军用装备0201元件的组装工艺研究_邴继兵.pdf

2023.02ELECTRONICS QUALITY军用装备 0201 元件的组装工艺研究邴继兵，巫应刚，杨伟，黎全英，毛久兵（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都610041）摘 要：随着电子产品向小型化、高集成度方向发展，片式元件也在进一步地小型化。作为这一趋势的结果，0201无源元件成为了无数电子产品选择的解决方案，因为它在产品小型化与功能方面提供了极大的改善。为了满足军工电子产品小型化需求，开展了0201封装电阻、电容焊接工艺技术研究。对0201封装元器件焊接合格率的影响因素如焊盘设计、钢网设计、回流焊接参数和焊膏选择等展开了试验探索，运用交叉验证方法，对设计样件进行了工艺方案验证和数据分析，最后得出了0201封装元器件的最佳焊接工艺。关键词：0201元件；组装工艺；电阻；电容；焊盘设计；钢网设计；回流焊接；交叉验证中国分类号：TN 4.5文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）02-0063-06doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.02.014Research on the Assembly Technology of 0201 Components of MilitaryEquipmentBING Jibing，WU Yinggang，YANG Wei，LI Quanying，MAO Jiubing（The 30th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Chengdu 611730，China）Abstract：With the development of electronic products in the direction of miniaturization and high integration direction，chip components are further developing in the direction of miniaturization.As a result of this trend，0201 passive com-ponents have become the solution of choice for countless electronic products，because it provides a great improve-ment in product miniaturization and function.In order to meet the demand of miniaturization of military electronic prod-ucts，resistance and capacitance welding technology of 0201 package is studied.The influencing factors of weldingqualified rate of 0201 packaging components，such as welding disc design，steel mesh design，reflow welding pa-rameters，and welding paste selection，are tested and explored.By using the cross-validation method，the processscheme verification and data analysis are carried out on the design samples，and finally the optimal welding processof 0201 encapsulation components is obtained.Keywords：0201 component；assembly technology；resistance；capacitance；pad design；stencil design；reflowsoldering；cross-validation收稿日期：2022-10-20修回日期：2022-11-22作者简介：邴继兵（1979），男，山东平度人，中国电子科技集团公司第三十研究所工程师，从事军用电子装备工艺设计与研究工作。0引言片式组件是应用得最早、产量最大的表面组装件。