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1、n0201装配，从难关到常规贴装 虽然通常认为是相当近期的一项发展，印刷电路板(PCB, printed circuit board)自从五十年代早期就已经有了。从那时起，对越来越小、越来越轻和越来越快速的电子产品的需求就一直推动着电子元件、PCB和装配设备技术朝着SMT的方向发展。对SMT最早的普遍接受是发生在八十年代早期，那时诸如Dynapert MPS-500和FUJI CP-2这些机器进入市场。在那时，1206(3216)电阻与电容是最流行的贴装元件。可是在一两年内，1206即让路给0805(2125)作为SMT贴装的最普遍的元件包装。在这个期间，机器与元件两者都迅速进化。在机器变得更
2、快更灵活的同时，0603 (1608) 元件开始发展。在这时，许多装配机器制造商走回研究开放(R&D, research and development)实验室，重新评估用于接纳这些更新、更小元件的设备中的技术。更高分辨率的相机与更小的真空吸嘴就在这些元件带给装配设备的变化之中。0402(1608)包装的出现在PCB装配的各方面都产生了进一步的挑战。在机器发展方面，真空吸嘴变得更小和更脆弱。新的重点放在元件的送料器(feeder)上面，它作为需要改进的一个单元，为机器更准确地送出零件。随着0402元件的出现，工艺挑战又增加到那些需要为成功的元件贴装而探讨的问题之中。锡膏(solder past
3、e)印刷变得更加关键 - 模板(stencil)厚度与锡膏网孔是越来越重要的工艺考虑因素。这种贴装所需要的技术也涉及重要的新成本。这些因素的结合造成在电子工业历史中最慢采用的一种新包装形式。总计，几乎将近五年时间，0402包装才在工业中达到广泛的接受 - 并且在今天还有许多装配工厂从来不贴装一颗0402片状。现在，进入了0201。在过去一年半时间里，0201贴装已经是整个工业内讨论的一个关键主题。由于尺寸、重量和功率消耗的需求，许多OEM电路板装配商需要将甚至更小的元件和技术结合到其产品中去。合约制造商(CM, contract manufacturer)也必须具备新的技术，以保持装配工艺最新
4、和为客户提供完整的服务范围。对于机器制造商，其挑战是开发在一个动态的技术变化的时代中更加抵抗陈旧过时的装配设备。0201贴装的挑战0201元件的贴装比其前面的元件介入更具挑战性。主要原因是0201包装大约为相应的0402尺寸的三分之一。原先可以接受的机器贴装精度马上变成引进0201的一个局限因素。另外，传统的工业带包装(taping)规格对于可靠的0201贴装允许太多的移动，而工艺控制水平也必须提高，以使得0201贴装成为生产现实。虽然这些障碍非常大，但它们远不是不可克服的。当然，它们需要全体的决心，因为对0201贴装所必须的技术获得要求大量的资金和最高管理层对研究开发(R&D)的许诺。可靠的
5、0201贴装的关键在FUJI，进取的R&D计划已经产生了使所有的电路装配机器以100%速度兼容0201的能力，最低的吸取可靠性为99.90%，目标的吸取可靠性为99.95%，和最低的贴装可靠性为99.99%。在一开始，设计的每个方面都得到评估其对一个完整的0201方案的能力，还有紧密相关的机器元件参数的单一元素的结合证明对达到成功是关键的。这些参数包括： 元件送料器工作台。R&D计划得出结论，精密定位料车(carriage)工作台的能力 - 和作出极小的调整来补偿料带 (tape) 的不精确 - 是达到元件吸取可靠性高于99.95%的关键因素。为了达到这个，送料器(feeder)工作台必须精密
6、加工，以保证单个送料器的可重复定位，并且使用双轨线性移动导轨与一个高分辨率半封闭循环的伺服系统相结合。该设计允许作出很小的调节 - 基于由视觉系统判断的吸取精度结果。这保证元件尽可能地靠近中心吸取。 元件送料器。送料器必须制造达到极紧的公差，以保证吸取位置维持可重复性，不管元件高度和大量的可能元件位置的变化。用于定位和将送料器锁定在位置上的机构必须耐用和精密，还要保持用户友好。另外，用于制造送料器的材料必须强度高、重量轻，以允许人机工程上的操作，同时保证元件料带(carrier tape)的精密、可重复的送出。 送料器驱动链轮。驱动链轮在机器定位元件料带的能力中起关键作用。驱动链轮轮齿的形状、
