如何準(zhǔn)確地貼裝0201片狀元件

如何準(zhǔn)確地貼裝0201片狀元件

業(yè)界所面臨的現(xiàn)實(shí)是零件變得越來越小。例如，0201片狀電容比0402小75%，在電路板上所占的面積少66%，這些元件在本十年的早期將出現(xiàn)在一些通用的印刷電路板上，而甚至更小的01005片狀元件到2005年將在空間更珍貴的模塊電路板上看到。
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因?yàn)閷?duì)于許多新的產(chǎn)品板的空間是如此珍貴，盡管更小的元件成本更高，但還是會(huì)得到甚至更廣泛的使用。這種新的小型化要求貼裝精度提高但又不降低速度。 　

確認(rèn)所面臨的挑戰(zhàn) 　　
小的元件提出了許多問題。更高的密度 - 這是困擾較小元件的主要原因 - 使得貼裝任務(wù)的難度大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，0201元件通常要求較小的焊盤尺寸來防止焊錫污跡，和接納無焊腳焊接。還有，更小的焊盤意味著更窄的元件間距。雖然這些允許設(shè)計(jì)者取得高度功能化與緊湊的產(chǎn)品所需要的更高密度，但也使情況復(fù)雜化。對(duì)于密度高的PCB，貼裝精度直接影響回流焊接后的裝配缺陷數(shù)量，例如，貼裝偏移會(huì)增加錫橋、錫珠、元件豎立和元件不對(duì)準(zhǔn)焊盤的機(jī)會(huì)。 　

因此，我們需要什么呢？現(xiàn)在，現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)目標(biāo)是達(dá)到99.9%的吸取率，同時(shí)3σ的貼裝精度為±60μm。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，機(jī)器精度變成首要問題。
　　
例如，摩托羅拉的試驗(yàn)表明，在貼裝偏移中小到0.025mm的變化都可能重大地影響缺陷水平。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的焊盤(用十萬個(gè)元件進(jìn)行試驗(yàn))，y<0.075mm, x<0.075mm的貼裝偏移對(duì)缺陷的影響類似于沒有偏移?？墒牵?dāng)偏移增加到<0.1mm時(shí)，缺陷水平上升到超過5000ppm。雖然這個(gè)絕對(duì)距離意味著很小，但是研究表明該工藝留下很少犯錯(cuò)的余地。還有，貼裝操作涉及的不止其本身。它包括吸取的可靠性、準(zhǔn)確的元件視覺識(shí)別和貼裝的可重復(fù)性。事實(shí)上，試驗(yàn)表明0201元件要求99%的吸取可靠性。
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吸取位置公差 　
為了保持生產(chǎn)系統(tǒng)的連貫性，吸嘴必須能夠在所有三個(gè)方向上移動(dòng)，即沿X,Y和Z軸移動(dòng) - 這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)樵谒猩a(chǎn)機(jī)器上Y軸的控制是沒有的?？墒?，為了保持貼裝精度在公差之內(nèi)，Y方向的控制對(duì)于將元件對(duì)中在吸嘴上是必要的(圖一)。自然地，這個(gè)對(duì)中對(duì)于0201比對(duì)其他零件具有更緊的公差。 圖一、Y方向是0201元件貼裝的唯一最重要的軸向糾正
　
由于在三個(gè)軸上的閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋，對(duì)送料器校準(zhǔn)的需要實(shí)際上消除了。沒有三個(gè)軸上的實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋，送料器的校準(zhǔn)是關(guān)鍵的。
　　
研究表明，在Y方向±0.07mm的精度對(duì)于確保成功的0201貼裝是必要的。還有，成功的貼裝要求在X方向±0.1mm的公差，在Z方向±0.1mm，以達(dá)到0.2mm的目標(biāo)值。糾正吸嘴X/Y軸的運(yùn)動(dòng)是保證穩(wěn)定和持續(xù)的元件吸取的關(guān)鍵。 　

