0201元件贴片工艺技术培训课件.docx

1、0201元件贴片工艺技术培训课件 0201装配，从难关到常规贴装 虽然通常认为是相当近期的一项发展，印刷电路板(PCB, printed circuit board)自从五十年代早期就已经有了。从那时起，对越来越小、越来越轻和越来越快速的电子产品的需求就一直推动着电子元件、PCB和装配设备技术朝着SMT的方向发展。对SMT最早的普遍接受是发生在八十年代早期，那时诸如Dynapert MPS-500和FUJI CP-2这些机器进入市场。在那时，1206(3216)电阻与电容是最流行的贴装元件。可是在一两年内，1206即让路给0805(2125)作为SMT贴装的最普遍的元件包装。在这个期间，机器与

2、元件两者都迅速进化。在机器变得更快更灵活的同时，0603 (1608) 元件开始发展。在这时，许多装配机器制造商走回研究开放(R&D, research and development)实验室，重新评估用于接纳这些更新、更小元件的设备中的技术。更高分辨率的相机与更小的真空吸嘴就在这些元件带给装配设备的变化之中。0402(1608)包装的出现在PCB装配的各方面都产生了进一步的挑战。在机器发展方面，真空吸嘴变得更小和更脆弱。新的重点放在元件的送料器(feeder)上面，它作为需要改进的一个单元，为机器更准确地送出零件。随着0402元件的出现，工艺挑战又增加到那些需要为成功的元件贴装而探讨的问题之

3、中。锡膏(solder paste)印刷变得更加关键 - 模板(stencil)厚度与锡膏网孔是越来越重要的工艺考虑因素。这种贴装所需要的技术也涉及重要的新成本。这些因素的结合造成在电子工业历史中最慢采用的一种新包装形式。总计，几乎将近五年时间，0402包装才在工业中达到广泛的接受 - 并且在今天还有许多装配工厂从来不贴装一颗0402片状。现在，进入了0201。在过去一年半时间里，0201贴装已经是整个工业内讨论的一个关键主题。由于尺寸、重量和功率消耗的需求，许多OEM电路板装配商需要将甚至更小的元件和技术结合到其产品中去。合约制造商(CM, contract manufacturer)也必须

4、具备新的技术，以保持装配工艺最新和为客户提供完整的服务范围。对于机器制造商，其挑战是开发在一个动态的技术变化的时代中更加抵抗陈旧过时的装配设备。0201贴装的挑战0201元件的贴装比其前面的元件介入更具挑战性。主要原因是0201包装大约为相应的0402尺寸的三分之一。原先可以接受的机器贴装精度马上变成引进0201的一个局限因素。另外，传统的工业带包装(taping)规格对于可靠的0201贴装允许太多的移动，而工艺控制水平也必须提高，以使得0201贴装成为生产现实。虽然这些障碍非常大，但它们远不是不可克服的。当然，它们需要全体的决心，因为对0201贴装所必须的技术获得要求大量的资金和最高管理层对

5、研究开发(R&D)的许诺。可靠的0201贴装的关键在FUJI，进取的R&D计划已经产生了使所有的电路装配机器以100%速度兼容0201的能力，最低的吸取可靠性为99.90%，目标的吸取可靠性为99.95%，和最低的贴装可靠性为99.99%。在一开始，设计的每个方面都得到评估其对一个完整的0201方案的能力，还有紧密相关的机器元件参数的单一元素的结合证明对达到成功是关键的。这些参数包括： 元件送料器工作台。R&D计划得出结论，精密定位料车(carriage)工作台的能力 - 和作出极小的调整来补偿料带 (tape) 的不精确 - 是达到元件吸取可靠性高于99.95%的关键因素。为了达到这个，送料

6、器(feeder)工作台必须精密加工，以保证单个送料器的可重复定位，并且使用双轨线性移动导轨与一个高分辨率半封闭循环的伺服系统相结合。该设计允许作出很小的调节 - 基于由视觉系统判断的吸取精度结果。这保证元件尽可能地靠近中心吸取。 元件送料器。送料器必须制造达到极紧的公差，以保证吸取位置维持可重复性，不管元件高度和大量的可能元件位置的变化。用于定位和将送料器锁定在位置上的机构必须耐用和精密，还要保持用户友好。另外，用于制造送料器的材料必须强度高、重量轻，以允许人机工程上的操作，同时保证元件料带(carrier tape)的精密、可重复的送出。 送料器驱动链轮。驱动链轮在机器定位元件料带的能力中

