Tony Huang and Rudolph Yu Adaptec,Inc Milpitas,CA Woei Der Teng and Vincent Goh Adaptec Mfg(s) Pte.Ltd. 新加坡 摘要 由于工程设计在电路板设计方面对使用越来越小的电子封装方面越来越有兴趣，0201芯片对PCB（印刷电路板）装配者已变成了争相采用的部件。这样一来，在0201芯片应用到电路板设计以前，一些领域如电路板设计，装配过程，检测方法，修理工艺，焊点可靠性必须重新修正。这篇文章对0201芯片使用的评估提供了一些结论和建议。为研究制造能力的规则，采用0201测试箱，主要的装配因素，包括检测方法，修理工艺和焊点可能性的设计，设计了检测工具。 这片文章介绍了一些用来评估这方面的方法。 为 研究模板设计和印刷工艺的关键参数，设计了用于模板印刷工艺的实验（DOE）。对于焊盘设计发展了评估孔对工艺焊盘的方法。需要更好的工艺并可以通过焊盘优化实现。在进一步对比中，研究了AOI（自动光写检测），X射线和视频显微镜检测。在检测方法的选择上，执行了考虑投资成本，人力要求及印刷效率的基准。另外，评估了修理工具和方法。最后，用震动和热循环检测了焊点的可靠性。 关键字：0201 ，DFM，AOI，DOE。 介绍 在电子产业当电子产品趋向于微型化时，比如PADS（个人资料助手）、移动电话、助听器、摄像录像机等，元件供应商努力地减小其零件的大小，与综合ICS相比，贴装件更划算并且更易于减小其大小，它们在SMT市场上增大了。超微型贴装件0201芯片已经普遍用于PDA与移动电话产品中，随着无线产品的增多，0201芯片的使用也可能随之增长。 从制造角度上看，0201芯片的大小对于PCB组装设备和运行能力是个重大的挑战。0201芯片的大小大约是0402芯片大小的四分之一，这使得部件更轻，同时也使得它在整个PCB组装周期中比0402芯片更难操作。对PCB装配工来说第一个挑战就是PCB板图的设计，而PCB板图的设计对于焊料印刷和放置结果是关键的。一个设计差的板图当在芯片放置在板上之后会直接导致零件的掉落，焊料不足。人们还相信0201可焊垫板光滑程度会导致焊料的不均匀。因为具有放置0201芯片的模板孔通常非常小，所以可焊盘因其平坦性会引起焊料厚度的一致性。 对于装配工的另一个挑战就是在放置了其它部件在PCB板上以可接受的精度和速度的问题。由于0201芯片的大小和重量，误拾和掉落部分通常都会看出是进料那里的拾取失败的结果。非直线和歪曲的放置也经常看到。在电子生产部门要得到认可的话，最主要的是减少装配缺陷。当完成0201芯片贴到板上后，回流曲线也必须考虑到，当回流轮廓的预热斜坡速度太快时，在不稳定状态下挥发性物质快速蒸发导致零件位置的移动，这种变动将最终引起破坏。由于0201芯片具有更小的端点，因此安装位置很小的变动都要比任何一种零件更容易引起立碑。 使用0201芯片包括检测方法，修理工具和技术，对PCB组装有另外一些挑战。由于PCB板的空间比以前更紧凑，所以0201芯片离其它元件非常近，因此传统的人工检测方法变得很困难。由于不能被其它检测方法，如ICT（在线测试）等方法所取代，因而为了检测0201芯片，就需要一种更有效的检测方法。另一方面，由于0201芯片很轻及尺寸小，一些现在的修理方法和工具是不使用的。必须有一个有更强功能的修理工艺和基本的加工方法，才能让0201芯片大量使用在PCB生产线上。 这篇文章的细节是为了0201芯片项目符合Adaptec的要求，这项目有以下目的： 0201PCB板表面粗糙度的确定 包括0201芯片焊盘的优化 优化0201生产线的工艺参数 决定0201DFM规则 为0201组装选择一种有效的检测方法 0201组装板研制出修理工艺 理解0201可靠性的影响因素 实验 方法 检测工具设计 习惯用的 检测工具见图---1。 