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基于无铅焊料下的01005元件PCB设计与组装过程研究
Fredrik Mattsson, David Geiger, Dr.Dongkai Shangguan and Todd Castello
康雪晶编译
摘要:电子装联在努力向小型化发展。元件的尺寸也随之减小。今天,尺寸非常小的电阻和电容01005(长400微米、宽200微米)也可以生产了。在不远的将来,上述元件的印刷电路板设计组装会成为使模板和手持产品小型化的关键能力。本文基于0201元件以前的经验,调查了01005元件的焊盘和孔径设计、焊膏印刷、元件贴装和回流焊接。也包括了间隔100微米的元件。使用抗剪强度实验、截面以及光学显微镜检查和扫描电子显微镜检查(SEM)对结果进行了检验。
关键词：01005 最小化 电阻 电容
介绍：
随着便携式电子设备体积小型化及功能综合化的趋势增强，对电子元件的高密度封装也提出了更高的要求。其中一个有效 的提高封装密度的方式是减小无源元件的尺寸以节约空间。在过去的三年时间里，为了获得0201元件量产过程中高的良率，伟创力发展并总结了在设计，组装，检查及返修方面的能力要求。通过这些努力所获得的经验表明：许多同样重要的参数有必要控制在一个适当的界限内。找出这一界限范围，并通过工具以确保达到界限要求这本身就是一个挑战。在工艺方面、硬件及软件工具方面，这些实验对于接下来的尺寸发展过程是非常有效的。同时也可以更好的理解整个过程中所用到的各种装置。
尽管0201元件仍然被认为非常小并且对组装过程中如何保持高的良率是一个挑战。但这一尺寸并非电子装联道路上的最终尺寸。此时，人们的兴趣及需要已经转入了下一个更小的尺寸，01005（见图1）的需求量将会逐渐增长并最终克服存在的障碍。这一驱动力来自于电子产品尺寸及重量的减小所带来的可能的好处。与0201元件所需的PCB板面积相比，在焊盘布局优化及焊盘相邻间距为150µm的情况下，01005元件可以节省大约50%的面积。
本文描述了基于01005元件焊盘设计及组装过程相关的两组实验的结果及其分析。
挑战及目标：
01005尺寸元件的使用对SMT（表面组装技术）组装过程带来了一系列的挑战。首先,切实可行的印刷工艺必须要达到。为了保证高良率的焊接过程，需要充分的焊膏量.同时焊膏体积的差异要做到最小。许多因素影响印刷质量:模板厚度、焊膏特性、焊膏种类(焊粉颗粒尺寸) 以及印刷参数比如印刷速度,刮刀压力,分离速度. 其他因素诸如模板的制造工艺,清洗频率,PCB板的平整度以及印刷过程中对PCB板的支撑方式同样对印刷质量产生影响。
另一个方面与贴装相关。当前使用的贴片机必须要具备准确贴放以及可复验的能力,在机械方面能够做到微小尺寸的精密贴装。放置后的准确性还依靠元件回流中的自对准能力。理论上,自对准能力取决于焊膏成分(有铅焊料与无铅焊料的最低熔点相比)回流中的气体环境(对于焊接时的表面张力以及焊点表面质量的影响)。
我们第一个目标是制作一个测试样板,可以保证组装过程中的高良率以及最接近真实生产中的状态。第二个任务是对01005类元件的印刷和贴装过程进行评估同时提出改进的建议。
测试板:
如(图2)所示01005类元件被设计成一些阵列排列在测试板上。（见图3）测试板的整体尺寸是170×145×1mm，其中为816个01005元件位置所设计的面积仅占测试板整体尺寸的很小一部分。板的厚度为1mm。为六层基扳结构，基扳材料为FR-4。
元件:
使用的仿真元件电阻和电容有两个不同的供应商提供，其中对电容的尺寸做了一个特定的限制，电容的尺寸限制为0.39×0.19mm，厚度为0.08mm.一般而言，01005的元件看上去虽然小，但这种变异是可接受的。尽管太小的元件体尺寸给测量结果的统计带来了困难，但是合理的贴片机抛料率也从另一方面说明了这种观点的正确性。
01005元件装在8mm宽的料带中，装料的元件槽的间隔为2mm。在接下来的实验中，这一类型的料带在使用中没有产生任何问题。尽管与0201类元件所使用的料带相比，装料的元件槽的尺寸已接近01005元件体尺寸公差范围的临界值。
焊盘设计优化：
