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| 0201元件的批量回流组装技术 |
| 新闻出处：电子生产设备资讯网
发布时间： 2007-11-15 |
本文主要研究与0201元件批量组装有关的一些问题。焊盘设计、网板设计、元件间距、元件方向、助焊剂类型，以及回流焊接环境是主要的参数。试验中主要关注的是成品率和组装质量。立碑、桥接和锡珠等缺陷，被用来决定组装成品率；焊点外形、焊接外观和焊点的焊锡量（少锡、可接受或多锡）等参数，被用来决定组装的质量。试验发现，助焊剂类型和回流焊接环境两者的组合，对确组装缺陷数值有很大的影响。用免洗焊膏在空气中回流焊接的线路板显示出最高的成品率，以及最大的焊盘尺寸容差。相反，采用免洗焊膏在氮气环境 中进行回流焊接，产生最大数量的组装缺陷，并对焊盘尺寸的变化非常敏感。
引言
随着SMT的进一步发展，主动和被动元件尺寸的减小，以及PCB技术的改进，业界正在生产着更小、更轻和性能更高的终端产品。深入的研发继续在降低主动组件和被动元件的尺寸，使设计人员能够用更少的线路板面积来完成元器件的布局。
0201元件约为0402元件尺寸的四分之一，有可能会降低组装工艺的稳定性。本文介绍了一项正在进行之中的，为确定组装和PCB设计参数对0201元件批量回流组装成品率影响的研究的情况。
对27种不同的连接焊盘（3个等级的不同间距焊盘，焊盘宽度和焊盘长度因子）的一个全因子实验设计 (full factorial experimental design)，被
用来确定最适合的连接焊盘设计参数。5种不同的网板开孔设计已经在每种连接焊盘设计时进行过试验。免洗和水溶性助焊剂的化学性质在空气和氮气回流焊接环境中也进行了试验。元件在0度和90度方向的放置进行了4个不同等级的试验。网板厚度、网板制作、焊盘表面处理、阻焊膜类型、网板印刷工艺设置、温度曲线、回流系统和元件贴装系统等参数在本研究项目中是固定不变的。
试验材料和组装设备
为研究中使用的一块带有0201和0402元件的单面试验板，宽7.5”，长12.5”，厚0.062”。焊盘表面处理采用的是 EntekP l u s（O S P）；所有的走线和连接焊盘使用了半盎司的铜；阻焊膜为TaiyoPRS4000。
每个焊盘设计为在每一排内重复120次。根据表1中的焊盘尺寸，每排均被指定一个由3个字母组成的代码。一个0201焊盘设计的例子就是ADG（焊盘宽A = 0.012”，长 D = 0.008”，间距G = 0.009”)。对4种不同的元件间距：0.008”、 0.012”、0.016”和 0.020”进行测试。把一种既定焊盘设计的 30 个元件作为一个测试单元；所有焊盘的连线均由焊盘的顶端连出，仅能让元件边到边（而不是从一个元件顶端到另一个元件顶端）之间来进行元件间距的测试。试验板是为了元件可以从0度到90度方向布置而设计的，一块全部贴满的试验板共有12,960个元件。表1列出了0201焊盘所有3个等级的尺寸。图2显示0201焊盘的尺寸图例。
在试验中，使用0.005”厚的不锈钢激光切割网板进行所有的焊膏印制。所有网板均未用微蚀刻或表面电镀处理。作为0.004”和0.006”厚网板的折衷，选择了0.005”的厚度。较薄的0.004”网板可以提供更好的焊膏脱模量，但对其他SMC应用不具有典型意义。0.006”厚度的网板未被考虑，因为它将对0201元件产生不可接受的焊膏转印量。
金属网板是安装在29”× 29”的网框中。为本项目制作了两块网板，网板1是为第1个试验设计的(筛选用)。对每种焊盘设计，有5种不同的孔径来做测试。网板2 是根据网板 1 的测试结果来设计的，其中，对于一种既定焊盘，只用一个网板孔径的尺寸。表2中包含了网板2 的网板孔径尺寸和位置。图3表明了所使用相对于元件中心的3种不同类型的网孔位置。
