貼裝細(xì)小片狀元件的成功要素

 前言：
 隨著主動(dòng)元器件的尺寸變得越來(lái)越小，被動(dòng)元件的尺寸也在減小，設(shè)計(jì)人員能夠靈活的利用它們來(lái)完成高密度產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。0603和0402元件的廣泛使用已有多年，這些元件能夠在批量應(yīng)用中有很高的裝配良率。目前，0201／01005元件已經(jīng)進(jìn)行系統(tǒng)裝配(SiP)，在手機(jī)、數(shù)碼像機(jī)、無(wú)線藍(lán)牙等產(chǎn)品中得以應(yīng)用。0201元件約為0402元件尺寸的四分之一，而O1005元件則約為0201元件尺寸的四分之一。較小尺寸的元件可能會(huì)降低裝配工藝的穩(wěn)健性。這類細(xì)小元件的裝配比其它元件在工藝材料的選擇、設(shè)計(jì)、工藝的控制方面更具敏感性。由于本身的尺寸非常小，它的尺寸公差對(duì)裝配工藝也會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。所以，細(xì)小元件的裝配工藝不同于其它元件，需要更加**的控制。

  本文我們討論的是細(xì)小元件的貼片控制工藝。環(huán)球儀器SMT工藝實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)完整的0201／01005元件裝配工藝。

  貼裝細(xì)小元件的關(guān)鍵因素包括貼片機(jī)的定位系統(tǒng)，取料過(guò)程控制，貼片機(jī)的影像系統(tǒng)，和對(duì)貼片過(guò)程的控制。除了這些因素之外，還有一些不容忽視的地方，如送料器的精度，元件包裝的誤差和元件本身的誤差，吸嘴的材料設(shè)計(jì)等等，都是在裝配之前需要綜合考慮的。下面我們來(lái)討論貼片過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

  0201／01 005元件的貼裝控制
   1．貼片機(jī)的定位系統(tǒng)
   對(duì)于細(xì)小元件的貼裝，要求驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)在所有驅(qū)動(dòng)軸上都采用閉合環(huán)路控制，以保證取料和貼裝的位置精度?，F(xiàn)在很多貼片機(jī)都采用了可變磁阻馬達(dá)(vRM)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以提高熱穩(wěn)定性，獲得較高的加速度，還有高的精度，有的分辨率己達(dá)到lum。這些技術(shù)的應(yīng)用給成功貼裝細(xì)小元件提供了保障。值得注意的另外一點(diǎn)是，采用拱架式機(jī)構(gòu)的貼片機(jī)的單懸臂橫梁在貼片過(guò)程中的抖動(dòng)，是往往容易被忽視的地方。

   2．取料過(guò)程的控制
  準(zhǔn)確的取料是成功實(shí)現(xiàn)貼裝的**步，在此過(guò)程中影響正確取料的因素有元器件之間的差異，包裝的誤差，送料器的精度，貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)的誤差，貼片頭Z軸方向的壓力控制，吸嘴材料和設(shè)計(jì)，以及在取料過(guò)程中對(duì)靜電的控制。

   由于細(xì)小元件之間的細(xì)小差異會(huì)對(duì)取料和貼片過(guò)程產(chǎn)生顯著的影響，要求貼片頭在此過(guò)程中能自動(dòng)感應(yīng)其變化并采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，以消除對(duì)元件高度，厚度等的敏感性。采用的方法是在貼片頭上安排壓力感應(yīng)器，防止過(guò)大的壓力在此過(guò)程中將元件壓碎，或取不到料。比較好的貼片機(jī)的貼片頭Z軸分辨率可達(dá)lum，壓力感應(yīng)器可以感應(yīng)~U24um的變形。

  傳統(tǒng)的機(jī)械式送料器己不能滿足日益變小的元件對(duì)于高精度的要求。細(xì)小元件要求精度更高的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電子送料器，并要求其有良好的抗靜電效果。送料器安裝在貼片機(jī)上，在它們之間會(huì)存在間隙和位置誤差，這種誤差很小，在貼裝較大器件~0603／0805等，完全可以被忽略。但是對(duì)于細(xì)小的0201和01005而言，其影響會(huì)很大。在拾取0201／01005這類元件時(shí)，很難同時(shí)取4顆或7顆元件，原因在于此，另外還有元件包裝的誤差。所以單顆拾取0201或01005比較穩(wěn)妥，可以保證取料的可靠性。理想的取料位置在元件的中心區(qū)域，如果取料位置超出元件上*佳的取料區(qū)域，可能會(huì)導(dǎo)致貼片缺陷，如偏移和立碑等。同時(shí)因?yàn)榘迳显才藕苊?，可能?huì)使吸嘴干涉到其它元件。