7、锥度和长度重大地影响送料器定位料带的能力。其它因素也作了调查研究，比如驱动链轮的直径和料带与链轮接触的数量等。对基本的链轮设计所作的改变得到定位精度的改进，比较早的设计在X方向提高20%，Y方向提高50%。 吸取头。在适当地进给元件之后，下一步是将元件吸取在真空吸嘴上，并把它带到电路板上。真空吸嘴(nozzle)需要顺应以吸收在吸取与贴装元件期间的冲击，补偿锡膏高度上的微小变化，并且减少元件破裂的危险。为了这些原因，吸嘴必须能够在其夹具内移动。材料选择、材料硬度、加工公差和热特性都必须理解，以构造一个可靠的吸取头。吸嘴必须在其夹具(holder)内自由移动，而不牺牲精度(图一)。 吸嘴轴装配。
8、吸嘴轴(nozzle shaft)也是一个关键的设计元素 - 通过保持整个吸嘴与轴装配直接对中，消除了过压(overdrive)现象。过压是由于当贴装头上下运动是所产生的惯性造成的。如果吸嘴和轴不在一条直线，就产生一点抖动(whip) - 或过压。过压造成定位精度的变化，它决定于运动速度、吸嘴重量和元件重量。通过消除过压，直接对中减少与元件吸取和贴装有关的负面因素的数量(图二)。 吸嘴设计。吸嘴设计上的变化对于允许接纳0201元件是一个很重要的因素。为了吸取 0.6x0.3 mm 的元件，吸嘴必须有不大于 0.40mm 的外径。这样形成一个长而细的吸嘴轴，弯曲脆弱但还必须保持精度以维持吸取的高
9、可靠性。从直线轴到锥形设计的改变增加吸嘴强度，并允许吸嘴抵抗弯曲(图三)。 基体结构。所有机械在运行期间都产生振动。基体框架设计是减少产生振动和谐波共振的速度与运动效应的关键第一步。通过使用铸铁基础框架和艺术级结构技术，振动与谐波共振可在机器内减少到可控制水平，这样，负面影响可以应付。达到标准通过所有六个关键因素，可靠的0201贴装的障碍已经消除。因此，R&D的焦点已经转向更新、更小的元件，0201不再认为是前缘的元件包装技术。对于0201元件贴装，现在接受的工艺窗口是在3 时大约75m 的X 和75m 的Y。为了达到 6 的贴装可靠性，X与Y的公差必须减少到50m。最新的高速贴装设备具有66
10、m的等级，实际标准偏差大约为3545m。随着0201元件变得更加广泛地使用和制造工艺变紧，可达到提高的准确性。供应商之间的元件尺寸差别对0201进料和贴装都产生挑战。散装进料(bulk feeding)正在开放之中，应该在2001年可以得到。虽然机器现在具备这个能力，但只有一小部分使用者将准备在未来1224个月内迈出使用0201贴装的步伐。这类似于球栅阵列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入，在装配这个环境里，机器的能力超前于工艺状态。前面的挑战虽然0201元件的贴装现在是新贴装设备的一个标准特性，还需要作另外的工作来改进终端用户的整体工艺。在机器制造商、元件供应商
11、、电路板制造商、模板工厂和锡膏制造商之间的关系需要加强，以形成一个更加无缝的(seamless)开发过程。最终结果将是对该工艺的统一的理解，以及将使最终用户受益的更好的工作关系，特别是通过使新的生产技术更快和更有效的结合。如何准确地贴装0201元件 本文介绍，更小的元件与更窄的间距为电路板装配提出了新的挑战。理解这些贴装问题可以使产品更快地推出市场，并减少缺陷。业界所面临的现实是零件变得越来越小。例如，0201片状电容比0402小75%，在电路板上所占的面积少66%，这些元件在本十年的早期将出现在一些通用的印刷电路板上，而甚至更小的01005片状元件到2005年将在空间更珍贵的模块电路板上看到
