(fā)展和以互聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術為底層支撐的通訊技術的進步及商業(yè)化，使得消費電子在過去20年成為引領和支撐電子行業(yè)發(fā)展的核心驅動。消費電子行業(yè)最大的特點就是周期短、迭代快、需求數(shù)量大，同時競爭也是最激烈。相應的電子制造業(yè)也必須是高效、高產(chǎn)能。其實，市場對效率的期待和追求也如同對品質的追求一樣，沒有停止過。故而，在生產(chǎn)過程中高效、環(huán)保、節(jié)能的UV固化技術及在過去30年得到了迅猛的發(fā)展。這主要是由于三方面的原因：
圖1. UV固化技術被廣泛應用于工業(yè)的各個領域，圖片來源：Hoenle Group
1 高效節(jié)能
以工業(yè)粘合劑，即工業(yè)膠水為例，UV技術的固化，基本上是在秒級別的時間完成的。室溫固化的雙組份粘合劑完全固化一般需要24小時或更久；而加熱固化的膠水，往往也需要30分鐘到1小時左右。所以從效率上講，其他固化方式的膠黏劑是與UV膠無法比擬的。尤其是本世紀初興起并逐漸成熟的LED UV技術的采用，大大的降低了UV固化設備的單位時間的能耗，再加上UV技術的高效，與加熱固化的膠黏劑對比，其高效和節(jié)能效果不言而喻。
2 綠色環(huán)保
綠色環(huán)保是當今時代的主題，尤其是隨著國家節(jié)能減排政策的實施，出臺了一系列法規(guī)限制和叫停傳統(tǒng)的高污染、高排放的產(chǎn)品生產(chǎn)。比如溶劑膠。此類溶劑型產(chǎn)品生存的空間越來越少，也促進了人們對UV技術這一綠色環(huán)保的新技術的不斷研究，進而開發(fā)出了UV類型的替代品，包括UV漆、UV油墨、UV工業(yè)粘合劑，廣泛應用于美容美甲、家具、一般工業(yè)、印刷、造幣、增材3D打印，電子制造業(yè)等各個行業(yè)。
3 性能優(yōu)越
UV技術尤其是UV膠水在電子行業(yè)得到廣泛應用的最大的原因之一，就是它所表現(xiàn)出的卓越的性能。UV膠的各種性能，比如硬度、斷裂延伸率、粘度、對不同材質的粘接強度等都可以比較容易的進行調整，以適應各種應用場景和不同材質的粘接應用。這極大地促進了UV技術，尤其是UV膠水在消費電子行業(yè)的廣泛應用。
UV技術必然需要UV固化設備，即UV燈。而UV固化設備從發(fā)光原理角度講，可以分為電極激發(fā)的氣體放電技術、微波激發(fā)的氣體放電技術和近些年來興起的LED芯片（固態(tài)）發(fā)光技術。目前，市面上各種技術的UV固化設備并存，加上LED固化設備近10年的飛速發(fā)展，國內及國際品牌同臺競技，使人目不暇接。那么，如何選擇UV設備是擺在大家面前的一個實際問題，以我們熟悉的膠粘劑行業(yè)作為應用基礎，因為UV膠水本身千變萬化，品牌眾多，所以為UV膠水選擇UV固化設備頗具代表性。筆者就此梳理了一下，通常我們應從如下幾個方面進行考慮：
3.1 先選定膠水還是先選定UV固化設備？
這個問題往往在遇到一個全新的項目時，就顯得十分重要了。尤其作為項目的負責人，必須要考慮找到合適的膠水，也要找到合適的UV燈。那么，先定哪一個？就是誰主誰次的問題。經(jīng)驗告訴我們，一般都要先定膠水，再選擇UV燈。貌似結論已經(jīng)很清楚了：既然是要考慮UV燈，那么，膠水就是UV膠了。那還有什么先后順序可以考慮的？其實不然：
圖2. 膠水的選擇是為產(chǎn)品服務的，固化設備則服務于工藝，圖片來源：Hoenle Group
膠水是為最終產(chǎn)品服務的，固化設備是為工藝服務的，從這一點來講，膠水的優(yōu)先級更高
膠水的選擇更加復雜、要考慮的因素更加多，比如對產(chǎn)品的粘接性能，可靠性、工藝可行性，成本等因素
往往膠水選定后，其TDS上已經(jīng)會有固化設備的相關推薦，比如波段、光強、固化時間等?？梢愿鶕?jù)這些內容比較容易地找到合適的固化設備