在第一个实验中，我们对两种不同的焊盘进行测试。大部分使用焊膏印刷。也有一些01005的仿真电阻贴放在双面胶纸上。在首次实验后。对实验数据进行了分析，并且作为下一次焊盘尺寸设计的依据。基于收集的焊膏印刷数据重新设计焊盘是为了确定符合标准的开孔尺寸。再流前以及再流后的检查，包括使用光学显微镜，X-RAY，SEM进行可视化检查，以及焊接后的焊点测试。结果表明：三个不同的焊盘设计之间的区别非常小,但对于成功处理这种小的元件仍然非常重要.一些因素,诸如元件尺寸及其公差,PCB板的可制造性,贴装的准确性,生产过程中的变异和产品的可靠性都需要被考虑到。
在最初的实验中，锡铅焊膏被使用在ENIG（无电镀镍浸金）的PCB板上。在第二次的实验中，使用无铅焊膏在OSP（有机可焊性保护膜）的PCB板上。所使用的钢网厚度为100 µm。
如图4：最初使用A型焊盘，在实验中发现X和Y方向的焊盘面积都太小，导致焊盘表面无法进行足够的润湿。并且焊盘宽度小于元件宽度。这一不匹配是因为在设计焊盘时没有充分的考虑到01005元件的公差范围。第一次实验的结果同样证明了使用这种焊盘无法达到可接受的印刷效果。
从第一次的实验结果来看，B型焊盘更加合适。在这种类型中，焊盘具有足够的宽度同时拥有足够的表面来完成润湿。借助此类型焊盘。尽管焊膏体积的工序能力达到和维护存在困难，但印刷效果在视觉检查下看起来是可接受的。图5显示了仿真电阻贴放在B型焊盘的双面胶纸上。
出于将尺寸减小的主要原因。在不牺牲良率的情况下。根据结果进一步优化焊盘布局产生了C型焊盘。其X和Y的尺寸进行了修改。最终这一焊盘设计（如图6：C型焊盘）被选用进行接下来的实验。
第二种叠代布局使用在另一个实验中。大约1600个仿真电容使用无铅焊膏贴装并进行回流焊接。在这个实验中，元件布置在无阻焊膜的基板位置。焊盘间距为150µm。
钢网开孔设计：
目标厚度是100µm。激光切割电抛光不锈钢模板被认为是一种低成本的选择。先前的实验以及早期的研究认为选用电铸成型模板以及更小厚度的模板具有更好的效果。但在实际的应用中发现：更薄的模板无法为同一PCB板上的其它类型元件提供充足的焊膏。而电铸成型的模板成本要高于激光切割电抛光模板。
基于伟创立早期关于0201以及其他小型的焊盘和模板开孔的经验。最理想的焊膏量经过计算并转换为钢网的开孔尺寸。三种不同的模板开孔尺寸经过了调查研究（见表1）其中。区域比率（AR）在设计中已经过计算并考虑。区域比率的定义为：开孔面积与开孔内壁面积之间的比率关系。
在第一个实验中，使用型号4易熔化的锡铅合金焊膏。针对第二次实验。两种不同的无铅焊膏最初被用来比较01005元件的印刷效果。这两种无铅焊膏是早先在大量的焊膏中经过评估而选择的。关于焊膏成分的摘要见表2。在第一次印刷实验后，印刷参数同样进行了优化。依据焊膏体积测量及工序能力计算而最后从这两种焊膏中选择了一种。被选择的焊膏为免清洗焊膏。合金成分为Sn3.9Ag0.6Cu。焊粉颗粒尺寸为20-41µm。
焊膏印刷过程:
目标是建立一个关于01005元件可行的焊膏印刷过程。成功的焊膏印刷过程的标准是：Cp值（工序能力指数）达到1.33。平均的焊膏体积的值在无桥接现象时的上限允许公差在+50%，下限允许公差在-50%。
一台合格的印刷机，使用金属刮刀以60°刮刀
角度进行印刷。通过合理分布的顶针阵列来达到好的板面支撑。在每块板印刷后使用自动洗网。并且通过基于焊膏印刷 体积测量结果的DoE（实验设计）来优化印刷参数设置。印刷压力设置为12kg。印刷速度为40mm/sec。分离速度为10mm/sec。
结果证明：分离速度对于印刷效果具有强烈的影响。两种焊膏间的区别很小。但是在印刷参数优化后的改善却是巨大的（见图7）。印刷质量同样要通过显微镜下的视觉检查来验证(见图8)。总体来看，印刷效果符合标准。但是有一些地方存在助焊剂从焊膏沉积处流出的现象。
一个吸引我们注意的地方是看焊膏中焊粉颗粒尺寸的不同是否会产生重大的变化。在样品中，没有发现焊膏缺失。判定时焊盘周围存在的锡珠数都少于5个。如图7所示。两种无铅焊膏在优化以后都超出了所要求的最小Cp值1.33。A型焊膏较好的焊粉颗粒尺寸提供了良好的焊膏释放和较高的Cp值。然而它的价格更贵。同时会产生更多的锡球。因此，在本次测试中，我们选择了B型焊膏进行接下来的实验。
针对每一个开孔，检查了超过1600个印刷后的焊膏沉积量。在这些样品中没有发现焊膏缺失。尽管有3块板在印刷测试前已经印刷。但是通过为01005贴装的四块印刷后的板仍能清楚的看见改善效果。（见图9）
GR&R:
