0201的工艺控制

浅谈0201与01005装配工艺深圳紫方通讯设备有限公司518108苟弘昕摘要:0603和0402元件的广泛使用已有多年，这些元件能够在批量应用中有很高的装配良率.电子装配和封装微型化的趋势将会愈演愈烈，0201/01005在手机、数码像机、无线蓝牙等产品中得以应用但是装配的不良率还是很高。如何控制0201与01005的装配质量已经对SMT工程师提出挑战.关键词:DFM反本垒板snapoff喂料器0201元件约为0402元件尺寸的四分之一，而01005元件则约为0201元件尺寸的四分之一。这个空间为整个PCB空间节约了很多.较小尺寸的元件可能会降低装配工艺的稳健性。这类细小元件的装配比其它元件在工艺材料的选择、设计、工艺的控制方面更具敏感性。由于本身的尺寸非常小，它的尺寸公差对装配工艺也会产生非常显著的影响。本文将从锡膏的选择、印刷工艺的控制、印刷钢网、贴片工艺控制和PCB的设计、以及回流焊接工艺探讨对0201、01005的装配质量控制一）、PCB设计要求由于无源组件最多可占到板上组件的85％到95％，无源组件的体积一直在不断缩小。在过去的20年中，从1206到0201、01005，无源组件的体积已大大减小。例如，10个0201排列在一起的面积约为0402的1.3倍。电子产品市场的需求发展趋势为日趋小型化。因此，组件也能够被更密集地排列在一起以缩小板的尺寸。更小、更轻和更快的产品促使0201器件在被越来越广泛地采用。在设计中采用0201的主要困难在于关键的制造能力设计因素在流程窗口的设计群中未明确规定，而且由于0201的流程窗口与0402的不成比例，其稳定性也是未知的。DFM(可制造性设计)的意义越来越重要，很多企业的领导都关注到DFM。对于0201焊盘形状的设计可以为U型与H型。根据试验跟踪发现U型的焊盘设计比H焊盘设计的故障更多（U型焊盘比H型的要小）所以设计过程建议设计为U型焊盘对于0201元件的间距非常关键。两个0201元件之间的距离可以设计为6,到8mils；0201和其他0402元件的距离包括8到和10mils，以及0201元件与CSP或者SO8之间的8mil的间距。两个0201焊盘距离是不能忽视的，因为距离过大立碑的概率增加，根据0402的统计两个焊盘间距为0.5mm立碑的概率比0.4mm立碑概率大4倍。0201元件在拼板上的排列以及排列的方向会影响元件的焊接。0201物料设计与拼板进入流焊炉的方向最好垂直焊盘对称性以及地线连接焊盘必须注意两端的吸热。要求比0402还要高。拼板的连接桥支撑作用是不可以忽略的。二、工艺的要求一)、0201/01005元件的网印控制焊膏印刷是生产PCB产品的第一个技术步骤。大量的报告和出版物证明超过65％的错误焊接的焊点都是不完善的焊膏印刷造成的。焊接过程一旦完成，要修复错误的焊点就会变得非常复杂而且成本高昂。因此控制网印质量非常重要，尤其对0201的影响最重要。锡膏的选择，锡膏合金成分对流焊后的焊接质量影响很大。在无铅锡膏选择时注意Ag的含量，一般在锡膏成分中增加少量的Ag以0.4%到0.6%为最佳，因为Ag超过2%时Ag含量越多立碑的概率越大。锡膏颗粒大小，锡膏的滚动性等参数很重要无铅锡膏的滚动性不如有铅锡膏。颗粒的一致性也是一个重要的参数。锡膏量的控制是个很难把握，尤其是使用无铅锡膏。在0201与01005装配过程过量的锡膏会产生锡珠、立碑、短路等缺陷。如右图锡膏少量容易产生虚焊和立碑。锡膏量的控制需要从网板的设计与网印参数的设定。锡膏量与网板的厚度与开孔有直接的关系。开孔的形状可以预防锡珠和减少立碑的概率。对于立碑可以设计成圆弧形的“反本垒板”网印参数的控制主要从刮刀的压力，网印的速度，snapoff的大小，擦拭频率等相关参数。推荐使用以下参数网印机具体设置参见下面表刮刀压力越大锡膏量越多，建议在刮干净网板的前提下，压力越小越好。刮刀速度在有铅工艺中不是很受重视。刮刀速度越慢浪费时间，如果压力过大颗粒受到损坏速度过快导致很多焊盘少锡膏造成立碑和虚焊。尤其对0201与01005元件立碑影响很大。其他的参数不作多的解释。焊点形状、焊接外观和焊接体积决定了装配流程的质量。基于这些方面，主要的装配产品缺陷就是竖碑效果、焊接桥连和焊珠如下图二)、0201/01005元件的贴装控制贴装细小元件的关键因素包括贴片机的定位系统，取料过程控制，贴片机的影像系统，和对贴片过程的控制。除了这些因素之外，还有一些不容忽视的地方，如送料器的精度，元件包装的误差和元件本身的误差，吸嘴的材料设计等等，都是在装配之前需要综合考虑的。1．贴片机的定位系统对于细小元件的贴装，要求驱动定位系统在所有驱动轴上都采用闭合环路控制，以保证取料和贴装的位置精度。2．取料过程的控制成功贴片的第一步是准确的取料。影响正确取料的因素有元器件之间的差异颜色差异与大小尺寸，包装的误差，送料器的精度，贴片机驱动定位系统的误差，贴片头z轴方向的压力控制，吸嘴材料和设计，以及在取料过程中对静电的控制。