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1、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
2、、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020
3、1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0201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12
4、06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
5、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
6、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)1III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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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)145-50125-13555-65217-219255-60165-17555-65211-214345-50145-15545-50211-214425-35165-17545-50217-219525-35145-15555-65222-225625-35125-13535-40211-214745-50165-17535-40222-225855-60125-13545-50222-22
12、5955-60145-15535-40217-219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
13、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、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
14、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)11,188615211.77017,67721,1881010.08084231,1880000.000041,1880000.000051,1880220.1701,68461,188611171.43
15、014,31071,1880000.000081,1884370.5905,89291,1880000.0000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
16、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
17、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艺缺陷数量有很小到没有影响。潮湿敏感元件 By Robert Rowland 本文介绍，应该清楚地认识到元件对潮湿的敏感性是一个复杂的主题。潮湿敏感性元件的主题是相当麻烦但很重要的 - 并且经常被误解的。由于潮湿敏感性元件使用的增加，诸如薄的密间距元件(fine-pitch device)和球栅阵列(BGA, ball grid array)，使得对这个失效机制的关注也增加了。当元件暴露在回流焊接期间升高的
18、温度环境下，陷于塑料的表面贴装元件(SMD, surface mount device)内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包括塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、线捆接损伤、芯片损伤、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。在一一些极端的情况中，裂纹会延伸到元件的表面；最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做“爆米花”效益)。IPC - 美国电子工业联合会制订和发布了 IPC-M-109, 潮湿敏感性元件标准和指引手册。它包括以下七个文件： IPC/JEDEC J-STD-020 塑料集成电路(IC)SMD的潮湿/回流敏感性分类 IPC/JEDEC J-STD-033 潮湿
19、/回流敏感性SMD的处理、包装、装运和使用标准 IPC/JEDEC J-STD-035 非气密性封装元件的声学显微镜检查方法 IPC-9501 用于评估电子元件(预处理的IC元件)的印刷线路板(PWB, printed wiring board)的装配工艺过程的模拟方法 IPC-9502 电子元件的PWB装配焊接工艺指南 IPC-9503 非IC元件的潮湿敏感性分类 IPC-9504 评估非IC元件(预处理的非IC元件)的装配工艺过程模拟方法 原来的潮湿敏感性元件的文件，IPC-SM-786, 潮湿/回流敏感性IC的检定与处理程序，不再使用了。IPC/JEDEC J-STD-020 定义了潮湿
