0201元件对制造工艺的影响-1(精).doc

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1、0201 元件对制造工艺的影响-1 1、 0201 元件对 PCB 设计的影响 0201 元件的应用对印制电路板的设计与制造有着很大的影响。 其主要影响方面是设计的方面，主要包括 焊盘设计、元件间距和布线设计。 0201 元件要求更小的焊盘，更细更密的布线，以及更小的元件间距。对 于这些方面的改变，从技术上都是可行的，但是直接影响到了 PCB 的生产成本，是成本大幅提升。下面我 们详细的讨论一下 0201 对 PCB 元件间距和布线设计的影响。 1.1 元件间距与布线设计 使用 0201 元件的最主要原因就是节省 PCB 上的空间。这样可以将更多的元件设计到 PCB 上，以增加产 品的功能和减

2、小产品的体积。 0201 元件带来的好处除了本身体积减小之外，还包括元件间距的减少。这 样进一步节省了空间。一些制造商和研究机构做过这方面的研究，结果显示，使用 0201 元件的 PCB 和使 用 0402 的 PCB 相比节省了 60%以上的空间。研究结果还显示，元件的间距最小可以小到 6mil。 当前，针对 0201 元件的应用，对合同制造商的元件间距的要求是 16mil。我们可以见到的经常使用的间 距是 8mil、12mil、16mil、20mil。当然，元件的间距越小，所节省的空间就越多。但是更小的间距对贴片 设备的精度，模板的精度以及 PCB 布线的设计都有很大影响。元件间距越小，贴

3、片机的精度应该越高，模 板上的开口的间距也越小，模板就越难制作。如果要实现 8mil 的间距，则需要在 PCB 的布线方面作一些 改进。 首先先看一下 PCB 布线的线宽和线距的标准，参见表 1.1-1.3 表 1.1 线宽和线距 线宽/英寸线间距/英寸备注线宽/英寸线间距/英寸备注 0.10 0.010 简便 0.005 0.005 困难 0.007 0.008 标准 0.002 0.002 极困难 表 1.2 外层线宽和线距 *为孔边缘到焊盘边缘的距离 表 1.3 内层线路线宽和线距 功能 0.012/0.10 0.008/0.008 0.006/0.006 0.005/0.005 线宽

4、/英寸 0.012 0.008 0.006 0.005 焊盘间距 /英寸 0.010 0.008 0.006 0.005 线间距/英寸 0.010 0.008 0.006 0.005 线-焊盘间距 /英寸 0.010 0.006 0.006 0.005 环形图 / 英寸 0.008 0.008 0.007 0.006 线 - 孔边缘 / 英寸 0.018 0.016 0.013 0.016 板- 孔边缘 /英寸 0.018 0.016 0.013 0.016 我们这里一般讨论的是外层线路，所以可以看到线宽和线间距都有一个范围。一般将线宽和线距为： X /X。比如，线宽为 7mil，线间距为 8

5、mil，则记：7/8。当前 PCB 布线的最小标准为 5/ 5,即 5mil 的线 宽和 5mil 的线间距。由于使用了 0201 元件，以在一定范围内可以适当的使用 33， 44 的布线设计。另 外，当有 BGA 元件时，可以在一定的范围内使用 4/4 的布线设计。不过如果较大规模的使用 3/3， 4/4 的布线设计将会带来负面影响，也就是 PCB 成本的增加。如果使用的是 3/3 的布线设计，其成本的增加 幅度大概为 15 -25。 另外还有一个要考虑的方面就是布线宽度、间距和元件/焊盘间距之间的相互影响。比如如果使用 8mil 的 焊盘间距，即使 3/3 的布线设计方案也不能够使用。因为

6、元件之间没有足够的空间。最低的要求为 9mil。 0201 元件对制造工艺的影响 -2 1.2 0201 对印刷工艺的影响 在整个 SMT 的生产过程中， 焊膏的印刷通常是第一道工序， 也是最关键的工序。因为有统计表明， 在 S MT 的生产过程中， 有 60-70的焊接缺陷都与焊膏的印刷有关。 在印刷工艺当中， 又有几个重要的方面：线宽 /英寸 0.012 0.010 0.010 0.010 焊盘间距 /英寸 0.008 0.008 0.008 0.008 线间距/英寸 0.008 0.008 0.006 0.006 线-焊盘间距 /英寸 0.006 0.006 0.007 0.005 环形

