超小型足印的無(wú)源元件技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用解決方案

參數(shù)、工藝限制和設(shè)計(jì)指引一起創(chuàng)造一個(gè)成功的工藝窗口和電路板設(shè)計(jì)定位。

超小型足?。╢ootprint）的無(wú)源元件，如0201元件，是電子工業(yè)的熱門(mén)話題。這些元件順應(yīng)高輸入/輸出（I/O）元件而存在，如芯片規(guī)模包裝（CSP）和倒裝芯片（flip chip）技術(shù)，它們是電子包裝小型化的需要。圖一把一個(gè)0201的尺寸與一個(gè)0805、0603、一只螞蟻和一根火柴棒進(jìn)行比較。0.02 x 0.01“ 的尺寸使得這些元件當(dāng)與其它技術(shù)結(jié)合使用的時(shí)候，對(duì)高密度的包裝是理想的。本文將對(duì)已經(jīng)發(fā)表的文章或著作作廣泛的回顧，突出電路板設(shè)計(jì)的指引方面，和定義印刷、貼裝和回流的工藝窗口。本文也包括為了產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的工藝窗口和電路板設(shè)計(jì)而對(duì)電路板設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝限制和工藝指引所作的調(diào)查課題。對(duì)課題各方面進(jìn)行討論和給出試驗(yàn)性的數(shù)據(jù)，但由于該課題正在進(jìn)行中，最后的數(shù)據(jù)編輯還有待發(fā)表。

驅(qū)動(dòng)力

受到攜帶微型電話、傳呼機(jī)和個(gè)人輔助用品的人的數(shù)量增加的驅(qū)動(dòng)，消費(fèi)電子工業(yè)近來(lái)非常火爆。變得更小、更快和更便宜的需要驅(qū)動(dòng)著一個(gè)永不停止的提高微型化的研究技術(shù)的需求。大多數(shù)微型電話有關(guān)的制造商把0201實(shí)施到其最新的設(shè)計(jì)中，在不久的將來(lái)，其它工業(yè)領(lǐng)域也將采用該技術(shù)。在汽車(chē)工業(yè)的無(wú)線通信產(chǎn)品在全球定位系統(tǒng)（GPS, global positioning systems）、傳感器和通信器材中使用0201技術(shù)。另外，公司在多芯片模塊（MCM, multi-chip module）中使用0201技術(shù)，以減少總體的包裝尺寸。和這些MCM元件一起，0201技術(shù)已經(jīng)更靠近半導(dǎo)體工業(yè)，因其直接與裸芯片包裝，鑄模在二級(jí)電路板裝配的包裝內(nèi)。必須完成許多研究，以定義出焊盤(pán)設(shè)計(jì)和印刷、貼裝、回流的工藝窗口，從而在全面實(shí)施0201之前達(dá)到高的第一次通過(guò)合格率和高的產(chǎn)量。

電路板設(shè)計(jì)指引

已經(jīng)有幾個(gè)對(duì)采用0201無(wú)源元件的電路板設(shè)計(jì)指引的研究。大部分通過(guò)變化焊盤(pán)尺寸、焊盤(pán)幾何形狀、焊盤(pán)對(duì)焊盤(pán)間距和片狀元件與元件的間距，來(lái)觀察設(shè)計(jì)。重要的設(shè)計(jì)方面包括缺陷最小化和增加元件密度，同時(shí)收縮整個(gè)印刷電路板的尺寸。以下是可能受焊盤(pán)設(shè)計(jì)所影響的主要缺陷：

墓碑（Tombstoning） 該缺陷的發(fā)生是當(dāng)元件由于回流期間產(chǎn)生的力而在一端上面自己升起的時(shí)候。通常，墓碑發(fā)生是由于元件貼裝在相應(yīng)的焊盤(pán)上不平衡，一端的焊錫表面能量大于另一端。表面能量的不平衡引起一端的扭矩更大，將另一端拉起并脫落焊盤(pán)。小于0603的元件比較大的無(wú)源元件更容易形成墓碑。對(duì)0402和0201元件，焊盤(pán)設(shè)計(jì)可減少或甚至防止墓碑。焊盤(pán)橫向延長(zhǎng)，縱向減少可減少引起墓碑的縱向力?；亓鬟^(guò)程也會(huì)影響墓碑缺陷。如果升溫坡度太大，元件的前端進(jìn)入回流區(qū)可能在另一端之前熔化，將元件立起。