20、敏感性元件，即由潮湿可透材料诸如塑料所制造的非气密性包装的分类程序。该程序包括暴露在回流焊接温度接着详细的视觉检查、扫描声学显微图象、截面和电气测试等。测试结果是基于元件的体温，因为塑料模是主要的关注。标准的回流温度是220C+5C/-0C，但是回流试验发现，当这个温度设定为大量元件的电路板的时候，小量元件可达到235C。如果可能出现更高的温度，比如可能出现小量与大量元件的情况，那么推荐用235C的回流温度来作评估。可使用对流为主、红外为主或汽相回流设备，只要它可达到按照 J-STD-020 的所希望的回流温度曲线。下面列出了八种潮湿分级和车间寿命(floor life)。有关保温时间标准的详
21、情，请参阅 J-STD-020。 1 级 - 小于或等于30C/85% RH 无限车间寿命 2 级 - 小于或等于30C/60% RH 一年车间寿命 2a 级 - 小于或等于30C/60% RH 四周车间寿命 3 级 - 小于或等于30C/60% RH 168小时车间寿命 4 级 - 小于或等于30C/60% RH 72小时车间寿命 5 级 - 小于或等于30C/60% RH 48小时车间寿命 5a 级 - 小于或等于30C/60% RH 24小时车间寿命 6 级 - 小于或等于30C/60% RH 72小时车间寿命 (对于6级，元件使用之前必须经过烘焙，并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时
22、间限定内回流。) 增重(weight-gain)分析(参阅J-STD-020)确定一个估计的车间寿命，而失重(weight-loss)分析确定需要用来去掉过多元件潮湿的烘焙时间。J-STD-033提供有关烘焙温度与时间的详细资料。IPC/JEDEC J-STD-033提供处理、包装、装运和烘焙潮湿敏感性元件的推荐方法。重点是在包装和防止潮湿吸收上面 - 烘焙或去湿应该是过多暴露发生之后使用的最终办法。干燥包装涉及将潮湿敏感性元件与去湿剂、湿度指示卡和潮湿敏感注意标贴一起密封在防潮袋内。标贴含有有关特定温度与湿度范围内的货架寿命、包装体的峰值温度(220C或235C)、开袋之后的暴露时间、关于何
23、时要求烘焙的详细情况、烘焙程序、以及袋的密封日期。1 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是不要求的，除非元件分类到235C的回流温度。2 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。2a 5a 级。装袋之前干燥是要求的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。6 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是要求的。 元件干燥使用去湿或烘焙两种方法之一。室温去湿，可用于那些暴露在30C/85% RH 条件下少于8小时的元件，使用标准的干燥包装方法或者一个可以维持25C5C、湿度低于10%RH的干燥箱。烘焙比许多人所了解的要更复杂一点。对基于级别和包装厚度
24、的干燥前与后的包装，有一些烘焙的推荐方法。预烘焙用于干燥包装的元件准备， 而后烘焙用于在车间寿命过后重新恢复元件。请查阅并跟随J-STD-033中推荐的烘焙时间/温度。烘焙温度可能通过氧化引脚或引起过多的金属间增生(intermetallic growth)而降低引脚的可焊接性。不要将元件存储在烘焙温度下的炉子内。记住，高温托盘可以在125C之下烘焙，而低温托盘不能高于40C。IPC的干燥包装之前的预烘焙推荐是：包装厚度小于或等于1.4mm：对于2a 5a 级别，125C的烘焙时间范围828小时，或150C烘焙414小时。包装厚度小于或等于2.0mm：对于2a 5a 级别，125C的烘焙时间范
25、围2348小时，或150C烘焙1124小时。包装厚度小于或等于4.0mm：对于2a 5a 级别，125C的烘焙时间范围48小时，或150C烘焙24小时。IPC的车间寿命过期之后的后烘焙推荐是：包装厚度小于或等于1.4mm：对于2a 5a 级别，125C的烘焙时间范围414小时，或40C烘焙59天。包装厚度小于或等于2.0mm：对于2a 5a 级别，125C的烘焙时间范围1848小时，或40C烘焙2168天。包装厚度小于或等于4.0mm：对于2a 5a 级别，125C的烘焙时间范围48小时，或40C烘焙67或68天。通过了解IPC-M-109，潮湿敏感性元件标准与指引手册，可避免有关潮湿敏感性的
26、问题。 焊盘的结构 By Robert Rowland 本文介绍，焊盘的基本概念及其有关的行业标准。焊盘(land)，表面贴装装配的基本构成单元，用来构成电路板的焊盘图案(land pattern)，即各种为特殊元件类型设计的焊盘组合。没有比设计差劲的焊盘结构更令人沮丧的事情了。当一个焊盘结构设计不正确时，很难、有时甚至不可能达到预想的焊接点。焊盘的英文有两个词：Land 和 Pad ，经常可以交替使用；可是，在功能上，Land 是二维的表面特征，用于可表面贴装的元件，而 Pad 是三维特征，用于可插件的元件。作为一般规律，Land 不包括电镀通孔(PTH, plated through-ho
