第1章 细小元件组装工艺

近年，0201/01005 片式元件（英制封装代码，对应公制为0603/0402，除非标明公制，否则本书封装代码均指英制）应用日益广泛。0201元件约为0402元件尺寸的四分之一，而01005元件则约为0201元件尺寸的四分之一，其装配尺寸已进入微组装（500 μm）范畴，因而称其为细小元件。这类细小元件的装配比其他元件在工艺材料的选择、设计和工艺的控制方面更具敏感性，会降低装配工艺的稳定性。由于本身的尺寸就小，它的尺寸公差对装配工艺也会产生非常显著的影响。所以，细小元件的装配工艺不同于其他元件，需要更加精确的控制。

首先本章讨论细小元件应用面临的贴片控制工艺，继而通过针对0201/01005元件装配试验的研究来说明如何进行PCB设计、锡膏选择和钢网印刷，以及回流焊接工艺的控制。

1.1 细小元件的贴装控制

1. 影响细小元件成功贴装的关键因素

贴装细小元件的关键因素包括贴片机的定位系统、取料过程控制、贴片机的影像系统和对贴片过程的控制。除了这些因素之外，还有一些不容忽视的地方，如送料器的精度、元件包装的误差和元件本身的误差，以及吸嘴的材料设计等，都是在装配之前需要综合考虑的。下面我们来讨论贴片过程中各个环节的关键控制点。

2. 贴片机的定位系统

贴片机的驱动及伺服定位系统已在《贴片机及其应用》一书（电子工业出版社2011 年出版）中介绍过了。对于细小元件的贴装，要求驱动定位系统在所有驱动轴上都采用闭合环路控制，以保证取料和贴装的位置精度。现在很多贴片机都采用了可变磁阻电动机（VRM）驱动系统，可以提高热稳定性，获得较高的加速度和精度，有的分辨率已达到1 μm。这些技术的应用给成功贴装细小元件提供了保障。值得注意的是，控制采用拱架式机构的贴片机的横梁在贴片过程中的抖动往往是容易被忽视的地方。

3. 取料过程的控制

准确的取料是成功实现贴装的第一步，在此过程中，影响正确取料的因素有元器件之间的差异、包装的误差、送料器的精度、贴片机驱动定位系统的误差、贴片头Z轴方向的压力控制、吸嘴材料和设计，以及在取料过程中对静电的控制。

由于细小元件之间的细小差异会对取料和贴片过程产生显著的影响，要求贴片头在此过程中能自动感应其变化并采取相应的补偿措施，以消除对元件高度和厚度等的敏感性。采用的方法是在贴片头上安排压力感应器，防止过大的压力在此过程中将元件压碎或取不到料。比较好的贴片机的贴片头Z轴分辨率可达1 μm，压力感应器可以感应到24 μm的变形。

传统的机械式送料器已不能满足日益变小的元件对于高精度的要求。细小元件要求精度更高的电动机驱动的电子送料器，并要求其有良好的抗静电效果。送料器安装在贴片机上，在它们之间会存在间隙和位置误差，这种误差很小，在贴装较大器件如0603/0805 等时，完全可以被忽略。但是对于细小的0201 和01005 而言，其影响会很大。在拾取0201/01005 这类元件时，很难同时取4 颗或7 颗元件，原因在于此；另外还有元件包装的误差。所以单颗拾取0201 或01005 比较稳妥，可以保证取料的可靠性。理想的取料位置在元件的中心区域，如图1.1所示。如果取料位置超出元件上最佳的取料区域，可能会导致贴片缺陷，如偏移和立碑等。同时因为板上元件安排很密，可能会使吸嘴干涉其他元件，如图1.2和图1.3所示。

为了消除包装和送料器等带来的误差，保证取料的一致性，需要贴片机在取料过程中具有动态的自动矫正取料位置能力。在生产过程中，需要换线和换料，并且每只送料器的状态也不一样，所以元件最佳的取料位置也会变化。机器需要在此过程中敏感地捕捉到这种变化，并自动地找准调整吸料位置，保证吸料的准确性和可靠性。图1.4 和图1.5所示为某一机器在拾取0201和0402元件过程中，自动调整取料的最佳位置。