3.2 波普匹配原則
在定好了UV膠水后，再去選擇UV燈，那么波普的匹配就顯得十分重要了。它甚至是選燈的第一原則。一般的膠水的技術參數(shù)表上都會列出固化的最佳波段，尤其是針對LED的UV固化設備，比如365 nm, 405 nm等，個別的也有460 nm的波段。如果是傳統(tǒng)的放電式汞燈，那么波段往往不是太大的問題，但也要看波普的主峰是否與膠水的吸收波普的主峰重疊或接近。重疊度越高，則效率也越高。
但如果僅僅認為這樣就解決了波普的匹配問題，那就錯了。其實，還有很重要的一個因素，那就是基材。UV膠往往是用來粘接不同基材的，常規(guī)的理解是：至少其中一個基材應該是透明的，只有這樣光才能穿過基材，照射到膠水內部。但這種理解還不夠科學。因為我們理解的透明，其實是可見光的穿透，但這里面還有兩個因素要考慮：首先是到底能夠透過哪個波段的光？其次是在這個波段，透光率到底是多少？所以，最好有一個透過率的曲線。這樣就能從以上兩方面定量地描述透光情況了。比如一般的透明PC材料，看起來很透明，但透光主要從400 nm開始，而UVA波段（<380 nm）以下的光都被阻隔了。所以，如果用UV膠粘接PC，選365 nm固化的膠水和365 nm的燈，其實也是不合適的，因為PC把365納米的光都阻隔掉了，最終膠水還是無法吸收到365 nm的光線。
所以，波普匹配，要考慮的因素是素材的透光性能，膠水內光引發(fā)劑的吸收譜和UV燈的發(fā)光譜三者的匹配。只有三者之間有重疊，才算匹配，而且重疊度越大，匹配度越高。固化效果就越好。
3.3 重要參數(shù)：光強——并非越高越好！
在LED UV固化設備越來越流行的當今，很多LED UV固化設備供應商在銷售宣傳時，都把高的光強作為一個賣點大肆渲染。但從應用的角度來講，并非光強越高就越好，要具體問題，具體分析。解釋如下：
對部分膠水，光強過強，反而粘接效果不好，或者固化效果不好。有些膠水在光強過強的情況下，反應速度會大幅度提升，導致膠水內部以及界面的應力過大。反而使得最終整體的粘接強度下降；有些膠水，當適度提高光強時，表干效果會改善，但隨著光強的進一步提高，表干效果反而會更差。
膠水中的光引發(fā)劑的含量是一定的，每種光引發(fā)劑與光子的反應速度也是固定的。當光劑量超過了光引發(fā)劑的吸收能力，則再高就沒有太大意義了。
相對于更高的光強，波普匹配更加重要。如果波普不匹配，再高的光強，也無法讓膠水固化。
3.4 UV固化設備的類型
如前所述，UV固化設備也有不同的類型，從發(fā)光原理角度來講，可分為：有極汞燈，無極燈以及LED燈三類。有極汞燈，又分為低壓汞燈、中壓汞燈和高壓汞燈。其特點是寬波普，一般光強不高，發(fā)熱量較大，壽命一般在1500 小時左右；無極燈，最早是美國一家公司的專利產(chǎn)品，靠微波激發(fā)發(fā)光，但專利保護期已過。國內目前也出現(xiàn)了類似產(chǎn)品。此類燈光強高、光衰少、開關無需等待，發(fā)熱量大，能耗高，燈泡壽命比汞燈明顯長，大概在6000到8000小時左右；LED燈，是近些年出現(xiàn)的新技術，主要是靠LED芯片發(fā)出特定的波段的光譜，一般365 nm，385 nm，395 nm及405nm等波段比較常見，偶爾也有見460 nm的。是目前發(fā)展最快的新型UV固化設備，按照冷卻方式，又分為風冷和液態(tài)冷卻，一般壽命在20000 小時左右。
一般來講，在電子制造領域進行UV膠水的固化，選LED UV固化設備是一個趨勢，主要還是由它在發(fā)熱量、節(jié)能環(huán)保、壽命、光強的均勻性、開關反應時間、設計靈活性、體積等方面，具有傳統(tǒng)放電式汞燈無法比擬的優(yōu)勢。但這并不是一個定律。有時候由于使用膠水的特殊性，或許選傳統(tǒng)汞燈更有利于達到預期的產(chǎn)品性能。比如有些環(huán)氧類型的UV膠，在固化的時候，UV設備發(fā)出的“熱量”可以幫助它實現(xiàn)更好的固化，而LED是“冷光源”，用此類設備固化這些環(huán)氧類型的UV膠，就不是最合適的。另外，有些亞克力類型的UV膠，表干效果不好，為了改善表干效果，使用無極汞燈就是不錯的選擇。關于這方面，可以咨詢膠水供應商和設備供應商，聽取他們專門的意見和建議。