12、。因为对于许多新的产品板的空间是如此珍贵，尽管更小的元件成本更高，但还是会得到甚至更广泛的使用。这种新的小型化要求贴装精度提高但又不降低速度。确认所面临的挑战小的元件提出了许多问题。更高的密度 - 这是困扰较小元件的主要原因 - 使得贴装任务的难度大了一个数量级。例如，0201元件通常要求较小的焊盘尺寸来防止焊锡污迹，和接纳无焊脚焊接。还有，更小的焊盘意味着更窄的元件间距。虽然这些允许设计者取得高度功能化与紧凑的产品所需要的更高密度，但也使情况复杂化。对于密度高的PCB，贴装精度直接影响回流焊接后的装配缺陷数量，例如，贴装偏移会增加锡桥、锡珠、元件竖立和元件不对准焊盘的机会。因此，我们需要什么
13、呢？现在，现实的生产目标是达到99.9%的吸取率，同时3的贴装精度为60m。为了达到这个目标，机器精度变成首要问题。例如，摩托罗拉的试验表明，在贴装偏移中小到0.025mm的变化都可能重大地影响缺陷水平。对于标准的焊盘(用十万个元件进行试验)，y0.075mm, x0.075mm的贴装偏移对缺陷的影响类似于没有偏移。可是，当偏移增加到0.1mm时，缺陷水平上升到超过5000ppm。虽然这个绝对距离意味着很小，但是研究表明该工艺留下很少犯错的余地。还有，贴装操作涉及的不止其本身。它包括吸取的可靠性、准确的元件视觉识别和贴装的可重复性。事实上，试验表明0201元件要求99%的吸取可靠性。吸取位置公
14、差为了保持生产系统的连贯性，吸嘴必须能够在所有三个方向上移动，即沿X,Y和Z轴移动 - 这一点是重要的，因为在所有生产机器上Y轴的控制是没有的。可是，为了保持贴装精度在公差之内，Y方向的控制对于将元件对中在吸嘴上是必要的(图一)。自然地，这个对中对于0201比对其他零件具有更紧的公差。图一、Y方向是0201元件贴装的唯一最重要的轴向纠正由于在三个轴上的闭环实时反馈，对送料器校准的需要实际上消除了。没有三个轴上的实时闭环反馈，送料器的校准是关键的。研究表明，在Y方向0.07mm的精度对于确保成功的0201贴装是必要的。还有，成功的贴装要求在X方向0.1mm的公差，在Z方向0.1mm，以达到0.2
15、mm的目标值。纠正吸嘴X/Y轴的运动是保证稳定和持续的元件吸取的关键。在锡膏上的运动另一个贴装问题是在某些条件下，0201不会停留在其贴装的位置。考虑这样一种情况，试验将0201电容贴装在印刷锡膏和助焊剂的PCB上，希望得到0.05mm的受控行程和0.15mm的元件间距。试验已经显示，对于Y方向3的贴装精度，板上小于0.05mm超程的元件有时将会向短边方向滑行超过60m。会发生什么呢？有趣的是进一步调查显示当元件只是贴装在助焊剂上时，元件不会发生由于超程的滑移，但是在锡膏上时会发生。结论：问题在于锡膏的颗粒直径。为了补偿Z轴纠正，机器必须具有实时的反馈机构，测量每个元件的厚度。当颗粒大小大于2
16、0m时，元件偏斜就有可能，因为颗粒在焊盘上分布不均。因为元件贴装时间是几毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或运动。这就是为什么热风焊锡均涂(HASL)的板不适合于0201贴装，这与0402许可HASL形成对照。图二、当元件超程冲击焊锡颗粒时，反作用力改变吸嘴的轴向并产生一个水平的力，产生元件的偏移因此，超程降低贴装精度。它也可能增加高密度贴装的锡桥，因为当使用无焊脚焊盘时，元件会将锡膏从零件下挤出(图二)。因此，可以将超程定义为使得元件和PCB之间的间隙小于焊锡颗粒大小，即，贴装系统必须控制该间隙，将它保持在40-60m。一个起作用的因素是板的支撑，没有支撑元件可能从过高的高度落下或被
17、压入锡膏中。为了准确地控制行程，板的支撑系统必须为板的拱形提供足够的纠正。需要的改进要取得有效的0201元件的使用，部分的解决方法将在吸嘴的设计改进中找到。因为元件是如此的小，它们要求吸嘴的设计尽量加大真空的接触表面积，同时提供一个不会干涉高密度布局的外形。另外，吸嘴必须高度耐磨，因为其腐蚀作用会由于小的接触面积而恶化。所有这些都必须意识到如何满足和处理即将面临的01005元件的挑战。现在的结果为0.25mm的间隙提供0.75的节拍时间、60m(3)的精度、和99.9%的吸取率。目标是要为0.10-0.15mm间隙达到每个零件0.075秒的节拍时间、40m(3)的精度、和99.9%的吸取率。为