在錫膏上的運(yùn)動(dòng) 　
另一個(gè)貼裝問題是在某些條件下，0201不會(huì)停留在其貼裝的位置?？紤]這樣一種情況，試驗(yàn)將0201電容貼裝在印刷錫膏和助焊劑的PCB上，希望得到±0.05mm的受控行程和0.15mm的元件間距。試驗(yàn)已經(jīng)顯示，對(duì)于Y方向3σ的貼裝精度，板上小于0.05mm超程的元件有時(shí)將會(huì)向短邊方向滑行超過60μm。
　
會(huì)發(fā)生什么呢？有趣的是進(jìn)一步調(diào)查顯示當(dāng)元件只是貼裝在助焊劑上時(shí)，元件不會(huì)發(fā)生由于超程的滑移，但是在錫膏上時(shí)會(huì)發(fā)生。結(jié)論：問題在于錫膏的顆粒直徑。為了補(bǔ)償Z軸糾正，機(jī)器必須具有實(shí)時(shí)的反饋機(jī)構(gòu)，測量每個(gè)元件的厚度。
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當(dāng)顆粒大小大于20μm時(shí)，元件偏斜就有可能，因?yàn)轭w粒在焊盤上分布不均。因?yàn)樵N裝時(shí)間是幾毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或運(yùn)動(dòng)。這就是為什么熱風(fēng)焊錫均涂(HASL)的板不適合于0201貼裝，這與0402許可HASL形成對(duì)照。 圖二、當(dāng)元件超程沖擊焊錫顆粒時(shí)，反作用力改變吸嘴的軸向并產(chǎn)生一個(gè)水平的力，產(chǎn)生元件的偏移。

因此，超程降低貼裝精度。它也可能增加高密度貼裝的錫橋，因?yàn)楫?dāng)使用無焊腳焊盤時(shí)，元件會(huì)將錫膏從零件下擠出(圖二)。因此，可以將超程定義為使得元件和PCB之間的間隙小于焊錫顆粒大小，即，貼裝系統(tǒng)必須控制該間隙，將它保持在40-60μm。一個(gè)起作用的因素是板的支撐，沒有支撐元件可能從過高的高度落下或被壓入錫膏中。為了準(zhǔn)確地控制行程，板的支撐系統(tǒng)必須為板的拱形提供足夠的糾正。

需要的改進(jìn) 　　
要取得有效的0201元件的使用，部分的解決方法將在吸嘴的設(shè)計(jì)改進(jìn)中找到。因?yàn)樵侨绱说男?，它們要求吸嘴的設(shè)計(jì)盡量加大真空的接觸表面積，同時(shí)提供一個(gè)不會(huì)干涉高密度布局的外形。另外，吸嘴必須高度耐磨，因?yàn)槠涓g作用會(huì)由于小的接觸面積而惡化。所有這些都必須意識(shí)到如何滿足和處理即將面臨的01005元件的挑戰(zhàn)。
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現(xiàn)在的結(jié)果為0.25mm的間隙提供0.75的節(jié)拍時(shí)間、60μm(3σ)的精度、和99.9%的吸取率。目標(biāo)是要為0.10-0.15mm間隙達(dá)到每個(gè)零件0.075秒的節(jié)拍時(shí)間、40μm(3σ)的精度、和99.9%的吸取率。為0201元件專門開發(fā)的盤帶送料器也應(yīng)該有助于更精確和更快速的元件貼裝。

結(jié)論 　
一個(gè)現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)問題是用0201元件生產(chǎn)的板將比其對(duì)應(yīng)的較大零件更加昂貴。另外，更緊的公差必然需要增加工藝控制、更徹底的預(yù)防性維護(hù)、更多的培訓(xùn)和工藝知識(shí)、和對(duì)報(bào)廢及檢查/修理活動(dòng)的增加的認(rèn)識(shí)。 　　預(yù)防性維護(hù)總是生產(chǎn)的一個(gè)重要部分，現(xiàn)在由于0201貼裝而更加重要。因?yàn)檎`差的公差和可達(dá)性和元件本身一樣小，預(yù)防性維護(hù)是0201生產(chǎn)線比其他元件更加重要的制造成本因素。類似地，似乎0201的使用將要求更頻繁的吸嘴清洗、攝像機(jī)清潔和機(jī)器貼裝的測量與調(diào)整。元件吸取和貼裝的高度將是關(guān)鍵的，對(duì)于初始的元件吸取，送料器軸的調(diào)整是需要的，盡管機(jī)器可以在吸取位置補(bǔ)償元件的偏移。