7、起关键作用。驱动链轮轮齿的形状、锥度和长度重大地影响送料器定位料带的能力。其它因素也作了调查研究，比如驱动链轮的直径和料带与链轮接触的数量等。对基本的链轮设计所作的改变得到定位精度的改进，比较早的设计在X方向提高20%，Y方向提高50%。 吸取头。在适当地进给元件之后，下一步是将元件吸取在真空吸嘴上，并把它带到电路板上。真空吸嘴(nozzle)需要顺应以吸收在吸取与贴装元件期间的冲击，补偿锡膏高度上的微小变化，并且减少元件破裂的危险。为了这些原因，吸嘴必须能够在其夹具内移动。材料选择、材料硬度、加工公差和热特性都必须理解，以构造一个可靠的吸取头。吸嘴必须在其夹具(holder)内自由移动，而不

8、牺牲精度(图一)。 吸嘴轴装配。吸嘴轴(nozzle shaft)也是一个关键的设计元素 - 通过保持整个吸嘴与轴装配直接对中，消除了过压(overdrive)现象。过压是由于当贴装头上下运动是所产生的惯性造成的。如果吸嘴和轴不在一条直线，就产生一点抖动(whip) - 或过压。过压造成定位精度的变化，它决定于运动速度、吸嘴重量和元件重量。通过消除过压，直接对中减少与元件吸取和贴装有关的负面因素的数量(图二)。 吸嘴设计。吸嘴设计上的变化对于允许接纳0201元件是一个很重要的因素。为了吸取 0.6x0.3 mm 的元件，吸嘴必须有不大于 0.40mm 的外径。这样形成一个长而细的吸嘴轴，弯曲脆

9、弱但还必须保持精度以维持吸取的高可靠性。从直线轴到锥形设计的改变增加吸嘴强度，并允许吸嘴抵抗弯曲(图三)。 基体结构。所有机械在运行期间都产生振动。基体框架设计是减少产生振动和谐波共振的速度与运动效应的关键第一步。通过使用铸铁基础框架和艺术级结构技术，振动与谐波共振可在机器内减少到可控制水平，这样，负面影响可以应付。达到标准通过所有六个关键因素，可靠的0201贴装的障碍已经消除。因此，R&D的焦点已经转向更新、更小的元件，0201不再认为是前缘的元件包装技术。对于0201元件贴装，现在接受的工艺窗口是在3 时大约75m 的X 和75m 的Y。为了达到 6 的贴装可靠性，X与Y的公差必须减少到5

10、0m。最新的高速贴装设备具有66m的等级，实际标准偏差大约为3545m。随着0201元件变得更加广泛地使用和制造工艺变紧，可达到提高的准确性。供应商之间的元件尺寸差别对0201进料和贴装都产生挑战。散装进料(bulk feeding)正在开放之中，应该在2001年可以得到。虽然机器现在具备这个能力，但只有一小部分使用者将准备在未来1224个月内迈出使用0201贴装的步伐。这类似于球栅阵列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入，在装配这个环境里，机器的能力超前于工艺状态。前面的挑战虽然0201元件的贴装现在是新贴装设备的一个标准特性，还需要作另外的工作来改进终端用户的整

11、体工艺。在机器制造商、元件供应商、电路板制造商、模板工厂和锡膏制造商之间的关系需要加强，以形成一个更加无缝的(seamless)开发过程。最终结果将是对该工艺的统一的理解，以及将使最终用户受益的更好的工作关系，特别是通过使新的生产技术更快和更有效的结合。如何准确地贴装0201元件 本文介绍，更小的元件与更窄的间距为电路板装配提出了新的挑战。理解这些贴装问题可以使产品更快地推出市场，并减少缺陷。业界所面临的现实是零件变得越来越小。例如，0201片状电容比0402小75%，在电路板上所占的面积少66%，这些元件在本十年的早期将出现在一些通用的印刷电路板上，而甚至更小的01005片状元件到2005年

