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高效率的0201工艺特征

By Danial F. Baldwin, Paul N. Houston, Brian J. Lewis and Brian A. Smith

  最近的研究找到了影响0201元件装配工艺缺陷数量的变量...。虽然目前大多数公司还没有达到0201这一工艺水平,但是本文所使用的研究方法和得到的研究结果值得我们学习和借鉴,以便更好地做好我们的1206、0805、0603、0402...

  在过去几年中,消费品电子工业已经明显地出现迅猛的增长,这是因为越来越多的人佩带手机、传呼机和个人电子辅助用品。有趋势显示,每年所贴装的无源元件的数量在迅速增加,而元件尺寸在稳步地减小。将产品变得越来越小、越快和越便宜的需求,推动着对提高小型化技术研究的永无止境的需求。大多数消费品电子制造商正在将0201元件使用到其最新的设计中去,在不久的将来,其它工业也将采取这一技术。

  因此,将超小型无源元件的装配与工艺特征化是理所当然的。我们需要研究来定义焊盘的设计和印刷、贴装与回流工艺窗口,以满足取得0201无源元件的较高第一次通过合格率和较高产出的需求。最近进行了一个0201元件的高速装配研究,对每一个工艺步骤进行了调查研究。研究的目标是要为高速的0201装配开发一个初始的工艺特征,特别是工艺限制与变量。

试验的准备

  对应于锡膏印刷、元件贴装和回流焊接,进行了三套主要的试验。为了理解每个工艺步骤最整个0201装配工艺的影响,我们进行检查了每个工艺步骤。在工艺顺序方面,只改变研究下的工艺步骤的变量,而其它工艺参数保持不变。我们设计了一个试验载体(图一),提供如下数据:

Figure 1
图一、试验载体

  • 0201到0201的间距:焊盘边沿到边沿的距离按4, 5, 6, 8, 10 和 12 mil(千分之一英寸)变化
  • 焊盘尺寸的影响,标称焊盘尺寸为12x13mil的矩形焊盘、中心到中心间距为22mil。标称焊盘变化为±10%、20%和30%。
  • 元件方向,在单元A、B、C和D中,研究的元件方向为0°和90°。E和F单元研究±45°角度对0201工艺的影响。
  • 单元1至6研究0201与其它无源元件包括0402、0603、0805和1206之间的相互影响。这些分块用来决定0201元件对其它较大的无源元件的大致影响,它可影响印刷、贴装和回流焊接(散热)。这里,焊盘对焊盘间距为本4、5、6、8、10和12mil。另外,0201焊盘尺寸在这六个单元上变化。

  测试载体含有6,552个0201、420个0402、252个0603、252个0805、252个1206,总共7,728个无源元件。基板是标准的FR-4环氧树脂板,厚度1.57mm。迹线的金属喷镀由铜、无电解镍和浸金所组成。所有测试板使用相同的装配设备装配:一部模板印刷机、一部高速元件贴装机、和一台七温区对流回流焊接炉。

模板印刷试验

  为了表现对0201无源元件印刷的特征,我们使用了一个试验设计方法(DOE, design for experiment),试验了印刷工艺的几个变量:锡膏的目数、刮刀的类型、模板的分开速度、和印刷之间模板上锡膏滞留时间。这个DOE是设计用来决定是否这些因素会影响0201装配的印刷工艺。度量标准是印刷缺陷的数量和锡膏厚度的测量。结果是基于95%的可信度区间,从统计分析上决定重要因素。印刷缺陷定义为在印刷后没有任何锡膏的空焊盘以及锡桥。

  对于这个印刷试验,模板厚度为125微米,100%的开孔率,商业使用的免洗锡膏。印刷机的设定是基于锡膏制造商的推荐值,在推荐范围的中间。

  模板印刷的试验结果
  表一列出只检查印刷影响的试验。使用了三个度量标准来评估每个试验条件。第一个度量标准是平均锡膏印刷高度。使用一部激光轮廓测定仪从四个象限测量16个数据。

表一、第一个模板印刷试验的试验设计
试验编号 锡膏类型 刮刀类型 锡膏滞留时间(分钟) 分开速度(cm/s)
1 III 金属 0.5 0.05
2 III 金属 10 0.13
3 III 聚合物 0.5 0.05
4 III 聚合物 10 0.13
5 IV 金属 10 0.05
6 IV 金属 0.5 0.13
7 IV 聚合物 0.5 0.05
8 IV 聚合物 10 0.13

