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高效率0201工艺特征
最近研究找到了影响0201元件装配工艺缺点数量变量...。即使现在大多数企业还没有达成0201这一工艺水平，不过本文所使用研究方法和得到研究结果值得我们学习和借鉴，方便愈加好地做好我们1206、0805、0603、0402...
　　在过去几年中，消费品电子工业已经显著地出现迅猛增加，这是因为越来越多人佩带手机、传呼机和个人电子辅助用具。有趋势显示，每十二个月所贴装无源元件数量在快速增加，而元件尺寸在稳步地减小。将产品变得越来越小、越快和越廉价需求，推进着对提升小型化技术研究永无止境需求。大多数消费品电子制造商正在将0201元件使用到其最新设计中去，在很快未来，其它工业也将采取这一技术。
　　所以，将超小型无源元件装配和工艺特征化是理所当然。我们需要研究来定义焊盘设计和印刷、贴装和回流工艺窗口，以满足取得0201无源元件较高第一次经过合格率和较高产出需求。最近进行了一个0201元件高速装配研究，对每一个工艺步骤进行了调查研究。研究目标是要为高速0201装配开发一个初始工艺特征，尤其是工艺限制和变量。
试验准备
　　对应于锡膏印刷、元件贴装和回流焊接，进行了三套关键试验。为了了解每个工艺步骤最整个0201装配工艺影响，我们进行检验了每个工艺步骤。在工艺次序方面，只改变研究下工艺步骤变量，而其它工艺参数保持不变。我们设计了一个试验载体(图一)，提供以下数据：

图一、试验载体
· 0201到0201间距：焊盘边缘到边缘距离按4, 5, 6, 8, 10 和 12 mil(千分之一英寸)改变
· 焊盘尺寸影响，标称焊盘尺寸为12x13mil矩形焊盘、中心到中心间距为22mil。标称焊盘改变为±10%、20%和30%。
· 元件方向，在单元A、B、C和D中，研究元件方向为0°和90°。E和F单元研究±45°角度对0201工艺影响。
· 单元1至6研究0201和其它无源元件包含0402、0603、0805和1206之间相互影响。这些分块用来决定0201元件对其它较大无源元件大致影响，它可影响印刷、贴装和回流焊接(散热)。这里，焊盘对焊盘间距为本4、5、6、8、10和12mil。另外，0201焊盘尺寸在这六个单元上改变。
　　测试载体含有6,552个0201、420个0402、252个0603、252个0805、252个1206，总共7,728个无源元件。基板是标准FR-4环氧树脂板，厚度1.57mm。迹线金属喷镀由铜、无电解镍和浸金所组成。全部测试板使用相同装配设备装配：一部模板印刷机、一部高速元件贴装机、和一台七温区对流回流焊接炉。
模板印刷试验
　　为了表现对0201无源元件印刷特征，我们使用了一个试验设计方法(DOE, design for experiment)，试验了印刷工艺多个变量：锡膏目数、刮刀类型、模板分开速度、和印刷之间模板上锡膏滞留时间。这个DOE是设计用来决定是否这些原因会影响0201装配印刷工艺。度量标准是印刷缺点数量和锡膏厚度测量。结果是基于95%可信度区间，从统计分析上决定关键原因。印刷缺点定义为在印刷后没有任何锡膏空焊盘和锡桥。
　　对于这个印刷试验，模板厚度为125微米，100%开孔率，商业使用免洗锡膏。印刷机设定是基于锡膏制造商推荐值，在推荐范围中间。
　　模板印刷试验结果
　　表一列出只检验印刷影响试验。使用了三个度量标准来评定每个试验条件。第一个度量标准是平均锡膏印刷高度。使用一部激光轮廓测定仪从四个象限测量16个数据。
表一、第一个模板印刷试验试验设计
试验编号
锡膏类型
刮刀类型
锡膏滞留时间(分钟)
分开速度(cm/s)
1
III
金属
0.5
0.05
2
III
金属
10
0.13
3
III
聚合物
0.5
0.05
4
III
聚合物
10
0.13
5
IV
金属
10
0.05
6
IV
金属
0.5
0.13
7
IV
聚合物
0.5
0.05
8
IV
聚合物
10
0.13
　　锡膏厚度标准偏差用作第二个度量标准。图二显示来自八个试验平均高度和高度标准偏差。