18、0201元件专门开发的盘带送料器也应该有助于更精确和更快速的元件贴装。结论一个现实的经济问题是用0201元件生产的板将比其对应的较大零件更加昂贵。另外，更紧的公差必然需要增加工艺控制、更彻底的预防性维护、更多的培训和工艺知识、和对报废及检查/修理活动的增加的认识。预防性维护总是生产的一个重要部分，现在由于0201贴装而更加重要。因为误差的公差和可达性和元件本身一样小，预防性维护是0201生产线比其他元件更加重要的制造成本因素。类似地，似乎0201的使用将要求更频繁的吸嘴清洗、摄像机清洁和机器贴装的测量与调整。元件吸取和贴装的高度将是关键的，对于初始的元件吸取，送料器轴的调整是需要的，尽管机器可
19、以在吸取位置补偿元件的偏移。工作台运行对元件贴片的影响解决转塔式平台的问题要求完全了解许多工艺参数，并始终将重点放在过程控制上。1986年转塔式贴片机问世以来，已为电路板组装工业生产出大量的合格产品。当其作为新产品进入市场时，转塔式平台曾以每小时贴片14400个元件震惊一时。在过去的16年中，转塔式贴片机的平均贴片速度已提高了近四倍，可贴装元件和器件的类型和范围也明显扩大，目前，贴片机烦琐的换线仅用微波炉嘣一袋爆米花的时间就可完成。然而，经多年的进展，转塔式贴片机的基本原理却没有任何变化。其基本设计是相当简单的。元件送料器前后运行，向固定的拾取位置供给元件。PCB沿X-Y方向运行，使PCB精确
20、地定位于规定的贴片位置，而贴片机核心的转塔在两点间携带着元件，在运动过程中实施视觉检测，并进行旋转校正（图1）。就高速贴片机而言，任何转塔式设计的基本结构都具有一些显著的优点： 多达6个不同尺寸的吸嘴适用于任何贴片头，工作中不需要更换吸嘴。也就是说，任何吸嘴都能够随时拾取元件，取消了过多的或不必要的运行操作步骤。 将用于校正元件的视觉检测系统，按规则安装在转塔式贴片机的拾取点和贴片点之间，可以在“飞行”中进行图像处理。 简单的机械齿轮传动式转塔设计可保持供电用电缆、伺服系统、编码器、传感器和摄像机等静止不动。这样就不会产生由于恒定的弯应力使线路断裂而出现的电气问题（例如：当台架始终不断从送料器
21、向摄像机、电路板在运行时可能出现的故障）。 现在转塔式贴片机的贴片速度每小时可达53，000个元件以上。而最好的单头台架式贴片机，每小时仅能贴装约15，000个元件。为使台架式贴片机达到同等的速度需要多台机器，这就意味着，将有更多的零部件需要维护、润滑、校准和返修。 使用转塔式设计，只在贴片机的一侧安装送料器。这样，可使贴片机前后宽度减少达3英尺左右，为此，就不必在生产线的另一侧额外安装送料器和元件储存装置，从而减少了整个操作区域的面积。问题何在？具有这样一系列有说服力的优点，似乎转塔式平台可以被认为是“最佳的选择”。然而，人们的目光关注着不停运动着的工作台。有人认为，工作台的运行会影响到元件
22、贴片精度，而且，工作台运行会导致元件移位，甚至从PCB上脱落下来。这是真的吗？还是仅仅是生产台架式贴片机的制造商发出的“中伤”之言？事实是两者都有一点。如果使用不当，元件贴片后，转塔式贴片机工作台的运行会使元件翻转。不过，元件贴片后的移位，始终是组装工艺过程已经失控的征兆。如果改用一台固定工作台的贴片机，就能使产品的质量得到改善的话，这实际表明更为严重的工艺问题很有可能被掩盖了。 元件为什么会移位？对位不准确或漏贴元件的原因通常与贴力度不合适有关。如果PCB在贴片机中得不到适当的支撑，它就会下沉，这样的话，PCB表面高度就会低于贴片机的“Z”轴零点。这样会导致元件在PCB上方略高的位置就被释放
23、，与直接贴片到润湿、有粘性的焊膏上有所不同。另一个很可能的原因是元件的高度设置不合适。虽然，大多数新机器可对高度进行自动校正，但是，旧的贴片机必须通过编程，才能获得正确的元件高度。在生产过程中常常需要更换元件卷带，有时，更换的元件不是同一个厂家生产的，这种元件外形尺寸可能有所差别。如果程序指出元件高度为1.0mm，而元件的实际高度只有0.6mm，元件就会从距贴片点上方0.4mm落到焊膏上，而不是直接贴片到焊膏上。即使贴片机是台架式机器（即在贴片过程中PCB保持静止状态），在这种情况下，贴片精度也会不好。元件有可能晃动而脱离焊盘，或进一步移位，或在PCB传送过程中完全脱落。此外，在元件贴装过程中