  锡膏厚度的标准偏差用作第二个度量标准。图二显示来自八个试验的平均高度和高度标准偏差。

Figure 2
图二、从第一次模板印刷试验得到的印刷高度结果

  第三个度量标准是缺陷总数。用光学检查单元1-6和A-D的选择部分,记录缺陷数量。含有锡桥的焊盘和没有锡膏的焊盘被认为是缺陷(图三)。

Figuure 3
图三、从第一次模板印刷试验得到的缺陷结果

  基于这些度量标准和使用95%的可信度区间,在统计分析上唯一的重要的主要影响是刮刀类型。锡膏类型、分离速度和锡膏滞留时间有低于85%的可信度区间。

分离速度与擦拭频率试验

  进行第二个更小的试验是要检查分离速度和擦拭频率的影响。调查模板擦拭频率,是由于它影响产量。因为模板擦拭大大增加模板印刷机的周期时间,所以在生产中应该避免或减少这个步骤。

  进行这个试验是要决定是否对于0201装配必须做模板擦拭,以获得良好的印刷。另外还希望确定是否分离速度是一个重要因素,所以将它包括在本试验中。

  使用0.05和0.13cm/sec的分离速度。对这两次运行,使用了IV类型的锡膏和金属刮刀,没有滞留时间。表二中列出试验9和10的结果。这些结果与试验5和6(来自表一)比较,也是使用了IV型锡膏和金属刮刀。基于这些结果,模板擦拭频率是这个试验的唯一主要影响。

表二、第二次模板印刷试验结果
试验编号 分离速度(cm/s) 擦拭频率 平均(mil) 标准偏差 缺陷数
5 0.05 每次印刷 149.97 13.45 15
6 0.13 每次印刷 149.36 20.20 43
9 0.05 145.77 15.41 236
10 0.13 136.45 15.19 238

贴装试验

  做一个试验来确定是否基准点形状或基准点定义方法对元件贴装有影响。基准点形状使用了圆形和十字形基准点,而基准点清晰度方面使用了阻焊与金属界定的基准点。这些试验的度量是使用视觉元件检查。用来评估每个试验条件的标准是0201元件的贴装精度。元件贴装在板上的四个象限内(象限4、19、25和40)。这些象限是横穿电路板的,象限4和25使用+30%的焊盘尺寸(17x19mil),而象限19和40使用标称焊盘尺寸(12x13mil)。元件贴装在水平与垂直两个方向。四百八十个0201元件贴装在每块板上,每个试验总共1920个元件。元件焊盘边沿到边沿的间隔范围从5-12mil。

  在贴装试验中。最好的贴装发现在象限4,逐渐地在板上向左偏移,很可能是由于在很大的试验载体上伸展的缘故。因此,贴装的最大偏移发生在象限40。当使用金属界定的十字型基准点时发生最坏的偏移,在象限40的元件几乎跨接焊盘。同时也注意到对于金属界定的圆形基准点比无任哪一种阻焊界定的基准点的偏移更大。

  表三显示对于象限40的四个试验的平均的X和Y的偏移。基于这些结果,阻焊界定的基准点提供比金属界定的基准点更好的板上贴装精度。基准点的形状对元件的贴装精度没有大的影响。

表三、对象限40的贴装试验的平均试验偏差

基准点图案 平均X偏差(微米) 平均Y偏差(微米)
阻焊界定的圆 22 3
金属界定的十字 112 2
金属界定的圆 53 9
阻焊界定的十字 15 4

回流焊接试验

  为了确定是否某些变量对0201回流焊接有影响,我们进行了另一个试验。研究的变量是保温时间、保温温度、液相线以上的时间和峰值温度。这些参数在一个要求九次不同反复的DOE中设定(表四)。所有变量都在锡膏供应商所提供的锡膏规格范围内。

表四、回流试验设计

试验编号 保温时间(秒) 保温温度(°C) 液相以上时间(秒) 峰值温度(°C)
1 45-50 125-135 55-65 217-219
2 55-60 165-175 55-65 211-214
3 45-50 145-155 45-50 211-214
4 25-35 165-175 45-50 217-219
5 25-35 145-155 55-65 222-225
6 25-35 125-135 35-40 211-214
7 45-50 165-175 35-40 222-225
8 55-60 125-135 45-50 222-225
9 55-60 145-155 35-40 217-219

  对这个试验,印刷和贴装工艺保持不变,而对回流温度曲线作改变。使用的印刷工艺与印刷试验中使用的相同,是本研究中找到的较好的变量。使用的贴装参数是与在贴装期间使用阻焊界定的圆形基准点相同的。使用了对锡桥和直立的视觉和X射线检查标准,对于统计上认为重要的因素要求95%或更高的可信度区间。