焊錫結(jié)珠（Solder beading） 焊錫球數(shù)量是一個(gè)過(guò)程指標(biāo)，由于焊錫膏中使用的助焊劑而附著于無(wú)源元件，通常位于元件身體上。焊錫珠，當(dāng)使用免洗焊錫膏時(shí)由于助焊劑殘留和缺少其它錫膏類(lèi)型通常使用的清洗步驟，是常見(jiàn)的，它表示過(guò)程已經(jīng)偏出了工藝窗口。通常，結(jié)珠的發(fā)生是由于焊盤(pán)太靠近一起，過(guò)大的焊盤(pán)和過(guò)多的錫膏印在單個(gè)焊盤(pán)上。以高速貼裝0201無(wú)源元件可能引起錫膏濺出錫膏”磚“.這些濺出的錫膏在元件周?chē)亓?，引起錫球，在IPC 610 中定義為缺陷。這是超小無(wú)源元件上最常見(jiàn)的缺陷。如上所述，設(shè)計(jì)指引可以用來(lái)控制這些類(lèi)型的缺陷，以及理解工藝窗口。有人推薦，0201焊盤(pán)設(shè)計(jì)來(lái)限制錫膏在元件長(zhǎng)邊上的接觸角，而延長(zhǎng)焊盤(pán)的橫向尺寸，允許更大的接觸角1,2,3.與這種焊盤(pán)設(shè)計(jì)相關(guān)的力將趨向于作用在元件側(cè)面，允許更多的自己對(duì)中，而減少引起”墓碑“的力。

焊盤(pán)間隔也可能控制焊錫球化缺陷。研究表明，焊盤(pán)中心對(duì)中心應(yīng)該在0.020~0.022”之間，邊對(duì)邊的間隔大約為0.008~0.010“.焊盤(pán)設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到貼裝工具的精度。另有研究表明，對(duì)于無(wú)源元件，沿縱向軸的恢復(fù)力比較大，但如果元件貼裝有縱向偏移，那么該元件必須與兩個(gè)焊盤(pán)接觸，保證兩個(gè)不同的力來(lái)自己定位。因此，如果貼裝機(jī)器只有0.006”的精度，貼出0201的偏移太大，那么元件將不會(huì)自己定位。表一列出了推薦用來(lái)減少墓碑和焊錫結(jié)珠的焊盤(pán)尺寸和設(shè)計(jì)。

表一、0201焊盤(pán)設(shè)計(jì)推薦

不幸的是，只有很少的出版數(shù)據(jù)解釋對(duì)于其它電路板設(shè)計(jì)變量，特別是元件對(duì)元件間距的限制，工藝窗口在哪里。元件間距可受各種因素影響，如板的放置和0201元件的貼裝。為了理解設(shè)計(jì)指引的工藝窗口，一項(xiàng)非常廣泛的研究正在進(jìn)行中*.用于該研究的板如圖二所示。設(shè)計(jì)包括各種焊盤(pán)尺寸，元件方向（ 0°， 90°和±45°），元件間距（0.004, 0.005, 0.006, 0.008, 0.010 和 0.012“），連到焊盤(pán)的跡線厚度（0.003, 0.004 和 0.005”）。0201焊盤(pán)名義尺寸為0.012 x 0.013“ ,和變動(dòng) 0, 20 和 30%.焊盤(pán)到焊盤(pán)間隔為0.022”.0201元件分別貼放靠近其它的0201, 0402, 0603, 0805 和 1206,元件間距如上所述。跡線厚度是有變化的，對(duì)0201和0402兩者，都有兩個(gè)焊盤(pán)之一位于地線板上。這是要調(diào)查無(wú)源元件對(duì)吸熱的影響。

印刷

許多存在于印刷先進(jìn)技術(shù)包裝，如CSP、微型BGA和倒裝芯片等，的同樣的問(wèn)題與規(guī)則對(duì)0201元件的印刷是同等重要的。對(duì)那些比其它板上元件小幾倍的開(kāi)孔，使用較厚的模板和相同的錫膏進(jìn)行印刷幾乎是不可能的。有關(guān)0201工藝的普遍提出的問(wèn)題包括模板厚度、開(kāi)孔的尺寸、錫膏類(lèi)型和要求的開(kāi)孔幾何形狀。

