高效率的0201工藝特征

1、高效率的0201工藝特征最近的研究找到了影響0201元件裝配工藝缺陷數(shù)量的變量 。雖然目前大多數(shù)公司還 沒有達到0201這一工藝水平，但是本文所使用的研究方法和得到的研究結(jié)果值得我們學(xué) 習(xí)和借鑒，以便更好地做好我們的 1206、0805、0603、0402在過去幾年中，消費品電子工業(yè)已經(jīng)明顯地出現(xiàn)迅猛的增長，這是因為越來越多的 人佩帶手機、傳呼機和個人電子輔助用品。有趨勢顯示，每年所貼裝的無源元件的數(shù)量 在迅速增加，而兀件尺寸在穩(wěn)步地減小。將產(chǎn)品變得越來越小、越快和越便宜的需求， 推動著對提高小型化技術(shù)研究的永無止境的需求。大多數(shù)消費品電子制造商正在將0201元件使用到其最新的設(shè)計中去，在不久

2、的將來，其它工業(yè)也將采取這一技術(shù)。因此，將超小型無源元件的裝配與工藝特征化是理所當(dāng)然的。我們需要研究來定義 焊盤的設(shè)計和印刷、貼裝與回流工藝窗口，以滿足取得0201無源元件的較高第一次通過合格率和較高產(chǎn)出的需求。最近進行了一個0201元件的高速裝配研究，對每一個工藝步驟進行了調(diào)查研究。研究的目標(biāo)是要為高速的0201裝配開發(fā)一個初始的工藝特征，特別是工藝限制與變量。試驗的準(zhǔn)備對應(yīng)于錫膏印刷、元件貼裝和回流焊接，進行了三套主要的試驗。為了理解每個工 藝步驟最整個0201裝配工藝的影響，我們進行檢查了每個工藝步驟。在工藝順序方面, 只改變研究下的工藝步驟的變量，而其它工藝參數(shù)保持不變。我們設(shè)計了一個

3、試驗載體 （圖一），提供如下數(shù)據(jù)：圖一、試驗載體?0201到0201的間距：焊盤邊沿到邊沿的距離按 4, 5, 6, 8, 10 和12 mil（千分之一英寸）變化?焊盤尺寸的影響，標(biāo)稱焊盤尺寸為12x13mil的矩形焊盤、中心到中心間距為22mil。標(biāo)稱焊盤變化為土 10% 20%5 30%? 元件方向，在單元A、B C和D中，研究的元件方向為0°和90°。E和F單元研 究±45°角度對0201工藝的影響。? 單元1至6研究0201與其它無源元件包括 0402、0603、0805和1206之間的相互 影響。這些分塊用來決定0201元件對其它較大的無源元

4、件的大致影響，它可影響 印刷、貼裝和回流焊接(散熱)。這里，焊盤對焊盤間距為本4、5、6、8、10和12mil。 另外，0201焊盤尺寸在這六個單元上變化。測試載體含有 6,552 個 0201、420 個 0402、252 個 0603、252 個 0805、252 個 1206, 總共7,728個無源元件?；迨菢?biāo)準(zhǔn)的FR-4環(huán)氧樹脂板，厚度1.57mm跡線的金屬噴鍍 由銅、無電解鎳和浸金所組成。所有測試板使用相同的裝配設(shè)備裝配：一部模板印刷機、 一部高速元件貼裝機、和一臺七溫區(qū)對流回流焊接爐。模板印刷試驗為了表現(xiàn)對0201無源元件印刷的特征，我們使用了一個試驗設(shè)計方法(DOE, desi

5、gnfor experiment)，試驗了印刷工藝的幾個變量：錫膏的目數(shù)、刮刀的類型、模板的分開 速度、和印刷之間模板上錫膏滯留時間。這個DOE是設(shè)計用來決定是否這些因素會影響0201裝配的印刷工藝。度量標(biāo)準(zhǔn)是印刷缺陷的數(shù)量和錫膏厚度的測量。結(jié)果是基于95%的可信度區(qū)間，從統(tǒng)計分析上決定重要因素。印刷缺陷定義為在印刷后沒有任何錫膏的 空焊盤以及錫橋。對于這個印刷試驗，模板厚度為 125微米，100%勺開孔率，商業(yè)使用的免洗錫膏。 印刷機的設(shè)定是基于錫膏制造商的推薦值，在推薦范圍的中間。模板印刷的試驗結(jié)果表一列出只檢查印刷影響的試驗。使用了三個度量標(biāo)準(zhǔn)來評估每個試驗條件。第一個度量標(biāo)準(zhǔn)是平均錫膏

