優(yōu)化PCB的設(shè)計(jì)，提高0201元件組裝的成品率

由于用戶產(chǎn)品小型化的需要，對(duì)0201元件的需求將與日俱增。本文重點(diǎn)介紹0201元件的PCB設(shè)計(jì)要求，包括0201元件焊盤的設(shè)計(jì)，以及0201元件之間或者0201元件和其它元件之間的最小間距設(shè)計(jì)。使用了兩種試驗(yàn)方案，和三次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），對(duì)有關(guān)焊盤和焊盤間距設(shè)計(jì)方面進(jìn)行系統(tǒng)化研究， 0201元件焊盤設(shè)計(jì)的目的就是對(duì)現(xiàn)有貼裝過程能力的評(píng)估，確定關(guān)鍵性程序參數(shù)和最終建立0201元件貼裝工藝的文件。

關(guān)鍵參數(shù)

為確定0201焊盤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，需要進(jìn)行兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)：其一是焊盤尺寸的確定，其二是對(duì)焊盤間距的確定。試驗(yàn)是在優(yōu)化貼片和回流焊接工藝參數(shù)并根據(jù)回流后不良焊點(diǎn)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。試驗(yàn)一是焊盤設(shè)計(jì)，它的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是用不同的貼片和回流焊設(shè)備工作時(shí)的缺陷率為最小，焊接強(qiáng)度最高。試驗(yàn)二的重點(diǎn)是四種不同類型的貼片機(jī)和對(duì)同一種焊盤印刷焊膏后貼片過程的評(píng)估。這兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)確定工藝過程裝備有 關(guān)鍵性作用。

試驗(yàn)一：焊盤尺寸的確定

試驗(yàn)方案：在設(shè)備和元件供應(yīng)商提供的焊盤設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)包括矩形、圓形、木壘型的18種焊盤。

材料和工具：在試驗(yàn)中所使用的免清洗焊膏，其粒徑為25μm-38μm，金屬含量（重量）為90.25％，元件為一種0201電阻。

模板采用激光切割法制造，并進(jìn)行拋光處理。在這種模板上進(jìn)行各種型號(hào)的焊盤設(shè)計(jì)，模板窗口形狀與焊盤相同，大小分別為焊盤的80％、100％和120％，錫膏漏印面積比在0.33至0.94之間。印刷機(jī)和貼片機(jī)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前都已經(jīng)校準(zhǔn)且處于最佳的工作狀態(tài)。焊盤尺寸是根據(jù)模板的印刷性和印刷圖形缺陷設(shè)定的。對(duì)于可接受的印刷質(zhì)量來說，其0.6的面積比是最小比，對(duì)于0201焊盤的焊膏圖形不應(yīng)超過焊盤面積，而4號(hào)焊盤是小倒角型的焊盤設(shè)計(jì)，由于印刷性差而被排除使用。

在這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，經(jīng)修正含有NSMD的1號(hào)、3號(hào)和6號(hào)大小的焊盤設(shè)計(jì)被選用，并作為設(shè)計(jì)規(guī)范。

試驗(yàn)二：焊盤間距的確定

試驗(yàn)方案：該方案是為了對(duì)0201元件的貼片工藝進(jìn)行評(píng)估而設(shè)計(jì)的：一塊表面鍍有鎳/金的6層FR4拼板，面積為5×7in，它由4塊試驗(yàn)板拼成，?*槭匝榘宓拿婊??.5×1.4in。在這塊試驗(yàn)板上總共設(shè)計(jì)有13，000個(gè)0201元件焊盤、100個(gè)0805元件焊盤、4個(gè)SOIC8器件焊盤和兩?鯟SP器件焊盤。板A、B和板D是為0201和0201元件之間的間距試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的，板C是為試驗(yàn)0201和CSP?

OIC和0805等其它元件之間的間距而設(shè)計(jì)的。

在板A上，有四個(gè)試驗(yàn)組，每個(gè)試驗(yàn)組代表0201元件之間的間距分別為0.20毫米、0.15毫米、0.125毫米和0.10毫米。每個(gè)試驗(yàn)組由4個(gè)試驗(yàn)單元組成，每個(gè)試驗(yàn)單元有250個(gè)0201元件焊盤。這四個(gè)試驗(yàn)單元的區(qū)分在于元件方向和焊盤確定方法的不同（SMD或NSMD）。在每個(gè)試驗(yàn)組中，總共有1010個(gè)0201元件焊盤，其中包括250個(gè)垂直方向設(shè)計(jì)SMD焊盤、255個(gè)水平方向設(shè)計(jì)的SMD焊盤、250個(gè)垂直方向設(shè)計(jì)的NSMD的焊盤和255個(gè)水平方向設(shè)計(jì)的NSMD焊盤。因此，在A板上，總共設(shè)計(jì)了4000多個(gè)0201元件焊盤。

在板B和板D上，除每個(gè)試驗(yàn)組的位置不同外，設(shè)計(jì)方法如同板A。

有關(guān)0201元件尺寸和焊盤尺寸如圖1所示。0201焊盤和0201元件的外部尺寸是一樣的，這種焊盤設(shè)計(jì)使得貼片機(jī)能夠盡可能高密度地貼裝0201元件。

材料和工具：在試驗(yàn)一中所使用的免清洗焊膏，同樣也在試驗(yàn)二中使用。要等量使用一種型號(hào)的0201電阻和另一種型號(hào)的0201電容器。

實(shí)驗(yàn)步驟：共分3個(gè)步驟：第一步，用最優(yōu)化的印刷機(jī)印刷出三塊PCB；焊膏印刷后，把測(cè)試板1用作試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集；然后用最優(yōu)化的貼片機(jī)對(duì)測(cè)試板2和測(cè)試板3進(jìn)行貼片，貼片后，把測(cè)試板2用作試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集；然后把測(cè)試板3放入回流焊爐中回流，爐溫調(diào)至最優(yōu)化；回流后在測(cè)試板3上進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集。在第二步、第三步中，重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn)步驟。