0603和0402组件已被广泛地使用多年，这些组件在批量应用中已有很高的装配良率。随着电子产品向小型化、高集成度方向发展，片式元件也进一步地小型化1-3。作为这个趋势的结果，0201无源元件成为了无数电子产品选择的解决方案，因为它在产品小型化与功能方面提供了极大的改善4。多数手机制造厂家早已将0201无源元件用于其所有设计中，个别厂商甚至使用了各方面技术要求更苛刻的01005（长0.4 mm、宽0.2 mm）工艺控制Process Control63ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY无源元件，在产品小型化设计中发挥着重要的作用4-5。随着军用电子装备向小型化、轻薄化和高集成化方向发展，对0201及01005封装器件的应用需求越来越强烈。从0603转向0402组件时，封装尺寸减少了64%，如果使用0.15 mm的间距，尺寸可以减少67%，而0201能够节省更多的尺寸1。0201封装的微小元件，目前已普及应用，但在军事装备产品中的应用还很少，基于以上现状和0201封装元件的优点，开展0201封装的微小元件组装技术研究，为产品设计提供技术支持，对于军事装配小型化、轻薄化和高集成化具有重要的意义。本文主要研究了影响0201封装电阻、电容焊接合格率的因素，包括0201焊盘尺寸参数设计、钢网厚度设计和焊膏选择等，通过设计实验板，进行交叉设计验证，对焊接合格率进行了评价，形成了0201封装元器件最优焊接工艺参数。1试验板设计1.1 焊盘设计在PCB设计方面，主要研究0201元件的焊盘设计，通过研究焊盘尺寸变化、焊盘几何形状、焊盘对焊盘间距、片状元件与元件的间距进行设计，探索0201元件最优的焊接工艺方案。0201焊盘参数范围如表1和图1所示。根据各个因素和0201焊盘参数设计窗口，利用折中原则，设计了焊盘参数交叉试验方案，如表2所示。1.2 印制板设计a）基材：普通FR-4。b）尺寸：180 mm140 mm1.6 mm，单面板。c）可焊性镀层：化学镍金ENIG。d）排布：样件印制板上0201元件根据表2进行了5种焊盘排布设计，元件与元件之间的焊盘边距为0.4、0.5 mm两种，角度有0、45和90排布。0201元件焊盘排布如表3所示，0201电阻和电容局部布局如图2所示。表3 0201电阻、电容在PCB板上排布表方案序号总量/个电阻电容电阻电容电阻电容方案10.30.30.234004001501501501501 400方案20.380.30.234004001501501501501 400方案30.430.30.234004001501501501501 400方案40.300.300.304004001501501501501 400方案50.380.30.34004001501501501501 4000045459090间距/mm0.40.40.40.40.50.5尺寸（WLS）/mm3角度表1 0201焊盘设计参数窗口单位：mm表2焊盘设计尺寸方案序号尺寸（WLS）/mm3尺寸（WLS）/mil3方案10.30.30.2312129方案20.380.30.2315129方案30.430.30.2317129方案40.30.30.3121212方案50.380.30.3151212图1 0201焊盘尺寸图0201焊盘尺寸宽度W长度L中心间距边内距S下限0.2540.4060.5080.2上限0.3050.4570.5580.3642023.02ELECTRONICS QUALITY2钢网设计及焊膏选择片式小元件由于焊盘尺寸小，钢网开口面积也小，这导致了面积比减小。对于0201元件的钢网设计，激光切割工艺面积比大于0.66。为了增加焊膏释放率，0201片式小元件钢网开孔尺寸与PCB焊盘尺寸的比值要比以往0.80.9更大6，选择比值为1：1的钢网。目前生产中常用的钢网厚度为0.12 mm，由于0201元件的焊盘较小，钢网厚度选择0.12、0.1 mm两种，更薄的钢网厚度能使0201元件焊膏印刷效果更好，但同时会减少大多数应用中经常用到的其他类元件的焊锡量。不选用比0.12 mm更厚的钢网，是因为现在大多数芯片使用的钢网厚度为0.12 mm，更厚的钢网印刷效果较差。焊膏的选择主要考虑焊膏中合金粉末的颗粒大小，焊膏中的合金粉末是按尺寸分类的，分类号越大，粉末颗粒越细。原则上选择焊膏的类别应保证：在开孔的最短方向上至少能容纳5颗粉末一字排开。现在最常用的是3类合金粉，主要用于0402元件大小（1 mm0.5 mm）以上的间距。目前，我们焊接的PCB板上0.5 mm间距的BGA，3类合金粉的印刷效果不能接受，4类合金粉（2535 m）才能保证印刷质量7。