图二、从第一次模板印刷试验得到印刷高度结果
　　第三个度量标准是缺点总数。用光学检验单元1-6和A-D选择部分，统计缺点数量。含有锡桥焊盘和没有锡膏焊盘被认为是缺点(图三)。

图三、从第一次模板印刷试验得到缺点结果
　　基于这些度量标准和使用95%可信度区间，在统计分析上唯一关键关键影响是刮刀类型。锡膏类型、分离速度和锡膏滞留时间有低于85%可信度区间。
分离速度和擦拭频率试验
　　进行第二个更小试验是要检验分离速度和擦拭频率影响。调查模板擦拭频率，是因为它影响产量。因为模板擦拭大大增加模板印刷机周期时间，所以在生产中应该避免或降低这个步骤。
　　进行这个试验是要决定是否对于0201装配必需做模板擦拭，以取得良好印刷。另外还期望确定是否分离速度是一个关键原因，所以将它包含在本试验中。
　　使用0.05和0.13cm/sec分离速度。对这两次运行，使用了IV类型锡膏和金属刮刀，没有滞留时间。表二中列出试验9和10结果。这些结果和试验5和6(来自表一)比较，也是使用了IV型锡膏和金属刮刀。基于这些结果，模板擦拭频率是这个试验唯一关键影响。
表二、第二次模板印刷试验结果
试验编号
分离速度(cm/s)
擦拭频率
平均(mil)
标准偏差
缺点数
5
0.05
每次印刷
149.97
13.45
15
6
0.13
每次印刷
149.36
20.20
43
9
0.05
无
145.77
15.41
236
10
0.13
无
136.45
15.19
238
贴装试验
　　做一个试验来确定是否基准点形状或基准点定义方法对元件贴装有影响。基准点形状使用了圆形和十字形基准点，而基准点清楚度方面使用了阻焊和金属界定基准点。这些试验度量是使用视觉元件检验。用来评定每个试验条件标准是0201元件贴装精度。元件贴装在板上四个象限内(象限4、19、25和40)。这些象限是横穿电路板，象限4和25使用+30%焊盘尺寸(17x19mil)，而象限19和40使用标称焊盘尺寸(12x13mil)。元件贴装在水平和垂直两个方向。四百八十个0201元件贴装在每块板上，每个试验总共1920个元件。元件焊盘边缘到边缘间隔范围从5-12mil。
　　在贴装试验中。最好贴装发觉在象限4，逐步地在板上向左偏移，很可能是因为在很大试验载体上伸展缘故。所以，贴装最大偏移发生在象限40。当使用金属界定十字型基准点时发生最坏偏移，在象限40元件几乎跨接焊盘。同时也注意到对于金属界定圆形基准点比无任哪一个阻焊界定基准点偏移更大。
　　表三显示对于象限40四个试验平均X和Y偏移。基于这些结果，阻焊界定基准点提供比金属界定基准点愈加好板上贴装精度。基准点形状对元件贴装精度没有大影响。
表三、对象限40贴装试验平均试验偏差
基准点图案
平均X偏差(微米)
平均Y偏差(微米)
阻焊界定圆
22
3
金属界定十字
112
2
金属界定圆
53
9
阻焊界定十字
15
4
回流焊接试验
　　为了确定是否一些变量对0201回流焊接有影响，我们进行了另一个试验。研究变量是保温时间、保温温度、液相线以上时间和峰值温度。这些参数在一个要求九次不一样反复DOE中设定(表四)。全部变量全部在锡膏供给商所提供锡膏规格范围内。
表四、回流试验设计
试验编号
保温时间(秒)
保温温度(°C)
液相以上时间(秒)
峰值温度(°C)
1
45-50
125-135
55-65
217-219
2
55-60
165-175
55-65
211-214
3
45-50
145-155
45-50
211-214
4
25-35
165-175
45-50
217-219
5
25-35
145-155
55-65
222-225
6
25-35
125-135
35-40
211-214
7
45-50
165-175
35-40
222-225
8
55-60
125-135
45-50
222-225
9
55-60
145-155
35-40
217-219
　　对这个试验，印刷和贴装工艺保持不变，而对回流温度曲线作改变。使用印刷工艺和印刷试验中使用相同，是本研究中找到很好变量。使用贴装参数是和在贴装期间使用阻焊界定圆形基准点相同。使用了对锡桥和直立视觉和X射线检验标准，对于统计上认为关键原因要求95%或更高可信度区间。
　　回流焊接试验结果
　　对于在表五中所列出每一个试验，反复做三次，每次反复总共564个元件，或每个试验1692个元件。在每一块测试板上，贴装了396个0201无源元件。这些元件贴装在15x17mil和12x13mil焊盘上，以6mil和10mil焊盘边缘对边缘距离排列。除了0201元件之外，168个0402、0603、0805和1206也贴装，以决定一个产生可接收0201元件工艺会怎样影响较大无源元件。
　　使用了三个标准来评定每个试验条件：焊点质量、元件竖立和锡桥。全部试验条件全部产生良好焊接点，完全以细粒度湿润。
　　我们也检验了回流焊接元件中缺点数量。确定缺点是锡桥和元件竖立。锡桥在两个相邻焊接点连接到一起时候发生，将元件短接在一起。这个缺点很可能在以很密焊盘对焊盘间距贴装元件上发生。
　　当一个元件脱离一个焊盘而立起时候发生元件竖立(tombstoning)。元件竖立通常是由元件不均衡湿润所造成，或当元件放在一个表面积大得多焊盘上时候。
　　全部这些缺点全部在0201元件上找到。可是，没有一个较大元件出现元件竖立或锡桥，这显示使用装配工艺对较大元件并不是不利。