本项目选择了一种免洗和一种水溶性焊膏，两种焊膏均有9 0％固体和使用IV号焊粉，并采用两种最常用的助焊剂，粘度约为 900KCPS。由两家不同的焊膏供应商提供。
所有的焊膏印刷均采用一台 DEK 265GSX焊膏印刷机，焊膏印刷均采用以下工艺参数：
1. 印刷速度 = 1.0 英寸/秒
2. 刮刀类型 = 金属刀片 (自动转换)
3. 刮刀角度 = 60度
4. 刮刀压力 = 2.3 磅/每英寸
5. 印刷间距 = 0 (接触式印刷)
6. 分离速度 = 0.02 英寸/秒
本项目的所有元件贴装均在环球仪器(Universal)4796R HSP上进行。这台机器配有0201功能的选项，包括吸嘴、元件照相机和供料器。所有的元件均用料带供料。两个基准点用来做基板的定位。
所有的回流焊接均在一台 Heller 1800W 强制对流炉内进行。该系统有8个加热区和1个冷却区，炉中的氧气含量小于50ppm。图4是本项目中对所有线路板组装进行回流焊接时的温度曲线。
组装缺陷检测是通过一台半自动光学检测系统进行的。所有的缺陷均采用手工记录，并通过目检进行复查。
结果
本项目通过两个试验来进行。第1个试验，即过滤试验，是基于执行4种不同的工艺的结果。这4种工艺是使用免洗和水溶性焊膏在空气和氮气回流环境中进行。对每一种工艺都组装6个全部装满的线路板，所贴装的元件共计有311,040个。对每个焊盘尺寸，5种不同网板孔径尺寸／位置都进行了测试。
第2个也就是最后一个试验是基于仅使用这4种工艺中的3种。在氮气环境中水溶性焊膏的回流试验没有进行。因为在一般情况下，水溶性助焊剂的化学性质和氮气回流环境的组合是不被采用的。对每种焊盘设计只使用一种网板开孔，表2包含这些网板孔径设计，根据试验1的组装成品率和组装质量来选择。在本试验中，所有最大的焊盘间距 ( I =0.015”)均不被采用，这样，就把焊盘的总数由27种减少至18种。试验1 的数据表明，最大间距 ( I=0.015”)比小的间距产生更多的立碑。每种工艺共组装50块板，元件总数共计1,116,000个。
说明了这3种不同工艺的组装成品率。免洗焊膏在空气中回流所产生的组装缺陷最少，为66个；水溶性焊膏在空气中回流所产生的缺陷次少，为1,499个；免洗焊膏在氮气中回流产生的缺陷最多，共计5,665个。图5说明，在使用氮气回流焊接和助焊剂活性（水溶性焊膏）增加时，组装缺陷会增加。
说明这3种不同的组装工艺中缺陷的分布情况。立碑和桥接是两种主要缺陷。水溶性焊膏在空气中回流所产生的桥接比例最低，为7.0%；其次是免洗焊膏在氮气中回流，桥接比例为15.0%；免洗焊膏在空气中回流产生的桥接比例最高，为21.0%。
说明这3种不同的组装工艺中桥接与间距之间的关系。在间距为0.012”或更大时，没有桥接的记录。图7也说明了免洗焊膏在空气中回流产生的桥接数量最少，共计14个；水溶性焊膏在空气中回流产生的桥接次少，共计99个；免洗焊膏在氮气中回流产生的桥接最多，为866个。对免洗焊膏和水溶性焊膏在空气中回流，间距为0.008”时，在18种焊盘设计中，分别有12种和10种没有产生桥接。对免洗焊膏在氮气中回流，在间距为0.008”时，在18种焊盘中有6种没有产生桥接。
焊盘设计AEG（L = 0.012”、W = 0.012”、S =0.009”） 包括所印焊膏之间0.016” 的最大间距，产生的锡珠数量最少；锡珠随着间距的增加而减少。当间距增加时，在元件放置时造成的焊膏偏移量会较少。通过分析成对样品来决定元件方向（0度和90度）是否显著影响到组装的成品率。0度方向是元件两端均同时通过 炉子（与热源平行）来表示。90度方向由元件一端比另一端 先通过炉子来表示。所验证的假设为：
虚拟假设：Z = 0：在0度和90度方向之间的组装缺陷数在统计意义上没有明显的差别。
