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0201元件对制造工艺的影响
张学博1 余运江1 马孝松2，1
1：桂林电子工业学院
2：西安电子科技大学
摘 要：
随着科技的进步和人们生活水平的提高，人们对电子产品，尤其是电子消费品的需求也越来越高。电子产品的小型化和集成化成了其发展的主流方向。产品的功能越来越多，而其体积越来越小，由此带来的元件的高密度也是必然的。如何在一定的空间内放置更多的元件呢？答案当然是减小元件的体积。这就是为什么0201元件在当前的产品中应用越来越广泛的原因。0201元件的广泛使用，其具体的驱动力来自于越来越多的功能，如GPS、蓝牙技术、802.11无线技术、E911、3G，集成在移动电话、笔记本电脑等其他电子产品中。0201元件的出现，给当前的制造系统带来了较大的影响。由于0201元件的体积只是常见的0402元件的四分之一，重量也为其四分之一，在PCB上所占的空间比0402少67％。体积更小，重量更轻使其对整个的组装工艺（包括PCB设计、模板与开口设计、焊膏印刷参数、贴装设备、再流焊、检测等）都有很大的影响。这些影响是一系列的，其中，对组装工艺影响较大的是PCB设计（包括焊盘设计、元件间距、布线设计等）、模板设计和贴片设备的精度。本文将主要讨论这三个方面对0201组装工艺的影响，并对组装工艺过程中出现的缺陷进行分析并给出解决方法。
关键词：0201；再流焊；贴片；模板设计
1 0201元件对PCB设计的影响
0201元件的应用对印制电路板的设计与制造有着很大的影响。其主要影响方面是设计的方面，主要包括焊盘设计、元件间距和布线设计。0201元件要求更小的焊盘，更细更密的布线，以及更小的元件间距。对于这些方面的改变，从技术上都是可行的，但是直接影响到了PCB的生产成本，是成本大幅提升。下面我们详细的讨论一下0201对PCB元件间距和布线设计的影响。
1.1元件间距与布线设计
使用0201元件的最主要原因就是节省PCB上的空间。这样可以将更多的元件设计到PCB上，以增加产品的功能和减小产品的体积。0201元件带来的好处除了本身体积减小之外，还包括元件间距的减少。这样进一步节省了空间。一些制造商和研究机构做过这方面的研究，结果显示，使用0201元件的PCB和使用0402的PCB相比节省了60%以上的空间。研究结果还显示，元件的间距最小可以小到6mil。
图1 元件间距和焊盘间距
当前，针对0201元件的应用，对合同制造商的元件间距的要求是16mil。我们可以见到的经常使用的间距是8mil、12mil、16mil、20mil。当然，元件的间距越小，所节省的空间就越多。但是更小的间距对贴片设备的精度，模板的精度以及PCB布线的设计都有很大影响。元件间距越小，贴片机的精度应该越高，模板上的开口的间距也越小，模板就越难制作。如果要实现8mil的间距，则需要在PCB的布线方面作一些改进。
首先先看一下PCB布线的线宽和线距的标准，参见表1.1－1.3
表1.1 线宽和线距
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线宽/英寸 |
线间距/英寸 |
备注 |
线宽/英寸 |
线间距/英寸 |
备注 |
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0.10
0.007 |
0.010
0.008 |
简便
标准 |
0.005
0.002 |
0.005
0.002 |
困难
极困难 |
表1.2 外层线宽和线距
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功能 |
0.012/0.10 |
0.008/0.008 |
0.006/0.006 |
0.005/0.005 |
|
线宽/英寸
焊盘间距/英寸
线间距/英寸
线-焊盘间距/英寸
环形图*/英寸 |
0.012
0.010
0.010
0.010
0.008 |
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008 |
0.006
0.006
0.006
0.006
0.007 |
0.005
0.005
0.005
0.005
0.006 |
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*为孔边缘到焊盘边缘的距离 |
表1.3 内层线路线宽和线距
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功能 |
0.012/0.01 |
0.008/0.008 |
