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最佳化0201元件裝配製程參數提高焊點良品率 |
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0603和0402元件已普遍使用了很多年，在量產應用時具有很高的良率。最近0201元件也開始在高密度產品中使用， |
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尺寸大約只有0402的四分之一。本文對0201元件焊點進行研究，主要討論組裝製程和線路板設計等參數在大量進行回 |
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流焊時對這些元件良率產生的影響。 |
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隨著表面貼裝技術越來越成熟，人們不斷要求縮小電子產品的尺寸和重量。由於主動和被動元件尺寸的縮小以及 |
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印刷電路板技術的改進，出現了體積更小、重量更輕、性能更優良的終端產品。目前還在做進一步研究繼續縮小 |
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件尺寸，使得設計者能用更小的印刷電路板實現預定功能 |
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0201元件特性 |
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子消費品的小型化發展趨勢使得電子零件從80年代的1210、 |
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1206縮小到90年代末期的0402和0201，變化的主要動力來自 |
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於市場對小型化低成本高性能產品的需求。0201元件在體積 |
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和重量上比0402小75%，佔用板面空間小66%，用這種零件可 |
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以大大降低手持式或可攜式消費類電子產品的尺寸、重量和體積。 |
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在高頻應用場合，0201電容的等效串聯電阻(ESR)和阻抗較低， |
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所以比0402性能更優。電介質層的厚度減小及層數增多使0201 |
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電容的容值範圍和0402電容相同，其容值範圍能滿足大約百分之 |
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八十高頻模組的要求。 |
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BORDER=0 TITLE="圖1：三種不同組裝製程的良品率情況. |
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試驗條件 |
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驗採用一塊既有0201又有0402元件的印刷線路板，它是一個單 |
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面板，長12.5英寸寬7.5英寸，厚度是標準的0.062英寸。兩種元件 |
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的焊盤分別設計了三種不同的寬度、長度和焊盤間距，互相組合可 |
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以得到27種不同的焊盤形式，將同樣的焊盤複制120個排成一排. |
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試驗中分別採用0.008英寸、0.012英寸、0.016英寸和0.020 |
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英寸四種元件間隔，每種焊盤以三十個為一組進行間隔測試。所 |
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有焊盤的走線都從焊盤端部延伸出去，元件間隔試驗以相鄰元件 |
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的側向(而非端對端)間隔進行。設計的試驗板在組裝完成後，上面 |
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共有12,960個元件。另外試驗板上對每一種焊盤都同時設計了0°和 |
BORDER=0
TITLE="圖2：三種不同組裝製程 |
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90°兩個方向。 |
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中錫橋與元件間隔之間的關係 |
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印刷使用厚度為0.005英寸的不鏽鋼雷射切割模板，模板開孔間距 |
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約為0.008英寸，模板沒有用微蝕刻及表面電鍍。選擇0.005英寸厚度是在0.004英寸和0.006英寸之間折衷的結果，更薄 |
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的0.004英寸模板能使0201元件焊膏印刷效果更好，但同時卻會減少大多數應用中經常用到的其他類元件的焊錫量；而 |
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不使用0.006英寸模板則是因為0201元件焊膏印刷效果不能接受。 |
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試驗同時使用免清洗型和水溶型焊膏，兩種焊膏均為90%固體含量和四號錫粉顆粒，選擇兩種焊膏是因為它們包含了 |
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兩種應用最廣的助焊劑類型。焊膏分別由兩家不同的供應商提供，焊膏稠度約為900kcps。 |
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焊膏印刷使用DEK公司的265 GSX印刷機，印刷製程參數設定如下： |
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a) 印刷速度：1.0英寸/秒 |
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b) 刮刀類型：金屬刀片(自動轉換) |
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c) 刮刀角度：60度 |