現(xiàn)在，了解錫膏如何從不同厚度模板的各種開(kāi)孔尺寸和幾何形狀中釋放的工作正在進(jìn)行中。該課題研究的一個(gè)主要方面就是在決定穩(wěn)定的印刷窗口時(shí)面積比率的重要性。面積比率（area ratio）是開(kāi)孔的橫截面積除以開(kāi)孔壁的面積。較早前的研究表明，在決定穩(wěn)定的工藝窗口時(shí)，面積比率提供了比模板寬度開(kāi)孔減少法（stencil-wide aperture reduction methods），如縱橫比（aspect ratio），高得多的精度。該研究得出了大約0.6和更高的面積比可以沉淀錫膏的體積很接近開(kāi)孔的總體積。

從進(jìn)行中研究的試驗(yàn)性絲印數(shù)據(jù)顯示，0.005“的模板，0.49的面積比率的0.096 x 0.0104” 的焊盤(pán)，對(duì)第四類(lèi)型的Sn/Pb錫膏的釋放性能很差?？墒牵?.56面積比的0.0108“ x 0.0117” 的開(kāi)口尺寸提供比較好的錫膏量和釋放性能。而現(xiàn)在很少有發(fā)表的有關(guān)0201的絲印過(guò)程的數(shù)據(jù)，存在的東西都是模糊的，只說(shuō)模板越薄越好，第四類(lèi)錫膏（比第三類(lèi)顆粒?。?duì)錫膏釋放的表現(xiàn)較好。可是，由于第四類(lèi)比第三類(lèi)更稀，使用第四類(lèi)對(duì)印刷其它的SMT元件可能不行，因?yàn)椴牧纤洹Ｔ撗芯渴怯脕?lái)理解印刷參數(shù)、模板參數(shù)和錫膏有關(guān)變量的影響。用于絲印過(guò)程的變量在表二中列出。

表二、DOE Variables for Screeening Study

理解和比較諸如錫膏沉積量和焊錫結(jié)珠缺陷的變量，要求許多貼裝和反復(fù)過(guò)程。理解對(duì)于可能小如0.010“開(kāi)口，錫膏如何表現(xiàn)，在控制和實(shí)施0201印刷工藝時(shí)是很重要的。

貼裝

在整個(gè)0201工藝中貼裝可以認(rèn)為是最重要的一環(huán)。因?yàn)橘N裝系統(tǒng)從供料系統(tǒng)吸取0201元件，視覺(jué)識(shí)別和準(zhǔn)確地貼裝元件，在設(shè)定這個(gè)過(guò)程中必須小心。基本上，0201貼裝過(guò)程涉及四個(gè)分開(kāi)的運(yùn)作：

首先從送料器吸取元件。最常見(jiàn)的，0201無(wú)源元件包裝在紙帶上，8mm寬紙帶上的凹坑裝納元件。圖三詳細(xì)地表示出元件是怎樣從紙帶吸取的。當(dāng)設(shè)定吸取過(guò)程時(shí)，必須注意到細(xì)節(jié)。因?yàn)?201只是自從1999年才作為SMT工藝的元件，生產(chǎn)元件和送料帶的誤差問(wèn)題仍然存在。雖然在帶上似乎包裝得緊密，在微米級(jí)，但是實(shí)際上相當(dāng)松散。使用幾乎與元件一樣大的吸嘴，誤吸的機(jī)會(huì)可能高。因?yàn)檫@個(gè)理由，吸嘴通常制造得比元件稍微大一點(diǎn)。

一旦吸取到元件，真空檢查決定元件的存在或不存在。這是檢查的一個(gè)重要方面，因?yàn)槿绻淮嬖冢N裝頭必須處理掉無(wú)吸的0201或再吸取元件。吸取錯(cuò)誤一般不直接影響實(shí)際的過(guò)程，但會(huì)影響總的處理時(shí)間和產(chǎn)量。現(xiàn)時(shí)的研究也評(píng)估了帶與盤(pán)（tape-and-reel）、Surf tape和最后的散裝盒（bulk-case）送料的區(qū)別。