电路板共有20块组成，分成相等的5 行4列。每一块有40个分成两部分的0201：一部分用来放电阻，另一部分用来放电容。两个检测点与每部分相连，一个连第一个位置，另一个连后一个位置。链的设计是用来当电路板装配后连续的检测。两个不同的焊盘间距，15到20 mil ,用来区分不同的元件，这样在0201芯片之间能推测出最小的间距。 图1所示的检测工具的设计是用来代表0201芯片的有潜力的焊盘设计。五个不同的焊盘设计置与PCB的每行，归纳如表1所示。选择三种不同焊盘表面粗糙度形式，HASL，OSP 和镀金来研究。 图1—A 2″ ×2。75″检测工具 表1—检测工具中的焊盘尺寸 模板设计的发展及丝网实验 为0201的评估已选择了一种实验方法，可以高效决定最优的丝网印刷的参数设置及模板设计。对0201的评估来说，焊膏很关键，因为这会决定定位精度和生产完后的焊点质量。第一个实验选择了五个因数-----刮刀的速度，压力，行程的距离，模板的设计和PCB的表面粗糙度。与设计的模板参数相应的为焊膏分布量与分布均匀性。100%的焊膏分布量表明：印刷的量是与模板的容纳量相一致的。焊膏的均匀性反映印刷后焊膏块的质量。分：好，普通，不好三种。 为了 使运行时间最小， 用Taguchi 法对设计进行屏幕显示处理，删除对总的模型很少或没有影响的因素。经过此处理后，三种水平的设计因素加以考虑，而最后确定屏幕印刷机的设置。Taguchi法的水平及因素如表2所示。 表2--- Taguchi法的水平及因素。 用厚度分别为千分之四英寸和千分之五英寸的模板较和研究厚度对质量的影响。由于焊膏的分布质量受容量和孔径与面积的比率很大的影响，所以，所有的光孔设计都要符合这两个因素的要求，详细的模板设计及孔径孔面积比率分别列于图2和表3。用于本实验的所有模板均是激光刻蚀并电模板磨光。 图2 梯形与方形的模板孔径设计 表3 模板孔孔径与面积的比率 每一种设计均打印五张并进行检测，只测量最后一张的焊料体积以便确认焊料桨揉和良好而且没有因桨的粘性着与引起的桨沉积。 丝网印刷DOE结果及讨论。 用一个L－27的垂直网格进行Tagnchi screening实验，用于这一实验的垂直网格如表4所示。从实验结果中，挑选的5个因素中的四个有重要意义并被用来进行下一个屏幕打印DOE研究。根据实验记录，模板设计在实验中屈服于模板堵塞，并有过量的焊料缺陷，所以它没有被用于下一个实验。模板设计A和B没有多大的区别，故两者被用来作最优的丝网设计。 以千分之四和千分之五英寸厚的模板为基础，2系列数据被用于DOE。所用的三种要素是刮刀速度，刮刀压力和印刷间隙。相应的变量与前一个Tagnchi screening实验所用的相同，第二个DOE所用的元素和标准如表5所示。 第二个DOE是用于确定千分之四和千分之五英寸厚的模板的最佳打印设置，它产生如下结果 表4 L—27 垂直网格进行的Taguchi screening DOE 表5 第二个33 DOE 的因数与标准 使用千分之四英寸的模板时，其屏幕印刷最佳设置如下 刮刀速度＝30mm/s 刮刀压力＝10kg/cm2 印刷间隙＝0mm 各因素的主要影响和他们的预期结果如图3所示，在最佳设置下，焊料的体积沉积百分率可达到99。7％，这一设置的焊料沉积均匀一致性良好。 并且还发现，降低刮刀速度至10mm/s并将刮刀压力减至6kg/cm2也可以达到同样的沉积百分率。在较低的压力设置下，虽然焊料沉积百分率变化不大，但焊料沉积的总体均匀度降低，其预期的印刷设置和结果见图4 。