- 0201元件裝配工藝優化
- 分別測試立碑、錫橋、焊球、錫量不足和錫量過多
- 在試驗使用的三種組裝工藝中
隨著表面貼裝技術越來越成熟，人們不斷要求縮小電子產品的尺寸和重量。由于主動和被動元件尺寸的縮小以及印刷電路板技術的改進，出現了體積更小、重量更輕、性能更優良的終端產品。目前還在做進一步研究繼續縮小元件尺寸，使得設計者能用更小的印刷電路板實現預定功能。
0201元件特性
電子消費品的小型化發展趨勢使得電子零件從80年代的1210、1206縮小到90年代末期的0402和0201，變化的主要動力來自于市場對小型化低成本高性能產品的需求。0201元件在體積和重量上比0402小75%，占用板面空間小66%，用這種零件可以大大降低手持式或便攜式消費類電子產品的尺寸、重量和體積。圖1是五種元件的尺寸對比情況。
在高頻應用場合，0201電容的等效串聯電阻(ESR)和阻抗較低，所以比0402性能更優。電介質層的厚度減小及層數增多使0201電容的容值范圍和0402電容相同，其容值范圍能滿足大約百分之八十高頻模組的要求。
試驗條件
試驗采用一塊既有0201又有0402元件的印刷線路板，它是一個單面板，長12.5英寸寬7.5英寸，厚度是標準的0.062英寸。兩種元件的焊盤分別設計了三種不同的寬度、長度和焊盤間距，互相組合可以得到27種不同的焊盤形式，將同樣的焊盤復制120個排成一排。
試驗中分別采用0.008英寸、0.012英寸、0.016英寸和0.020英寸四種元件間隔，每種焊盤以三十個為一組進行間隔測試。所有焊盤的走線都從焊盤端部延伸出去，元件間隔試驗以相鄰元件的側向(而非端對端)間隔進行。設計的試驗板在組裝完成后，上面共有12,960個元件。另外試驗板上對每一種焊盤都同時設計了0°和90°兩個方向。
試驗中焊膏印刷使用厚度為0.005英寸的不銹鋼激光切割模板，模板開孔間距約為0.008英寸，模板沒有用微蝕刻及表面電鍍。選擇0.005英寸厚度是在0.004英寸和0.006英寸之間折衷的結果，更薄的0.004英寸模板能使0201元件焊膏印刷效果更好，但同時卻會減少大多數應用中經常用到的其他類元件的焊錫量；而不使用0.006英寸模板則是因為0201元件焊膏印刷效果不能接受。
試驗同時使用免清洗型和水溶型焊膏，兩種焊膏均為90%固體含量和四號錫粉顆粒，選擇兩種焊膏是因為它們包含了兩種應用最廣的助焊劑類型。焊膏分別由兩家不同的供應商提供，焊膏稠度約為900kcps。
焊膏印刷使用DEK公司的265GSX印刷機，印刷工藝參數設定如下：
a)印刷速度：1.0英寸/秒
b)刮刀類型：金屬刀片(自動轉換)
c)刮刀角度：60度
d)刮刀壓力：2.3磅/英寸
e)印刷間隙：0(全接觸)
f)分離速度：0.02英寸/秒
元件貼片由環球儀器公司的4796RHSP貼片機完成，自始至終對X軸和Y軸同時使用自動拾取校正。自動拾取校正能提高元件拾取的可靠性，Z軸(高度)在零件拾取和貼裝時也采取完全受控方式，以提高拾取的可靠性并保證在試驗中不會出現貼裝壓力過大或不足的情況。
回流焊使用一臺Heller公司的1,800W強制對流爐，該回流焊系統包含8個加熱區和一個冷卻區。試驗使用了兩種回流焊接環境，一種是空氣環境，另一種是充氮環境(回流焊接區內的氧氣含量在50ppm以下)。圖2給出了試驗使用的回流焊溫度曲線。
不良種類
試驗過程中我們觀察到在試驗板上出現了五種不良，分別是立碑、錫橋、焊球、錫量不足和錫量過多。
試驗結果
圖1顯示出三種不同組裝工藝的良品率情況。由圖可見，使用免清洗焊膏在空氣環境下進行回流焊產生的不良最少，總數為66個；使用水溶性焊膏在空氣環境下進行回流焊次之，不良有1,499個；使用免清洗型焊膏在充氮環境下進行回流焊產生的不良數最多，為5,665個。圖3還表明在充氮環境下以及焊膏助焊成分活性增大(水溶性焊膏)時，產生的不良數目會增多。
[page]
研究三種組裝工藝的不良類型分布發現，立碑(開路)和錫橋是兩個主要缺陷。水溶性焊膏在空氣環境下焊接產生的錫橋比例最低，為7.0%，接下來是免清洗焊膏在充氮環境中焊接，為15.0%，而免清洗焊膏在空氣環境中焊接產生的錫橋最多，為21.0%。
圖2是三種不同組裝工藝中錫橋與元件間隔之間的關系。從圖中看出，元件間隔在0.012英寸或更大時沒有發生任何錫橋。免清洗焊膏在空氣環境中焊接產生的錫橋數量最少，為14個；水溶性焊膏在空氣環境中焊接產生的橋接數量排在第二，為99個；而免清洗焊膏在充氮環境中焊接產生的橋接數量最多，有866個。此外在最小的0.008英寸間距下，用免清洗焊膏在空氣環境焊接時18種焊盤中有12種焊盤沒有產生任何錫橋，用水溶性焊膏在空氣環境中焊接時有10種焊盤沒有錫橋，而使用免清洗焊膏在充氮環境中焊接時只有6種焊盤沒有產生錫橋。