图四、锡桥和元件竖立X射线图象
　　图四显示显示一个X射线图象，它包含锡桥和元件竖立。锡桥、元件竖立数量和总缺点在表五中显示。图五描述每个试验发生缺点数量。
表五、回流焊接试验结果
试验编号
贴装0201总数
锡桥
竖立
总缺点
缺点率(%)
其它元件缺点
缺点率(DPM)
1
1,188
6
15
21
1.77
0
17,677
2
1,188
1
0
1
0.08
0
842
3
1,188
0
0
0
0.00
0
0
4
1,188
0
0
0
0.00
0
0
5
1,188
0
2
2
0.17
0
1,684
6
1,188
6
11
17
1.43
0
14,310
7
1,188
0
0
0
0.00
0
0
8
1,188
4
3
7
0.59
0
5,892
9
1,188
0
0
0
0.00
0
0

图五、回流焊接试验结果
　　基于这些度量标准和使用95%可信度区间，唯一在统计上关键关键影响是保温温度，它含有大于97%可信度区间。保温时间、液相线以上时间和峰值温度含有可信度区间小于40%，所以被认为是随机诱发影响。保温温度关键作用是在低保温温度和其它水平之间，因为在中等和高保温温度结果之间存在差异很小。
结论
　　从第一次模板印刷试验数据显示，只有刮刀类型对锡膏高度和缺点数量含有统计意义上关键影响。如锡膏高度数据所显示，在第III和IV类锡膏之间就锡膏数量而言存在极少甚至没有差异。即使存在极少差异，我们选择了第IV类锡膏作深入研究，因为在研究这个阶段只检测大模板开孔。
　　第二次印刷试验证实分离速度对锡膏高度和缺点没有统计意义上影响，不过擦拭频率有。锡膏缺点数量在这两次试验中比在用每一次印刷全部擦拭模板类似试验中要多得多。
　　从贴装试验数据显示，只有用于定义基准点方法对贴装精度相关键影响。阻焊界定基准点 - 不管圆形还是十字形 - 全部比金属界定基准点达成更高贴装精度。从回流焊接试验数据显示，只有保温温度对焊接点品质和缺点数量相关键影响。如缺点数据所显示，在不一样保温时间、液相线以上时间或峰值温度之间存在极少或没有差异。当使用低保温温度时，缺点数量大大增加。
　　本研究检验了一些变量对0201无源元件工艺影响。研究发觉诸如刮刀类型、模板擦拭频率和保温温度这些变量影响工艺缺点数量。还有，诸如锡膏滞留时间、液相线以上时间和峰值温度等变量对工艺缺点数量有很小到没有影响。