6、印刷高度。使用一部激光輪廓測定儀從四個象限測量16個數(shù)據(jù)。表一、第一個模板印刷試驗的試驗設(shè)計試驗編號錫膏類型刮刀類型錫膏滯留時間(分鐘)分開速度(cm/s)1III金屬0.50.052III金屬100.133III聚合物0.50.054III聚合物100.135IV金屬100.056IV金屬0.50.137IV聚合物0.50.058IV聚合物100.13錫膏厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差用作第二個度量標(biāo)準(zhǔn)。圖二顯示來自八個試驗的平均高度和高 度標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖二、從第一次模板印刷試驗得到的印刷高度結(jié)果第三個度量標(biāo)準(zhǔn)是缺陷總數(shù)。用光學(xué)檢查單元1-6和A-D的選擇部分，記錄缺陷數(shù)量。含有錫橋的焊盤和沒有錫膏的焊盤被認(rèn)

7、為是缺陷（圖三）。圖三、從第一次模板印刷試驗得到的缺陷結(jié)果基于這些度量標(biāo)準(zhǔn)和使用95%勺可信度區(qū)間，在統(tǒng)計分析上唯一的重要的主要影響是 刮刀類型。錫膏類型、分離速度和錫膏滯留時間有低于85%勺可信度區(qū)間。分離速度與擦拭頻率試驗進行第二個更小的試驗是要檢查分離速度和擦拭頻率的影響。調(diào)查模板擦拭頻率， 是由于它影響產(chǎn)量。因為模板擦拭大大增加模板印刷機的周期時間，所以在生產(chǎn)中應(yīng)該 避免或減少這個步驟。進行這個試驗是要決定是否對于 0201裝配必須做模板擦拭，以獲得良好的印刷。另 外還希望確定是否分離速度是一個重要因素，所以將它包括在本試驗中。使用0.05和0.13cm/sec的分離速度。對這兩次運行

8、，使用了 IV類型的錫膏和金屬 刮刀，沒有滯留時間。表二中列出試驗9和10的結(jié)果。這些結(jié)果與試驗5和6（來自表一） 比較，也是使用了 IV型錫膏和金屬刮刀?；谶@些結(jié)果，模板擦拭頻率是這個試驗的唯 一主要影響。表二、第二次模板印刷試驗結(jié)果試驗編號分離速度（cm/s）擦拭頻率平均(mil)標(biāo)準(zhǔn)偏差缺陷數(shù)50.05每次印刷149.9713.451560.13每次印刷149.3620.204390.05無145.7715.41236100.13無136.4515.19238貼裝試驗做一個試驗來確定是否基準(zhǔn)點形狀或基準(zhǔn)點定義方法對元件貼裝有影響?；鶞?zhǔn)點形 狀使用了圓形和十字形基準(zhǔn)點，而基準(zhǔn)點清晰度方面

9、使用了阻焊與金屬界定的基準(zhǔn)點。 這些試驗的度量是使用視覺元件檢查。用來評估每個試驗條件的標(biāo)準(zhǔn)是 0201元件的貼裝精度。元件貼裝在板上的四個象限內(nèi)（象限4、19、25和40）。這些象限是橫穿電路板的， 象限4和25使用+30%勺焊盤尺寸（17x19mil），而象限19和40使用標(biāo)稱焊盤尺寸 （12x13mil）。元件貼裝在水平與垂直兩個方向。四百八十個0201元件貼裝在每塊板上，每個試驗總共1920個元件。元件焊盤邊沿到邊沿的間隔范圍從5-12mil。在貼裝試驗中。最好的貼裝發(fā)現(xiàn)在象限4,逐漸地在板上向左偏移，很可能是由于在 很大的試驗載體上伸展的緣故。因此，貼裝的最大偏移發(fā)生在象限40。當(dāng)使

10、用金屬界定的十字型基準(zhǔn)點時發(fā)生最壞的偏移，在象限 40的元件幾乎跨接焊盤。同時也注意到對于 金屬界定的圓形基準(zhǔn)點比無任哪一種阻焊界定的基準(zhǔn)點的偏移更大。表三顯示對于象限40的四個試驗的平均的X和Y的偏移?；谶@些結(jié)果，阻焊界定 的基準(zhǔn)點提供比金屬界定的基準(zhǔn)點更好的板上貼裝精度?；鶞?zhǔn)點的形狀對元件的貼裝精 度沒有大的影響。表三、對象限40的貼裝試驗的平均試驗偏差基準(zhǔn)點圖案 阻焊界定的圓 金屬界定的十字 金屬界定的圓阻焊界定的十字回流焊接試驗平均X偏差（微米）221125315平均丫偏差（微米）3294為了確定是否某些變量對0201回流焊接有影響，我們進行了另一個試驗。研究的變 量是保溫時間、保溫

