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0201元件装联工艺和辅料选择探讨
（湖州生力电子有限公司 沈新海）
电子产品的持续小型化推动片式分立元件越变越小，从0805、0603、0402变到0201，只用了很短的时间。在追求更轻更小的数码电子产品中，0201元件有着广阔的应用前景，因为它可以大大节约PCB空间，并使功耗更低。
然而分立元件小型化也带来了一些负面影响，主要是增加了SMT工艺难度，不良率会有明显上升。常见的不良现象有：“立碑”（如图1）；“锡珠”（如图2）；“桥连”（如图3）。
通过工艺优化和辅料选择等手段可以尽量降低不良率，如焊盘设计、钢网设计、印刷、贴装和回流工艺优化、焊锡膏合金和颗粒大小等。本文旨在讨论怎样优化这些工艺参数来使0201元件SMT制程不良率降至最低。
0201 元件SMT工艺过程中最常见的不良是“立碑”，指的是元件的一端脱离焊盘浮起，另一端仍留在焊盘上。“立碑”是由于回流焊过程中焊锡熔化时，元件两端的焊锡表面张力不一致造成的。可能的原因是不均衡的冷却或加热、过量的焊锡膏沉积、焊盘设计过大、钢网太厚、元件和焊盘的可焊性差、助焊剂的性能差、焊锡膏合金类型不适合、贴装精度差等。
1、焊盘设计
通常，焊盘面积和焊盘间距越大越容易产生“立碑”，研究表明0.3×0.38mm尺寸的焊盘和0.23mm的焊盘间距，可以使“立碑”减至最少。
PCB设计时对焊盘热平衡的考虑不周，也是导致“立碑”的重要原因，通常焊盘与大面积铜箔（如接地等）之间需进行热隔离设计，采用一根细的铜线连接。
2、钢网设计
优化钢网设计是减少“锡珠”和“立碑”的最有效的方法之一，“房形”漏孔和“U形”漏孔是两种常用的开孔方式。
“锡珠”是在回流焊过程中，熔化的焊锡脱离焊盘引起的。通常是由于焊锡膏印刷过量，元件贴装后将焊锡膏挤出焊盘而造成的。“房形”漏孔和“U形”漏孔的设计可以减少焊锡膏的沉积量，避免被元件挤出焊盘，从而减少锡珠产生的机率，同时也可以减少“立碑”的产生机率。图4是一种“房形”漏孔设计的范例，图5是一种“U形”漏孔的设计范例。
除了焊锡膏的印刷量，焊锡膏在焊盘上的位置是否精准，也是一个很重要的因素，所以需提高印刷精度。
“U形”漏孔的设计规则是将焊盘宽度均分成三份，长度均分成二份，挖去焊盘内侧中间的1/3部分，所有边角进行弧形处理。这种“U形”漏孔，对降低0402及更大元件的“立碑”现象也是十分有效的。
3、钢网厚度
钢网的厚度会直接影响到焊锡膏的沉积厚度，进而影响“立碑”产生的机率。为了简化设计，通常将0201元件与其他更大体积的分立元件的钢网厚度设计成一样的，这样，相对较厚的焊锡膏产生了额外的杠杆作用（如图6），就更易引起“立碑”。为了防止“立碑”的产生，设计成更薄的钢网是必需的，推荐的钢网厚度是0.10-0.12mm，实验表明0.10mm厚的钢网比0.12mm厚的钢网更能降低“立碑”的发生率。
4、贴装精度
贴装偏移，特别是元件纵向偏移，使元件两端与焊盘重叠部分面积严重不对称，很容易导致“桥连”、“锡珠”、“立碑”、“偏移”等不良。目前大部分贴片机处理0201元件都已达到其设计极限，取料、识别对中、贴装等过程的精度和可靠性都会有所下降，所以比较实际的目标是在±60μm、3-sigma的贴装精度要求下达到99.9%的取料率。要达到这个目标也不是很容易的，须事先对现有贴片机进行精度调校和验证，必要时进行设备升级或更新。
5、印刷工艺
印刷精度和焊锡膏的沉积量也是很重要的，由于0201元件体积很小，印刷稍有偏移就可能引起不良。以下是几个关键的印刷工艺参数：
