电视背光COB模块的生产特点决定了治具的设计方向:
大尺寸与高精度并存:治具的尺寸可能超过1米,但需要保证整个平面范围内的超高平整度和对位精度,以应对数千甚至上万颗Mini LED的固晶和焊接。
生产节拍:电视是消费电子产品,产量巨大,治具必须支持高速、自动化生产,换型时间要极短。
均温性要求极高:在回流焊和封装固化过程中,大尺寸基板(如BT板、玻璃基板)上的温差必须控制在极小的范围内(如±2°C以内),否则会导致局部焊接不良或固化不均。
防翘曲与应力控制:大尺寸薄型基板在高温下极易翘曲,治具必须能有效抑制翘曲,并在夹持时避免产生内应力。
防尘:任何微米级的颗粒物掉落在基板上,都可能造成一颗或多颗Mini LED失效,形成暗点,导致产品报废。
设计目标:打造一个大尺寸、高刚性、高平整度、热管理的治具平台,以满足Mini LED背光模块的固晶、焊接、封装、测试全流程自动化生产需求。
二、 治具关键设计与材料选择
1. 治具基板材料:刚性与热稳定性的基础
:碳纤维复合材料(CFRP)
超低热膨胀系数(CTE):可与玻璃基板匹配,从根本上解决热过程导致的形变和对位偏移问题。这是其优势。
高比刚度:重量极轻(是铝的1/2,钢的1/5),但刚性极高,自身不易变形,保证了大尺寸下的平整度。
低热容量:升温和降温更快,更节能,有利于提高生产节拍。
优势:
表面处理:需进行精密打磨抛光并涂覆特殊涂层(如环氧树脂涂层),以达到所需的平整度、硬度、耐磨性和防静电特性。
次选:高强度铝合金(如6061-T6)
优势:成本较低,易于加工,导热性好。
劣势:CTE较高(~23 ppm/°C),与玻璃(~4 ppm/°C)差异大,在高温工艺中因热膨胀不匹配可能导致问题。重量较大。
应用:可用于尺寸较小、精度要求稍低的电视背光模块,或用于治具的底层支撑框架。
2. 真空吸附系统:大面积均匀固定
多腔室独立分区设计:这是大尺寸治具的核心技术。将治具的真空吸附区域划分为多个独立的腔室(例如3x3或4x4网格),每个分区有独立的真空接口和阀门控制。
优点:
可靠性:即使某个分区发生泄漏(如基板破裂),其他分区仍能保持真空,不会造成整板基板移位,仅损失局部区域。
适应性:可适应不同尺寸的基板,只需开启对应区域的真空即可。
强吸附力:分区设计可以更地抽取真空,快速获得所需的吸附力。
微孔阵列:吸附孔为微米级小孔,均匀分布在治具表面,确保吸附力均匀,避免基板局部变形。
3. 热管理系统:保证工艺均匀性
对于回流焊/固化治具:
内置均热板:在碳纤维或铝基板内埋设大面积加热管和高精度PT100温度传感器阵列,实时监控整个治具面的温度分布。
闭环温控:PLC系统根据传感器反馈,动态调节各区域加热管的功率,实现整个大尺寸工作面的超高温度均匀性(±1~2°C)。
对于测试治具:
可能需要集成水冷系统来模拟电视实际工作时的散热条件,并进行长时间的老炼测试(Burn-in)。
4. 定位与防呆设计
机械定位:采用精密定位销与基板上的工艺孔配合。对于大尺寸基板,通常采用“一面两销”加若干辅助支撑柱的方式。
视觉定位基准点:在治具上加工高对比度的视觉标记(Fiducial Mark),如陶瓷基准点。自动化设备(固晶机、焊线机)的相机通过识别这些治具上的标记,与基板上的标记进行综合计算,补偿机械误差,实现超高精度对位。
防呆设计:治具和基板采用非对称定位设计,防止操作员或机器人放错方向。
三、 典型治具类型及应用工位固晶治具 (Die Bonding Fixture)
核心:超高平整度、高精度真空吸附、视觉基准。主要功能是固定基板,供固晶机高速、地贴装数万颗Mini LED芯片。
回流焊治具 (Reflow Soldering Fixture)
核心:超高热均匀性、低CTE、防氧化。承载基板通过回流焊炉,完成芯片与基板的焊接。材料必须耐高温,且热变形极小。
封装点胶与固化治具 (Dispensing & Curing Fixture)
核心:温度均匀性、防粘性。用于固定基板进行光学膜材(如量子点膜)的贴附或封装胶的固化。工作面需有特氟龙等防粘涂层。
光学测试与老炼治具 (Test & Burn-in Fixture)
核心:电连接可靠性、散热、屏蔽。
集成数万点级的弹簧探针模块,与背光模块的电极接触,进行点亮测试、光电参数测试和可靠性考核。
治具通常需要遮光设计,防止测试时相互干扰。
四、 自动化与智能化集成自动化接口:治具需设计标准的机械定位接口(如锥形销孔、卡槽)和气路/电路快换接头,以便被AGV(自动导引车)或六轴机器人自动抓取和定位到不同设备上。
RFID追溯:嵌入高温RFID标签,记录治具ID、使用寿命、维护记录以及当前承载的产品信息,与MES系统联动,实现全流程追溯。
状态监控:集成真空传感器、温度传感器,实时监控治具工作状态,数据上传MES,实现预测性维护。
总结与建议
电视背光COB治具是典型“大而精”的装备,其技术核心在于解决尺寸、精度和热管理之间的矛盾。
材料是王道:碳纤维复合材料(CFRP)因其无可替代的低CTE、高刚度、轻量化特性,已成为高端大尺寸Mini LED背光治具的之选,尽管其成本较高。
分区真空是必需:对于大尺寸面板,多腔室独立真空系统是保障生产良率和设备安全的基础设计。
均匀性是关键:无论是温度场还是真空吸附力场,其均匀性直接决定了终产品的均匀性和良率。
自动化集成:治具必须是自动化产线中的一个智能节点,而不仅仅是一个简单的托盘。