为了帮助分析01005元件的印刷过程。3-D焊膏自动检测系统被用来测量印刷后每个焊盘上堆积的焊膏体积量。首先，关于GR&R（量规重复能力与重制能力）的分析被引入实验。因为无法知道01005元件在整个过程中真实的变化。计算中使用的公差为±50%。当使用自动分析系统后，评测中人为的测量误差就可以被忽略了。因此这一参数的影响就不用考虑在内。
用来判断测量结果是否可接受的GR&R值设定在15%。为0201元件的焊膏体积测量的GR&R值设定为9%。为了进一步核实测量的准确性是否充分。进行了数据收集并制作成关于GR&R的平面图。图10显示出测量的变异远小于过程中的变异。每一条线代表了一次测量的进行，而且每一个坐标点几乎都是按照同一个结果重复的测量。
元件贴装：
贴装使用了具有旋转头的贴片机。贴片机在早先为贴装0201元件已经进行了升级，并且具有高分辨率的相机。除了增加适合01005元件的吸嘴外，并没有对机器其他方面进行修改。为了保证贴装过程中板的平稳，使用了一系列顶针进行支撑。
其中的一个目标是为了确定贴片机贴装01005元件的准确度要求标准。对贴装偏位元件回流后的自对准能力进行了实验。为了这一目的,实验使用SnAgCu焊膏及充氮的回流环境。选择的元件在贴装后有轻微的偏差（45 µm）。结果表明：这一偏差在回流后能够很好的自对准。图11显示了在元件贴装后大约有45µm的偏差.图12显示在回流后元件已经完全的自对准焊盘位置.因此我们认为在实验条件下45 µm范围内的贴装误差是可接受的。
在第二次实验中。总共贴装了1,600个元件，从机器影响识别系统中收集并确认的抛料率为2.4%。所有贴装后的元件在显微镜下进行检查并无缺陷发生。基于这一组装后的结果，我们设计了C型焊盘。比B型焊盘更小，但仍可以提供足够的面积保证准确的贴装。
回流焊接：
回流过程选用了在高密度制造业中典型的具有八个加热区及一个冷却区的回流焊炉。图13显示了使用无铅的SnAgCu焊膏的炉温曲线。3个热电偶（#1,#2,#3）用来测试焊点连接处的温度。另外一个用来监控炉膛内的气体温度。
第一次实验尝试了使用空气环境的回流焊接。然而结果不能令人满意。尽管回流期间的最高温度已经达到了235°C，但润湿效果很差。在显微镜下仍然可以看见焊膏颗粒的球型结构。
在此发现后，使用氮气提供惰性气体环境。氧气的残余水平稳定在45ppm。接下来过炉的PCB板在检查后都显示了优良的润湿并且无任何缺陷。
回流后检查：
依据工艺标准IPC-A-610C。过炉后的检查使用手工在显微镜下进行。在初始实验中，SnPb焊膏使用在ENIG（无电镀镍浸金）涂层的PCB板上，在空气中回流。润湿效果良好，并无任何缺陷发生。然而这只是有限的测验。总共有20块板回流。图14显示了此批实验品中的两个典型样品。
为了检查空洞及其它反常的现象。在初始实验中贴装的元件同样进行了X-RAY检查 (图15) 。视觉检查及X-RAY检查都确认了在润湿良好的情况下，其元件中心也没有发生偏移。在图16中，SnPb焊膏的焊接表面非常平滑。在这次实验中，焊膏印刷过程并没有完全优化。在一些内圆脚部位焊接的变异仍可以看见。
在第二次实验中使用无铅焊膏及OSP(有机可焊性保护膜)涂层的PCB板。816个元件在空气环境中回流。结果显示：由于差的润湿性导致缺陷发生。如图17所示，润湿不充分，并且焊膏沉积处并未形成同质的焊点。除此之外并没有发现其他类 型的缺陷。为了达到良好的润湿效果。对炉温曲线进行了优化。并用测温仪进行测试。同时提高焊盘上的焊膏沉积量。接着进行了800个元件在氮气环境中的回流焊接。结果显示：润湿良好，并无缺陷发生。（如图18所示）我们认为产生这一区别的原因是：焊盘上相对较少的沉积量中的焊粉合金颗粒暴露在空气中，以致于在回流期间，助焊剂在到达最高峰温度前过早的流失。
视觉检查结果及发生的缺陷类型表明。C型焊盘的设计是正确的。在空气环境中的润湿问题可以通过对焊膏类型，炉温曲线及板面涂层的进一步优化来解决。由此可以去除氮气环境的保护。但对此论点仍有待近一步实验证明。
金相分析：
金相分析使用了标准的金相分析技术。所选择的样品（图19）经过了光学及SEM（电子显微镜）的检查。可以再现焊膏体积的差异以及焊接区域的空洞。
剪切测试：剪切测试所使用的样品是首次实验中的01005电阻。使用SnPb焊膏与ENIG（无电镀镍浸金）涂层的PCB板。剪切速率为500 µm/sec。剪切高度为50 µm。所有的最小失效模型见（表3）。包括陶瓷体破裂，焊点与焊盘的最终分离以及焊点断裂。
结论：