24、，当元件高度设置得不正确时，在回流焊接阶段，就很有可能产生“墓碑”现象。其它工艺因素在PCB印刷焊膏后，需要在传送机上等待多长时间？焊膏的制造厂家总是说焊膏可敞开放置达6个小时，然而，这只对大量焊膏才是真实的。一旦将焊膏印刷到焊盘上，其厚度仅为6mil，它有五个面暴露于大气中，焊膏往往出现干涸。如果PCB要在生产线上再停留20或30分钟的话，焊盘上的焊膏的外表会形成一层发干的表皮，从而其粘性会下降。因此，制造过程中需控制PCB在生产线上的传送速率。如果生产周期小于1分钟的话，那么最好在印刷机和贴片机之间缓冲一定数量的PCB；但是，如果生产周期为2分钟或3分钟的话，待贴片的PCB的数量就必须少一
25、点了。如果生产线停止操作一段时间的话，更应特别谨慎。此时，焊膏已经干涸，元件仅能放置在焊膏的顶部而不能够完全插入到焊膏中。虽然，这个问题在工作台运行的机器上会被放大，但是，它同样会造成其它类型的生产线出现丢失元件和质量问题。工作台运动的控制现代转塔式贴片机具有用户控制X-Y工作台运行速度和加速度的功能。例如，Fuji的CP Series系列，可根据下述方式控制工作台运动。贴片机有五种工作台速度方式可供用户选用。工作台速度方式的设置适用于不同类型的元器件，而且元件数据库中已带有相应的缺省参数设置。用户可通过缺省值的设置，来简化参数实施。几种设定的选项包括：超高速、高速、中速、低速和超低速。每个设
26、置的参数可改变伺服系统的加速曲线、减速曲线以及工作台的最大速度，从而实现对由于工作台运行而施加于元件的作用力加以控制。一个常有的错误观念是，降低工作台速度将对贴片机的性能带来不利的影响。而实际上，虽然，工作台速度延长了贴片机的工作周期，但较大的和重的元件已使用较慢的凸轮速度来实施拾取和移动的操作。由于这个原因，当工作台速度以超高速或高速运行时，可能意味着工作台在转塔式贴片头携带元件到达规定的位置之前，工作台早已就位。所以，放慢工作台速度，使其与转塔的速度基本接近在多数情况下，不会影响到PCB贴片的工作周期。 优化程序的效果如何？贴片机的优化程序有助于元件贴片质量的改善。优化程序的目的是设定送料
27、器和贴装顺序，以确保设备尽可能有效地发挥其作用，提高贴片总产量。优化程序还考虑了转塔式贴片机的凸轮速度、吸嘴的选用、元件放置高度和工作台速度方式。较大的元件使用较低的凸轮速度和工作台速度，在编程时被安排在末尾进行贴装。优化后的程序，实现了较后贴装较大元件，逐渐降低工作台速度，直到完成PCB的组装。然后，工作台以最低的编程速度运行到卸载位置，PCB从此位置返回到传送机，并送入下一道工序。 为特种元件确定适用的工作台方式有四个因素影响到元件在贴片后会出现误差：元件质量、元件高度、引线接触焊料的面积以及焊料的粘度。通过定义“元件系数”，可以确定贴装各类元件的最适用的工作台速度方式。元件系数等于质量高
28、度/端子焊盘面积（图2）。 不同的焊膏粘度，元件系数对应的工作台速度方式稍有不同（图3）。不过，不同类型焊膏对应的曲线还是极相似的。因此，使用粘度和元件系数可以确定每种元件的工作台速度方式（图4）。 表1所列是测试的元件类型和汇编结果的例子。这些元件都是电子组装业最常用的元件，占贴片元件总数的95%以上。 结论平均来说，贴片在电路板上的元件大约有85%是无源元件。这些元件有0603（0201）、1005（0402）、1608（0603）、2125（0805）和3216（1206），它们包括电阻和电容。这些元件的质量极小，而接触焊膏的面积却很大，因此可连续采用超高速工作台方式贴片这类元件。只要最
29、基本的工艺控制到位的话，工作台运行不会影响到贴片精度。其余的15%贴片元件是有源元件，包括大型的钽电容、D-PAK、玻璃二极管、SOIC、PLCC、QFP和电解类型的元件。多数元件是已使用多年的标准封装，计算出的元件系数已被载入塔式贴片机的标准元件数据库中。大多数设备制造厂家都设有应用工程部，以便帮助寻找特定问题的根源，并帮助建立和维持过程控制，排除这些问题。一种良好的制造工艺将会提高生产现场的产量和质量。高效率的0201工艺特征 By Danial F. Baldwin, Paul N. Houston, Brian J. Lewis and Brian A. Smith最近的研究找到了影响