27、le)。旁路孔(via)是连接不同电路层的电镀通孔(PTH)。盲旁路孔(blind via)连接最外层与一个或多个内层，而埋入的旁路孔只连接内层。如前面所注意到的，焊盘Land通常不包括电镀通孔(PTH)。一个焊盘Land内的PTH在焊接过程中将带走相当数量的焊锡，在许多情况中产生焊锡不足的焊点。可是，在某些情况中，元件布线密度迫使改变到这个规则，最值得注意的是对于芯片规模的封装(CSP, chip scale package)。在1.0mm(0.0394)间距以下，很难将一根导线布线通过焊盘的“迷宫”。在焊盘内产生盲旁通孔和微型旁通孔(microvia)，允许直接布线到另外一层。因为这些旁通
28、孔是小型和盲的，所以它们不会吸走太多的焊锡，结果对焊点的锡量很小或者没有影响。有许多的工业文献出于IPC(Association Connecting Electronics Industries), EIA(Electronic Industry Alliance)和JEDEC(Solid State Technology Association)，在设计焊盘结构时应该使用。主要的文件是IPC-SM-782表面贴装设计与焊盘结构标准，它提供有关用于表面贴装元件的焊盘结构的信息。当J-STD-001焊接电气与电子装配的要求和IPC-A-610电子装配的可接受性用作焊接点工艺标准时，焊盘结构应该
29、符合IPC-SM-782的意图。如果焊盘大大地偏离IPC-SM-782，那么将很困难达到符合J-STD-001和IPC-A-610的焊接点。元件知识(即元件结构和机械尺寸)是对焊盘结构设计的基本的必要条件。IPC-SM-782广泛地使用两个元件文献：EIA-PDP-100电子零件的注册与标准机械外形和JEDEC 95出版物固体与有关产品的注册和标准外形。无可争辩，这些文件中最重要的是JEDEC 95出版物，因为它处理了最复杂的元件。它提供有关固体元件的所有登记和标准外形的机械图。JEDEC 95出版物库中的任何图都可从JEDEC的网站(www.jedec.org)免费下载。JEDEC出版物JE
30、SD30(也可从JEDEC的网站免费下载)基于封装的特征、材料、端子位置、封装类型、引脚形式和端子数量，定义了元件的缩写语。特征、材料、位置、形式和数量标识符是可选的。封装特征：一个单个或多个字母的前缀，确认诸如间距(pitch)和轮廓等特征。封装材料：一个单字母前缀，确认主体封装材料。端子位置：一个单字母前缀，确认相对于封装轮廓的端子位置。封装类型：一个双字母标记，指明封装的外形类型。引脚新式：一个单字母后缀，确认引脚形式。端子数量：一个一位、两位或三位的数字后缀，指明端子数量。表面贴装有关封装特性标识符的一个简单列表包括： E 扩大间距(1.27 mm) F 密间距(0.5 mm)；限于Q
31、FP元件 S 收缩间距(3mm分离高度应该总是高于胶剂的倒塌高度。在刮板运动之后，在模板上应该留有一层胶剂薄膜。 4.2 用1mm厚的塑料膜板的泵压印刷(Pump Printing)(由DEK推荐) 刮刀：金属的，45度角 印刷速度：25mm/sec 印刷间隙：0mm(接触式) 刮刀压力：0.33kg/cm 印刷顺序：单程印刷 分离速度：0.2mm/cm 5. PD955PY的膜板开孔推荐直径下面所说的参数是相对于250微米的金属模板和在4.1.3节中所提到的印刷参数。模板的开孔直径被优化，以得到在贴装之后不会污染元件金属端的最大胶点直径。胶点之间的距离被优化，以避免印刷期间模板底面上胶涂污。
32、首选双胶点以得到最佳的附着力和最小的元件丢失。如果用双胶点，贴装期间元件的扭曲不太要紧。元件尺寸模板开孔直径(mm)胶点中心之间的距离(mm)06032 x 0.50.908052 x 0.61.112062 x 0.81.4SOT232 x 0.71.4Mini Melf1 x 1.0n.a.Melf2 x 1.52.018122 x 1.42.4SO 83 x 1.42.5SO 144 x 1.42.56. 模板的清洁6.1 金属模板的清洁为了避免清洁剂对模板框胶的侵蚀，推荐使用专门设计的清洁剂(例如Zestron SD 300)。这种新的清洁剂也设计用来避免清洁设备之外的暴露保护措施。这
33、允许设备的贴装放在于一个所希望的位置。当印刷小胶点，例如=0.6mm，或在模板被胶剂严重污染的情况，我们推荐使用用于预清洗的Zestron ES，然后是用于最终清洁的Zestron SD 300。可是，用Zestron ES的清洁必须认真地手工完成，以避免Zestron ES与模板框的胶接触。6.2 塑料模板的清洁在6.1所提到的推荐也对塑料模板的清洁有效。另外，还需要更加注意下面的问题：在清洁塑料模板期间，可能发生静电放电。这可能扰乱印刷工艺。应该用专门的清洁剂，以避免这个现象，例如Zestron SD 300与防静电添加剂Zestron plus AS 10。应该避免手工清洁(用布抹)，因为塑料容易被刮花。长期这样可能造成印刷品质的问题。只用手工清洁很大程度上不足以彻底清洁通孔。残留物可能累积和负面地影响印刷品质。开发胶剂丝印工艺 By Manuel Osuna, Cirduits As
