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| 0201无源元件贴装所面临的挑战 |
| 新闻出处：电子生产设备资讯网
发布时间： 2007-11-15 |
0201无源元件贴装所面临的挑战
作者: 肖恩·鲁宾逊(Shawn Robinson)和詹姆士·莱姆拉格利尔(James Lamuraglia)
作者单位: 美国环球仪器公司(Universal Instrument Corporation)
引言
与0603 或 0402等其他无源元件相比，0201无源元件具有更小、更轻的优点。由于产品设计和销售商都力求充分发挥这种小而轻的优势，所以0201无源元件的产量正在增长。不过，这种特性也要求SMT装配更加精密，并且制造商需要达到更高的装配技术水平和工艺能力。本文旨在阐述贴装设备如何以经济高效的途径发展，来支持与0402缺陷率相当的可靠耐用的0201工艺技术。
0201贴装技术
0201无源元件面积小、重量轻，对移动电话和手提电脑等尖端产品设计者极具吸引力。这为0201技术经济高效地应用在更加广泛的消费和专业产品上奠定了基础。元器件制造商已经解决了以合理的公差和价格生产0201元件所面临的大多数挑战。但是，装配界现在必须展示具有生产质量级的贴装和焊接技术，使0201无源元件迈向元件战略家设想的袖珍或台式消费产品应用的最后冲刺阶段。
取料和贴装是所面临的最大挑战。在生产线终端的多数缺陷均可追溯到这个装配阶段。以下4种主要贴装缺陷一直存在：元件遗漏、元件翘起、元件竖立和元件不对准焊盘。然而，由于元件和焊点尺寸较小并且元件间距更窄，贴装工艺对小的误差会更加敏感。目标缺陷率与0402持平,一般来讲，以0.2mm的间距贴装元件无论从工艺还是贴装角度都是一项挑战。在封装系统应用（SiP）中，所需的贴装间距是0.15mm。通过0201无源元件，设计人员可实现0.1mm的更小间距，并且元件贴装时间必须显著缩短。为此，目前的贴装机硬件和软件也需要更新。
第一代0201贴装工艺的缺陷率约每百万100个缺陷（dpm, defects per million），几乎是0402缺陷率的两倍。鉴于这种缺陷率上升趋势，目前的AOI技术在如此小的元件贴装中很难发现缺陷。因此，设备供应商需要把0201贴装的典型缺陷率至少降低到大约50 dpm，与0402贴装缺陷率持平。
主要挑战
0201元件比0402元件尺寸更小、质量更轻，是可能导致故障率上升的首要原因。由于吸嘴和元件的尺寸基本相同，从盘带进料器上取错元件的可能性增加。除非严格控制吸嘴和元件间的公差，元件也可能在盘带进料器上发生显著平移。同时，聚酯薄膜层（Mylar Cover）与盘带进料器分离产生的静电效应很可能使元件被选出前发生偏移。把元件从吸嘴送至电路板对Z轴的运动控制更为敏感。最后，由于更小的元件尺寸可使印刷电路板（PCB）上的间距更小，0201无源元件的贴装精度一定比0402无源元件高一倍。在取料阶段可能出现的错误始于送料器的对准。要把送料器的对准精确度在可接受的0402无源元件水平上提高一倍，所需的设计和材料成本极高。通过采用有限个0201专用的送料器插槽，虽可减少一些额外成本，却有损于工序灵活性。如果配有适当的机载系统，可对送料器的位置变化起到补偿作用。例如，可用一台俯视照相机记录元件在送料器吸口的位置，从而减少元件错选的数量。取料后进行检查，可在X和Y轴的准确运动控制之前，迅速、准确地确定元件的位置和方向。上述每个步骤的准确执行，对确保元件在印刷电路板（PCB）上的位置达到±75mm（Cpk＝1.33）之内的精度，至关重要。这是考虑采用0201贴装技术所需的最低工艺能力。如果不能满足这种精度要求，便根本不可能以可接受的合格率进行0201贴装作业。进一步考虑的因素
在元件被选取、定向并放置于电路板上的指定位置之后，成功的装配则取决于对Z方向速度和贴装力及所敷的焊料量之间的关系的认真管理。 然而，人们对0201接点的理想焊膏用量还没有达成共识。也就是说，切实可行的模块设计规则仍未建立。同时，一些专家主张增加焊膏用量，以提高优质焊接点的概率。实际上，这可能是也可能不是0201无源元件贴装的最佳做法。不过，可以肯定的是，必须对吸嘴偏移限值、Z方向速度和贴装力认真进行管理。超程贴装将产生焊锡污迹，更小的元件间距将加剧形成锡桥的风险，同时也有可能形成锡球。另外，精密的0201无源元件在贴装力过大时容易偏斜或破裂。支持电路板的支架作业稳定性对提高成品率起着关键作用。这与吸嘴吸附电路板的能力同样重要。最后，由于0201无源元件的间距更窄，需要配置新型吸嘴，既能覆盖这些小型元件位置，又能保持与0402元件贴装所用吸嘴相同的强度和寿命。目前，正对新型吸嘴的形状、加工方法和材料进行调研，并且调研重点一直是所有创新吸嘴的生产和安装成本。在送料器和吸嘴设计优化方面，成本一直是决定性因素。0201贴装技术解决方案有人担心，采用0201贴装技术将需要以昂贵的成本更换现有设备。当然，对已超过使用期的设备进行升级，不仅技术上不可能，而且经济上也不可行。但是，值得考虑的是如何使用最先进的设备系统把性能增强到0201水平。