3.5 成本因素，如何考量？
成本是所有企業(yè)都要考慮的一個因素，尤其是一次性的設備投入，當采購數(shù)量多，金額比較大時，更值得關注。但往往在考慮成本的時候，企業(yè)更容易關注一次性的直接采購成本，而忽略了其他方面的隱形成本。比如能耗造成的間接成本，這種成本是長期的，所以也必須考慮。另外，正常維護保養(yǎng)的成本，也值得關注，比如傳統(tǒng)的放電式的UV設備，有UV燈泡的更換成本，有些帶液態(tài)冷卻系統(tǒng)的，也有額外的維護成本等。而由于質量問題導致的額外停工停產(chǎn)的成本，不在本文考慮之列。但確實也是值得關注的，所以，選擇品質好的大品牌是減少這方面成本的關鍵，有時候不能一味追求直接采購成本低。價格過低的產(chǎn)品往往會偷工減料，質量把控不嚴，給后續(xù)的生產(chǎn)帶來隱患，這種成本其實反而比較高！
3.6 結構設計和尺寸
還有一個在選擇UV設備時不得不考慮的因素就是產(chǎn)品的結構外形設計和尺寸。這包含如下幾個方面：
發(fā)光區(qū)的形狀
按照發(fā)光區(qū)域的形狀，可以把UV燈分為點光源、線光源、環(huán)形光源、面光源等等。一定要結合自己產(chǎn)品的大小，具體的應用和產(chǎn)線的設計（比如流水線式的還是工位式的）來定。
有效發(fā)光面積
有效發(fā)光面積是指光源的發(fā)光面積占光源所在平面的比值，類似于手機的屏占比。有效發(fā)光面積越高，越有利于光源（燈頭）在產(chǎn)線的集成安裝和多臺UV設備的無縫拼接。
總的體積大小
這對于產(chǎn)線布置，有效提升生產(chǎn)場地的使用率等十分重要，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)的時候，是一定要考慮的因素。
圖3. 有效發(fā)光面積幾乎達100%，有利于拼接和產(chǎn)線集成，圖片來源：Hoenle Group
3.7 安全因素
安全是生產(chǎn)型企業(yè)永恒的話題。對于購置UV燈這樣的工業(yè)專用設備，同樣也要考慮安全因素。首先要關注對操作人員的安全防護。因為UV設備會發(fā)出紫外光，較低波段的紫外光對人體，尤其是眼睛會有傷害。所以，負責任的供應商一般都會在提供設備時也配套相應的防護措施，至少要告知使用單位并監(jiān)督指導做好防護工作；其次是生產(chǎn)質量安全問題，這里面也包括很多方面，比如燈頭是否有過熱保護及報警功能，是否有燈珠/模塊失效報警功能，是否有光強超限報警功能等。甚至提供報警聯(lián)動信號及防呆系統(tǒng)，也就是說，不只是報警，而且設備輸出信號，使產(chǎn)線立刻停止，實現(xiàn)聯(lián)動，防止次品產(chǎn)生。
3.8 服務
很多時候，大家采購設備往往比價格，看質量，查硬件，卻容易忽視供應商的軟實力，那就是服務！這包括供貨周期和供貨能力，免費服務/質保期限，配件訂購周期，設備供應商的反應時間，是否可以擴展配套設備和提供整體解決方案的能力等。好的服務無疑為后續(xù)的安全、順利高效生產(chǎn)保駕護航。
4 總結
以上從實用的角度對電子制造領域選擇UV固化設備要考慮到的方方面面進行了梳理。主要是希望廣大企業(yè)和相關負責人在選擇UV固化設備時，少犯錯誤，少走彎路。減少因為關注點不全面而造成的人為損失。其實，在選擇UV固化設備時，只要考慮到如上列舉的因素，基本上就能找到最合適的UV固化設備了。最合適的就是最好的，而非最便宜的或者最貴的。
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