一旦通過(guò)真空檢查確認(rèn)元件的存在，視覺(jué)系統(tǒng)將元件定位到電路板。高級(jí)的視覺(jué)系統(tǒng)可完成元件的外形測(cè)量或識(shí)別兩個(gè)元件端。為了做到這一點(diǎn)，視覺(jué)系統(tǒng)決定是否元件附著在吸嘴上不正確或是否超出可靠的元件與貼裝所要求的公差。如果元件超出公差，則被放棄。

最后步驟是將0201貼裝到焊盤(pán)的焊錫內(nèi)。雖然這個(gè)過(guò)程必須快速完成，但也必須準(zhǔn)確，以保證元件完全貼放在各個(gè)焊盤(pán)上。如果元件貼放不準(zhǔn)確，諸如墓碑或相鄰元件之間的錫橋等缺陷機(jī)會(huì)戲劇性地增加。當(dāng)考慮使用0201元件設(shè)計(jì)電路板的最小元件間距的時(shí)候，貼裝系統(tǒng)的精度也應(yīng)該考慮。圖四表示在貼裝精度的基礎(chǔ)上，應(yīng)該使用的最小間距。例如，如果貼裝系統(tǒng)的精度為±45μm,那么應(yīng)該設(shè)定大約90μm的最小間距。

貼裝力與速度也是重要的貼裝過(guò)程方面。因?yàn)槊颗_(tái)機(jī)器都不同，必須定出特性，保證速度夠快以保持焊錫不從錫膏磚濺出，使用的力不至于將元件過(guò)分壓入錫膏。如果使用太大的力或太高的速度，會(huì)增加焊錫球或元件偏移的可能性。

貼裝課題評(píng)估速度、力量和降低限制。通常，速度和力是依賴機(jī)器的，但對(duì)精度，焊錫熔濕與自我定位力等物理現(xiàn)象是不依賴機(jī)器的，因此平臺(tái)與平臺(tái)之間都是一致的。數(shù)據(jù)顯示，如果使用較早前所提及的焊盤(pán)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度方向的貼裝偏移將比寬度方向的偏移允許更多的自我定位。長(zhǎng)度方向過(guò)多的偏移產(chǎn)生比寬度方向更多的缺陷?；亓骱附又蟮脑剖菍挾确较蚱埔鸬妮^常見(jiàn)的缺陷。

回流焊接

回流0201元件與回流稍微較大的0402沒(méi)有大的差別；可是必須注意0201回流過(guò)程使用的溫升率。用大的預(yù)熱斜度處理0201元件可能增加墓碑的機(jī)會(huì)。大于每分鐘2°C的坡度可能引起元件一端的錫膏稍微比另一端回流快。如果元件一邊首先回流，不平衡力將作用在元件上，由于表面張力，在首先回流焊盤(pán)的方向上立起元件。

回流過(guò)程的另一方面是空氣與氮?dú)獾氖褂谩?a href="http://ttokpm.com/soft/special/" target="_blank">資料顯示使用空氣可減少大多數(shù)缺陷4,5.因?yàn)楹稿a在氮?dú)庵斜仍诳諝庵腥蹪褫^好，使用空氣環(huán)境減少熔濕，允許時(shí)間將元件兩頭熔濕更一致。研究采用的變量如表三所示，在三個(gè)級(jí)別上參數(shù)的變化，以理解其對(duì)焊接點(diǎn)質(zhì)量和其它過(guò)程有關(guān)缺陷的影響。

表三、Reflow DOE Variables

結(jié)論

完全地理解0201過(guò)程是不可能的。在未來(lái)幾年內(nèi)，將會(huì)進(jìn)行無(wú)數(shù)的研究，帶著理解所有可能的過(guò)程和設(shè)計(jì)因素的目標(biāo)，來(lái)考察0201過(guò)程。因?yàn)槊總€(gè)過(guò)程單元有如此之甚的變量依賴于其它因素，很難找到一個(gè)滿足所有可能的過(guò)程問(wèn)題的答案。隨著SMT的進(jìn)步，新的技術(shù)改革將要求通過(guò)研究去找到工藝窗口和適當(dāng)?shù)碾娐钒逶O(shè)計(jì)。