7、图 */ 英寸 0.005 0.005 0.005 0.006 功能 0.012/0.10 0.008/0.008 0.006/0.006 0.005/0.005 20 首先介绍一下常用的三种模板制作方法： 化学蚀刻、激光切割、电铸成型。化学蚀刻的模板开口呈碗状, 焊膏的释放性能不好，并且开口极易堵塞，所以要经常清洗，改种模板的精度也比较低，通常用于元件间 距大干20miI 的情况下，但是其成本比激光切割和电铸成型都要低；激光切割模板是用激光切割而成，开 口上下自然呈梯形，有利于焊膏的释放，但是其孔壁没有电铸成型的模板光滑，推荐用于元件间距低于 mil 的情况其价格介于化学蚀刻和电铸成型之间：

8、 电铸成型的模板开口也是呈梯形， 有理与焊膏的释放， 壁光滑极利于焊膏的释放， 通常用于细间距和超细间距的印刷， 有着良好的耐磨性和使用寿命， 价格在三 种中最贵，制作周期较长。这种模板比较适合于 0201 元件。下面是三种模板的示意图。 焊膏、模板、印刷设备参数。在这里我们主要讨论以下 0201 的使用对模板设计的影响。 孔 20 冏左 比戸认盍I嘴唏型人尸 貳創n航吐fosot丈模板中有两个重要的参数就是开口的面积比率和宽厚比 （见下图）一般的要求为宽厚比1.5，面积比0. 0201 元件对制造工艺的影响 -3 对于 0201 元件，由于焊盘的尺寸减小了，所以模板的开口面积也减小了。这导致

9、了面积比率的减小。对于 0201 元件的模板设计的时候，有一点非常重要的问题要注意，就是，对于激光切割模板来说其面积比率要 大于 0.65；对于电铸模板来说其面积比率要大于 0.6。稍后我们会讨论一下为什么激光切割的模板的面积比 率要大于电铸模板的。这里我们有一个图来显示焊膏的释放体积百分比和面积比率之间的关系。 国G坪厂忙取萍秋戸”匸赛】钟比坛7 TH戻斉 从这个图中我们可以看到， 当面积比率大于 0.7 的时候焊膏释放体积的百分比也高于 80%，而当面积比 率低于 0.5 的时候，释放百分比也低于 60%。在 0.5-0.7 的面积比率之间，其释放百分比在 60-80%之间。 这些数据是从

10、电铸模板上得来的。在面积比率低于 0.6 的时候，我们可以看到体积比率开的偏差开始较快 增长。岀现这个问题的原因是，在这个时候开始岀现了更多的部分堵塞或者全部堵塞的开口。由于被堵塞 的开口越来越多，这样也导致了随着面积比率的减小， 0201 组件中的缺陷情况越来越多。下面的一个图显 示了使用电铸模板的 0201 元件印刷的 缺陷数目和面积比率的关系。（见图 7） 65 曲机Lt耶 图？鉀舀数目和面积比率的关系 从上面的图中可以看到，当面积比率大于 0.65 的时候，缺陷的数目在 0.625 附近开始增长。在大概 0.56 5 的面积比率的时候，缺陷的数目开始大幅度增长。 另外一个在 0201

11、生产工艺中的问题就是模板种类的选择问题，也就是选择电铸模板还是激光切割模板。 激光切割的模板是通过激光钻孔，然后再经过电抛光把孔壁上的粗糙部分去除。电铸模板则是通过成型技 术制造，通过这种技术，可以产生非常光滑的孔壁，这将十分有利于焊膏的释放。现在对于电铸模板的主 要问题是它的成本要比激光切割模板高 2-3 陪。从两种模板在 0201 元件的印刷的试验中可以发晚，电铸模 板印刷焊膏的量要高于激光切割模板。 电铸模板的释放比率一般在 85%左右，而激光切割模吸的在 70-75% 之间。在试验中我们发现，是用激光切割模板时岀现的缺陷的数目要比电铸模板的高。所以，综合各个方 面的影响，在生产中，如果