0.006/0.006 |
0.005/0.005 |
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线宽/英寸
焊盘间距/英寸
线间距/英寸
线－焊盘间距/英寸
环形图/英寸
线－孔边缘/英寸
板－孔边缘/英寸 |
0.012
0.010
0.010
0.010
0.008
0.018
0.018 |
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
0.016
0.016 |
0.006
0.006
0.006
0.006
0.007
0.013
0.013 |
0.005
0.005
0.005
0.005
0.006
0.016
0.016 |
我们这里一般讨论的是外层线路，所以可以看到线宽和线间距都有一个范围。一般将线宽和线距记为：X／X。比如，线宽为7mil，线间距为8mil，则记为：7／8。当前PCB布线的最小标准为5／5，即5mil的线宽和5mil的线间距。由于使用了0201元件，所以在一定范围内可以适当的使用3／3，4／4的布线设计。另外，当有BGA元件时，可以在一定的范围内使用4／4的布线设计。不过如果较大规模的使用3／3，4／4的布线设计将会带来负面影响，也就是PCB成本的增加。如果使用的是3／3的布线设计，其成本的增加幅度大概为15％－25％。
另外还有一个要考虑的方面就是布线宽度、间距和元件／焊盘间距之间的相互影响。比如如果使用8mil的焊盘间距，即使3／3的布线设计方案也不能够使用。因为元件之间没有足够的空间。最低的要求为9mil。
1.2 0201对印刷工艺的影响
在整个SMT的生产过程中，焊膏的印刷通常是第一道工序，也是最关键的工序。因为有统计表明，在SMT的生产过程中，有60％－70％的焊接缺陷都与焊膏的印刷有关。在印刷工艺当中，又有几个重要的方面：焊膏、模板、印刷设备参数。在这里我们主要讨论以下0201的使用对模板设计的影响。
首先介绍一下常用的三种模板制作方法：化学蚀刻、激光切割、电铸成型。化学蚀刻的模板开口呈碗状，焊膏的释放性能不好，并且开口极易堵塞，所以要经常清洗，改种模板的精度也比较低，通常用于元件间距大于20mil的情况下，但是其成本比激光切割和电铸成型都要低；激光切割模板是用激光切割而成，开口上下自然呈梯形，有利于焊膏的释放，但是其孔壁没有电铸成型的模板光滑，推荐用于元件间距低于20mil的情况其价格介于化学蚀刻和电铸成型之间；电铸成型的模板开口也是呈梯形，有理与焊膏的释放，孔壁光滑极利于焊膏的释放，通常用于细间距和超细间距的印刷，有着良好的耐磨性和使用寿命，价格在三种中最贵，制作周期较长。这种模板比较适合于0201元件。下面是三种模板的示意图。
图2 化学蚀刻模板及其开口
图3 激光切割模板及其开口
图4 电铸模板及其开口
模板中有两个个重要的参数就是开口的面积比率和宽厚比。见下图
图5 模板开口的宽厚比和面积比率
一般的要求为宽厚比>1.5，面积比>0.65。
对于0201元件，由于焊盘的尺寸减小了，所以模板的开口面积也减小了。这导致了面积比率的减小。对于0201元件的模板设计的时候，有一点非常重要的问题要注意，就是，对于激光切割模板来说其面积比率要大于0.65；对于电铸模板来说其面积比率要大于0.6。稍后我们会讨论一下为什么激光切割的模板的面积比率要大于电铸模板的。这里我们有一个图来显示焊膏的释放体积百分比和面积比率之间的关系。
图6 焊膏的释放体积百分比和面积比率之间的关系
从这个图中我们可以看到，当面积比率大于0.7的时候焊膏释放体积的百分比也高于80％，而当面积比率低于0.5的时候，释放百分比也低于60％。在0.5-0.7的面积比率之间，其释放百分比在60-80％之间。这些数据是从电铸模板上得来的。在面积比率低于0.6的时候，我们可以看到体积比率开的偏差开始较快增长。出现这个问题的原因是，在这个时候开始出现了更多的部分堵塞或者全部堵塞的开口。由于被堵塞的开口越来越多，这样也导致了随着面积比率的减小，0201组件中的缺陷情况越来越多。下面的一个图显示了使用电铸模板的0201元件印刷的缺陷数目和面积比率的关系。
图7 缺陷数目和面积比率的关系
从上面的图中可以看到，当面积比率大于0.65的时候，缺陷的数目在0.625附近开始增长。在大概0.565的面积比率的时候，缺陷的数目开始大幅度增长。