在设计和制造中使用01005元 件是可能的。整个过程与0201元件类似。在全部工艺过程优化后，选择C型焊盘可以保证很高的良率。印刷过程中使用厚度为100µm的摸板。01005元件同样可以使用盘卷方式包装。回流过程中需要使用氮气环境来促进润湿。由于元件尺寸小造成的焊膏沉积量相对较少，因此在整个过程中要注意保持助焊剂的活性。下一步的研究课题是对在空气环境中01005元件的回流进行过程优化。
（本文最早刊登在SMTA国际会议论文集中。已经获得授权使用）
致谢：作者向在实验中提供帮助的两位伟创立公司的Ninh Vu与Alington Lewis表示感谢。
参考文献：
D. Shangguan, “0201 Assembly Capability for Miniaturization: From Design to Volume Manufacturing,”Proceedings of 2003 International Printed Circuit&Electronics Assembly Fair Technical Conference and Exhibition, December 2003.
D. Geiger, F. Mattsson, D. Shangguan, M. Ong, P.Wong, M. Wang, T. Castello and S. Yi, “Process Characterization of PCB Assembly Using 0201 Packages With Lead-Free Solder,” Soldering & Surface Mount Technology, 2003. (Also, Nepcon West Proceedings, December 2002.)
D.A. Geiger, M. Wang, D. Shangguan, T. Castello and F. Mattson, “Reliability Study of Solder Joints for 0201 Components,” SMTA International Conference Proceedings, September 2003.
M. Wang, D. Shangguan, M.T. Ong, F. Mattsson, D.Geiger and S. Yi, “Assembly Process Qualification on 0201 Packages for Volume Manufacturing,”
SMTA International Conference Proceedings, September 2002.
M. Wang, D. Shangguan, D. Geiger, F. Mattsson and S.Yi, “PCB Design Optimization of 0201 Packages for Assembly Processes,” SMTA/IMAPS Telecomm Hardware Solutions Conference & Exhibition Proceedings,
May 2002.
M. Wang, D. Shangguan, D. Geiger, K. Nakajima, C.C.Ho and S. Yi, “Board Design and Assembly Process Evaluation for 0201 Components on PCBs,” Apex
Proceedings, January 2002.
M. Wang, D. Geiger, K. Nakajima, D. Shangguan, C.C.Ho and S. Yi, “Investigation of Printing Issues and Stencil Design for 0201 Package,” SMTA International Conference Proceedings, October 2001.
作者联系方式：
Fredrik Mattsson, David Geiger, Dr. Dongkai Shangguan 与 Todd Castello 就职于伟创立公司(flextronics.com).
上官东恺电子信箱：dongkaishangguan@flextronics.com. |