30、0201元件装配工艺缺陷数量的变量.。虽然目前大多数公司还没有达到0201这一工艺水平，但是本文所使用的研究方法和得到的研究结果值得我们学习和借鉴，以便更好地做好我们的1206、0805、0603、0402.在过去几年中，消费品电子工业已经明显地出现迅猛的增长，这是因为越来越多的人佩带手机、传呼机和个人电子辅助用品。有趋势显示，每年所贴装的无源元件的数量在迅速增加，而元件尺寸在稳步地减小。将产品变得越来越小、越快和越便宜的需求，推动着对提高小型化技术研究的永无止境的需求。大多数消费品电子制造商正在将0201元件使用到其最新的设计中去，在不久的将来，其它工业也将采取这一技术。因此，将超小型无源元
31、件的装配与工艺特征化是理所当然的。我们需要研究来定义焊盘的设计和印刷、贴装与回流工艺窗口，以满足取得0201无源元件的较高第一次通过合格率和较高产出的需求。最近进行了一个0201元件的高速装配研究，对每一个工艺步骤进行了调查研究。研究的目标是要为高速的0201装配开发一个初始的工艺特征，特别是工艺限制与变量。试验的准备对应于锡膏印刷、元件贴装和回流焊接，进行了三套主要的试验。为了理解每个工艺步骤最整个0201装配工艺的影响，我们进行检查了每个工艺步骤。在工艺顺序方面，只改变研究下的工艺步骤的变量，而其它工艺参数保持不变。我们设计了一个试验载体(图一)，提供如下数据：图一、试验载体 0201到0
32、201的间距：焊盘边沿到边沿的距离按4, 5, 6, 8, 10 和 12 mil(千分之一英寸)变化 焊盘尺寸的影响，标称焊盘尺寸为12x13mil的矩形焊盘、中心到中心间距为22mil。标称焊盘变化为10%、20%和30%。 元件方向，在单元A、B、C和D中，研究的元件方向为0和90。E和F单元研究45角度对0201工艺的影响。 单元1至6研究0201与其它无源元件包括0402、0603、0805和1206之间的相互影响。这些分块用来决定0201元件对其它较大的无源元件的大致影响，它可影响印刷、贴装和回流焊接(散热)。这里，焊盘对焊盘间距为本4、5、6、8、10和12mil。另外，0201
33、焊盘尺寸在这六个单元上变化。 测试载体含有6,552个0201、420个0402、252个0603、252个0805、252个1206，总共7,728个无源元件。基板是标准的FR-4环氧树脂板，厚度1.57mm。迹线的金属喷镀由铜、无电解镍和浸金所组成。所有测试板使用相同的装配设备装配：一部模板印刷机、一部高速元件贴装机、和一台七温区对流回流焊接炉。模板印刷试验为了表现对0201无源元件印刷的特征，我们使用了一个试验设计方法(DOE, design for experiment)，试验了印刷工艺的几个变量：锡膏的目数、刮刀的类型、模板的分开速度、和印刷之间模板上锡膏滞留时间。这个DOE是设计用
34、来决定是否这些因素会影响0201装配的印刷工艺。度量标准是印刷缺陷的数量和锡膏厚度的测量。结果是基于95%的可信度区间，从统计分析上决定重要因素。印刷缺陷定义为在印刷后没有任何锡膏的空焊盘以及锡桥。对于这个印刷试验，模板厚度为125微米，100%的开孔率，商业使用的免洗锡膏。印刷机的设定是基于锡膏制造商的推荐值，在推荐范围的中间。模板印刷的试验结果表一列出只检查印刷影响的试验。使用了三个度量标准来评估每个试验条件。第一个度量标准是平均锡膏印刷高度。使用一部激光轮廓测定仪从四个象限测量16个数据。表一、第一个模板印刷试验的试验设计试验编号锡膏类型刮刀类型锡膏滞留时间(分钟)分开速度(cm/s)1
35、III金属0.50.052III金属100.133III聚合物0.50.054III聚合物100.135IV金属100.056IV金属0.50.137IV聚合物0.50.058IV聚合物100.13锡膏厚度的标准偏差用作第二个度量标准。图二显示来自八个试验的平均高度和高度标准偏差。图二、从第一次模板印刷试验得到的印刷高度结果第三个度量标准是缺陷总数。用光学检查单元1-6和A-D的选择部分，记录缺陷数量。含有锡桥的焊盘和没有锡膏的焊盘被认为是缺陷(图三)。图三、从第一次模板印刷试验得到的缺陷结果基于这些度量标准和使用95%的可信度区间，在统计分析上唯一的重要的主要影响是刮刀类型。锡膏类型、分离速