圖3是焊點不良與焊盤的寬度及組裝工藝的關系。這些數據是每種組裝工藝都選用最佳焊盤形式而得出的，試驗時將焊盤的長度和焊盤間距設為常量，只對焊盤寬度進行變化。通常來講，三種組裝工藝的良品率均隨焊盤寬度增大而提高，而不良率在焊盤寬度為0.012到0.015英寸之間較為敏感。水溶性焊膏在空氣環境中焊接和免清洗焊膏在充氮環境中焊接都是在焊盤寬度最大即0.018英寸時焊點缺陷最少，但這種情況在免清洗焊膏空氣環境下焊接時有一些改變，此時最高良品率是在焊盤寬度居中時(0.015英寸)得到的，然而由于使用這種工藝組裝的板子產生的不良數量非常少，所以焊盤寬度在0.015英寸和0.018英寸時不良數目之間的差異在統計上并不明顯。如果從組裝工藝的角度來看良品率變化趨勢，可以看到免清洗焊膏在空氣環境中焊接對焊盤寬度變化最不敏感，而免清洗焊膏在充氮環境下焊接工藝則對焊盤寬度變化最為敏感。
圖3給出了焊點缺陷數量與焊盤長度及組裝工藝的關系。與前一張圖類似，這些數據也是在每種組裝工藝選用最佳焊盤形式時得出，試驗將焊盤寬度和焊盤間距設為常量，只對焊盤長度進行變化。從圖上我們可以看到，對所有三種組裝工藝而言最佳焊盤長度都是0.012這個中間值，通常來說焊盤長度在0.008到0.012英寸之間對良品率的影響最大。從組裝工藝方面來看，免清洗焊膏在充氮環境下焊接對造成不良的影響最為敏感，比其他工藝更容易受焊盤長度的影響。使用免清洗焊膏在空氣中焊接時，焊盤長度為0.012英寸和0.016英寸均沒有發現任何焊點缺陷。
在試驗使用的三種組裝工藝中，免清洗焊膏在空氣中焊接產生的立碑(開路)與錫橋的數量最少，同時用這種工藝時大部分焊盤不會有不良產生，這種組裝工藝的不良數對焊盤樣式變化最不敏感(相對這項研究中三種工藝而言)。其次產生不良數量較少的是水溶性焊膏在空氣環境中焊接，最后是免清洗焊膏在充氮環境中焊接。較低氧氣含量(50ppm以下)和更強活性焊膏助焊成分會降低組裝的良品率及組件牢固性，對水溶性焊膏在空氣環境下焊接以及免清洗焊膏在充氮環境中焊接兩種工藝來說，較長的回流焊時間能夠減少焊點不良的數量，在充氮工藝中氧氣含量更高也能減少不良數量，使用氮氣一般只能增加焊錫的潤濕力和縮短潤濕時間。
元件側向間隔0.008英寸時所有三種工藝都不會產生錫橋，回流焊使用氮氣以及用水溶性焊膏會增加錫橋的數量，同時小焊盤比大焊盤更容易產生錫橋，焊盤寬度或焊盤長度減小都會加劇錫橋發生的可能性。目前正在對元件間隔在0.008英寸以下的情況進行研究，以確定具體組裝工藝最小可接受元件間隔。
我們可以通過減少元件端部下面的焊膏印刷量來減少或杜絕錫珠，應注意當元件兩個焊盤的焊膏印刷間距增加時立碑(開路)數量會增加。進行模板設計時，模板開孔的間距最大值應保持在0.010到0.012英寸之間。試驗中沒有使用“屋型”和“V形槽”開孔設計，因為0201元件的焊盤尺寸太小(焊盤間距太小也無法使用)。
元件方向對免清洗焊膏在空氣環境中焊接并不重要，但是對其他兩種工藝卻很重要。與免清洗焊膏或回流焊時采用更低含氧量相比，水溶性焊膏的助焊成分活性更強，能增大已熔焊錫的潤濕力和潤濕速度。90度方向的元件(它的一端比另一端先進入回流焊區)當遭遇更高的潤濕力和更短的潤濕時間時更容易產生墓碑。
圖4給出批量進行0201元件回流焊時的元件焊盤設計建議。建議兩焊盤間距0.009英寸，焊盤長度0.012英寸，寬度在0.015英寸到0.018英寸之間，具體取決于助焊劑成分類型和焊膏回流焊環境。0.018英寸寬度適用于充氮焊接環境、氧氣含量很低(50ppm以下)以及焊劑活性很強或潤濕時間很短的情況；而0.015英寸寬度焊盤則適用于在空氣環境中進行回流焊接、焊膏溶劑活性較弱以及有較長的潤濕時間等情況。
圖5是一個貼在線路板上的0201貼片電容截面圖。從圖中我們可以看到該元件錫量適當，焊錫潤濕角也很好，焊錫圓角潤濕達到元件焊接端面的90%到100%。圖中還可以看到兩焊盤中間的阻焊劑支撐著元件，使元件接觸不到焊盤，測得這個阻焊層的厚度大約為0.0015到0.0017英寸，比焊盤高出大約0.001英寸。目前正在對印刷電路板的阻焊層做進一步的研究，看看如果在元件下面沒有阻焊層或者采用更常見的薄型(0.0007到0.001英寸)阻焊層會有什么樣的結果，這樣就能夠確定使用阻焊劑把元件托離焊盤是否會有影響。
下一步的研究方向將包括貼片精度、焊膏助焊劑化學成分、更小元件間隔(0.008英寸以下)和回流焊參數優化等對焊點質量的影響。
