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(dá)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(fèi)品電子工業(yè)已經(jīng)明顯地出現(xiàn)迅猛的增長，這是因?yàn)樵絹碓蕉嗟?人佩帶手機(jī)、傳呼機(jī)和個(gè)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(dòng)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(fèi)品電子制造商正在將0201元件使用到其最新的設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行了一個(gè)0201元件的高速裝配研究，對每一個(gè)工藝步驟進(jìn)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(gè)初始的工藝特征，特別是工藝限制與變量。試驗(yàn)的準(zhǔn)備對應(yīng)于錫膏印刷、元件貼裝和回流焊接，進(jìn)行了三套主要的試驗(yàn)。為了理解每個(gè)工 藝步驟最整個(gè)0201裝配工藝的影響，我們進(jìn)行檢查了每個(gè)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(jì)了一個(gè)

3、試驗(yàn)載體 （圖一），提供如下數(shù)據(jù)：圖一、試驗(yàn)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?yàn)?°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(gè)單元上變化。測試載體含有 6,552 個(gè) 0201、420 個(gè) 0402、252 個(gè) 0603、252 個(gè) 0805、252 個(gè) 1206, 總共7,728個(gè)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(jī)、 一部高速元件貼裝機(jī)、和一臺(tái)七溫區(qū)對流回流焊接爐。模板印刷試驗(yàn)為了表現(xiàn)對0201無源元件印刷的特征，我們使用了一個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(DOE, desi

5、gnfor experiment)，試驗(yàn)了印刷工藝的幾個(gè)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(shí)間。這個(gè)DOE是設(shè)計(jì)用來決定是否這些因素會(huì)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(jì)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(gè)印刷試驗(yàn)，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(jī)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(yàn)結(jié)果表一列出只檢查印刷影響的試驗(yàn)。使用了三個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估每個(gè)試驗(yàn)條件。第一個(gè)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(gè)象限測量16個(gè)數(shù)據(jù)。表一、第一個(gè)模板印刷試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)編號(hào)錫膏類型刮刀類型錫膏滯留時(shí)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(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)。圖二顯示來自八個(gè)試驗(yàn)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(yàn)得到的印刷高度結(jié)果第三個(gè)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(yàn)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(jì)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(shí)間有低于85%勺可信度區(qū)間。分離速度與擦拭頻率試驗(yàn)進(jìn)行第二個(gè)更小的試驗(yàn)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?yàn)槟０宀潦么蟠笤黾幽０逵∷C(jī)的周期時(shí)間，所以在生產(chǎn)中應(yīng)該 避免或減少這個(gè)步驟。進(jìn)行這個(gè)試驗(yàn)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(gè)重要因素，所以將它包括在本試驗(yàn)中。使用0.05和0.13cm/sec的分離速度。對這兩次運(yùn)行

8、，使用了 IV類型的錫膏和金屬 刮刀，沒有滯留時(shí)間。表二中列出試驗(yàn)9和10的結(jié)果。這些結(jié)果與試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)的唯 一主要影響。表二、第二次模板印刷試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)編號(hào)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(yàn)做一個(gè)試驗(yàn)來確定是否基準(zhǔn)點(diǎn)形狀或基準(zhǔn)點(diǎn)定義方法對元件貼裝有影響?；鶞?zhǔn)點(diǎn)形 狀使用了圓形和十字形基準(zhǔn)點(diǎn)，而基準(zhǔn)點(diǎn)清晰度方面

9、使用了阻焊與金屬界定的基準(zhǔn)點(diǎn)。 這些試驗(yàn)的度量是使用視覺元件檢查。用來評(píng)估每個(gè)試驗(yàn)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(gè)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(gè)方向。四百八十個(gè)0201元件貼裝在每塊板上，每個(gè)試驗(yàn)總共1920個(gè)元件。元件焊盤邊沿到邊沿的間隔范圍從5-12mil。在貼裝試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)時(shí)發(fā)生最壞的偏移，在象限 40的元件幾乎跨接焊盤。同時(shí)也注意到對于 金屬界定的圓形基準(zhǔn)點(diǎn)比無任哪一種阻焊界定的基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移更大。表三顯示對于象限40的四個(gè)試驗(yàn)的平均的X和Y的偏移?；谶@些結(jié)果，阻焊界定 的基準(zhǔn)點(diǎn)提供比金屬界定的基準(zhǔn)點(diǎn)更好的板上貼裝精度。基準(zhǔn)點(diǎn)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(yàn)的平均試驗(yàn)偏差基準(zhǔn)點(diǎn)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(yàn)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(jìn)行了另一個(gè)試驗(yàn)。研究的變 量是保溫時(shí)間、保溫

11、溫度、液相線以上的時(shí)間和峰值溫度。這些參數(shù)在一個(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)編號(hào)保溫時(shí)間(秒)保溫溫度(° C)液相以上時(shí)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(gè)試驗(yàn)，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(yàn)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(diǎn)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(jì)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?yàn)結(jié)果對于在表五中所列出的每一個(gè)試驗(yàn)，重復(fù)做三次，每次重復(fù)總共564個(gè)元件，或者每個(gè)試驗(yàn)1692個(gè)元件。在每一塊測試板上，貼裝了 396個(gè)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(gè)0402、0603、0805和1206也貼裝，以決定一個(gè)產(chǎn)生可接受 的0201元件的工藝會(huì)怎樣影響較大的無源元件。使用了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估每個(gè)試驗(yàn)條件：焊點(diǎn)質(zhì)量、元件豎立和錫橋。所有的試驗(yàn)條 件都產(chǎn)生良好的焊接點(diǎn)，完全以細(xì)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(gè)相鄰的焊接點(diǎn)連接到一起的時(shí)候發(fā)生，將元件短接在一起。這個(gè)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(gè)元件脫離一個(gè)焊盤而立起的時(shí)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(gè)表面積大得多的焊盤上的時(shí)候。所有這些缺陷都在0201元件上找到?？墒?，沒有一個(gè)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(gè)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(gè)試驗(yàn)發(fā)生的缺陷數(shù)量。表五、回流焊接試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)編號(hào)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(yàn)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(jì)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(shí)間、 液相線以上的時(shí)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(jī)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?yàn)樵谥械扰c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(yàn)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(jì) 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(jìn)一步研究， 因?yàn)樵谘芯康倪@個(gè)階段只檢測大的模板開孔。第二次印刷試驗(yàn)證實(shí)分離速度對錫膏高度和缺陷沒有統(tǒng)計(jì)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(yàn)中比在用每一次印刷都擦拭模板的類似試驗(yàn)中要 夕何夕多得多。從貼裝試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，只有用于定義基準(zhǔn)點(diǎn)的方法對貼裝精度有重要影響。阻