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d) 刮刀壓力：2.3磅/英寸 |
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e) 印刷間隙：0(全接觸) |
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f) 分離速度：0.02英寸/秒 |
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件貼片由環球儀器公司的4796R HSP貼片機完成，自始至終對X軸和Y軸同時使用自動拾取校正。自動拾取校正能提高元件 |
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拾取的可靠性，Z軸(高度)在零件拾取和貼裝時也採取完全受控方式，以提高拾取的可靠性並保証在試驗中不會出現貼裝壓力過 |
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大或不足的情況。 |
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回流焊使用一台Heller公司的1,800W強制對流爐，該回流焊系統包含8個加熱區和一個冷卻區。試驗使用了兩種回流焊接環境，一種 |
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是空氣環境，另一種是充氮環境(回流焊接區內的氧氣含量在50ppm以下)。 |
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不良種類 |
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試驗過程中我們觀察到在試驗板上出現了五種不良，分別是立碑、錫橋、焊球、錫量不足和錫量過多。 |
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試驗結果 |
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圖1顯示出三種不同組裝製程的良品率情況。由圖可見，使用免清洗焊膏在空氣環境下進行回流焊產生的不良最少， |
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總數為66個；使用水溶性焊膏在空氣環境下進行回流焊次之，不良有1,499個；使用免清洗型焊膏在充氮環境下進行回 |
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流焊產生的不良數最多，為5,665個。圖1還表明在充氮環境下以及焊膏助焊成分活性增大(水溶性焊膏)時，產生的不良 |
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數目會增多。 |
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研究三種組裝製程的不良類型分佈發現，立碑(開路)和錫橋是兩個 |
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主要缺陷。水溶性焊膏在空氣環境下焊接產生的錫橋比例最低，為 |
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7.0%，接下來是免清洗焊膏在充氮環境中焊接，為15.0%，而免清 |
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洗焊膏在空氣環境中焊接產生的錫橋最多，為21.0%。 |
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圖2是三種不同組裝製程中錫橋與元件間隔之間的關係。從圖中看出 |
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，元件間隔在0.012英寸或更大時沒有產生任何錫橋。免清洗焊膏在空 |
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氣環境中焊接產生的錫橋數量最少，為14個；水溶性焊膏在空氣環境 |
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中焊接產生的橋接數量排在第二，為99個；而免清洗焊膏在充氮環境 |
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中焊接產生的橋接數量最多，有866個。此外在最小的0.008英寸間距下 |
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，用免清洗焊膏在空氣環境焊接時18種焊盤中有12種焊盤沒有產生任何 |
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錫橋，用水溶性焊膏在空氣環境中焊接時有10種焊盤沒有錫橋，而使用 |
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免清洗焊膏在充氮環境中焊接時只有6種焊盤沒有產生錫橋。 |
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圖3是焊點不良與焊盤的寬度及組裝製程的關係。這些數據是每種組裝製程都選用最佳焊盤形式而得出的，試驗時 |
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將焊盤的長度和焊盤間距設為常量，只對焊盤寬度進行變化。通常來講，三種組裝製程的良品率均隨焊盤寬度增大而 |
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提高，而不良率在焊盤寬度為0.012到0.015英寸之間較為敏感。水溶性焊膏在空氣環境中焊接和免清洗焊膏在充氮環境 |
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中焊接都是在焊盤寬度最大即0.018英寸時焊點缺陷最少，但這種情況在免清洗焊膏空氣環境下焊接時有一些改變，此 |
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時最高良品率是在焊盤寬度居中時(0.015英寸)得到的，然而由於使用這種製程組裝的板子產生的不良數量非常少，所 |
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以焊盤寬度在0.015英寸和0.018英寸時不良數目之間的差異在統計上並不明顯。如果從組裝製程的角度來看良品率變 |
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化趨勢，可以看到免清洗焊膏在空氣環境中焊接對焊盤寬度變化最不敏感，而免清洗焊膏在充氮環境下焊接製程則對 |
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焊盤寬度變化最為敏感。 |
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圖4給出了焊點缺陷數量與焊盤長度及組裝製程的關係。 |
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與前一張圖類似，這些數據也是在每種組裝製程選用最佳焊盤形式 |
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時得出，試驗將焊盤寬度和焊盤間距設為常量，只對焊盤長度進行 |
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變化。從圖上我們可以看到，對所有三種組裝製程而言最佳焊盤長 |
