smt贴片工艺技术

0201装配，从难关到常规贴装
虽然通常认为是相当近期的一项发展，印刷电路板(PCB, printed circuit board)自从五十年代早期就已经有了。

从那时起，对越来越小、越来越轻和越来越快速的电子产品的需求就一直推动着电子元件、PCB和装配设备技术朝着SMT 的方向发展。

对SMT最早的普遍接受是发生在八十年代早期，那时诸如Dynapert MPS-500和FUJI CP-2这些机器进入市场。

在那时，1206(3216)电阻与电容是最流行的贴装元件。

可是在一两年内，1206即让路给0805(2125)作为SMT贴装的最普遍的元件包装。

在这个期间，机器与元件两者都迅速进化。

在机器变得更快更灵活的同时，0603 (1608) 元件开始发展。

在这时，许多装配机器制造商走回研究开放(R&D, research and development)实验室，重新评估用于接纳这些更新、更小元件的设备中的技术。

更高分辨率的相机与更小的真空吸嘴就在这些元件带给装配设备的变化之中。

0402(1608)包装的出现在PCB装配的各方面都产生了进一步的挑战。

在机器发展方面，真空吸嘴变得更小和更脆弱。

新的重点放在元件的送料器(feeder)上面，它作为需要改进的一个单元，为机器更准确地送出零件。

随着0402元件的出现，工艺挑战又增加到那些需要为成功的元件贴装而探讨的问题之中。

锡膏(solder paste)印刷变得更加关键 - 模板(stencil)厚度与锡膏网孔是越来越重要的工艺考虑因素。

这种贴装所需要的技术也涉及重要的新成本。

这些因素的结合造成在电子工业历史中最慢采用的一种新包装形式。

总计，几乎将近五年时间，0402包装才在工业中达到广泛的接受 - 并且在今天还有许多装配工厂从来不贴装一颗0402片状。

现在，进入了0201。

在过去一年半时间里，0201贴装已经是整个工业内讨论的一个关键主题。

由于尺寸、重量和功率消耗的需求，许多OEM电路板装配商需要将甚至更小的元件和技术结合到其产品中去。

合约制造商(CM, contract manufacturer)也必须具备新的技术，以保持装配工艺最新和为客户提供完整的服务范围。

对于机器制造商，其挑战是开发在一个动态的技术变化的时代中更加抵抗陈旧过时的装配设备。

0201贴装的挑战
0201元件的贴装比其前面的元件介入更具挑战性。

主要原因是0201包装大约为相应的0402尺寸的三分之一。

原先可以接受的机器贴装精度马上变成引进0201的一个局限因素。

另外，传统的工业带包装(taping)规格对于可靠的0201贴装允许太多的移动，而工艺控制水平也必须提高，以使得0201贴装成为生产现实。

虽然这些障碍非常大，但它们远不是不可克服的。

当然，它们需要全体的决心，因为对0201贴装所必须的技术获得要求大量的资金和最高管理层对研究开发(R&D)的许诺。

可靠的0201贴装
的关键
在FUJI，进取
的R&D计划已经产生了使所有的电路装配机器以100%速度兼容0201的能力，最低的吸取可靠性为99.90%，目标的吸取可靠性为99.95%，和最低的贴装可靠性为99.99%。

在一开始，设计的每个方面都得到评估其对一个完整的0201方案的能力，还有紧密相关的机器元件参数的单一元素的结合证明对达到成功是关键的。

这些参数包括：
•元件送料器工作台。

R&D计划得出结论，精密定位料车(carriage)工作台的能力- 和作出极小的调整来补偿料带(tape) 的不精确- 是达到元件吸取可靠性高于99.95%的关键因素。