11、溫度、液相線以上的時間和峰值溫度。這些參數(shù)在一個要求九次不 同反復(fù)的DOE中設(shè)定（表四）。所有變量都在錫膏供應(yīng)商所提供的錫膏規(guī)格范圍內(nèi)。表四、回流試驗設(shè)計試驗編號保溫時間(秒)保溫溫度(° C)液相以上時間(秒)峰值溫度(° C)145-50125-13555-65217-219255-60165-17555-65211-214345-50145-15545-50211-214425-35165-17545-50217-219525-35145-15555-65222-225625-35125-13535-40211-214745-50165-17535-40222-225

12、855-60125-13545-50222-225955-60145-15535-40217-219對這個試驗，印刷和貼裝工藝保持不變，而對回流溫度曲線作改變。使用的印刷工 藝與印刷試驗中使用的相同，是本研究中找到的較好的變量。使用的貼裝參數(shù)是與在貼 裝期間使用阻焊界定的圓形基準(zhǔn)點相同的。使用了對錫橋和直立的視覺和X射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，對于統(tǒng)計上認(rèn)為重要的因素要求 95%或更高的可信度區(qū)間?；亓骱附釉囼灲Y(jié)果對于在表五中所列出的每一個試驗，重復(fù)做三次，每次重復(fù)總共564個元件，或者每個試驗1692個元件。在每一塊測試板上，貼裝了 396個0201無源元件。這些元件貼 裝在15x17mil和12x13m

13、il的焊盤上，以6mil和10mil的焊盤邊沿對邊沿的距離排列。 除了 0201元件之外，168個0402、0603、0805和1206也貼裝，以決定一個產(chǎn)生可接受 的0201元件的工藝會怎樣影響較大的無源元件。使用了三個標(biāo)準(zhǔn)來評估每個試驗條件：焊點質(zhì)量、元件豎立和錫橋。所有的試驗條 件都產(chǎn)生良好的焊接點，完全以細粒度濕潤。我們也檢查了回流焊接的元件中缺陷的數(shù)量。確定的缺陷是錫橋和元件豎立。錫橋 在兩個相鄰的焊接點連接到一起的時候發(fā)生，將元件短接在一起。這個缺陷很可能在以 非常密的焊盤對焊盤間距貼裝的元件上發(fā)生。當(dāng)一個元件脫離一個焊盤而立起的時候發(fā)生元件豎立(tombstoning)。元件豎立

14、一般是由元件不均衡的濕潤所造成的，或者當(dāng)元件放在一個表面積大得多的焊盤上的時候。所有這些缺陷都在0201元件上找到?？墒?，沒有一個較大的元件出現(xiàn)元件豎立或錫 橋，這顯示使用的裝配工藝對較大的元件并不是不利的。1 ombstone圖四、錫橋與元件豎立的X射線圖象圖四顯示顯示一個X射線圖象，它包含錫橋和元件豎立。錫橋、元件豎立的數(shù)量和 總的缺陷在表五中顯示。圖五描述每個試驗發(fā)生的缺陷數(shù)量。表五、回流焊接試驗結(jié)果試驗編號貼裝0201總數(shù)錫 橋豎、立總?cè)?陷缺陷率(%)其它元件缺 陷缺陷率(DPM)11,188615211.77017,67721,1881010.08084231,1880000.00

15、0041,1880000.000051,1880220.1701,68461,188611171.43014,31071,1880000.000081,1884370.5905,89291,1880000.0000JILn iELL 覽"勺2J %! JUkzi. I圖五、回流焊接試驗結(jié)果基于這些度量標(biāo)準(zhǔn)和使用 95%的可信度區(qū)間，唯一在統(tǒng)計上重要的主要影響是保溫溫 度，它具有大于 97%的可信度區(qū)間。 保溫時間、 液相線以上的時間和峰值溫度具有的可信 度區(qū)間小于 40%，因此被認(rèn)為是隨機誘發(fā)的影響。 保溫溫度的主要作用是在低保溫溫度和 其它水平之間，因為在中等與高保溫溫度的結(jié)果之間存在的差別很小。結(jié)論從第一次模板印刷試驗的數(shù)據(jù)顯示，只有刮刀類型對錫膏高度和缺陷數(shù)量具有統(tǒng)計 意義上的重要影響。如錫膏高度數(shù)據(jù)所顯示的，在第 III 和 IV 類錫膏之間就錫膏數(shù)量而 言存在很少甚至沒有差別。雖然存在很少差別，我們選擇了第 IV 類錫膏作進一步研究， 因為在研究的這個階段只檢測大的模板開孔。第二次印刷試驗證實分離速度對錫膏高度和缺陷沒有統(tǒng)計意義上的影響，但是擦拭 頻率有。錫膏缺陷的數(shù)量在這兩次試驗中比在用每一次印刷都擦拭模板的類似試驗中要 夕何夕多得多。從貼裝試驗的數(shù)據(jù)顯示，只有用于定義基準(zhǔn)點的方法對貼裝精度有重要影響。阻