淺議電子貼片元件(0201)的裝配

曾凡慧

（貴州航天電子科技有限公司，貴州 貴陽 550009）

1 小型電子產品發(fā)展的歷程

自上個世紀五十年代發(fā)明印刷電路板(PCB,printedcircuitboard)后,人們對電子產品的小型化提出更新更高的要求,電子元件、PCB及其裝配設備技術就始終在朝著SMT的方向發(fā)展。SMT的普遍應用發(fā)生在八十年代初期,1206(3216)電阻與電容是最流行的貼裝元件。一兩年之后,0805(2125)就替代了1206成為SMT貼裝的最普遍的元件包裝。

在此期間,機器與元件都得到迅速發(fā)展。在機器變得更快更靈活的同時,0603(1608)元件、0402(1608)包裝的相繼出現(xiàn),給PCB裝配的各方面都提出了更高的要求。為了使機器能更準確地送出零件,裝配設備技術發(fā)展的重點是元件的送料器 (feeder)。此外錫膏(solderpaste)印刷也變得更加關鍵-模板(stencil)厚度與錫膏網孔成為越來越重要的工藝考慮因素。這些影響因素使得0402包裝幾乎用了五年時間才在工業(yè)中被廣泛應用。現(xiàn)在更小的0201包裝已經開始普及。由于尺寸、重量和功率消耗的需求,許多電路板需要將更小的元件和技術結合到其產品中去,因此0201貼裝得到了快速發(fā)展。可以想象高精度的0201工藝在應用中必然有很多難點,而分析這些難點,找出0201的工藝特征也就是本論文的主要目的。

2 0201的準確貼裝分析

2.1 主要的困難

0201的使用帶來了更高的元件密度,也使得貼裝作業(yè)的難度增大了一個數(shù)量級。0201元件要求采用較小的焊盤尺寸來防止焊錫污跡,接納無焊腳焊接。對于密度高的PCB,貼裝精度直接影響回流焊接后的裝配缺陷數(shù)量,例如,貼裝偏移會增加錫橋、錫珠、元件豎立和元件對不準焊盤的幾率。根據(jù)資料顯示,對于標準焊盤,y<0.075mm,x<0.075mm的貼裝偏移基本上對缺陷沒有影響。可是,當偏移增加到<0.1mm時,缺陷水平就會上升到超過5000ppm。此外,貼裝操作涉及的不止其本身,它還包括吸取的可靠性、元件視覺識別系統(tǒng)的準確性和貼裝的可重復性。還有一個很關鍵的問題是焊盤的設計,在這我們推薦一種行之有效的方法,見表1。

由于吸嘴的軸向運動會產生一個水平的力,將會造成元件的偏移,有可能增加高密度貼裝的錫橋。因為當使用無焊腳焊盤時,元件會將錫膏從零件下擠出。因此,可以將超程定義為使得元件和PCB之間的間隙小于焊錫顆粒大小,也就是說,貼裝系統(tǒng)必須將該間隙控制在40～60um。另一個起作用的因素是板的支撐,沒有支撐元件可能從過高的高度落下或被壓入錫膏中。為了準確地控制行程,板的支撐系統(tǒng)必須為板的拱形提供足夠的糾正。下面所說的吸取位置公差就是描述吸嘴行程的參數(shù)。

2.2 吸取位置公差

因為傳統(tǒng)貼裝設備在Y軸上沒有控制,所以使得公差難以控制,從而連貫性難以保證。為了保持生產系統(tǒng)的連貫性,吸嘴必須能夠在三個方向上移動,即沿X,Y和Z軸移動。同時,既保證將元件對中吸嘴,又必須確保貼裝精度在公差范圍之內。顯然,這對于0201來說,其公差精度要求與其他零件相比更高。

有研究表明,如果要確保0201貼裝成功,有必要將吸嘴Y方向的精度控制在±0.07mm以內,X方向的精度在±0.1mm以內,Z方向的精度在±0.1mm內;為了補償Z軸,貼裝設備必須具有增設實時的反饋檢測機構裝置,測量每個元件的厚度,從而達到0.1mm的目標值。但從實際來看,在保證貼片機精度的前提下,還有一些其它問題需要解決。