所以选用4类合金粉的焊膏用于0201元件的焊接。3回流焊温度曲线设计回流焊温度曲线设计需综合考虑焊膏、PCB、元器件和设备等因素。按照有铅/无铅混装温度曲线进行考虑8，如图3所示。温度曲线包括预热保温回流冷却4个温区。整个温度曲线中，回流区的参数设定是很关键的，其中峰值温度与回流区焊接时间决定焊接件在焊料熔融过程中的热反应能力，这对焊点金属间化合物层（IMC）的生成、晶粒致密程度等会产生直接的影响。本案中，为了工艺兼容性，设计混铅工艺温度曲线。回流焊炉型号为EASR 3/20，采用PROFILF温度测试仪和分析软件，实际设计温度曲线工艺参数8如表4所示。在试验中，回流环境有空气和氮气两种，根据测试，两种环境温度几乎无差别。4工艺试验及焊接缺陷数据统计焊膏印刷质量对焊接质量的影响极大，对0201封装的元件尤其重要9。印刷效果如图4所示。图2 0201电阻、电容在PCB板上布局示意图方案1：焊盘边距为0.4 mm；焊盘尺寸为0.3 mm0.3 mm0.23 mm电阻0201方案1：焊盘边距为0.5 mm；焊盘尺寸为0.3 mm0.3 mm0.23 mm电阻0201电容0201表4温度曲线工艺参数温区温度/参数0201室温120斜率23120150t/s49150180t/s65183183t/s103峰值温度/228.8183斜率3.3图3通用温度曲线a 0.12 mm工艺控制Process Control65ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY焊膏印刷工序中发现，0201封装的元件，钢网与印制板不易对正，焊膏下锡率不高，需频繁擦拭钢网底部，印刷一片需擦拭一次，印刷效率低。为了提升印刷良率和印刷效率，需采用纳米钢网，钢网厚度为0.10 mm，可减少焊膏与钢网的粘附力，增加下锡率，减少钢网底部的粘锡，进而减少漏锡等缺陷；使用0.12 mm厚的钢网，可增加漏印的焊锡量。0201封装元件的贴装，要求精度高，以防止立碑、偏移或开路等焊接缺陷。局部贴片图如图5所示，从图5中可知，0201封装元件贴装精度较高。通过对再流焊焊接后的样件进行焊点检测，焊点形态图如图6所示。从图6中可知，0201封装器件焊点形态良好，焊端爬锡高，焊点光亮。针对0201封装器件，共贴片焊接10件印制电路板样件，焊接数据统计如表5-9所示。其中，0.12、0.1 mm厚的钢网分别生产5件，无氮气保护分别贴片焊接2件，有氮气保护分别贴片焊接3件（缺陷种类用字母表示：A（i）为立碑；B（i）为侧立；C（i）为翻转；其中，i表示缺陷数量）。图4 0.12、0.1 mm厚钢网印刷焊锡膏b 0.1 mm图5局部贴装实物图图6焊点形态图表5 0.12 mm厚度钢网缺陷数量统计0000000000000000000C（1）10000000B（2）20000000B（1）1000000000000000000000000000000000000000000000000A（2）A（1）30无氮气有氮气缺陷点数45无氮气有氮气缺陷点数90无氮气有氮气缺陷点数10201电阻234510201电容2345方案编号器件类型662023.02ELECTRONICS QUALITY从表7中可以得出，使用0.12 mm厚的钢网印刷锡膏贴片焊接的印制板，方案1和方案2的焊盘等设计，缺陷更少，设计更优。从表8中可以得出，使用0.1 mm厚的钢网印刷锡膏，方案1和方案2的焊盘等设计，贴片焊接的印制板缺陷更少，方案1和方案2设计更优。从表7-8中可以得出，使用氮气环境焊接与不使用氮气环境焊接相比，缺陷数增多，结合表5分析，主要表现在立碑缺陷上，表明使用氮气环境回流焊接电阻电容，立碑风险增大。使用0.12 mm厚的钢网与使用0.1 mm厚的钢网焊接的印制板相比，使用0.12 mm厚的钢网印刷锡膏焊接的印制板缺陷更少。通过以上数据分析，焊盘设计方案1焊接合格率为99.993，方案2合格率为99.979，方案1和方案2是可行的，取得了理想的效果。从上述焊接质量的缺陷分析可得，0201封装器件的焊接工艺方案如下。1）焊盘尺寸（WLS）：0.3 mm0.3 mm0.23 mm或0.38 mm0.3 mm0.23 mm，方形或倒圆角。