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度都是0.012這個中間值，通常來說焊盤長度在0.008到0.012英寸之間 |
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對良品率的影響最大。從組裝製程方面來看，免清洗焊膏在充氮環境 |
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下焊接對造成不良的影響最為敏感，比其他製程更容易受焊盤長度的 |
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影響。使用免清洗焊膏在空氣中焊接時，焊盤長度為0.012英寸和0.016 |
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英寸均沒有發現任何焊點缺陷。 |
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本文結論 |
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在試驗使用的三種組裝製程中，免清洗焊膏在空氣中焊接產生的立碑(開路)與錫橋的數量最少，同時用這種製程 |
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時大部份焊盤不會有不良產生，這種組裝製程的不良數對焊盤樣式變化最不敏感(相對這項研究中三種製程而言)。其 |
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次產生不良數量較少的是水溶性焊膏在空氣環境中焊接，最後是免清洗焊膏在充氮環境中焊接。較低氧氣含量(50ppm |
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以下)和更強活性焊膏助焊成分會降低組裝的良品率及組件牢固性，對水溶性焊膏在空氣環境下焊接以及免清洗焊膏在 |
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充氮環境中焊接兩種製程來說，較長的回流焊時間能夠減少焊點不良的數量，在充氮製程中氧氣含量更高也能減少不 |
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良數量，使用氮氣一般只能增加焊錫的潤濕力和縮短潤濕時間。 |
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元件側向間隔0.008英寸時所有三種製程都不會產生錫橋，回流焊 |
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使用氮氣以及用水溶性焊膏會增加錫橋的數量，同時小焊盤比大焊 |
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盤更容易產生錫橋，焊盤寬度或焊盤長度減小都會加劇錫橋產生的 |
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可能性。目前正在對元件間隔在0.008英寸以下的情況進行研究，以 |
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確定具體組裝製程最小可接受元件間隔。 |
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我們可以藉由減少元件端部下面的焊膏印刷量來減少或杜絕錫珠， |
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應注意當元件兩個焊盤的焊膏印刷間距增加時立碑(開路)數量會增加。 |
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進行模板設計時，模板開孔的間距最大值應保持在0.010到0.012英寸 |
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之間。試驗中沒有使用“屋型”和“V形槽”開孔設計，因為0201元 |
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件的焊盤尺寸太小(焊盤間距太小也無法使用)。 |
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元件方向對免清洗焊膏在空氣環境中焊接並不重要，但是對其他兩種製程卻很重要。與免清洗焊膏或回流焊時採 |
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用更低含氧量相比，水溶性焊膏的助焊成分活性更強，能增大已熔焊錫的潤濕力和潤濕速度。90度方向的元件(它的一 |
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端比另一端先進入回流焊區)，使其更能適應更高的潤濕力和更短的潤濕時間。 |
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圖5顯示了大量進行0201元件回流焊時的元件焊盤設計建議。建議兩焊盤間距0.009英寸，焊盤長度0.012英寸， |
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寬度在0.015英寸到0.018英寸之間，具體取決於助焊劑成分類型和焊膏回流焊環境。0.018英寸寬度適用於充氮焊接環 |
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境、氧氣含量很低(50ppm以下)以及焊劑活性很強或潤濕時間很短的情況；而0.015英寸寬度焊盤則適用於在空氣環境 |
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中進行回流焊接、焊膏溶劑活性較弱以及有較長的潤濕時間等情況 |
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目前正在對印刷電路板的阻焊層做進一步的研究，看看如果在元件下面沒有阻焊層或者採用更常見的薄型(0.0007 |
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到0.001英寸)阻焊層會有什麼樣的結果，這樣就能夠確定使用阻焊劑把元件托離焊盤是否會有影響。 |
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下一步的研究方向將包括貼片精度、焊膏助焊劑化學成分、更小元件間隔(0.008英寸以下)和回流焊參數優化等對焊 |
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點品質的影響。 |
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參考文獻： |
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1 Prasad, R., "Surface Mount
Technology: Principals and Practice", Van Nostrand Reinhold, New
York,1997 |
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2 Montgomery, D.C.,
Design and Analysis of Experiments - 4th Edition, John Wiley & Sons,
Inc., New York, NY, 1997, p. 51. |
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