① 印刷间隙
印刷间隙指的是印刷时钢网底面与PCB表面之间的间隙，设置不当极易引起“桥连”。通过调节印刷间隙可以调整焊锡膏的印刷沉积量，但也容易使焊锡膏污染钢网底面，使印刷粘连。所以，接触印刷（印刷间隙为零）是推荐的印刷方式。
② 印刷速度和压力
高速和高压力印刷会加快焊锡膏劣化并导致“漏印”和“焊锡膏沉积量不一致”。在设置印刷速度前，首先要根据贴装速度来确定印刷周期，尽量做到“即印即贴”，无谓的提高印刷速度是有害无益的。
印刷压力与印刷速度是相关的，印刷速度越高，印刷压力就越大。高速和高压力印刷会使焊锡膏失去粘性而变得很稀，易使印刷后的焊锡膏塌落，引起“桥连”和“锡珠”。推荐的印刷压力是按照刮刀的长度以0.14-0.26 Kg/cm计算。
③ 分离速度
分离速度是指印刷完成后钢网与PCB分离的速度。一般认为，分离速度越慢，印刷效果越好。分离速度太快，容易引起焊锡膏“拉尖”（俗称“狗耳朵”）、“钢网漏孔堵塞”、“焊锡膏沉积量过少”和“漏印”等不良。推荐的分离速度是2.5-5mm/s。
6、回流曲线
在生产高密度的PCBA时，“立碑”问题会一直困扰着你。因为0201元件易受 周边大元件的影响，解决的办法是降低升温斜率，尽量使0201元件两端的焊锡膏保持相同的升温速度，同时达到熔点，从而使两端焊锡张力达到一致，避免“立碑”产生。推荐的工艺参数：从室温至170℃左右的升温斜率是1~1.5℃/S，峰值温度为215℃，从215℃降至183℃的降温斜率也是1~1.5℃/S。
一般情况下，可以采用“直线型”回流曲线，升温斜率0.6-1.8℃/S，效果最好。
但特殊情况下，如受回流炉长度和链速限制使回流曲线过短，PCB过分复杂使0201元件升温过快，冷却部分使用氮气保护而使0201元件两端从液相到固相的转换时间不一致等，都容易引起“立碑”不良率的上升。在这些情况下，采用“保温型”回流曲线是必需的。保温区的温度为150-170℃，保温时间不能过长，否则会影响助焊剂的作用效果，但也不能过短，需保证PCB上所有元件达到热平衡。
7、焊锡膏的合金
由于Sn63/Pb37是共晶合金，有着单一熔点，从液相到固相的转化是在183℃时瞬间完成的，这使元件两端焊锡的表面张力不一致的可能性大大增加了，所以Sn63/Pb37是共晶合金更容易产生“立碑”不良。
而非共晶合金的两种焊接金属材料熔点不同，所以，在焊接过程中熔化有先后，使非共晶合金有着从液相到固相的一个共存区，液相时间延长，使这有利于0201元件两个焊端的充分润湿，同时达到热平衡。试验表明，采用非共晶焊料可以显著提高焊接效果和焊点强度。所以要降低“立碑”不良率，采用非共晶合金是一个可行的办法。
8、合金粉颗粒大小
焊锡膏中的合金粉末是按尺寸分类的，分类号越大，粉末颗粒越细。0201元件最常用的是3类焊锡膏，4类焊锡膏虽然可以使印刷更容易，但因其有更大的合金表面积，所以更容易氧化和变干，另外，4类焊锡膏也更贵。
9、结论
由于0201元件尺寸的缩小，装联工艺中不良（特别是“立碑”）的发生率会显著上升，按照以上工艺方法，可以降低或消除许多不良，但要取得更好的效果，还需要在生产实践中对印刷、贴装、回流各工序的工艺参数作深入的优化，当然，钢网设计和焊锡膏选型也是不能忽视的。
本文根据SMTA 2004 Conference Proceedings on CD-ROM资料编译：
《0201 ASSEMBLY & MATERIALS CONSIDERATIONS》
David Suraski AIM Cranston, RI, USA |