另外一个在0201生产工艺中的问题就是模板种类的选择问题，也就是选择电铸模板还是激光切割模板。激光切割的模板是通过激光钻孔，然后再经过电抛光把孔壁上的粗糙部分去除。电铸模板则是通过成型技术制造，通过这种技术，可以产生非常光滑的孔壁，这将十分有利于焊膏的释放。现在对于电铸模板的主要问题是它的成本要比激光切割模板高2－3倍。从两种模板在0201元件的印刷的试验中可以发现，电铸模板印刷焊膏的量要高于激光切割模板。电铸模板的释放比率一般在85％左右，而激光切割模板的在70－75％之间。在试验中我们发现，是用激光切割模板时出现的缺陷的数目要比电铸模板的高。所以，综合各个方面的影响，在生产中，如果条件允许，应该优先选用，电铸模板。在0201元件的工艺中，推荐使用电铸模板。
2 0201元件对贴片设备的影响
在整个0201工艺中贴装可以认为是最重要的一环。因为贴装系统从供料系统吸取0201元件，视觉识别和准确地贴装元件，在设定这个过程中必须小心。基本上，0201贴装过程涉及四个分开的动作：
A．首先从送料器吸取元件。最常见的，0201无源元件包装在纸带上，8mm宽纸带上的凹坑装纳元件。当设定吸取过程时，必须注意到细节。因为0201只是自从1999年才作为SMT工艺的元件，生产元件和送料带的误差问题仍然存在。虽然在带上似乎包装得紧密，在微米级，但是实际上相当松散。使用几乎与元件一样大的吸嘴，误吸的机会可能高。因为这个理由，吸嘴通常制造得比元件稍微大一点。
B．一旦吸取到元件，真空检查决定元件的存在或不存在。这是检查的一个重要方面，因为如果元件不存在，贴装头必须处理掉无吸的0201或再吸取元件。吸取错误一般不直接影响实际的过程，但会影响总的处理时间和产量。现时的研究也评估了带与盘(tape-and-reel)、Surf tape和最后的散装盒(bulk-case)送料的区别。
C．一旦通过真空检查确认元件的存在，视觉系统将元件定位到电路板。高级的视觉系统可完成元件的外形测量或识别两个元件端。为了做到这一点，视觉系统决定是否元件附着在吸嘴上不正确或是否超出可靠的元件与贴装所要求的公差。如果元件超出公差，则被放弃，重新吸取。
D．最后步骤是将0201贴装到焊盘的焊锡内。虽然这个过程必须快速完成，但也必须准确，以保证元件完全贴放在各个焊盘上。如果元件贴放不准确，诸如墓碑或相邻元件之间的锡桥等缺陷机会相应地增加。当考虑使用0201元件设计电路板的最小元件间距的时候，贴装系统的精度也应该考虑。下面的图中表示在贴装精度的基础上，应该使用的最小间距。例如，如果贴装系统的精度为±45µm，那么应该设定大约90µm的最小间距。
图8 使用0201元件时的最小贴装间距
贴装力与速度也是重要的贴装过程方面。因为每台机器都不同，必须定出特性，保证速度够快以保持焊锡不从锡膏砖溅出，使用的力不至于将元件过分压入锡膏。如果使用太大的力或太高的速度，会增加焊锡球或元件偏移的可能性。
贴装课题评估速度、力量和降低限制。通常，速度和力是依赖机器的，但对精度，焊锡熔湿与自我定位力等物理现象是不依赖机器的，因此平台与平台之间都是一致的。数据显示，如果使用较早前所提及的焊盘设计，长度方向的贴装偏移将比宽度方向的偏移允许更多的自我定位。长度方向过多的偏移产生比宽度方向更多的缺陷。回流焊接之后的元件偏移是宽度方向偏移引起的较常见的缺陷。
0201的贴片设备对整个生产还有另外一个重要的影响，那就是成本问题。一台贴片设备也许具有贴装0201的能力，但是该设备的一些子系统，如检测系统（包括摄像头和视觉分辨装置）、吸嘴、真空装置、供料器等等，并不满足所需的精度要求。因此，无论是购买新的贴片设备还是升级现有的贴片设备，都要有一个较大的资金投入。
增加的贴片设备所投入的成本对0201制程的影响可分为资金方面、消耗方面和资源方面。第一，资金方面的影响包括新设备的采购，旧设备的升级；第二，消耗方面的影响包括吸嘴，敏感耐用元件的增加，过滤器，润滑油等等；资源方面的影响指的是设备预防性的维护，制程工艺开发，问题的解决以及额外的技术支持。
3 0201元件对再流焊工艺的影响
再流焊是一个重要的工艺过程,因为通常这是一个发现问题的地方。因为前面的工序，如PCB、模板设计、焊膏印刷、元件贴装等，在这些工序中产生的潜在问题，都会在再流焊之后表现出来。比较常见的有桥接、立碑、元件滑移、少锡、多锡等等。当然，再流焊本身的一些工艺参数也会引起这些缺陷。比如，焊接曲线的设计不合理。在焊接0603以下的元件时最容易出现的问题就是元件的位移（包括立碑、错位、滑移等），这个问题也是在焊接0201元件时最常见的问题。出现这种问题的原因是，这些元件的重量比较小，当进行焊接时，如果元件两端焊料熔化后所产生的表面张力不相等，则会引起元件本身受力不平衡，于是元件便会翘起或错位，就产生了位移现象。这个问题对于0201尤为明显，因为其重量仅为0402元件的1／4，大概只有10-3次方的数量级。
我们在这里主要讨论以下在0201元件的再流焊接中立碑问题产生原因以及解决方法。
A. 焊盘的设计和布局不合理