36、度和锡膏滞留时间有低于85%的可信度区间。分离速度与擦拭频率试验进行第二个更小的试验是要检查分离速度和擦拭频率的影响。调查模板擦拭频率，是由于它影响产量。因为模板擦拭大大增加模板印刷机的周期时间，所以在生产中应该避免或减少这个步骤。进行这个试验是要决定是否对于0201装配必须做模板擦拭，以获得良好的印刷。另外还希望确定是否分离速度是一个重要因素，所以将它包括在本试验中。使用0.05和0.13cm/sec的分离速度。对这两次运行，使用了IV类型的锡膏和金属刮刀，没有滞留时间。表二中列出试验9和10的结果。这些结果与试验5和6(来自表一)比较，也是使用了IV型锡膏和金属刮刀。基于这些结果，模板擦拭
37、频率是这个试验的唯一主要影响。表二、第二次模板印刷试验结果试验编号分离速度(cm/s)擦拭频率平均(mil)标准偏差缺陷数50.05每次印刷149.9713.451560.13每次印刷149.3620.204390.05无145.7715.41236100.13无136.4515.19238贴装试验做一个试验来确定是否基准点形状或基准点定义方法对元件贴装有影响。基准点形状使用了圆形和十字形基准点，而基准点清晰度方面使用了阻焊与金属界定的基准点。这些试验的度量是使用视觉元件检查。用来评估每个试验条件的标准是0201元件的贴装精度。元件贴装在板上的四个象限内(象限4、19、25和40)。这些象限是
38、横穿电路板的，象限4和25使用+30%的焊盘尺寸(17x19mil)，而象限19和40使用标称焊盘尺寸(12x13mil)。元件贴装在水平与垂直两个方向。四百八十个0201元件贴装在每块板上，每个试验总共1920个元件。元件焊盘边沿到边沿的间隔范围从5-12mil。在贴装试验中。最好的贴装发现在象限4，逐渐地在板上向左偏移，很可能是由于在很大的试验载体上伸展的缘故。因此，贴装的最大偏移发生在象限40。当使用金属界定的十字型基准点时发生最坏的偏移，在象限40的元件几乎跨接焊盘。同时也注意到对于金属界定的圆形基准点比无任哪一种阻焊界定的基准点的偏移更大。表三显示对于象限40的四个试验的平均的X和Y
39、的偏移。基于这些结果，阻焊界定的基准点提供比金属界定的基准点更好的板上贴装精度。基准点的形状对元件的贴装精度没有大的影响。表三、对象限40的贴装试验的平均试验偏差基准点图案平均X偏差(微米)平均Y偏差(微米)阻焊界定的圆223金属界定的十字1122金属界定的圆539阻焊界定的十字154回流焊接试验为了确定是否某些变量对0201回流焊接有影响，我们进行了另一个试验。研究的变量是保温时间、保温温度、液相线以上的时间和峰值温度。这些参数在一个要求九次不同反复的DOE中设定(表四)。所有变量都在锡膏供应商所提供的锡膏规格范围内。表四、回流试验设计试验编号保温时间(秒)保温温度(C)液相以上时间(秒)峰
40、值温度(C)145-50125-13555-65217-219255-60165-17555-65211-214345-50145-15545-50211-214425-35165-17545-50217-219525-35145-15555-65222-225625-35125-13535-40211-214745-50165-17535-40222-225855-60125-13545-50222-225955-60145-15535-40217-219对这个试验，印刷和贴装工艺保持不变，而对回流温度曲线作改变。使用的印刷工艺与印刷试验中使用的相同，是本研究中找到的较好的变量。使用的贴装参