为了达到这个，送料器(feeder)工作台必须精密加工，以保证单个送料器的可重复定位，并且使用双轨线性移动导轨与一个高分辨率半封闭循环的伺服系统相结合。

该设计允许作出很小的调节- 基于由视觉系统判断的吸取精度结果。

这保证元件尽可能地靠近中心吸取。

•元件送料器。

送料器必须制造达到极紧的公差，以保证吸取位置维持可重复性，不管元件高度和大量的可能元件位置的变化。

用于定位和将送料器锁定在位置上的机构必须耐用和精密，还要保持用户友好。

另外，用于制造送料器的材料必须强度高、重量轻，以允许人机工程上的操作，同时保证元件料带(carrier tape)的精密、可重复的送出。

•送料器驱动链轮。

驱动链轮在机器定位元件料带的能力中起关键作用。

驱动链轮轮齿的形状、锥度和长度重大地影响送料器定位料带的能力。

其它因素也作了调查研究，比如驱动链轮的直径和料带与链轮接触的数量等。

对基本的链轮设计所作的改变得到定位精度的改进，比较早的设计在X方向提高20%，Y方向提高50%。

•吸取头。

在适当地进给元件之后，下一步是将元件吸取在真空吸嘴上，并把它带到电路板上。

真空吸嘴(nozzle)需要顺应以吸收在吸取与贴装元件期间的冲击，补偿锡膏高度上的微小变化，并且减少元件破裂的危险。

为了这些原因，吸嘴必须能够在其夹具内移动。

材料选择、材料硬度、加工公差和热特性都必须理解，以构造一个可靠的吸取头。

吸嘴必须在其夹具(holder)内自由移动，而不牺牲精度(图一)。

•吸嘴轴装配。

吸嘴轴(nozzle shaft)也是一个关键的设计元素- 通过保持整个吸嘴与轴装配直接对中，消除了过压(overdrive)现象。

过压是由于当贴装头上下运动是所产生的惯性造成的。

如果吸嘴和轴不在一条直线，就产生一点抖动(whip) - 或过压。

过压造成定位精度的变化，它决定于运动速度、吸嘴重量和元件重量。

通过消除过压，直接对中减少与元件吸取和贴装有关的负面因素的数量(图二)。

•吸嘴设计。

吸嘴设计上的变化对于允许接纳0201元件是一个很重要的因素。

为了吸取0.6x0.3 mm 的元件，吸嘴必须有不大于0.40mm 的外径。

这样形成一个长而细的吸嘴轴，弯曲脆弱但还必须保持精度以维持吸取的高可靠性。

从直线轴到锥形设计的改变增加吸嘴强度，并允许吸嘴抵抗弯曲(图三)。

•基体结构。

所有机械在运行期间都产生振动。

基体框架设计是减少产生振动和谐波共振的速度与运动效应的关键第一步。

通过使用铸铁基础框架和艺术级结构技术，振动与谐波共振可在机器内减少到可控制水平，这样，负面影响可以应付。

达到标准
通过所有六个关键因素，可靠的0201贴装的障碍已经消除。

因此，R&D的焦点已经转向更新、更小的元件，0201不再认为是前缘的元件包装技术。

对于0201元件贴装，现在接受的工艺窗口是在3 Σ 时大约75µm 的X 和75µm 的Y。

为了达到 6 Σ 的贴装可靠性，X与Y的公差必须减少到50µm。

最新的高速贴装设备具有66µm的等级，实际标准偏差大约为35~45µm。

随着0201元件变得更加广泛地使用和制造工艺变紧，可达到提高的准确性。

供应商之间的元件尺寸差别对0201进料和贴装都产生挑战。

散装进料(bulk feeding)正在开放之中，应该在2001年可以得到。

虽然机器现在具备这个能力，但只有一小部分使用者将准备在未来12~24个月内迈出使用0201贴装的步伐。

这类似于球栅阵列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入，在装配这个环境里，机器的能力超前于工艺状态。

前面的挑战
虽然0201元件的贴装现在是新贴装设备的一个标准特性，还需要作另外的工作来改进终端用户的整体工艺。

在机器制造商、元件供应商、电路板制造商、模板工厂和锡膏制造商之间的关系需要加强，以形成一个更加无缝的(seamless)开发过程。

最终结果将是对该工艺的统一的理解，以及将使最终用户受益的更好的工作关系，特别是通过使新的生产技术更快和更有效的结合。

如何准确地贴装0201元件
本文介绍，更小的元件与更窄的间距为电路板装配提出了新的挑战。

理解这些贴装问题可以使产品更快地推出市场，并减少缺陷。

业界所面临的现实是零件变得越来越小。

例如，0201片状电容比0402小75%，在电路板上所占的面积少66%，这些元件在本十年的早期将出现在一些通用的印刷电路板上，而甚至更小的01005片状元件到2005年将在空间更珍贵的模块电路板上看到。