例如，可用现有的俯视法对送料器进行对准验证，对标准送料机制的超标偏移量予以补偿。同时，自适应软件算法（Adaptive Software Algorithm）能够纠正检测到的送料器偏移或其他恒定误差。升级的软件也采用学习算法。在检验更小的元件时，此软件能够增强检测结果，包括错误调用率。例如，虽然0201无源元件制造商已经解决了与该技术有关的质量和重复性问题，但装配商仍可期望相邻元件之间存在形式上的差别。除了经常进行供应商评估和货物检测外，贴装设备供应商现在正确定自适应机载检测和识别算法，使设备适应这些微小变化。通过分析俘获的元件图像，设备可评估所选取的元件是否有问题或有缺陷。学习算法能够防止元件被不必要拒绝，因设备再选取一个新元件，而降低产量。否则，如果用有缺陷或未对准的元件进行贴装，会对生产力造成更大的损害。不可避免的是，一些现有的硬件子系统将不得不改变。要充分检测和检验0201无源元件，必须采用功能更强的光学设备。这种光学设备内置放大率更高的镜头。由于0201元件尺寸约减少一半，所以其放大率应提高一倍，以实现与0402检测相同的性能。最后，贴装机的运动控制系统必须予以增强，以迅速、一贯地实现所需的精确性和重复性。例如，通过线性电机驱动和绝对定位编码器，丝网印刷机等其他平台可取得Cpk 1.66以上的晶圆级精确度。在取料和贴装方面采用这些技术是相对较小的举措，并且这些技术将被更多地应用在新设备上，以满足0201无源元件贴装装配要求。元件切换点，即吸嘴把元件贴装在电路板上并缩回的点，是设备设计人员大量分析的主题。优化吸嘴偏移速度和元件贴装力是避免形成锡桥、锡球、元件翘起和损害贴装元件的关键所在。Z轴闭环控制将成为标准做法，并因此不再被视为先进功能。贴装技能、速度和成本
目前，很难编制有代表性的数据，以说明0201工艺贴装设备的操作方式。一方面，操作人员的技能水平仍未稳定。这使设备供应商更加难以在技术和工具发展和下一代平台之间实现成本高效的平衡。同时，应用工程师和工艺工程师也难以开发节省成本并可靠耐用的工艺，以充分利用现有的功能。在电路板设计、地面特征以及焊膏性质和理想用量方面的变化还有待裁决。设备供应商和装配商仍在建立这方面的数据。这些参数中每个参数的变化都可能影响新型贴装设备的设计和特性。原因是，资本设备供应商主要向市场提供具有有效和重复性0201贴装性能的成本最低的解决方案。 另外，虽然重点是贴装精确性和重复性，但这必须以现实的速度实现。每个电路板上需贴装数以百计或千计的0201无源元件。所以，0201无源元件是与BGA或QFA显著不同且更加严峻的挑战，因为每个电路板上一般只贴装几个BGA或QFA元件。0201无源元件必须以芯片贴装机的速度贴装，并且每个元件的贴装速度放慢的累计效果会更大。因此，这种加工POB（Power On-Board）贴装设备可能将被升级，以执行更复杂的自适性算法，而毋需延长周期时间。然而，基本空气动力学特征是不可避免的限制因素。0201无源元件尺寸更小，在快速运动的吸嘴上位移的可能性较大。因此，在X、Y和Z轴上出现一些减速可能是不可避免的。
结论要实现可靠耐用的高速0201贴装工艺，需要新的贴装技术和性能。通过改造陈旧的平台来运行这种工艺的方法是不可行的。虽然运动控制、设备图像、送料器设计和贴装机的基本方面将在不断发展中发生显著变化，但过渡性设备很可能会尽可能采用现有系统，通过贴装供应商产品目录中的现有平台，增强元件验证和对准性能，从而实现0201贴装技术。为了适应更小的元件间距，吸嘴也必须改变。同时，吸嘴速度和贴装力可能也会下降。如何在0201时代以最佳方式增强贴装性能这个问题的永恒背景是，高性能吸嘴材料成本、新软件技术和支持该技术的额外处理能力、高度精密送料器设计和制造以及高端线性驱动，将显著影响贴装成本。在0201无源元件贴装工艺能否达到0402无源元件贴装工艺的速度、成品率和单位成本方面，操作人员的技术水平也起着重要的决定性作用。有鉴于此，装配商和供应商需要相互合作，通过下一代贴装平台，鉴别并迈向通往高速0201装配技术的最佳成本之路。
环球仪器简介：
环球仪器公司是环球仪器公司是全球首屈一指的电子生产力专家，专门为各大电子行业制造商提供创新的电路和半导体组装技术和设备、综合系统解决方案和工艺专业。
自1994年分别在香港和北京设立办事处起，环球仪器在中国的业务稳步增长，到目前为止环球仪器是唯一一家直接在中国投资生产表面贴装设备的厂商，中国市场已占环球仪器全球业务量的近一半之多。为更好服务其在中国、亚洲的众多客户，环球仪器于2002年相继在深圳—蛇口和苏州，投资建立了亚洲制造基地和科技创新中心，其中蛇口基地于2004年通过ISO9000认证。2004年末在《中国电子报》举办的评选活动中，环球仪器当选为“20年·中国信息产业最具影响力企业”之一，更加印证了公司为中国电子产业的蓬勃发展所做出的积极贡献。
环球仪器公司总部设于美国纽约州宾厄姆顿（Binghamton），是多福集团（Dover Corporation）的附属机构。 |
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