41、数是与在贴装期间使用阻焊界定的圆形基准点相同的。使用了对锡桥和直立的视觉和X射线检查标准，对于统计上认为重要的因素要求95%或更高的可信度区间。回流焊接试验结果对于在表五中所列出的每一个试验，重复做三次，每次重复总共564个元件，或者每个试验1692个元件。在每一块测试板上，贴装了396个0201无源元件。这些元件贴装在15x17mil和12x13mil的焊盘上，以6mil和10mil的焊盘边沿对边沿的距离排列。除了0201元件之外，168个0402、0603、0805和1206也贴装，以决定一个产生可接受的0201元件的工艺会怎样影响较大的无源元件。使用了三个标准来评估每个试验条件：焊点质量
42、、元件竖立和锡桥。所有的试验条件都产生良好的焊接点，完全以细粒度湿润。我们也检查了回流焊接的元件中缺陷的数量。确定的缺陷是锡桥和元件竖立。锡桥在两个相邻的焊接点连接到一起的时候发生，将元件短接在一起。这个缺陷很可能在以非常密的焊盘对焊盘间距贴装的元件上发生。当一个元件脱离一个焊盘而立起的时候发生元件竖立(tombstoning)。元件竖立一般是由元件不均衡的湿润所造成的，或者当元件放在一个表面积大得多的焊盘上的时候。所有这些缺陷都在0201元件上找到。可是，没有一个较大的元件出现元件竖立或锡桥，这显示使用的装配工艺对较大的元件并不是不利的。图四、锡桥与元件竖立的X射线图象图四显示显示一个X射线
43、图象，它包含锡桥和元件竖立。锡桥、元件竖立的数量和总的缺陷在表五中显示。图五描述每个试验发生的缺陷数量。表五、回流焊接试验结果试验编号贴装0201总数锡桥竖立总缺陷缺陷率(%)其它元件缺陷缺陷率(DPM)11,188615211.77017,67721,1881010.08084231,1880000.000041,1880000.000051,1880220.1701,68461,188611171.43014,31071,1880000.000081,1884370.5905,89291,1880000.0000图五、回流焊接试验结果基于这些度量标准和使用95%的可信度区间，唯一在统计上重
44、要的主要影响是保温温度，它具有大于97%的可信度区间。保温时间、液相线以上的时间和峰值温度具有的可信度区间小于40%，因此被认为是随机诱发的影响。保温温度的主要作用是在低保温温度和其它水平之间，因为在中等与高保温温度的结果之间存在的差别很小。结论从第一次模板印刷试验的数据显示，只有刮刀类型对锡膏高度和缺陷数量具有统计意义上的重要影响。如锡膏高度数据所显示的，在第III和IV类锡膏之间就锡膏数量而言存在很少甚至没有差别。虽然存在很少差别，我们选择了第IV类锡膏作进一步研究，因为在研究的这个阶段只检测大的模板开孔。第二次印刷试验证实分离速度对锡膏高度和缺陷没有统计意义上的影响，但是擦拭频率有。锡膏
45、缺陷的数量在这两次试验中比在用每一次印刷都擦拭模板的类似试验中要多得多。从贴装试验的数据显示，只有用于定义基准点的方法对贴装精度有重要影响。阻焊界定的基准点 - 不管圆形还是十字形 - 都比金属界定的基准点达到更高的贴装精度。从回流焊接试验的数据显示，只有保温温度对焊接点品质和缺陷数量有重要影响。如缺陷数据所显示，在不同保温时间、液相线以上时间或峰值温度之间存在很少或没有差别。当使用低的保温温度时，缺陷数量大大增加。本研究检验了某些变量对0201无源元件工艺的影响。研究发现诸如刮刀类型、模板擦拭频率和保温温度这些变量影响工艺缺陷的数量。还有，诸如锡膏滞留时间、液相线以上时间和峰值温度等变量对工
46、艺缺陷数量有很小到没有影响。监测表面贴装元件的贴装 By Edward Kamen, Alex Goldstein and Erin Sahinci 本文介绍：“要达到所希望的效率与可靠性很大程度上取决于元件贴装工艺过程。”在PCB上增加电路密度的愿望继续是表面贴装装配线技术发展水平进步的主要推动力之一。这个进步包括0201片状包装、密间距QFP、高输入/输出BGA、CSP和倒装芯片(flip chip)的使用。这些元件的使用给装配工艺过程提出了很严厉的要求。特别是，要达到所希望的效率与可靠性很大程度上取决于元件贴装工艺过程。越来越多的表面贴装线正在使用自动的、在线式、贴装后的检查工具，来监测贴装过程的状态。贴装后的检查可以发现诸如元件丢失、极性交换和元件位置超出所规定误差等缺陷。除了查找缺陷之外，贴装后的检查工具也可以检查影响精度、质量和装配过程效率的工艺更改
