优化PCB的设计,提高0201元件组装的成品率

优化PCB的设计，提高0201元件组装的成品率

作者:Mei Wang，Dr. Dongkai Shangguan，

David Geiger，Fredrik Mattsson and Sammy Yi，Flextronics

良好的PCB的设计是成功进行0201元件的组装的第一步。本文通过系统的DOE（design of experiments）研究，对与0201有关的PCB设计的因素（包括焊盘设计、盘间距以及元器件间距等）进行了讨论。

在以后的几年里，由于用户产品小型化的需要，对0201元件的需求将与日俱增。本文重点介绍0201元件的PCB设计要求，包括0201元件焊盘的设计，以及0201元件之间或者0201元件和其它元件之间的最小间距设计。使用了两种试验方案，和三次实验设计（DOE），对有关焊盘和焊盘间距设计方面进行系统化研究， 0201元件焊盘设计的目的就是对现有贴装过程能力的评估，确定关键性程序参数和最终建立0201元件贴装工艺的文件。

关键参数

为确定0201焊盘设计的关键参数，需要进行两种试验设计：其一是焊盘尺寸的确定，其二是对焊盘间距的确定。试验是在优化贴片和回流焊接工艺参数并根据回流后不良焊点率统计数据的基础上进行的。试验一是焊盘设计，它的评估标准是用不同的贴片和回流焊设备工作时的缺陷率为最小，焊接强度最高。试验二的重点是四种不同类型的贴片机和对同一种焊盘印刷焊膏后贴片过程的评估。这两个试验的结果对确定工艺过程装备有关键性作用。

试验一：焊盘尺寸的确定

试验方案：在设备和元件供应商提供的焊盘设计数据的基础上，设计包括矩形、圆形、木垒型的18种焊盘。有关焊盘设计方案请参阅表1。

材料和工具：在试验中所使用的免清洗焊膏，其粒径为25μm-38μm，金属含量（重量）为90.25％，元件为一种0201电阻。

模板采用激光切割法制造，并进行抛光处理。在这种模板上进行各种型号的焊盘设计，模板窗口形状与焊盘相同，大小分别为焊盘的80％、100％和120％，锡膏漏印面积比在0.33至0.94之间。印刷机和贴片机在实验进行之前都已经校准且处于最佳的工作状态。焊盘尺寸是根据模板的印刷性和印刷图形缺陷设定的。对于可接受的印刷质量来说，其0.6的面积比是最小比，对于0201焊盘的焊膏图形不应超过焊盘面积，而4号焊盘是小倒角型的焊盘设计，由于印刷性差而被排除使用。

在这些实验结果的基础上，经修正含有NSMD的1号、3号和6号大小的焊盘设计被选用，并作为设计规范。

试验二：焊盘间距的确定

试验方案：该方案是为了对0201元件的贴片工艺进行评估而设计的：一块表面镀有镍/金的6层FR4拼板，面积为5×7in，它由4块试验板拼成，每块试验板的面积为3.5×1.4in。在这块试验板上总共设计有13，000个0201元件焊盘、100个0805元件焊盘、4个SOIC8器件焊盘和两个CSP器件焊盘。

板A、B和板D是为0201和0201元件之间的间距试验所设计的，板C是为试验0201和CSP、SOIC和0805等其它元件之间的间距而设计的。

在板A上，有四个试验组，每个试验组代表0201元件之间的间距分别为0.20毫米、0.15毫米、0.125毫米和0.10毫米。每个试验组由4个试验单元组成，每个试验单元有250个0201元件焊盘。这四个试验单元的区分在于元件方向和焊盘确定方法的不同（SMD或NSMD）。在每个试验组中，总共有1010个0201元件焊盘，其中包括250个垂直方向设计SMD焊盘、255个水平方向设计的SMD焊盘、250个垂直方向设计的NSMD的焊盘和255个水平方向设计的NSMD焊盘。因此，在A板上，总共设计了4000多个0201元件焊盘。