因为对于许多新的产品板的空间是如此珍贵，尽管更小的元件成本更高，但还是会得到甚至更广泛的使用。

这种新的小型化要求贴装精度提高但又不降低速度。

确认所面临的挑战
小的元件提出了许多问题。

更高的密度 - 这是困扰较小元件的主要原因 - 使得贴装任务的难度大了一个数量级。

例如，0201元件通常要求较小的焊盘尺寸来防止焊锡污迹，和接纳无焊脚焊接。

还有，更小的焊盘意味着更窄的元件间距。

虽然这些允许设计者取得高度功能化与紧凑的产品所需要的更高密度，但也使情况复杂化。

对于密度高的PCB，贴装精度直接影响回流焊接后的装配缺陷数量，例如，贴装偏移会增加锡桥、锡珠、元件竖立和元件不对准焊盘的机会。

因此，我们需要什么呢？现在，现实的生产目标是达到99.9%的吸取率，同时3σ的贴装精度为±60µm。

为了达到这个目标，机器精度变成首要问题。

例如，摩托罗拉的试验表明，在贴装偏移中小到0.025mm的变化都可能重大地影响缺陷水平。

对于标准的焊盘(用十万个元件进行试验)，y<0.075mm,
x<0.075mm的贴装偏移对缺陷的影响类似于没有偏移。

可是，当偏移增加到<0.1mm 时，缺陷水平上升到超过5000ppm。

虽然这个绝对距离意味着很小，但是研究表明该工艺留下很少犯错的余地。

还有，贴装操作涉及的不止其本身。

它包括吸取的可靠性、准确的元件视觉识别和贴装的可重复性。

事实上，试验表明0201元件要求99%的吸取可靠性。

吸取位置公差
为了保持生产系统的连贯性，吸嘴必须能够在所有三个方向上移动，即沿X,Y和Z轴移动 - 这一点是重要的，因为在所有生产机器上Y轴的控制是没有的。

可是，为了保持贴装精度在公差之内，Y方向的控制对于将元件对中在吸嘴上是必要的(图一)。

自然地，这个对中对于0201比对其他零件具有更紧的公差。

图一、Y方向是0201元件贴装的唯一最重要的轴向纠
正
由于在三个轴上的闭环实时反馈，对送料器校准的需要实际上消除了。

没有三个轴上的实时闭环反馈，送料器的校准是关键的。

研究表明，在Y方向±0.07mm的精度对于确保成功的0201贴装是必要的。

还有，成功的贴装要求在X方向±0.1mm的公差，在Z方向±0.1mm，以达到0.2mm 的目标值。

纠正吸嘴X/Y轴的运动是保证稳定和持续的元件吸取的关键。

在锡膏上的运动
另一个贴装问题是在某些条件下，0201不会停留在其贴装的位置。

考虑这样一种情况，试验将0201电容贴装在印刷锡膏和助焊剂的PCB上，希望得到
±0.05mm的受控行程和0.15mm的元件间距。

试验已经显示，对于Y方向3σ的贴装精度，板上小于0.05mm超程的元件有时将会向短边方向滑行超过60µm。

会发生什么呢？有趣的是进一步调查显示当元件只是贴装在助焊剂上时，元件不会发生由于超程的滑移，但是在锡膏上时会发生。

结论：问题在于锡膏的颗粒直径。

为了补偿Z轴纠正，机器必须具有实时的反馈机构，测量每个元件的厚度。

当颗粒大小大于20µm时，元件偏斜就有可能，因为颗粒在焊盘上分布不均。

因为元件贴装时间是几毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或运动。

这就是为什么热风焊锡均涂(HASL)的板不适合于0201贴装，这与0402许可HASL 形成对照。

图二、当元件超程冲击焊锡颗粒时，反作用力改变
吸嘴的轴向并产生一个水平的力，产生元件的偏移
因此，超程降低贴装精度。

它也可能增加高密度贴装的锡桥，因为当使用无焊脚焊盘时，元件会将锡膏从零件下挤出(图二)。

因此，可以将超程定义为使得元件和PCB之间的间隙小于焊锡颗粒大小，即，贴装系统必须控制该间隙，将它保持在40-60µm。