表9缺陷总数量统计方案缺陷数备注11有 两 只 缺 陷 是 侧立，与物料或贴片机有关2331441845355PCB总数100201总数69 700表7缺陷总数量统计（0.12 mm厚钢网）方案无氮气有氮气缺陷总数10002000301140115224印制板数2350201数量13 94020 91034 850表6 0.1 mm厚度钢网缺陷数量统计000000000000000B（2）02000000000000000A（1）A（25）26000A（1）01A（13）A（66）790000000A（1）10000000A（1）1000000A（4）A（9）13000000A（66）A（91）157A（6）06A（1）A（17）18A（102）A（145）2470无氮气有氮气缺陷点数45无氮气有氮气缺陷点数90无氮气有氮气缺陷点数10201电阻234510201电容2345方案编号器件类型表8缺陷总数量统计（0.10 mm厚钢网）方案无氮气有氮气缺陷总数10112213349134671161835123228351印制板数2350201数量13 94020 91034 850工艺控制Process Control67ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY2）钢网设计：方形或倒圆角设计。纳米钢网最优，其次是FG材料钢网和普通不锈钢钢网。0.12 mm厚钢片比0.1 mm厚钢片更优。3）贴装要求：专用抗静电吸嘴。42编带物料专用飞达。4）再流焊要求：采用混铅焊接温度，氮气保护，爬锡效果更佳。氮气环境焊接电阻电容，增加立碑风险。5）焊膏：4类合金粉更优。5结束语随着军用领域产品向小型化、轻薄化、高性能和高集成度方向发展，0201封装及01005封装器件的应用将越发广泛，但微型封装的阻容器件容易在焊接过程中出现偏移、翻转和立碑等焊接缺陷。本文从焊盘的设计、钢网设计与制造、焊膏材料选择、再流焊曲线设计等方面对0201封装器件的再流焊焊接工艺技术进行了研究，最终获得了最优的焊接工艺参数。参考文献：1鲜飞.0201/01005元件装配工艺技术研究J.印制电路信息，2009（2）：58-61.2王豫明，王天曦.0201元件规模生产工艺条件探索C/2003中 国 电 子 制 造 技 术 论 坛 暨 展 会 暨 第 七 届SMT、SMD技术研讨会论文集.2003：85-92.3刘星星.表面组装技术SMT及其工艺探讨J.信息通信，2015（1）：284.4鲜飞，李敏.0201/01005元件在数控板卡上应用可靠性研究C/2016中国高端SMT学术会议论文集.2016：303-309.5杨根林.01005器件在手机相机模块上的应用C/2014中国高端SMT学术会议论文集.2014：153-172.6朱桂兵.微型元器件组装工艺的焊膏印刷J.丝网印刷，2008（2）：8-11.7张辉华，黎全英，邴继兵.混装氮气回流焊接技术研究J.电子工艺技术，2019（3）：143-156.8戴克臣.浅析0201元件的印刷与贴装J.焊接技术，2003（3）：22-23.9杨冀丰，史建卫.对0201组装中焊膏印刷工艺参数影响的研究J.电子工业专用设备，2008（1）：24-30；33.科学家新技术精准定位大闸蟹原产地识破“洗澡蟹”!信息与动态据报道，不法商贩用“洗澡蟹”冒充知名湖区产品卖高价，损害消费者利益，侵害农产品品牌。近期，中国科学技术大学黄方教授团队副研究员于慧敏、博士生殷皓铭等人基于“一方水土养一方蟹”的地理特点，运用“激光剥蚀”等技术分析蟹壳中的锶同位素，可精准测定大闸蟹的原产地，新技术有望应用于鱼、虾、蟹、茶叶和红酒等多种农副产品的原产地保护。考古界经常使用化学元素碳的同位素“碳14”来测定古生物和文物的年代，黄方教授课题组研究发现，可以通过碱土金属元素锶的同位素组成，来追踪判断大闸蟹的真实地理起源。“锶在自然界中有4种稳定的同位素，其中锶87 和 锶86 在不同地质环境中的相对含量不同，而这种同位素特征又会通过水和食物传递到生物体内。”于慧敏说，团队采集了阳澄湖、太湖、固城湖和江苏兴化等地湖区的大闸蟹，分析结果显示，来自同一湖区大闸蟹的锶同位素成分相同，而不同湖区的大闸蟹则显著不同。蟹壳中的锶同位素特征来自生长期，短期的“换水洗澡”无法改变。据了解，之前可以使用传统的“溶液提纯法”来分析蟹壳中的锶同位素，耗时长、成本高。近期，黄方教授团队和中国地质大学（武汉）的蔺洁副研究员合作创新，开发出激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱仪检测方案，将检测时间从原来的4天以上缩短为1天，检测成本降至1/5以下，使“大闸蟹原产地检测”的实际应用成为可能。日前，国际专 业学术 期 刊 原 子 光 谱 学（Atomic Spectroscopy）发表了这项研究成果。据介绍，新技术可用于鱼、虾、蟹、茶叶、红酒等多种农副产品的检测，有望为更多“名特优”产品的原产地保护提供帮助。（摘自新华网）68