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高速0201组装工艺和特性化（二）

通过主要贴装审查DOE的结果
    前两个实验是为了确定基准座标数量对贴装精度有什么样的影响。第一个实验使用了两个对角的基准座标来确定板子的方向，而第二个实验以三个角作为基准座标。对于一个板子（L=12×W=7mm），据发现使用三个基准座标要比使用两个基准座标来确定板子的方向更为精确。对于其余的贴装和随后的所有实验来说，为了达到更高精度的贴装，使用了三个基准座标。
    表10所列是在丝网DOE中实施的一系列实验。为了只检验主要影响，统计软件封装建议实施这些实验。在实施每种实验中使用4个复制品。

表  10 贴装丝网DOE
实验#
基准形状
基准定义方法
1
圆形
掩膜定义
2
十字形
金属定义
3
圆形
金属定义
4
十字形
掩膜定义

    用于评估各种实验条件的标准是0201元件在整个板子上的贴装精度。把元件贴装在板子上的四个象限（象限4、19、25和40）中。象限4位于左上角，焊盘尺寸为+30%（17mil×19mil）。象限19距中心很近，焊盘尺寸为标称尺寸（12mil×13mil）。象限25位于板子中心的旁边，使用的焊盘尺寸为+30%。象限40位于右边缘，使用的焊盘尺寸是标称尺寸。图6所示是一张标有象限的板子图片。元件是以平行和垂直的方向进行贴装。每块板子上贴装480个0201元件，在每次实验中总共使用了1920个元件。焊盘边缘到焊盘边缘的元件间距为5mil~12mil。
    对在每块板子的象限上贴装的元件应实施光学检测，并将光检图象记录下来。图7~图10中的图片是对板子的极边缘位置进行的四个不同的实验中获得的图片。

图6 0201板子的图片
图7 按照DOE#1贴装的第一块板子的图片

图8 按照DOE#2贴装的第一块板子的图片
图9 按照DOE#3贴装的第一块板子的图片

图10 按照DOE#4贴装的第一块板子的图片

    在审查贴装过程中，发现的最佳贴装是象限4，并逐渐地向整个板子的左边漂移。因此，在贴装中最大的漂移是象限40。注意：最差的漂移是DOE#2，象限40中的元件几乎与焊盘桥接。还可发现DOE#3中的漂移比DOE#1或DOE#4的更大。表11列出了X和Y偏离于象限40的四次实验。从这些结果中，发现掩膜定义的基准座标提供的板子上的贴装精度优于金属定义基准座标。基准形状对板子上元件的贴装没有太大的影响。

表11 用于实验设计的象限40的平均实验偏差
实验条件
平均X偏差
平均Y偏差
掩膜定义的圆形基准
22micros
3 micros
金属定义的十字形基准
112 micros
2 micros
金属定义的圆形基准
53 micros
9 micros
掩膜定义的十字形基准
15 micros
4 micros

通过再流审查DOE的实验规划
    为了体现0201无源元件再流工艺的特性，而开发了DOE以便检查再流工艺的几个主要系数。为了确定某些变量是否对0201组装工艺有影响，而实施了对DOE的审查。在审查DOE中要检验的变量有浸渍时间、浸渍温度、液相线以上的时间和峰值温度。各种系数的变量列在表12中。所有这些变量都在焊膏制造厂家规定的焊膏技术规范之内。
表12 在审查DOE中的变量
系 数
变量#1
变量#2
变量#3
浸渍时间
25~35秒
40~50秒
55~60秒
浸渍温度
125~135℃
145~155℃
165~175℃
液相线以上时间
35~40秒
45~50秒
55~65秒
峰值温度
211~216℃
217~221℃
222~226℃

    对于这个实验，印刷和贴装工艺的常数保持不变，只有再流曲线系数有所改变。印刷工艺的某些重要常数列在表13中，这些常数是模板厚度、清洗频率、刮板类型和焊膏类型。某些重要的贴装系数保持常数不变，见表14所列。

表13 在再流中审查DOE的印刷常数保持不变
系  数
参数设置
模板厚度
125μm
孔径比
100%
模板制造方法
电铸成型
焊膏成分
免清洗
刮板长度
40.64cm
印刷力度
7.26kg
印刷速度
5.08cm/sec
刮板抬起高度
2.54cm
焊膏类型
类型Ⅳ
刮板类型
金  属
分离速度
0.13cm/sec
焊膏滞留时间
<10分钟
清洗频率
每次印刷后清洗一次

表14 在再流审查DOE过程中贴装系数保持不变
系  数
参数设置
基准数量
3
基准定义方法
掩膜定义
基准形状
圆  形
贴装力度
0.1kgf
贴装速度
50mm/sec
贴装加速度
98.1%缺省

    本项研究使用的四个变量被用于DOE中，其需要9个不同的迭接。对于焊料桥接和墓碑缺陷使用目测和X光检验的公制单位，需要95%或更高的可靠区间，以便获得一个统计有效的系数。
检查主要DOE获得的结果
    表15所列是在审查DOE中实施的一系列实验。为了只检验主要影响，统计软件包要求实施这些实验并使其随机化。每次实验使用3个复制品，在每个复制品上总计贴装564个元件或每次实验使用1692个元件。在每块测试板上，贴装396个0201无源元件。这些元件都是贴装在15mil×17mil焊盘上及12mil×13mil焊盘上。焊盘边缘到焊盘边缘的元件贴装以10mil间距和6mil间距排列。除了0201元件以外，还贴装有168个0402、0603、0805和1206元件，以便确定可接受的0201元件的生产工艺是否对较大的无源元件有不利的影响。在组装这三块板子之前，应用焊膏印刷五块板子。这是为了确保印刷工艺的稳定性及使焊膏得到充分的利用。