一个起作用的因素是板的支撑，没有支撑元件可能从过高的高度落下或被压入锡膏中。

为了准确地控制行程，板的支撑系统必须为板的拱形提供足够的纠正。

需要的改进
要取得有效的0201元件的使用，部分的解决方法将在吸嘴的设计改进中找到。

因为元件是如此的小，它们要求吸嘴的设计尽量加大真空的接触表面积，同时提供一个不会干涉高密度布局的外形。

另外，吸嘴必须高度耐磨，因为其腐蚀作用会由于小的接触面积而恶化。

所有这些都必须意识到如何满足和处理即将面临的01005元件的挑战。

现在的结果为0.25mm的间隙提供0.75的节拍时间、60µm(3σ)的精度、和99.9%的吸取率。

目标是要为0.10-0.15mm间隙达到每个零件0.075秒的节拍时间、40µm(3σ)的精度、和99.9%的吸取率。

为0201元件专门开发的盘带送料器也应该有助于更精确和更快速的元件贴装。

结论
一个现实的经济问题是用0201元件生产的板将比其对应的较大零件更加昂贵。

另外，更紧的公差必然需要增加工艺控制、更彻底的预防性维护、更多的培训和工艺知识、和对报废及检查/修理活动的增加的认识。

预防性维护总是生产的一个重要部分，现在由于0201贴装而更加重要。

因为误差的公差和可达性和元件本身一样小，预防性维护是0201生产线比其他元件更加重要的制造成本因素。

类似地，似乎0201的使用将要求更频繁的吸嘴清洗、摄像机清洁和机器贴装的测量与调整。

元件吸取和贴装的高度将是关键的，对于初始的元件吸取，送料器轴的调整是需要的，尽管机器可以在吸取位置补偿元件的偏移。

工作台运行对元件贴片的影响
解决转塔式平台的问题要求完全了解许多工艺参数，并始终将重点放在过程控制上。

1986年转塔式贴片机问世以来，已为电路板组装工业生产出大量的合格产品。

当其作为新产品进入市场时，转塔式平台曾以每小时贴片14400个元件震惊一时。

在过去的16年中，转塔式贴片机的平均贴片速度已提高了近四倍，可贴装元件和器件的类型和范围也明显扩大，目前，贴片机烦琐的换线仅用微波炉嘣一袋爆米花的时间就可完成。

然而，经多年的进展，转塔式贴片机的基本原理却没有任何变化。

其基本设计是相当简单的。

元件送料器前后运行，向固定的拾取位置供给元件。

PCB沿X-Y方向运行，使PCB精确地定位于规定的贴片位置，而贴片机核心的转塔在两点间携带着元件，在运动过程中实施视觉检测，并进行旋转校正（图1）。

就高速贴片机而言，任何转塔式设计的基本结构都具有一些显著的优点：·多达6个不同尺寸的吸嘴适用于任何贴片头，工作中不需要更换吸嘴。

也就是说，任何吸嘴都能够随时拾取元件，取消了过多的或不必要的运行操作步骤。

·将用于校正元件的视觉检测系统，按规则安装在转塔式贴片机的拾取点和贴片点之间，可以在“飞行”中进行图像处理。

·简单的机械齿轮传动式转塔设计可保持供电用电缆、伺服系统、编码器、传感器和摄像机等静止不动。

这样就不会产生由于恒定的弯应力使线路断裂而出现的电气问题（例如：当台架始终不断从送料器向摄像机、电路板在运行时可能出现的故障）。

·现在转塔式贴片机的贴片速度每小时可达53，000个元件以上。

而最好的单头台架式贴片机，每小时仅能贴装约15，000个元件。

为使台架式贴片机达到同等的速度需要多台机器，这就意味着，将有更多的零部件需要维护、润滑、校准和返修。

·使用转塔式设计，只在贴片机的一侧安装送料器。

这样，可使贴片机前后宽度减少达3英尺左右，为此，就不必在生产线的另一侧额外安装送料器和元件储存装置，从而减少了整个操作区域的面积。

问题何在？具有这样一系列有说服力的优点，似乎转塔式平台可以被认为是“最佳的选择”。