12、条件允许，应该优先选用，电铸模板。在 0201 元件的工艺中，推荐使用电铸模 板。 2、0201 元件对贴片设备的影响 在整个 0201 工艺中贴装可以认为是最重要的一环。因为贴装系统从供料系统吸取 0201 元件，视觉只别 和准确地贴装元件，在设定这个过程中必须小心。基本上， 0201 贴装过程涉及四个分开的动作： A. 首先从送料器吸取元件。最常见的， 0201 无票元件包装在纸带上，8mm 宽纸带上的凹坑装纳元件。 当设定吸取过程时，必须注意到细节。因为 0201 只是自从 1999 年才作为 SMTI 艺的元件，生产元件和送 料带的误差问题仍然存在。虽然在带上似乎包装得紧密，在微米级，

13、但是实际上相当松散。使用几乎与元 件一样大的吸嘴，误吸的机会可能高。因为这个理由，吸嘴通常制造得比元件稍微大一点。 B. 旦吸取到元件，真空检查决定元件的存在或不存在。这是检查的一个重要方面，因为如果元件不 存在，贴装头必须处理掉无吸的 0201 或再吸取元件。吸取错误一般不直接影响实际的过程， 但会影响总的 处理时间和产量。现时的研究也评估了带与盘 (tape-and-reel)、Surf tape 和最后的散装盒(bulk-case)送料的区 别。 0201 元件对制造工艺的影响-4 C .一旦通过真空检查确认元件的存在，视觉系统将元件定位到电路板。高级的视觉系统可完成元件的外 形测量或识

14、别两个元件端。为了做到这一点，视觉系统决定是否元件附着在吸嘴上不正确或是否超岀可靠 的元件与贴装所要求的公差。如果元件超岀公差，则被放弃，重新吸取。 D. 最后步骤是将 0201 贴装到焊盘的焊锡内。虽然这个过程必须快速完成，但也必须准确，以保证元件 完全贴放在各个焊盘上。如果元件贴放不准确，诸如墓碑或相邻元件之间的锡桥等缺陷机会相应地增加。 当考虑使用 0201 元件设计电路板的最小元件间距的时候， 贴装系统的精度也应该考虑。下面的图中表示在 贴装精度的基础上，应该使用的最小间距。例如，如果贴装系统的精度为口 45 口 m,那么应该设定大约 9 0 口 m 的最小间距。 - 贴装力与速度也是

15、重要的贴装过程方面。因为每台机器都不同，必须定岀特性，保证速度够快以保持焊 锡不从锡膏砖溅岀，使用的力不至于将元件过分压入锡膏。如果使用太大的力或太高的速度，会增加焊锡 球或元件偏移的可能性。 贴装课题评估速度、力量和降低限制。通常，速度和力是依赖机器的，但对精度，焊锡熔湿与自我定位 力等物理现象是不依赖机器的，因此平台与平台之间都是一致的。数据显示，如果使用较早前所提及的焊 盘设计，长度方向的贴装偏移将比宽度方向的偏移允许更多的自我定位。长度方向过多的偏移产生比宽度 方向更多的缺陷。回流焊接之后的元件偏移是宽度方向偏移引起的较常见的缺陷。 0201 的贴片设备对整个生产还有另外一个重要的影响

16、，那就是成本问题。一台贴片设备也许具有贴装 0 201 的能力，但是该设备的一些子系统，如检测系统 （包括摄像头和视觉分辨装置）、吸嘴、真空装置、供料 器等等，并不满足所需的精度要求。因此，无论是购买新的贴片设备还是升级现有的贴片设备，都要有一 个较大的资金投入。 增加的贴片设备所投入的成本对 0201 制程的影响可分为资金方面、消耗方面和资源方面。第一，资金 方面的影响包括新设备的采购，旧设备的升级；第二，消耗方面的影响包括吸嘴，敏感耐用元件的增加, 过滤器，润滑油等等；资源方面的影响指的是设备预防性的维护，制程工艺开发，问题的解决以及额外的 技术支持。 3、0201 元件对再流焊工艺的影响