  為了消除包裝，送料器等帶來(lái)的誤差，保證取料的一致性，需要貼片機(jī)在取料過(guò)程中具有動(dòng)態(tài)的自動(dòng)矯正取料位置的能力。在生產(chǎn)過(guò)程中，需要換線，需要換料，并且每只送料器的狀態(tài)也不一樣，所以元件*佳的取料位置也會(huì)變化。機(jī)器需要在此過(guò)程中敏感的捕捉到這種變化，并自動(dòng)的
找準(zhǔn)調(diào)整吸料位置，保證吸料的準(zhǔn)確性和可靠性。

   3．吸嘴的設(shè)計(jì)和保養(yǎng)
  貼裝0201和01005元件需要更細(xì)的吸嘴，同時(shí)為了防止靜電損壞元件及在取料過(guò)程中帶走其它元件，細(xì)嘴的材料需要抗靜電，所以要選用ESD材料。為了盡量降低吸料過(guò)程中元件側(cè)立，保證足夠的真空和元件被吸起之后的平衡，在吸嘴頭部需要設(shè)計(jì)2個(gè)或3個(gè)孔?？紤]到貼裝密度小于0．25mm的情況，吸嘴頭部要足夠的細(xì)，它上面的孔也會(huì)比較細(xì)。對(duì)0201的吸嘴而言，*小的孔徑會(huì)達(dá)0．127mm，而01005元件的吸嘴更細(xì)，達(dá)0．1mm。這不僅給制造帶來(lái)了難度，也需提高這些吸嘴的清潔保養(yǎng)頻度。對(duì)吸嘴的清潔保養(yǎng)的要求比其它類型的吸嘴要高，需要利用清潔溶劑和超聲波來(lái)清潔。由于0201／01005~薄，1005元件厚度只有0．1mm，這增加了細(xì)嘴與錫膏接觸的機(jī)會(huì)。增加清潔保養(yǎng)的頻度成為必要。

   4．元件的影像對(duì)中
   確定元件的中心有兩種方式，一種是采用數(shù)碼像機(jī)，另一種是采用鐳射(激光)。兩種方法各有優(yōu)缺
點(diǎn)。采用數(shù)碼像機(jī)可以檢查出元件電氣端的缺陷，。但是它不能感測(cè)元件的厚度變化。對(duì)于Z軸有壓力感應(yīng)及取料／貼片補(bǔ)償功能的機(jī)器，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。采用鐳射成像的方法可以檢測(cè)元件的厚度，但對(duì)于元件電氣端出現(xiàn)的缺陷則檢查不出來(lái)。在實(shí)際貼裝過(guò)程中，元器件兩端電氣端與錫膏重疊的區(qū)域的差異，會(huì)影響焊接完成后的裝配良率。由于不同廠家，或同一廠家不同批次的元件在制造過(guò)程電氣端可能存在差異，所以采用數(shù)碼像機(jī)成像具有一定優(yōu)勢(shì)。

  對(duì)0201元件和01005元件成像對(duì)中需要高倍率的像機(jī)，光源的使用和其它較大的片裝元件也有區(qū)別。一般的元件~0603或0805等元件，使用背光，找到整個(gè)外形輪廓的中心就好。但是0201或01005元件需要使用前光，或仰視照相，找到兩個(gè)電氣端之間的中心，以提高貼裝精度。

   細(xì)小元件兩電氣端與錫膏重疊區(qū)域的大小和差異會(huì)對(duì)裝配良率產(chǎn)生很大的影響(立碑缺陷)。

   不同的元器件制造廠生產(chǎn)的同樣的0201電阻元件會(huì)存在很大的差異。

   照相機(jī)應(yīng)該在相當(dāng)于PCB厚度的位置對(duì)元件對(duì)焦成像， 以提高影像的準(zhǔn)確性，保證貼片精度。

   5． 貼片過(guò)程控制
   在貼片過(guò)程中的關(guān)鍵控制因素有基板平整的支撐，真空關(guān)閉轉(zhuǎn)為吹氣的控制，貼片壓力的控制，貼片的精度和穩(wěn)定性。