然而，人们的目光关注着不停运动着的工作台。

有人认为，工作台的运行会影响到元件贴片精度，而且，工作台运行会导致元件移位，甚至从PCB上脱落下来。

这是真的吗？还是仅仅是生产台架式贴片机的制造商发出的“中伤”之言？事实是两者都有一点。

如果使用不当，元件贴片后，转塔式贴片机工作台的运行会使元件翻转。

不过，元件贴片后的移位，始终是组装工艺过程已经失控的征兆。

如果改用一台固定工作台的贴片机，就能使产品的质量得到改善的话，这实际表明更为严重的工艺问题很有可能被掩盖了。

元件为什么会移位？对位不准确或漏贴元件的原因通常与贴力度不合适有关。

如果PCB 在贴片机中得不到适当的支撑，它就会下沉，这样的话，PCB表面高度就会低于贴片机的“Z”轴零点。

这样会导致元件在PCB上方略高的位置就被释放，与直接贴片到润湿、有粘性的焊膏上有所不同。

另一个很可能的原因是元件的高度设置不合适。

虽然，大多数新机器可对高度进行自动校正，但是，旧的贴片机必须通过编程，才能获得正确的元件高度。

在生产过程中常常需要更换元件卷带，有时，更换的元件不是同一个厂家生产的，这种元件外形尺寸可能有所差别。

如果程序指出元件高度为1.0mm，而元件的实际高度只有0.6mm，元件就会从距贴片点上方0.4mm落到焊膏上，而不是直接贴片到焊膏上。

即使贴片机是台架式机器（即在贴片过程中
PCB保持静止状态），在这种情况下，贴片精度也会不好。

元件有可能晃动而脱离焊盘，或进一步移位，或在PCB传送过程中完全脱落。

此外，在元件贴装过程中，当元件高度设置得不正确时，在回流焊接阶段，就很有可能产生“墓碑”现象。

其它工艺因素在PCB印刷焊膏后，需要在传送机上等待多长时间？焊膏的制造厂家总是说焊膏可敞开放置达6个小时，然而，这只对大量焊膏才是真实的。

一旦将焊膏印刷到焊盘上，其厚度仅为6mil，它有五个面暴露于大气中，焊膏往往出现干涸。

如果PCB要在生产线上再停留20或30分钟的话，焊盘上的焊膏的外表会形成一层发干的表皮，从而其粘性会下降。

因此，制造过程中需控制PCB在生产线上的传送速率。

如果生产周期小于1分钟的话，那么最好在印刷机和贴片机之间缓冲一定数量的PCB；但是，如果生产周期为2分钟或3分钟的话，待贴片的PCB的数量就必须少一点了。

如果生产线停止操作一段时间的话，更应特别谨慎。

此时，焊膏已经干涸，元件仅能放置在焊膏的顶部而不能够完全插入到焊膏中。

虽然，这个问题在工作台运行的机器上会被放大，但是，它同样会造成其它类型的生产线出现丢失元件和质量问题。

工作台运动的控制现代转塔式贴片机具有用户控制X-Y工作台运行速度和加速度的功能。

例如，Fuji的CP Series系列，可根据下述方式控制工作台运动。

贴片机有五种工作台速度方式可供用户选用。

工作台速度方式的设置适用于不同类型的元器件，而且元件数据库中已带有相应的缺省参数设置。

用户可通过缺省值的设置，来简化参数实施。

几种设定的选项包括：超高速、高速、中速、低速和超低速。

每个设置的参数可改变伺服系统的加速曲线、减速曲线以及工作台的最大速度，从而实现对由于工作台运行而施加于元件的作用力加以控制。

一个常有的错误观念是，降低工作台速度将对贴片机的性能带来不利的影响。

而实际上，虽然，工作台速度延长了贴片机的工作周期，但较大的和重的元件已使用较慢的凸轮速度来实施拾取和移动的操作。

由于这个原因，当工作台速度以超高速或高速运行时，可能意味着工作台在转塔式贴片头携带元件到达规定的位置之前，工作台早已就位。

所以，放慢工作台速度，使其与转塔的速度基本接近——在多数情况下，不会影响到PCB贴片的工作周期。

优化程序的效果如何？贴片机的优化程序有助于元件贴片质量的改善。