另外假设：Z ≠ 0：在0度和90度方向之间的组装缺陷数在统计意义上有明显的差别。
所用的试验 ‘t’1： t = (√n x u)/s 免洗焊膏在空气中回流时，p 值是0.5765。鉴于 p 值很高，我们不能否决虚拟假设；因此元件的方向对组装成品率并没有明显的影响。免洗助焊剂的低活性和在空气中回流时并不增加立碑的风险。水溶性焊膏在空气中回流的 p 值为0.001959。鉴于 p 值很低，虚拟假设被否决。与免洗焊膏相比，对于90度方向的元件而言，水溶性焊膏中的助焊剂活性的增加造成了立碑显著增加。免洗焊膏在氮气中回流的 p 值为0.000002。鉴于 p 值很低，虚拟假设再次被否决。使用氮气增加了元件在90度方向的立碑数目。绝大多数开焊出现在图8说明免洗焊膏在空气中回流时基于焊盘设计的组装缺陷。
18种焊盘中有7种 (BDH, BEG, BFG, BFH, CDH, CEH &CFH)没有产生任何缺陷。根据焊膏印刷的难度、焊盘形状和尺寸， BEG和CEH被看好。最小的焊盘需要较小的网孔，这会比大的网孔更易堵塞。0.004”厚的网板会降低堵塞，但对其他需要更多焊膏量的SMD可能会造成焊膏印刷不足。在最小的焊盘上所形成的焊点边角形状没能产生出想要的凹形状的边角。最大的焊盘有利于从网孔中释放焊膏，并产生可接受的焊膏图形。但较大的焊盘需要更大的PCB空间。较晚回流的元件末端。
说明免洗焊膏在空气中回流时基于焊盘设计的组装缺陷。
18种焊盘中有7种 (BDH, BEG, BFG, BFH, CDH, CEH & CFH)没有产生任何缺陷。根据焊膏印刷的难度、焊盘形状和 尺寸， BEG和CEH被看好。最小的焊盘需要较小的网孔，这会比大的网孔更易堵塞。0.004”厚的网板会降低堵塞，但对其他需要更多焊膏量的SMD可能会造成焊膏印刷不足。在最小的焊盘上所形成的焊点边角形状没能产生出想要的凹形状的边角。最大的焊盘有利于从网孔中释放焊膏，并产生可接受的焊膏图形。但较大的焊盘需要更大的PCB空间。
说明水溶性焊膏在空气中回流时基于焊盘设计的组装缺陷。在考虑两个元件方向时，水溶性焊膏在空气中回流在所有的焊盘组合时均产生缺陷。CEG产生的最少。焊盘CDH在0度方向未产生任何缺陷，但是在90度方向却产生了比较多的缺陷。CEG产生好的焊点形状，同时并没有像较大的焊盘设计所占那么多的PCB空间。在网孔中的焊膏堵塞上，对这种焊盘设计并不构成任何问题。
说明免洗焊膏在氮气中回流基于焊盘设计的组装缺陷。当考虑两种元件方向时，免洗焊膏在氮气中回流对所有的焊盘组合上均产生了缺陷。CEG所产生的缺陷最少。CEG也表现出好的焊点形状，并且没有较大的焊盘设计所占的PCB空间大。在网孔中的焊膏堵塞对这种焊盘设计不构成任何问题。
说明按照焊盘宽度和组装工艺类型追踪的焊点缺陷数。这些数据是在保持相应的焊盘长度和间距参数不变时，在所有试验水平上改变焊点宽度的情况下，根据每一种组装工艺类型的最佳焊盘设计生成的。一般来讲，对这三种组装工艺类型的趋势是随着焊盘宽度的增加，成品率提高。同样，在所有的组装工艺类型中，缺陷水平对0.012”和0.015”之间的焊盘宽度更敏感。对于水溶型焊膏在空气中回流和免洗焊膏在氮气中回流时，在0.018”的最大焊盘宽度水平能够取得最少数目的缺陷。对于免洗焊膏在空气中回流工艺，这种趋势稍有变化。在这种情况下，最佳成品率实际上是在0.015”的中间焊盘宽度水平上产生的。然而，由于在这种组装工艺类型组装的线路板上发现有限数量的缺陷，因此，在0.015”和0.018”的焊盘之间的缺陷水平差别
不具有统计意义。在根据组装工艺类型鉴别趋势时，免洗焊膏在空气中回流所产生的成品率对焊盘宽度最不敏感；然而，免洗焊膏在氮气中回流时，成品率对焊盘宽度变化是最敏感的。