  基板進(jìn)入貼片機(jī)后，傳輸導(dǎo)軌將基板兩邊夾住，同時(shí)支撐平臺(tái)上升將板支撐住并繼續(xù)上升到貼片高度。在此過(guò)程中由于外力的作用，容易導(dǎo)致基板變形，加上基板來(lái)料可能存在的變形，會(huì)嚴(yán)重影響貼片的質(zhì)量。對(duì)基板平整的支撐變得非常重要。薄型基板的應(yīng)用，更容易出現(xiàn)“彈簧床”效應(yīng)。薄板隨著貼片頭的下壓而下凹，并隨著貼片壓力的消失而恢復(fù)變形，這樣反復(fù)，造成元件在基板上移動(dòng)，而出現(xiàn)貼片缺陷。所以在支撐平臺(tái)上需要安排支撐裝置，保證基板在貼片過(guò)程中平整穩(wěn)定。

  貼片頭將元件拾取后，照相機(jī)對(duì)元件照相對(duì)中，貼片頭在將元件移至PCB貼片位置上方。貼片頭Z軸加速下降到貼片高度，這時(shí)候Z軸繼續(xù)減速下降，同時(shí)軸內(nèi)真空關(guān)閉，轉(zhuǎn)化為吹氣。元件接觸~UPCB上的錫膏，貼片軸感應(yīng)到設(shè)定的壓力后上升并移開，完成單個(gè)元件的貼片過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中真空的靈敏快速切換和吹氣的時(shí)間和強(qiáng)度控制很關(guān)鍵。真空關(guān)閉太慢，吹氣動(dòng)作也會(huì)延遲，在貼片軸上升過(guò)程中會(huì)將元件帶走，或?qū)е略?。同時(shí)，如果在元件被壓至*低點(diǎn)時(shí)吹氣，容易將錫膏吹散，回流焊接之后出現(xiàn)錫珠等焊接缺陷。真空關(guān)閉太快，吹氣動(dòng)作也會(huì)提前，有可能元件還未接觸到錫膏便被吹飛，導(dǎo)致錫膏被吹散，吸嘴被錫膏污染。靈敏的真空切換可以在5ms內(nèi)在50mm的軸內(nèi)完成。

  貼片壓力是另一需要控制的關(guān)鍵因素。貼片壓力控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致元件損壞，錫膏壓塌，元件下出現(xiàn)錫珠，還有可能導(dǎo)致元件位置偏移。貼裝0201和01005元件合適的壓力范圍為150g一300g。對(duì)于基板變形的情況，貼片軸必須能夠感應(yīng)少到25．4um的變形對(duì)應(yīng)壓力的變化，以補(bǔ)償基板變形。

  過(guò)大的壓力會(huì)導(dǎo)致在下壓過(guò)程中元件上出現(xiàn)一個(gè)水平力，而使元件產(chǎn)生滑動(dòng)偏移。過(guò)大的壓力會(huì)將元件底部的錫膏擠開，形成錫珠，或?qū)е孪噜徳搪贰?/p>

   貼片精度對(duì)0201／01005元件裝配的影響

  65um的精度可以很好的處理0201和01005元件的貼裝。當(dāng)然還必須保證錫膏的印刷精度，單一的偏差有時(shí)不會(huì)有很大的影響。但是貼片偏差和錫膏印刷偏差的綜合影響必須加以控制。譬如，貼片偏差+50um，而印刷偏差為一50urn，整個(gè)偏差達(dá)0．imm，對(duì)0201和01005這類細(xì)小元件此偏差已非常大。

  所以我們必須關(guān)注細(xì)小元件電氣端與錫膏的重疊區(qū)域，細(xì)小元件兩電氣端與錫膏重疊區(qū)域的大小和差異會(huì)對(duì)裝配良率產(chǎn)生很大的影響。如果元件兩端與錫膏接觸的區(qū)域差異大，這種不對(duì)稱很容易導(dǎo)致元件在回流焊接爐內(nèi)產(chǎn)生“立碑”，錫珠和元件間短路。元件在長(zhǎng)度方向和寬度方向的偏移，所產(chǎn)生的缺陷不盡相同。

  在PCB和印刷鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮貼片機(jī)和Ep,~J機(jī)的精度，以及PCB和鋼網(wǎng)的制造誤差，確定適當(dāng)?shù)摹爸丿B區(qū)域”，以補(bǔ)償可能出現(xiàn)的差異。總之，細(xì)小元件的裝配良率受貼片精度和錫膏印刷精度的綜合影響。

  總結(jié)
  細(xì)小元件應(yīng)用越來(lái)越廣，給設(shè)備和工藝帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠鋵?duì)各種變數(shù)更加敏感，細(xì)小的變化可能導(dǎo)致非常顯著的影響，如0201貼裝偏移量增加甚至小于0．1mm，**率將增加超過(guò)5000ppm!工藝材料，機(jī)器，方法(工藝)，人員，和環(huán)境**的結(jié)合才能獲得穩(wěn)健組裝工藝和高質(zhì)量產(chǎn)品。