细小元件要求精度更高的马达驱动的电子送料器，并要求其有良好的抗静电效果。在贴装较大器件如0603/0805等，送料器安装在贴片机与贴片机器之间会存在间隙和位置误差，这种误差很小，完全可以被忽略但对于细小的0201和01005而言，其影响会很大。图中蓝色部分为吸取位置一旦超过该位置吸嘴将和旁边元件产生干涉。导致元件吹飞或者侧立等缺陷。0201与01005元件的吸取精度尤其重要。下图为西门子的HS50因为吸取造成贴片贴飞的过程.网印参数设定值前刮刀压力5Kg后刮刀压力5Kg前刮刀的速度80mm/s后刮刀速度80mm/s钢网与PCB间隙0mm分离速度0.2mm/s清洗模式湿擦/真空/真空/干擦板子的支撑方式真空模式环境温度24.7度环境湿度43.16RH擦拭频率4pcs/次为了提高吸取的精度，siemens有专门的喂料器金色的3×8飞达，并有自动校正取料位置的功能如下图，不过在机器设计与程序中必须选择此功能。机器在吸取时对吸取位置进行校准.在贴片前对于规则元件还可以自动优化到元件中心.3．吸嘴的设计和保养贴装0201和01005元件需要防止静电损坏元件及在取料过程中带走其它元件，细嘴的材料需要抗静电，所以要选用ESD材料例如陶瓷，橡胶的吸嘴不适合贴装0201与01005的物料。为了降低吸料过程中元件侧立，保证足够的真空和元件被吸起之后的平衡，在吸嘴头部需要设计2个或3个孔。吸嘴头部要足够的细对0201的吸嘴而言，最小的孔径会达0.127mm，而01005元件的吸嘴更细，达0.1mm。对吸嘴的清洁保养的要求比其它类型的吸嘴要高，需要利用专门的清洁溶剂和超声波来清洁。0201/01005很薄，01005元件厚度只有0.1mm，细嘴与锡膏接触的机会增加。需要及时清洗吸嘴，保养吸嘴的频率将成为控制0201与01005贴片质量的保证之一。4．元件的影像对0201与01005的影响贴片前的影像对贴片精度影响很大.每个元件贴片前都需要影像去确定元件的中心.确定元件中心有两种方式，一种是采用数码像机，另一种是采用镭射（激光）。两种方法各有优缺点。采用数码像机可以检查出元件电气端的缺陷。但是它不能感测元件的厚度变化。对于z轴有压力感应及取料/贴片补偿功能的机器，不会产生严重的问题。采用镭射成像的方法可以检测元件的厚度，但对于元件电气端出现的缺陷则检查不出来。在实际贴装过程中，元器件两端电气端与锡膏重叠的区域的差异，会影响焊接完成后的装配良率。0201或01005元件需要使用前光，或仰视照相，找到两个电气端之间的中心，以提高贴装精度。一般的元件如0603或0805等元件，使用背光，找到整个外形轮廓的中心就好。细小元件两电气端与锡膏重叠区域的大小和差异会对装配良率产生很大的影响（立碑缺陷）不同的元器件制造厂生产的同样的0201电阻元件会存在很大的差异或同一厂家不同批次的0201在制造过程电气端可能存在差异，所以采用数码像机成像具有一定优势，照相机应该在相当于PCB厚度的位置对元件对焦成像，以提高影像的准确性，保证贴片精度。5．0201与01005的贴片过程控制在贴片过程中的关键控制因素有基板平整的支撑，真空关闭转为吹气的控制，贴片压力的控制，贴片的精度和稳定性。贴片压力是另一需要控制的关键因素。贴片压力控制不当，会导致元件损坏，锡膏压塌，元件下出现锡珠，还有可能导致元件位置偏移。贴装0201和01005元件合适的压力范围为150g-300g。对于基板变形的情况，贴片轴必须能够感应少到25.4um的变形对应压力的变化，以补偿基板变形。过大的压力会导致在下压过程中元件上出现一个水平力，而使元件产生滑动偏移；过大的压力会将元件底部的锡膏挤开，形成锡珠，或导致相邻元件短路贴片精度对0201/01005元件装配的影响65um@3Sigma的精度可以很好的处理0201和01005元件的贴装。当然还必须保证锡膏的印刷精度，单一的偏差有时不会有很大的影响。但是贴片偏差和锡膏印刷偏差的综合影响必须加以控制。譬如，贴片偏差+50um,而印刷偏差为-50um，整个偏差达0.1mm，对0201和01005这类细小元件此偏差已非常大。三)、0201/01005元件的流焊控制网印与贴片后质量验证都是在流焊后表现出来.虽然质量主要来源网印与贴片,但是流焊工艺对质量的影响不能忽视.预热时间不能太长,过长锡膏的活性剂失去作用,上升斜率不能太大,有铅锡膏的温度上升斜率为3.9度,无铅为2.8左右,否则会造成热坍塌回流斜率不能太大,太大造成0401和0201以及01005立碑增加.流焊曲线的设定炉温曲线采用斜升式曲线比均温曲线立碑的比率小（实验已经证明）；斜升式曲线已经广泛用于SMT行业的流焊工艺.采用氮气保护，氧含量控制在1000PMM左右，但氧气浓度越低越容易立碑，对于0201与01005尤其需要对立碑和锡珠的控制.