贴装0201和01005元件需要更细的吸嘴（如图1.6和图1.7所示），同时为了防止静电损坏元件及在取料过程中带走其他元件，细嘴的材料需要抗静电，所以要选用ESD材料。为了尽量降低吸料过程中元件侧立，保证足够的真空和元件被吸起之后的平衡，在吸嘴头部需要设计2 个或3 个孔。考虑到贴装密度小于0.25 mm的情况，吸嘴头部要足够细，它上面的孔也会比较细。对0201的吸嘴而言，最小的孔径会达0.127 mm，而01005元件的吸嘴更细，达0.1 mm。这不仅给制造带来了难度，也需提高这些吸嘴的清洁保养频度。对吸嘴清洁保养的要求比其他类型的吸嘴要高，需要利用清洁溶剂和超声波来清洁。由于0201/01005 很薄，01005元件厚度薄到0.1 mm，这增加了细嘴与锡膏接触的机会。增加清洁保养的频度成为必要。

4.元件的影像对中

确定元件的中心有两种方式，一种是采用数码相机；另一种是采用激光（镭射）。两种方法各有优缺点。采用数码相机可以检查出元件电气端的缺陷，如图1.8所示。但是它不能感测元件的厚度变化。对于Z轴有压力感应及取料/贴片补偿功能的机器，不会产生严重的问题。采用激光成像的方法可以检测元件的厚度，但对于元件电气端出现的缺陷则检查不出来。在实际贴装过程中，元器件两端电气端与锡膏重叠的区域的差异会影响焊接完后的装配良率。如图1.9所示。由于不同厂家或同一厂家不同批次的元件在制造过程中电气端可能存在差异，所以采用数码相机成像具有一定优势。

对0201元件和01005元件成像对中需要高倍率的相机，光源的使用和其他较大的片装元件也有区别。一般的元件如0603 或0805 等元件，使用背光，找到整个外形轮廓的中心就好。但是0201 或01005元件需要使用前光，或仰视照相，找到两个电气端之间的中心，以提高贴装精度。

细小元件两电气端与锡膏重叠区域的大小和差异会对装配良率产生很大的影响，如图1.10所示。

不同的元器件制造厂生产的同样的0201电阻元件会存在很大的差异，如图1.11所示。

照相机应该在相当于PCB厚度的位置对元件对焦成像，以提高影像的准确性，保证贴片精度。

5. 贴片过程控制

在贴片过程中，关键控制因素有基板平整的支撑、真空关闭转为吹气的控制、贴片压力的控制，以及贴片的精度和稳定性。

基板进入贴片机后，传输导轨将基板两边夹住，同时支撑平台上升，将板支撑住并继续上升到贴片高度。在此过程中，由于外力的作用，容易导致基板变形，加上基板来料可能存在的变形，会严重影响贴片的质量。因此，对基板平整的支撑变得非常重要。薄型基板的应用，更容易出现“弹簧床”效应。薄板随着贴片头的下压而下凹，并随着贴片压力的消失而恢复变形，这样反复，造成元件在基板上移动，出现贴片缺陷。所以，在支撑平台上需要安排支撑装置，保证基板在贴片过程中平整稳定。这种装置可以采用真空将基板吸住，也可采用具有吸能作用的特殊橡胶顶针，以消除在贴片过程中的震动并保证基板平整。支撑装置如图1.12 和图1.13所示。这类装置非常客户化，需要根据不同应用来设计相应的支撑结构，确保有效地平整支撑，并使平台在上升和下降过程中稳定顺畅，而且可控。

贴片头将元件拾取后，照相机对元件对中照相，贴片头再将元件移至PCB贴片位置上方。贴片头 Z 轴加速下降到贴片高度，这时 Z 轴继续减速下降，同时轴内真空关闭，转化为吹气。元件接触到PCB上的锡膏，贴片轴感应到设定的压力后上升并移开，完成单个元件的贴片过程。在这个过程中，真空的灵敏快速切换及吹气的时间和强度控制很关键。真空关闭太慢，吹气动作也会延迟，在贴片轴上升过程中会将元件带走，或导致元件偏移。同时，如果在元件被压至最低点时吹气，容易将锡膏吹散，回流焊接之后出现锡珠等焊接缺陷。真空关闭太快，吹气动作也会提前，有可能元件还未接触到锡膏便被吹飞，导致锡膏被吹散，吸嘴被锡膏污染。灵敏的真空切换可以在5 ms内在50 mm的轴内完成。