2.3 元件在錫膏上的運動

0201貼裝的另一個重要問題是在某些情況下,0201元件由于焊接過程中錫膏融化所產生的表面張力不均而無法停留在其原本貼裝的位置,也就是說,即使貼片機做到了萬無一失,0201元件最終在PCB板上的位置仍然有可能不準確。根據(jù)試驗表明,對于Y方向的貼裝精度,板上小于0.05mm超程的元件有時將會向短邊方向滑行超過60um。

并且還發(fā)現(xiàn)當0201元件只是貼裝在助焊劑上時,元件沒有發(fā)生因超程產生的滑移,但是在錫膏上就會發(fā)生。經仔細對比試驗數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)當錫膏顆粒大小大于20um時,元件就會或多或少的出現(xiàn)偏移,這是因為顆粒在焊盤上分布不均。由于元件貼裝時間僅僅是幾毫秒,所以任何不平的表面都可能造成零件偏斜或運動。這也是熱風焊錫均涂(HASL)板不適用于0201貼裝的原因。顯然:錫膏的顆粒直徑也是影響貼裝的精度的關鍵之一。

3 幾個問題的關鍵因素

使0201獲得準確貼裝,主要由以下幾個關鍵因素決定:

3.1 元件送料器工作臺

送料器(feeder)工作臺必須精密加工,保證單個送料器可重復定位,并且采用雙軌線性移動導軌與高分辨率半封閉循環(huán)伺服系統(tǒng)相結合。這樣,只需作微小的調節(jié)就可保證元件盡可能地靠近中心吸取。

3.2 元件送料器

元件送料器不論元件高度和元件位置可能出現(xiàn)的大量變化,都必須保證吸取位置維持可重復性。用于送料器的定位機構必須精確耐用。應選用強度高、重量輕的材料,以允許人機工程上的操作,以保證元件料帶(carriertape)的精密、可重復的送出。

3.3 送料器驅動鏈輪

驅動鏈輪輪齒的形狀、錐度和長度會極大地影響到送料器定位料帶的能力。

3.4 吸取頭

真空吸嘴(nozzle)應能適應在吸取貼裝元件期間因機械運動引起的沖擊,以補償錫膏高度上的微小變化,減少元件破裂的危險。吸嘴必須能夠在其夾具內自由移動。因此,在選擇吸嘴材料時,必須考慮材料的硬度、加工公差和熱特性等,以保證精度。

3.5 吸嘴設計

對于0201元件而言,吸嘴設計不同與其它元件。因為0201元件的體積非常小,如要吸取0.6×0.3mm的元件,吸嘴外徑就不能大于0.40mm。所以要求吸嘴的設計應盡量加大真空的接觸表面積,同時還應有一個不會干涉高密度布局的外形。為保證精度以維持吸取的高可靠性,0201元件的吸嘴軸由直線型設計改為錐型,增加了吸嘴強度,并使吸嘴具一定的抗彎能力。另外,吸嘴還必須高度耐磨、耐腐,因為元件表面的有機物對吸嘴的腐蝕作用會由于小的接觸面積而更加嚴重。吸嘴設計的改進也可為提高貼裝精度提供部分的解決方法。

3.6 吸嘴軸(nozzleshaft)裝配

過壓(overdrive)也會造成定位精度變化。過壓是由于貼裝頭上下運動的慣性造成的,如果吸嘴和吸嘴軸不在一條直線上,就會產生抖動(whip)現(xiàn)象。即過壓。它取決于運動速度、吸嘴重量和元件重量,可以通過吸嘴與吸嘴軸裝配直接對中,來消除過壓現(xiàn)象。直接對中能減少與元件吸取和貼裝有關的負面因素的數(shù)量。

4 結束語

文章所述了基于SMT表面貼裝技術的超小型貼片元件(0201)工藝,包括它的工藝特征分析,應用難點及其技術工藝的推動方案,并以SMT工藝制作了編碼控制接口。

[1]BrianJ.LewisandPaulHouston.0201技術推動工藝解決方案.

[2]Danial F.Baldw in,Paul Houston.高效率的0201工藝特征[J]，電子技術.