在焊盘的设计方面，参照下面两幅图。
图9 0201焊盘设计优化
对于一般设计的焊盘，如果将焊盘的宽度适当增加，即图中的W和W＇，则可以减少使元件发生竖立的纵向表面张力。这样可以减少0201元件的立碑现象。
而在元件的布局方面，应该尽量使用如下图中元件1的布局方向。因为当PCB板以图示方向进入炉中时元件2的B端比A端要先进入炉内，因此B端的温度始终都比A端高，因此其温度也比A端先到达焊料熔点。这时候，元件2的A、B两端的受力便会不平衡，A端便会立起，产生立碑现象。而元件1 就不会出现这种问题。
图10 元件的排布
B.焊膏及其印刷的影响
焊膏方面的原因主要是其活性不够和粘性不够，因此焊料熔化后两边的张力也不等。有印刷产生的原因主要是印刷后两边焊盘的焊膏的量不等。焊膏量多的一边因吸热量多，熔化时间滞后，导致表面张力不等。
印刷所产生的影响的解决方法是改善印刷参数，选择适当的印刷速度、压力等。还要选择适当的模板的面积比率和模板厚度。
C.元件和焊盘的可焊性
元件或者焊盘的可焊性差，是指元件或者焊盘对熔化焊料的浸润性不好。原因是，元件或者焊盘被氧化或者不洁净。
D. 贴片造成的影响
贴片所造成的立碑的影响主要是由元件在Z轴方向受力不均匀所导致的，如下图所示。
图11 元件在Z轴方向受力不均匀
由于在Z轴方向受力不均匀，导致元件浸入到焊膏中的深浅不一，焊膏熔化后受力就会不均匀。
E. 温度曲线不合适
用大的预热斜度处理0201元件可能增加立碑的机会，因为0201元件本身的重量十分的轻。较大的升温的坡度可能引起元件一端的锡膏稍微比另一端回流快。如果元件一边首先回流，不平衡力将作用在元件上，由于表面张力，在首先回流焊盘的方向上立起元件。
F. N2再流焊中氧气的浓度
采用氮气保护的再流焊会增加材料的润湿力。但含氧量过低比较容易造成立碑现象。一般应保持氧气的含量在100×10-6左右为宜。
4 小结
随着0201元件的逐步的广泛使用，每一个制造商都会将面对使用0201元件所带来的问题。在0201元件所带来的影响中，除了设计方面的影响外（包括PCB设计、模板设计等），其他在工艺方面出现的问题更其他的元件，如0402，基本上差不多，解决方法也都类似。另外，有些工艺方面出现的问题是由设计方面引起的。所以在分析0201生产中的缺陷的时候，首先关注的应该是设计方面的因素。如果设计方面没有出现什么问题，则在对生产工艺参数进行调整，如印刷参数，贴片参数，再流参数等等。不过调整的时候，每次只能改变一个参数，这样才可以清楚的知道缺陷是由哪一个或者哪几个参数引起的。另外，在0201的生产工艺中，成本的考虑是非常重要的，包括0201元件本身和贴片设备、检测设备等等。
参考文献
1． Andrew Butterfield&Mark Guilford&Kevin Pieper. “Impact of 0201 components on current manufacturing systems”, Motorola,Inc.
2． Tony Huang and Rudolph Yu&Woei Der Teng and Vincent Goh. “Getting factory ready for 0201 components”,Adaptec,Inc.
3． Daniel F.Baldwin,etc. “Designing a high yield 0201 assembly process for new product introducetion”. Simens Dematic Eas
4． Mei Wang,Dr.Donkai Shangguan,M.T.Ong,etc. “Assembly process qualification on 0201 packages for volume manufacturing”.Flextronics,San Jose,CA,USA
5． “Process parameters optimization for mass reflow of 0201 components”,Universal Instruments.
6． Brian J. Lewis and Paul Houston. “0201技术推动工艺解决方案”.
7． 张文典.实用表面组装技术[M].北京：电子工业出版社，2002 <|||>
张学博1 余运江1 马孝松2，1<|||>
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1：桂林电子工业学院 2：西安电子科技大学<|||>
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2004-11-3 |