贴片压力是另一需要控制的关键因素。贴片压力控制不当，会导致元件损坏，锡膏压塌，元件下出现锡珠，还有可能导致元件位置偏移。贴装0201 和01005元件合适的压力范围为150～300 g。对于基板变形的情况，对应压力的变化，贴片轴必须能够感应小到25.4 μm的变形以补偿基板变形。

过大的压力会导致在下压过程中元件上出现一个水平力，而使元件产生滑动偏移，如图1.14所示。

过大的压力会将元件底部的锡膏挤开，形成锡珠或导致相邻元件短路，如图1.15所示。

6. 贴片精度对0201/01005元件装配的影响

65μm@3Sigma的精度可以很好地处理0201 和01005元件的贴装。当然还必须保证锡膏的印刷精度，单一的偏差有时不会有很大的影响。但是贴片偏差和锡膏印刷偏差的综合影响必须加以控制。譬如，贴片偏差为+50 μm，而印刷偏差为-50 μm，整个偏差达0.1 mm，对0201 和01005 这类细小元件，此偏差已非常大。所以我们必须关注细小元件电气端与锡膏的重叠区域，细小元件两电气端与锡膏重叠区域的大小和差异会对装配良率产生很大的影响。如果元件两端与锡膏接触的区域差异大，这种不对称很容易导致元件在回流焊接炉内产生“立碑”、锡珠和元件间短路。元件在长度方向和宽度方向的偏移所产生的缺陷不尽相同，如图1.16所示。

在PCB和印刷钢网设计的时候，需要考虑贴片机和印刷机的精度，以及PCB和钢网的制造误差，确定适当的“重叠区域”，以补偿可能出现的差异。总之，细小元件的装配良率受贴片精度和锡膏印刷精度的综合影响。

随着图1.17所示方向偏移量的增加，相邻元件之间的短路缺陷也随之增加。对于“重叠区域”大的情形，由于挤开的锡膏相对于“重叠区域”小得多，所以前者产生的短路缺陷也多。

随着图1.18所示方向偏移量的增加，元件底部出现锡珠的缺陷随之减少。对于“重叠区域”大的情形，由于挤开的锡膏相对于“重叠区域”小得多，所以前者产生的锡珠缺陷也多。

随着图1.19所示方向偏移量的增加，相邻元件之间的短路缺陷也随之增加。元件之间间隙大的比间隙小的情形，短路的缺陷要少。

随着图1.20所示方向偏移量的增加，元件底部出现锡珠的缺陷随之减少。对于“重叠区域”大的情形，由于挤开的锡膏相对于“重叠区域”小得多，所以前者产生的锡珠缺陷也多。

随着图1.21所示方向偏移量的增加，因为元件两端与锡膏接触区域差异变大，元件“立碑”的缺陷随之增加。“重叠区域”小的情形，对Y方向的偏移更加敏感。

1.20201元件的组装工艺研究

本节通过对0201装配工艺的研究，让读者从中了解装配工艺控制的重点，包括那些设计对工艺的敏感因素。使读者掌握如何选择锡膏和PCB，以及印刷钢网的优化设计、工艺材料和设计因素如何影响装配良率，如何控制装配工艺的关键参数，从而对生产实践起到指导作用。

1.试验材料准备和装配设备

（1）试验板的设计

试验板上安排了0201和0402元件，共12960个，方向有0°和90°两种。图1.22是0201 试验模型的照片。电路板为宽7.5″和12.5″长的单面板，板厚为0.062″标准厚度。焊盘的设计为非阻焊膜界定（NSMD），焊盘金属处理方式为OSP（Entek Plus）。所有的线路和焊盘都使用半盎司的铜，阻焊膜材料为Taiyo PRS4000。