显示按照焊盘长度和组装工艺类型发生的缺陷数。与上一个图相似，这些数据是在保持相应的焊盘宽度和间距参数不变时，在所有试验水平上改变焊盘长度的情况下，根据每一种组装工艺类型的最佳焊盘设计生成的。图中描绘的结果说明，对这3种组装工艺类型，最佳的焊盘长度是中间水平的0.012”。一般而言，对成品率的最大影响发生在短和中间焊盘长度的0.008” 和 0.012”之间。很明显，免洗焊膏在氮气中回流时，对缺陷数最敏感，它比任何其他组装工艺类型都更加明显地对焊盘长度有依赖性。焊盘长度为0.012”和 0.016”，免洗焊膏在空气中回流时，任何一块线路板上均未观察到缺陷。
说明缺陷、焊盘间距和组装工艺类型之间的关系。这些数据也是在保持相应的焊盘宽度和长度参数不变时在所有试验水平上改变焊盘间距的情况下，根据每一种组装工艺类型的最佳焊盘设计生成的。这3种组装工艺类型均得出相似的缺陷趋势，更多的缺陷发生在焊盘间距为0.012”的间距水平。免洗焊膏在氮气中回流的组合构成成品率对焊盘间距变化最敏感的组装工艺类型。免洗焊膏在空气中回流是最不易由于焊盘间距变化而产生缺陷的组装工艺。
在试验的3种组装工艺中，立碑和桥接在免洗焊膏于空气中回流时产生得最少。免洗焊膏在空气中回流也产生了最多的无组装缺陷的焊盘设计。另外，这种组装工艺类型证明（本项目所研究的3种工艺当中）各种焊盘设计对缺陷的影响最不敏感的一种工艺。水溶性焊膏在空气中回流产生的组装缺陷次少，
其后是免洗焊膏在氮气中回流。使用低氧水平（小于50ppm）和比较高活性的助焊剂将降低组装的良率和稳定性。较大的间距可能会减少水溶性焊膏在空气中回流和免洗焊膏在氮气中回流的组装缺陷数。在氮气回流中有较高的氧含量很可能也会减少组装缺陷。使用氮气可增加焊料润湿能力并减少润湿时间。
侧面间距对于所有3种工艺都可以达成无桥接现象。在回流时使用氮气和水溶性焊膏会增加桥接数。小焊盘尺寸也比大的焊盘尺寸更易产生桥接。最小的焊盘宽度和最小的长度组合会增加桥接的概率。将来的研究将试验0.008”以下的元件间距，以确定元件之间的绝对最小间距。焊珠可通过减少在元件两端下面所印刷的焊膏量予以减少或消除。应当注意的是，随着印刷焊膏间距的增加，立碑数也在增加。在网板设计时，孔径之间的距离最大应在0.010” 和 0.012”之间。由于0201元件的焊盘小，所以未对“Home plate”和“V型槽”进行试验。
元件方向对免洗焊膏在空气中回流并不重要。元件方向对水溶性焊膏在空气中回流以及对免洗焊膏在氮气中回流均具有统计上的重要性。与免洗焊膏和／或在回流中降低氧的含量相比，水溶性焊膏助焊剂具有较强的活性，这增加了熔融态焊膏的润湿力。90度方向的元件（一端比另一端先抵达回流区）在经受更高的润湿力和降低的润湿时间时更加可能产生立碑现象。
在所试验的免洗焊膏在空气中回流的18种焊盘设计中，有7种设计没有产生任何组装缺陷。根据焊盘尺寸、焊点质量和焊膏印刷难易程度，BEG为最佳选择。BEG设计也采用了焊盘之间的最小间距。CEH设计中的焊盘之间较大的间距是该设计名列第二的原因。从其他两种工艺中优选的焊盘设计也具有焊盘之间0.009”的较小间距。与其他两种工艺相比，免洗焊膏在空气中回流是一个更加稳健的工艺。可供其他两种工艺选择的可接受的焊盘设计很少。对水洗型焊膏在空气中回流和免洗焊膏在氮气中回流，CEG产生了最佳的组装成品率。BEG和CEG设计中的唯一的区别是0.003”的焊盘宽度差别。增加焊盘的宽度并减少焊盘之间的间距可降低所需放置元件位置的精确性，并提高自对中效应。对水溶性焊膏在空气中回流和免洗焊膏在氮气中回流，BEG在组装成品率方面名列第三。对免洗焊膏在氮气中回流，所有的焊盘设计均产生了不能接受的组装成品率的结果。当水洗型焊膏在空气中回流，应考虑两个元件方向时，所有的焊盘设计也产生了不可接受的成品率的结果。 |
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