12、将在空间更珍贵的模块电路板上看到。因为对于许多新的产品板的空间是如此珍贵，尽管更小的元件成本更高，但还是会得到甚至更广泛的使用。这种新的小型化要求贴装精度提高但又不降低速度。确认所面临的挑战小的元件提出了许多问题。更高的密度 - 这是困扰较小元件的主要原因 - 使得贴装任务的难度大了一个数量级。例如，0201元件通常要求较小的焊盘尺寸来防止焊锡污迹，和接纳无焊脚焊接。还有，更小的焊盘意味着更窄的元件间距。虽然这些允许设计者取得高度功能化与紧凑的产品所需要的更高密度，但也使情况复杂化。对于密度高的PCB，贴装精度直接影响回流焊接后的装配缺陷数量，例如，贴装偏移会增加锡桥、锡珠、元件竖立和元件不对

13、准焊盘的机会。因此，我们需要什么呢？现在，现实的生产目标是达到99.9%的吸取率，同时3的贴装精度为60m。为了达到这个目标，机器精度变成首要问题。例如，摩托罗拉的试验表明，在贴装偏移中小到0.025mm的变化都可能重大地影响缺陷水平。对于标准的焊盘(用十万个元件进行试验)，y0.075mm, x0.075mm的贴装偏移对缺陷的影响类似于没有偏移。可是，当偏移增加到0.1mm时，缺陷水平上升到超过5000ppm。虽然这个绝对距离意味着很小，但是研究表明该工艺留下很少犯错的余地。还有，贴装操作涉及的不止其本身。它包括吸取的可靠性、准确的元件视觉识别和贴装的可重复性。事实上，试验表明0201元件要

14、求99%的吸取可靠性。吸取位置公差为了保持生产系统的连贯性，吸嘴必须能够在所有三个方向上移动，即沿X,Y和Z轴移动 - 这一点是重要的，因为在所有生产机器上Y轴的控制是没有的。可是，为了保持贴装精度在公差之内，Y方向的控制对于将元件对中在吸嘴上是必要的(图一)。自然地，这个对中对于0201比对其他零件具有更紧的公差。图一、Y方向是0201元件贴装的唯一最重要的轴向纠正由于在三个轴上的闭环实时反馈，对送料器校准的需要实际上消除了。没有三个轴上的实时闭环反馈，送料器的校准是关键的。研究表明，在Y方向0.07mm的精度对于确保成功的0201贴装是必要的。还有，成功的贴装要求在X方向0.1mm的公差，

15、在Z方向0.1mm，以达到0.2mm的目标值。纠正吸嘴X/Y轴的运动是保证稳定和持续的元件吸取的关键。在锡膏上的运动另一个贴装问题是在某些条件下，0201不会停留在其贴装的位置。考虑这样一种情况，试验将0201电容贴装在印刷锡膏和助焊剂的PCB上，希望得到0.05mm的受控行程和0.15mm的元件间距。试验已经显示，对于Y方向3的贴装精度，板上小于0.05mm超程的元件有时将会向短边方向滑行超过60m。会发生什么呢？有趣的是进一步调查显示当元件只是贴装在助焊剂上时，元件不会发生由于超程的滑移，但是在锡膏上时会发生。结论：问题在于锡膏的颗粒直径。为了补偿Z轴纠正，机器必须具有实时的反馈机构，测量每个元件的厚度。当颗粒大小大于20m时，元件偏斜就有可能，因为颗粒在焊盘上分布不均。因为元件贴装时间是几毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或运动。这就是为什么热风焊锡均涂(HASL)的板不适合于0201贴装，这与0402许可HASL形成对照。图二、当元件超程冲击焊锡颗粒时，反作用力改变吸嘴的轴向并产生一个水平的力，产生元件的偏移因此，超程降低贴装精度。它也可能增加高密度贴装的锡桥，因为当使用无焊脚焊盘时，元件会将锡膏从零件下挤出(图二)。因此，可以将超程定义为使得元件和PCB之间的间隙小于焊锡颗粒大小，即，贴装系统必须控制该间隙，将它保持在4