17、 再流焊是一个重要的工艺过程，因为通常这是一个发现问题的地方。因为前面的工序，如 PCB、模板设 计、焊膏印刷、元件贴装等，在这些工序中产生的潜在问题，都会在再流焊之后表现岀来。比较常见的有 桥接、立碑、元件滑移、少锡、多锡等等。当然，再流焊本身的一些工艺参数也会引起这些缺陷。比如， 焊接曲线的设计不合理。在焊接 0603 以下的元件时最容易出现的问题就是元件的位移 （包括立碑、错位、 滑移等），这个问题也是在焊接 0201 元件时最常见的问题。岀现这种问题的原因是，这些元件的重量比较 小，当进行焊接时，如果元件两端焊料熔化后所产生的表面张力不相等，则会引起元件本身受力不平衡， 于是元件便会翘

18、起或错位，就产生了位移现象。这个问题对于 0201 尤为明显，因为其重量仅为 0402 元件 的 1 / 4，大概只有 1 0-3 次方的数量级。 0201 元件对制造工艺的影响-5 我们在这里主要讨论以下在 0201 元件的再流焊接中立碑问题产生原因以及解决方法。 A.焊盘的设计和布局不合理 r. 1 .匚 * A. rite B d J. a J J ai a f # a a n ii n a nr i 图 9 0201 焊盘设计优化 对于一般设计的焊盘，如果将焊盘的宽度适当增加，即图中的 W 和 W，则可以减少使元件发生竖立的 纵向表面张力。这样可以减少 0201 元件的立碑现象。 而在

19、元件的布局方面，应该尽量使用如下图中元件 1 的布局方向。因为当 PCB 板以图示方向进入炉中时 元件 2 的 B 端比 A 端要先进入炉内，因此 B 端的温度始终都比 A 端高，因此其温度也比 A 端先到达焊料 熔点。这时候，元件 2 的 A、B 两端的受力便会不平衡， A 端便会立起，产生立碑现象。而元件 1 就不会 岀现这种问题. B.焊膏及其印刷的影响 焊膏方面的原因主要是其活性不够和粘性不够，因此焊料熔化后两边的张力也不等。有印刷产生的原因 主要是印刷后两边焊盘的焊膏的量不等。焊膏量多的一边因吸热量多，熔化时间滞后，导致表面张力不等 印刷所产生的影响的解决方法是改善印刷参数，选择适当

20、的印刷速度、压力等。还要选择适当的模板的 面积比率和模板厚度. C .元件和焊盘的可焊性 元件或者焊盘的可焊性差，是指元件或者焊盘对熔化焊料的浸润性不好。原因是，元件或者焊盘被氧化 或者不洁净。 D.贴片造成的影响 贴片所造成的立碑的影响主要是由元件在 Z 轴方向受力不均匀所导致的，如下图所示 由于在 Z 轴方向受力不均匀，导致元件浸入到焊膏中的深浅不一，焊膏熔化后受力就会不均匀 ffill元件在2轴方向曼力不均匀 E. 温度曲线不合适 用大的预热斜度处理 0201 元件可能增加立碑的机会，因为 0201 元件本身的重量十分的轻。较大的升温 的坡度可能引起元件一端的锡膏稍微比另一端回流快。 如

21、果元件一边首先回流，不平衡力将作用在元件上, 由于表面张力，在首先回流焊盘的方向上立起元件。 F. N2 再流焊中氧气的浓度 采用氮气保护的再流焊会增加材料的润湿力。但含氧量过低比较容易造成立碑现象。一般应保持氧气的 含量在 100 X 10-6 左右为宜. 4、小结 随着 0201 元件的逐步的广泛使用，每一个制造商都会将面对使用 0201 元件所带来的问题。在 0201 元 件所带来的影响中，除了设计方面的影口向外 （包括 PCB 设计、模板设计等 ） ，其他在工艺方面出现的问题 更其他的元件，如 0402，基本上差不多，解决方法也都类似。另外，有些工艺方面出现的问题是由设计方 面引起的。 所以在分析 0201 生产中的缺陷的时候，首先关注的应该是设计方面的因素。 如果设计方面没有 出现什么问题，则在对生产工艺参数进行调整，如印刷参数，贴片参数，再流参数等等。不过调整的时候， 每次只能改变一个参数， 这样才可以清楚的知道缺陷是由哪一个或者哪几个参数引起的。 另外， 在 0201 的 生产工艺中，成本的考虑是非常重要的，包括 0201 元件本身和贴片设备、检测设备等 .