优化程序的目的是设定送料器和贴装顺序，以确保设备尽可能有效地发挥其作用，提高贴片总产量。

优化程序还考虑了转塔式贴片机的凸轮速度、吸嘴的选用、元件放置高度和工作台速度方式。

较大的元件使用较低的凸轮速度和工作台速度，在编程时被安排在末尾进行贴装。

优化后的程序，实现了较后贴装较大元件，逐渐降低工作台速度，直到完成PCB的组装。

然后，工作台以最低的编程速度运行到卸载位置，PCB从此位置返回到传送机，并送入下一道工序。

为特种元件确定适用的工作台方式有四个因素影响到元件在贴片后会出现误差：元件质量、元件高度、引线接触焊料的面积以及焊料的粘度。

通过定义“元件系数”，可以确定贴装各类元件的最适用的工作台速度方式。

元件系数等于质量×高度/端子焊盘面积（图2）。

不同的焊膏粘度，元件系数对应的工作台速度方式稍有不同（图3）。

不过，不同类型焊膏对应的曲线还是极相似的。

因此，使用粘度和元件系数可以确定每种元件的工作台速度方式（图4）。

表1所列是测试的元件类型和汇编结果的例子。

这些元件都是电子组装业最常用的元件，占贴片元件总数的95%以上。

结论平均来说，贴片在电路板上的元件大约有85%是无源元件。

这些元件有0603（0201）、1005（0402）、1608（0603）、2125（0805）和3216（1206），它们包括电阻和电容。

这些元件的质量极小，而接触焊膏的面积却很大，因此可连续采用超高速工作台方式贴片这类元件。

只要最基本的工艺控制到位的话，工作台运行不会影响到贴片精度。

其余的15%贴片元件是有源元件，包括大型的钽电容、D-PAK、玻璃二极管、SOIC、PLCC、QFP 和电解类型的元件。

多数元件是已使用多年的标准封装，计算出的元件系数已被载入塔式贴片机的标准元件数据库中。

大多数设备制造厂家都设有应用工程部，以便帮助寻找特定问题的根源，并帮助建立和维持过程控制，排除这些问题。

一种良好的制造工艺将会提高生产现场的产量和质量。

高效率的0201工艺特征
By Danial F. Baldwin, Paul N. Houston, Brian J. Lewis and Brian A. Smith
最近的研究找到了影响0201元件装配工艺缺陷数量的变量...。

虽然目前大多数公司还没有达到0201这一工艺水平，但是本文所使用的研究方法和得到的研究结果值得我们学习和借鉴，以便更好地做好我们的1206、0805、0603、0402...
在过去几年中，消费品电子工业已经明显地出现迅猛的增长，这是因为越来越多的人佩带手机、传呼机和个人电子辅助用品。

有趋势显示，每年所贴装的无源元件的数量在迅速增加，而元件尺寸在稳步地减小。

将产品变得越来越小、越快和越便宜的需求，推动着对提高小型化技术研究的永无止境的需求。

大多数消费品电子制造商正在将0201元件使用到其最新的设计中去，在不久的将来，其它工业也将采取这一技术。

因此，将超小型无源元件的装配与工艺特征化是理所当然的。

我们需要研究来定义焊盘的设计和印刷、贴装与回流工艺窗口，以满足取得0201无源元件的较高第一次通过合格率和较高产出的需求。

最近进行了一个0201元件的高速装配研究，对每一个工艺步骤进行了调查研究。

研究的目标是要为高速的0201装配开发一个初始的工艺特征，特别是工艺限制与变量。

试验的准备
对应于锡膏印刷、元件贴装和回流焊接，进行了三套主要的试验。

为了理解每个工艺步骤最整个0201装配工艺的影响，我们进行检查了每个工艺步骤。

在工艺顺序方面，只改变研究下的工艺步骤的变量，而其它工艺参数保持不变。

我们设计了一个试验载体(图一)，提供如下数据：
图一、试验载体。