在以上的試驗(yàn)中，貼片不良焊點(diǎn)率為200ppm，并有90％的置信度。

貼裝：在每個(gè)試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備用的印刷機(jī)和貼片機(jī)應(yīng)該事先校準(zhǔn)，并使其工作參

數(shù)最優(yōu)化。另外，通過實(shí)際貼片數(shù)據(jù)和原始CAD數(shù)據(jù)的比較，對(duì)每臺(tái)貼片機(jī)的貼片精度進(jìn)行測(cè)試。貼片機(jī)的X,Y,Z 軸方向的CpK必須等于或者大于1.30時(shí)，才能確認(rèn)為適用于上述實(shí)驗(yàn)。

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)評(píng)估：對(duì)貼片機(jī)貼裝偏差的測(cè)量，是由測(cè)量貼片機(jī)的重復(fù)精度和重復(fù)能力?℅PR）來進(jìn)行的評(píng)估，用于此項(xiàng)研究的貼片機(jī)GPR值應(yīng)低于30％，才能適用于實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)果

印刷河∷⒑螅??惺泳跫觳獠⒓右約鍬?。通常会臭溨两?jǐn)S嘈偷娜畢藎郝┯『父嗪禿?膏量不足（焊膏量少于50％）。在最優(yōu)化的印刷條件下，每個(gè)焊盤位置上的錫膏印刷過程應(yīng)該達(dá)到近似相同的缺陷水平。

貼片：在貼片過程中，每臺(tái)機(jī)械的貼片率都一一收集。貼片后，通過坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)?*镻CB上的X和Y放置精度進(jìn)行測(cè)量，所有的CmK數(shù)據(jù)比CpK的數(shù)據(jù)要高出許多。由于CpK是從放置在焊膏上的元件中測(cè)量的，它反映的就是貼片機(jī)真正的加工能力。所有的CpK數(shù)據(jù)應(yīng)高于1.00，貼片率應(yīng)在99.8％以上。

在貼片機(jī)A上沒有發(fā)現(xiàn)丟失的元件，而在貼片機(jī)D上發(fā)現(xiàn)了很多的丟失元件。原因可能是貼片機(jī)A有壓力控制系統(tǒng)，在每次放置時(shí)可以控制元件和焊膏的距離，而其它貼片機(jī)只能控制最大的壓力或者是貼裝高度。貼片機(jī)D對(duì)元件的厚度不能進(jìn)行檢測(cè)；因此，盡管機(jī)器拾取了元件，但只是按照元件的原樣進(jìn)行放置。

電容器和電阻器：電容器在X和Y方向的CpK都要高于電阻器的CpK，原因很可能歸咎于兩者尺寸精確度的不同。0201電容器的外形尺寸比0201電阻器的外形尺寸更精確，因此盡管使用了相同的貼片條件，由于元件尺寸的改變而導(dǎo)致元件測(cè)量位置的不同。

0201元件間的間距：對(duì)0201元件貼片精度CpK的計(jì)算是由不同的元件間距所決定的。從每條安裝線上所得出的CpK數(shù)據(jù)表明，在元件間距和放置精度CpK之間沒有明顯的聯(lián)系，即使0201元件間的間距在4-mil以下?；亓骱福簩?duì)于不同間距的元件，在回流焊之后焊接缺陷有橋接、未對(duì)準(zhǔn)、形成焊球、丟失元件等。

除了焊球，橋接和元件貼歪是主要的缺陷，焊盤設(shè)計(jì)的外部尺寸與0201元件相同，間距為0.2mm時(shí)，不良焊點(diǎn)率要低于1000ppm；一旦間距小于0.2mm，不良焊點(diǎn)率很快增加，特別是

在SMD焊盤上的不良焊點(diǎn)率。由于橋接是0201元件貼片的主要缺陷，當(dāng)元件相互接近時(shí)，模板設(shè)計(jì)將是貼裝小間距元件的最關(guān)鍵因素。

優(yōu)化后的試驗(yàn)試驗(yàn)方案：優(yōu)化后的0201方案設(shè)計(jì)是建立在試驗(yàn)一和試驗(yàn)二結(jié)果上的。在這個(gè)試驗(yàn)中使用了兩種焊盤設(shè)計(jì)，焊盤間距也分為三種。焊盤U是根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一中的NSMD1號(hào)尺寸焊盤經(jīng)過修改后設(shè)計(jì)而成的，共有1800個(gè)元件；焊盤H是NSMD6號(hào)尺寸的焊盤修改而成，也有1800個(gè)元件。

試驗(yàn)：在這種條件試驗(yàn)中，使用的焊膏為免清洗的焊膏（粒徑為25μm-45μm），所使用的模板是厚度為5mil的電鑄型模板，窗口與焊盤尺寸的比率為1:1；焊膏漏印量為理論值的70%。使用的原件為兩種型號(hào)的0201電容器和兩種型號(hào)的電阻器；試驗(yàn)中選用的貼片機(jī)類型與試驗(yàn)二B位置上所使用的貼片機(jī)是相同的。試驗(yàn)板總數(shù)為38塊，可貼裝22,800個(gè)元件，且其元件焊盤間距可設(shè)定為不同的尺寸。

對(duì)于經(jīng)過回流焊后的焊盤U和焊盤H，其回流焊后，不良焊點(diǎn)率（ppm）分別如圖2和圖3中所列。因?yàn)闃蚪拥年P(guān)系，6-mil焊盤間距表現(xiàn)出最高的不良焊點(diǎn)率。