  回流焊接试验结果
  对于在表五中所列出的每一个试验,重复做三次,每次重复总共564个元件,或者每个试验1692个元件。在每一块测试板上,贴装了396个0201无源元件。这些元件贴装在15x17mil和12x13mil的焊盘上,以6mil和10mil的焊盘边沿对边沿的距离排列。除了0201元件之外,168个0402、0603、0805和1206也贴装,以决定一个产生可接受的0201元件的工艺会怎样影响较大的无源元件。

  使用了三个标准来评估每个试验条件:焊点质量、元件竖立和锡桥。所有的试验条件都产生良好的焊接点,完全以细粒度湿润。

  我们也检查了回流焊接的元件中缺陷的数量。确定的缺陷是锡桥和元件竖立。锡桥在两个相邻的焊接点连接到一起的时候发生,将元件短接在一起。这个缺陷很可能在以非常密的焊盘对焊盘间距贴装的元件上发生。

  当一个元件脱离一个焊盘而立起的时候发生元件竖立(tombstoning)。元件竖立一般是由元件不均衡的湿润所造成的,或者当元件放在一个表面积大得多的焊盘上的时候。

  所有这些缺陷都在0201元件上找到。可是,没有一个较大的元件出现元件竖立或锡桥,这显示使用的装配工艺对较大的元件并不是不利的。

Figre 4
图四、锡桥与元件竖立的X射线图象

  图四显示显示一个X射线图象,它包含锡桥和元件竖立。锡桥、元件竖立的数量和总的缺陷在表五中显示。图五描述每个试验发生的缺陷数量。

表五、回流焊接试验结果
试验编号 贴装0201总数 锡桥 竖立 总缺陷 缺陷率(%) 其它元件缺陷 缺陷率(DPM)
1 1,188 6 15 21 1.77 0 17,677
2 1,188 1 0 1 0.08 0 842
3 1,188 0 0 0 0.00 0 0
4 1,188 0 0 0 0.00 0 0
5 1,188 0 2 2 0.17 0 1,684
6 1,188 6 11 17 1.43 0 14,310
7 1,188 0 0 0 0.00 0 0
8 1,188 4 3 7 0.59 0 5,892
9 1,188 0 0 0 0.00 0 0

Figure 5
图五、回流焊接试验结果

  基于这些度量标准和使用95%的可信度区间,唯一在统计上重要的主要影响是保温温度,它具有大于97%的可信度区间。保温时间、液相线以上的时间和峰值温度具有的可信度区间小于40%,因此被认为是随机诱发的影响。保温温度的主要作用是在低保温温度和其它水平之间,因为在中等与高保温温度的结果之间存在的差别很小。

结论

  从第一次模板印刷试验的数据显示,只有刮刀类型对锡膏高度和缺陷数量具有统计意义上的重要影响。如锡膏高度数据所显示的,在第III和IV类锡膏之间就锡膏数量而言存在很少甚至没有差别。虽然存在很少差别,我们选择了第IV类锡膏作进一步研究,因为在研究的这个阶段只检测大的模板开孔。

  第二次印刷试验证实分离速度对锡膏高度和缺陷没有统计意义上的影响,但是擦拭频率有。锡膏缺陷的数量在这两次试验中比在用每一次印刷都擦拭模板的类似试验中要多得多。

  从贴装试验的数据显示,只有用于定义基准点的方法对贴装精度有重要影响。阻焊界定的基准点 - 不管圆形还是十字形 - 都比金属界定的基准点达到更高的贴装精度。从回流焊接试验的数据显示,只有保温温度对焊接点品质和缺陷数量有重要影响。如缺陷数据所显示,在不同保温时间、液相线以上时间或峰值温度之间存在很少或没有差别。当使用低的保温温度时,缺陷数量大大增加。

  本研究检验了某些变量对0201无源元件工艺的影响。研究发现诸如刮刀类型、模板擦拭频率和保温温度这些变量影响工艺缺陷的数量。还有,诸如锡膏滞留时间、液相线以上时间和峰值温度等变量对工艺缺陷数量有很小到没有影响。

  Daniel F. Baldwin, Ph.d., is the director of the Advanced Assembly Technology Center; e-mail: daniel.baldwin@eae.siemens.com. Paul N. Houston is Advanced process development engineer, Brian J. Lewis is advanced packaging engineer, and Brian A. Smith is advanced process development engineer, all with Siemens Electronics Assembly Systems, Norcross, GA.  

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