表 15 审查DOE
实验#
浸渍时间（sec）
浸渍温度（℃）
液相线以上时间（sec）
峰值温度（℃）
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

    使用三个标准来评估每次实验的条件。第一个公制单位是焊点质量。设计的所有实验条件都必须能够完全湿润焊点，而且基本上没有颗粒状物质。第二个公制单位是元件在再流后产生的缺陷总数。查找出的缺陷有焊料桥接和墓碑。当两个相邻焊点连接到一起时就会产生桥接，使两个元件短路。这种缺陷在极细间距的元件贴装过程中是很容易出现的。墓碑是元件抬起脱离其中一个焊盘的位置，通常是由于整个元件湿润不均匀或当元件大面积地贴装在焊盘的一面时而造成的。这些就是0201元件的所有缺陷。较大的元件不存在墓碑和桥接这样的缺陷，说明使用的组装工艺对通用的较大尺寸的无源元件并没有不利的影响。图11所示是焊料桥接和墓碑的X光检测图象的实例。焊料桥接和墓碑的数量及总缺陷率列在表16中。图12所示的图片说明了在每次实验中出现的缺陷数量。

图11 焊料桥接和墓碑的X光图象实例
图12 审查再流结果的图形说明

    根据这些公制单位，使用95%的可靠区间，唯一的统计有效主要影响是浸渍温度。浸渍温度的可靠区间大于97%。主要影响曲线见图13所示。浸渍时间、液相线以上的时间及峰值温度的可靠区间为40%以下，因此，应考虑随意的诱导作用。当在中等和高浸渍温度的结果之间没有多大差别时，浸渍温度的主要影响主要是在低浸润温度和其它等级温度之间。
表16 1224个0201元件的缺陷量
实验#
贴装的0201元件的总数
焊料桥接
墓碑
总缺陷量
缺陷比率（%）
其它无源元件的缺陷量
缺陷率（dpm）
1
1188
6
15
21
177
0
17677
2
1188
1
0
1
008
0
842
3
1188
0
0
0
000
0
0
4
1188
0
0
0
000
0
0
5
1188
0
2
2
017
0
1684
6
1188
6
11
17
143
0
14310
7
1188
0
0
0
000
0
0
8
1188
4
3
7
059
0
5892
9
1188
0
0
0
000
0
0

图13 在再流中审查DOE的主要影响曲线

结 论
    模板印刷
    在检查主要印刷的实验中获得的数据说明根据统计对焊膏高度和缺陷量有明显影响的唯一变量是刮板类型。由于使用掩膜定义的基准很难获得精确的印刷，为此，在印刷工艺中已不再使用掩膜定义的基准座标。正象焊膏高度数据表明的那样，对于焊膏量，类型Ⅲ和类型Ⅳ焊膏之间没有差别是不太可能的。分离速度和焊膏滞留时间并不是主要的影响。虽然，在这些实验中类型Ⅲ和类型Ⅳ焊膏之间差别并不大，而对于这种特殊的焊膏，但是仍选择类型Ⅳ焊膏用于进一步的研究中，因为这一阶段的研究只能使用大孔开口中。
    检验第二次印刷是为确认分离速度对焊膏高度和缺陷是否没有明显的影响，不过，清洗频率对其是有明显影响的。在这两次实验中焊接的缺陷量要比在每次印刷后在模板清洗中实施的类似实验的缺陷量大得多。
    元件贴装
    从检查贴装的实验中获得的数据说明在本研究中对贴装精度有明显影响的唯一变量是使用的基准座标数量和用于确定基准座标的方法（表17）。使用板子三个角的基准座标提供了比使用同一尺寸板子的两个基准座标的定向和延伸调节更好。由于这个原因，建议将三个基准座标用于大板子中，特别是在组装小型无源元件或细间距元件时。不管是圆形还是十字形掩膜定义的基准座标，贴装精度都比金属定义的基准座标的贴装精度高。当其达到精度时，在圆形和十字形基准座标之间测量不出什么差别。

表 17 推荐使用的贴装参数
贴装变量
建议使用
基准数量
板子的三个角
基准定义方法
掩膜定度

    再流焊接
    在检验再流的实验中获得的数据说明，根据统计本项研究中对焊点质量和缺陷量有任何的明显影响的唯一的变量是浸渍温度。正象缺陷数据显示的那样，各种浸渍时间、液相线以上的时间或峰值温度之间没有差别是不太可能的。当使用较低的浸渍温度时，缺陷就会明显的提高。
总 结
    本项开发研究检查了某些工艺变量对0201无源元件组装的影响。业已证明象刮板类型、模板清洗频率、基准座标数量和浸渍温度对工艺缺陷量的影响。这项工作还证实了象分离速度、液线以上的时间和峰值温度的某些变量对工艺缺陷量没有影响是不太可能的。