- 0201元件裝配工藝優(yōu)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(shù)越來越成熟，人們不斷要求縮小電子產(chǎn)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(shù)的改進(jìn)，出現(xiàn)了體積更小、重量更輕、性能更優(yōu)良的終端產(chǎn)品。目前還在做進(jìn)一步研究繼續(xù)縮小元件尺寸，使得設(shè)計者能用更小的印刷電路板實現(xiàn)預(yù)定功能。
0201元件特性
電子消費品的小型化發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用場合，0201電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)和阻抗較低，所以比0402性能更優(yōu)。電介質(zhì)層的厚度減小及層數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的0.062英寸。兩種元件的焊盤分別設(shè)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(fù)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(jìn)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(cè)向(而非端對端)間隔進(jìn)行。設(shè)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(shè)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(jié)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(shù)應(yīng)用中經(jīng)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(yīng)用最廣的助焊劑類型。焊膏分別由兩家不同的供應(yīng)商提供，焊膏稠度約為900kcps。
焊膏印刷使用DEK公司的265GSX印刷機(jī)，印刷工藝參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)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(huán)球儀器公司的4796RHSP貼片機(jī)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(xiàn)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(qiáng)制對流爐，該回流焊系統(tǒng)包含8個加熱區(qū)和一個冷卻區(qū)。試驗使用了兩種回流焊接環(huán)境，一種是空氣環(huán)境，另一種是充氮環(huán)境(回流焊接區(qū)內(nèi)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(xiàn)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(jié)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(huán)境下進(jìn)行回流焊產(chǎn)生的不良最少，總數(shù)為66個；使用水溶性焊膏在空氣環(huán)境下進(jìn)行回流焊次之，不良有1,499個；使用免清洗型焊膏在充氮環(huán)境下進(jìn)行回流焊產(chǎn)生的不良數(shù)最多，為5,665個。圖3還表明在充氮環(huán)境下以及焊膏助焊成分活性增大(水溶性焊膏)時，產(chǎn)生的不良數(shù)目會增多。
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研究三種組裝工藝的不良類型分布發(fā)現(xiàn)，立碑(開路)和錫橋是兩個主要缺陷。水溶性焊膏在空氣環(huán)境下焊接產(chǎn)生的錫橋比例最低，為7.0%，接下來是免清洗焊膏在充氮環(huán)境中焊接，為15.0%，而免清洗焊膏在空氣環(huán)境中焊接產(chǎn)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(guān)系。從圖中看出，元件間隔在0.012英寸或更大時沒有發(fā)生任何錫橋。免清洗焊膏在空氣環(huán)境中焊接產(chǎn)生的錫橋數(shù)量最少，為14個；水溶性焊膏在空氣環(huán)境中焊接產(chǎn)生的橋接數(shù)量排在第二，為99個；而免清洗焊膏在充氮環(huán)境中焊接產(chǎn)生的橋接數(shù)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(huán)境焊接時18種焊盤中有12種焊盤沒有產(chǎn)生任何錫橋，用水溶性焊膏在空氣環(huán)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(huán)境中焊接時只有6種焊盤沒有產(chǎn)生錫橋。
圖3是焊點不良與焊盤的寬度及組裝工藝的關(guān)系。這些數(shù)據(jù)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(shè)為常量，只對焊盤寬度進(jìn)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(huán)境中焊接和免清洗焊膏在充氮環(huán)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(huán)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(chǎn)生的不良數(shù)量非常少，所以焊盤寬度在0.015英寸和0.018英寸時不良數(shù)目之間的差異在統(tǒng)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(huán)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(huán)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(shù)量與焊盤長度及組裝工藝的關(guān)系。與前一張圖類似，這些數(shù)據(jù)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(shè)為常量，只對焊盤長度進(jìn)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(huán)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的立碑(開路)與錫橋的數(shù)量最少，同時用這種工藝時大部分焊盤不會有不良產(chǎn)生，這種組裝工藝的不良數(shù)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(chǎn)生不良數(shù)量較少的是水溶性焊膏在空氣環(huán)境中焊接，最后是免清洗焊膏在充氮環(huán)境中焊接。較低氧氣含量(50ppm以下)和更強(qiáng)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(huán)境下焊接以及免清洗焊膏在充氮環(huán)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(shù)量，在充氮工藝中氧氣含量更高也能減少不良數(shù)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(cè)向間隔0.008英寸時所有三種工藝都不會產(chǎn)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(shù)量，同時小焊盤比大焊盤更容易產(chǎn)生錫橋，焊盤寬度或焊盤長度減小都會加劇錫橋發(fā)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(jìn)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(yīng)注意當(dāng)元件兩個焊盤的焊膏印刷間距增加時立碑(開路)數(shù)量會增加。進(jìn)行模板設(shè)計時，模板開孔的間距最大值應(yīng)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(shè)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?qū)γ馇逑春父嘣诳諝猸h(huán)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(qiáng)，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(jìn)入回流焊區(qū))當(dāng)遭遇更高的潤濕力和更短的潤濕時間時更容易產(chǎn)生墓碑。
圖4給出批量進(jìn)行0201元件回流焊時的元件焊盤設(shè)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(huán)境。0.018英寸寬度適用于充氮焊接環(huán)境、氧氣含量很低(50ppm以下)以及焊劑活性很強(qiáng)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(huán)境中進(jìn)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(dāng)，焊錫潤濕角也很好，焊錫圓角潤濕達(dá)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(jìn)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(jié)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?qū)ㄙN片精度、焊膏助焊劑化學(xué)成分、更小元件間隔(0.008英寸以下)和回流焊參數(shù)優(yōu)化等對焊點質(zhì)量的影響。