在板B和板D上，除每个试验组的位置不同外，设计方法如同板A。

有关0201元件尺寸和焊盘尺寸如图1所示。在图1中，0201焊盘和0201元件的外部尺寸是一样的，这种焊盘设计使得贴片机能够尽可能高密度地贴装0201元件。

材料和工具：在试验一中所使用的免清洗焊膏，同样也在试验二中使用。要等量使用一种型号的0201电阻和另一种型号的0201电容器。

实验步骤：共分3个步骤：第一步，用最优化的印刷机印刷出三块PCB；焊膏印刷后，把测试板1用作试验数据采集；然后用最优化的贴片机对测试板2和测试板3进行贴片，贴片后，把测试板2用作试验数据采集；然后把测试板3放入回流焊炉中回流，炉温调至最优化；回流后在测试板3上进行检测和数据收集。在第二步、第三步中，重复同样的实验步骤。

在以上的试验中，贴片不良焊点率为200ppm，并有90％的置信度。

贴装：在每个试验开始时，试验设备用的印刷机和贴片机应该事先校准，并使其工作参数最优化。另外，通过实际贴片数据和原始CAD数据的比较，对每台贴片机的贴片精度进行测试。贴片机的X,Y,Z 轴方向的CpK必须等于或者大于1.30时，才能确认为适用于上述实验。

坐标测量机评估：对贴片机贴装偏差的测量，是由测量贴片机的重复精度和重复能力（GPR）来进行的评估，用于此项研究的贴片机GPR值应低于30％，才能适用于实际应用。

结果

印刷：印刷后，进行视觉检测并加以记录。通常会出现两种类型的缺陷：漏印焊膏和焊膏量不足（焊膏量少于50％）。在最优化的印刷条件下，每个焊盘位置上的锡膏印刷过程应该达到近似相同的缺陷水平。

贴片：在贴片过程中，每台机械的贴片率都一一收集。贴片后，通过坐标测量机，对每块PCB 上的X和Y放置精度进行测量，所有的CmK数据比CpK的数据要高出许多。由于CpK是从放置在焊膏上的元件中测量的，它反映的就是贴片机真正的加工能力。所有的CpK数据应高于1.00，贴片率应在99.8％以上。

在贴片机A上没有发现丢失的元件，而在贴片机D上发现了很多的丢失元件。原因可能是贴片机A有压力控制系统，在每次放置时可以控制元件和焊膏的距离，而其它贴片机只能控制最大的压力或者是贴装高度。贴片机D对元件的厚度不能进行检测；因此，尽管机器拾取了元件，但只是按照元件的原样进行放置。

电容器和电阻器：电容器在X和Y方向的CpK都要高于电阻器的CpK，原因很可能归咎于两者尺寸精确度的不同。0201电容器的外形尺寸比0201电阻器的外形尺寸更精确，因此尽管使用了相同的贴片条件，由于元件尺寸的改变而导致元件测量位置的不同。

0201元件间的间距：对0201元件贴片精度CpK的计算是由不同的元件间距所决定的。从每条安装线上所得出的CpK数据表明，在元件间距和放置精度CpK之间没有明显的联系，即使0201元件间的间距在4-mil以下。

回流焊：对于不同间距的元件，在回流焊之后焊接缺陷有桥接、未对准、形成焊球、丢失元件等。

除了焊球，桥接和元件贴歪是主要的缺陷，焊盘设计的外部尺寸与0201元件相同，间距为0.2mm时，不良焊点率要低于1000ppm；一旦间距小于0.2mm，不良焊点率很快增加，特别是在SMD焊盘上的不良焊点率。由于桥接是0201元件贴片的主要缺陷，当元件相互接近时，模板设计将是贴装小间距元件的最关键因素。

优化后的试验

试验方案：优化后的0201方案设计是建立在试验一和试验二结果上的。在这个试验中使用了两种焊盘设计，焊盘间距也分为三种。焊盘U是根据实验设计一中的NSMD1号尺寸焊盘经过修改后设计而成的，共有1800个元件；焊盘H是NSMD6号尺寸的焊盘修改而成，也有1800个元件。

试验：在这种条件试验中，使用的焊膏为免清洗的焊膏（粒径为25μm-45μm），所使用的模板是厚度为5mil的电铸型模板，窗口与焊盘尺寸的比率为1:1；焊膏漏印量为理论值的70%。使用的原件为两种型号的0201电容器和两种型号的电阻器；试验中选用的贴片机类型与试验二B位置上所使用的贴片机是相同的。试验板总数为38块，可贴装22,800个元件，且其元件焊盘间距可设定为不同的尺寸。