然而，这些设置不能被选用于下一个实验，这是因为在较低的速度设置下，印刷进程将减少总体产量。 在实验中也不推荐使用最高的速度设置。在最高的速度设置下，为保持令人满意的焊料沉积百分率，需要提高刮刀的压力，这将导致焊料沉积的不均匀和模板寿命降低。 当使用千分之五英寸的模板时，印刷最佳设置如下： 刮刀速度=50 mm/s 刮刀压力=10 kg/cm2 印刷间隙=0 mm 在最佳设置下，焊膏沉积百分比可达到100％。这种设置之所以被认为是最佳，是因为不仅其刮刀速度可以设在最高水平，而且其刮刀压力也可以保持在令人满意的水平。各种因素的主要影响及它们的预期结果如图5所示。 图3 千分之四英寸厚的模板在最佳设置下主要及相互影响预期曲线 图 4 千分之四英寸厚的模板在改变设置下主要及相互影响预期曲线 图 5 千分之五英寸厚的模板在最佳设置下主要及相互影响预期曲线 放置与回流焊试验 众所周知在整个贴装工艺中，贴置在0201元件正确贴装过程中起着关键的作用。贴装头的移动精度与进料器机构的重复性和可靠性对于任何好的贴装机器来说都是至关重要的因素。 由于不同供应商的元件厚度各异，使得来自不同厂商而元件编号一样的元件有不同的厚度。当元件实际厚度并不等于标准厚度时，在初始化过程中将会发生吸件错误。初始吸件高度试验和23因子贴装DOE是在将料贴装到焊膏前对吸件和贴装的优化。在初始吸件高度试验中，已贴双面胶料的12个板表面贴满了元件吸料高度和数据常常决定了最佳吸料高度。所有用于评估的进料器都是经过检测而且是新的。 贴装高度、方向和工作台速度是用在DOE贴装在几个因素。贴装精度随试验的不同而定，可以分为三类： 类1：贴装精度<25% 类2：50%<贴装精度<25% 类3：贴装精度<50% 用双面胶贴在9个空PCB板上，一次来检测贴装精度。元件高度的设定是基于以前的实验结果。新吸嘴也是用来保证吸嘴和喂料器不成为影响评估中差的贴装和生产率。 在最佳吸贴设置决定后，按这个最优设置加工出18个PCB板。其他6个板贴装位置偏移了中心位置，工艺归程允许X，Y偏移元件贴脚中心位置。对此评估试验采用在X和Y方向的偏移从0.002’’到0.008’’。 试验中回流焊曲线是超级Mole系统和板上热电偶数据的记录。与常规的SMT设备比较，0201料质量的相对较小，板上期望的空气流动率可以使元件在焊接前扰动最小。为了避免由焊剂快速蒸发引起的立碑和移位缺陷的发生，温度曲线斜率控制以2度/秒的速度上升。 吸贴结果与分析 吸料高度评估结果 研究了七个不同的吸料高度以此来决定最优设置。每个吸料高度采用1200个吸点，各自的掉料率见图6。为了在大量生产中得到较好的贴料率，吸料高度需要根据元件厚度而定，无论使用过的料何时来自新的供应商。 图 6 吸料高度估计结果 结果表明当元件设置高度低于正常厚度0.6mm时吸取漏料率开始增加。如果吸嘴没有压下元件超过0.6mm，吸嘴内的弹簧可以帮组保持吸料率。另外，当吸取元件高度高于正常厚度0.1mm时，吸取漏料率开始显著增加。这表面要保持好多吸料率，得避免吸嘴头和元件顶部间距超过0.1mm。 DOE的贴装结果 基于吸贴DOE的变异分析（ANOVA），得知不会显著影响贴装精度的贴装方向和工作台速度并不是重要因素。贴装高度设置对于贴装精度至关重要。当贴装高度设置低了，所有收集数据表明偏移中心点在25％以内。然而，当贴装高度设置偏高，贴装精度戏剧性的变化为10％-20％。由于工作台速度不影响贴装精度，高速工作台将是未来试验中理想的选择。吸贴ANOVA和23因子贴装DOE见表6。 表 6 23因子贴装DOE的ANOVA 表
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