在一个全因子试验设计中，对0201 和0402元件设计了3 种不同焊盘宽度、长度和间距，总共完成0201和0402元件的27种不同焊盘的设计。每一排安排120个同样的焊盘。根据表1.1中的焊盘尺寸，每排焊盘由3个字母组成的代码表示。譬如，焊盘设计ADG代表盘宽A = 0.012″，盘长 D = 0.008″，焊盘间距G = 0.009″。安排4种不同的元件间距：0.008″、0.012″、0.016″和0.020″。

表1.1列出了0201焊盘所有3个水平的尺寸。图1.23显示0201焊盘的尺寸图例。

（2）印刷钢网的设计

印刷钢网厚度0.005″采用激光切割，电抛光。作为0.004″和0.006″厚网板的折中，选择了0.005″的厚度。应用较薄的0.004″网板，锡膏的传输效率会较高，但可能不能满足其他元件对锡膏量的要求。0.006″厚钢网对0201元件而言会太厚。总共设计两张钢网，网板1是为第1个试验设计的（过滤实验）。对应每个焊盘设计，设计5种不同的开孔。网板2是根据网板1的结果进行设计的。在网板2上，对于一种既定焊盘的设计，采用同一开孔设计。表1.2 中包含了网板2 的网板开孔尺寸和开孔相对于焊盘的位置。图1.24 表明了所使用相对于元件中心的3种不同类型的网板开孔位置。

（3）锡膏的选用和印刷参数设置

锡膏选择免洗和水性两种焊膏，金属含量均为90%，粉末颗粒为IV型。锡膏黏度为900 KCPS。

锡膏印刷机为DEK 265 GSX，印刷工艺工艺参数设置如下：

● 印刷速度 = 1.0 in/s；

● 刮刀类型 = 金属刀片（前后刮刀交替印刷）；

● 刮刀角度 = 60°；

● 刮刀压力= 2.32 b/in；

● 印刷间距 = 0（接触式印刷）；

● 分离速度 = 0.02 in/s。

（4）贴片机准备

贴片机应用环球仪器（Universal）4796R HSP高速贴片机，选用0201吸嘴、0201元件的专门供料器，元件采用圈带包装。照相机应用前光对元件成像和对中。

（5）回流焊接

回流炉为Heller 1800 W，8个加热区和1个冷却区。回流焊接环境为空气和氮气。在氮气回流环境下，控制氧气的浓度小于50 ppm。图1.25为经过优化的回流焊接温度曲线。

2.试验结果的讨论

试验分为两个阶段进行，第一阶段为第一个试验，即过滤试验，目的是将那些次要因素，或不恰当的组合排除，以减少下阶段的试验因子，获得最佳的优化组合。在第一个试验中，使用免洗和水溶性焊膏装配，并分别在空气和氮气回流环境中进行回流焊接。所以在此试验中，有27 种焊盘组合方式，每种焊盘设计对应5 种不同的印刷钢网开孔，3 种不同的开孔位置，共装配元件311040个。

第一阶段过滤掉了水溶性锡膏和氮气回流环境的组合，在此试验中发现采用最大的焊盘间距（I = 0.015″）比采用较小的间距产生更多的焊点开路缺陷，所以，将所有含有最大的焊盘间距（I = 0.015″）的组合也过滤掉了。

第二阶段试验中焊盘的组合方式减少到18 种，根据第一个试验的结果，在第二个试验中，对每种焊盘设计只使用一种网板开孔设计。在此阶段中安排了3 种工艺：使用免洗锡膏分别在空气和氮气环境中回流焊接，以及使用水溶性洗膏在空气中回流焊接。每种工艺安排装配50块板，总共装配元件1116 000个。

（1）3种工艺装配良率的比较

以装配过程出现的焊点桥连、焊点开路、锡珠和立碑缺陷的多少来比较各装配工艺良率的高低。试验表明：免洗型焊膏在空气中回流所产生的装配缺陷最少，共计66 个，水溶性锡膏在空气中回流所产生的缺陷次之，共计1499个，使用免洗型锡膏在氮气中回流的工艺产生了最多的装配缺陷，共计5665 个。当使用氮气回流焊接和锡膏的助焊剂活性增加时，装配缺陷也会随之增加，如图1.26所示。

（2）不同的装配工艺中不同装配缺陷的分布

在3 种不同的装配工艺过程中，“立碑”（焊点开路）和焊点桥连是主要装配缺陷。使用水溶性焊膏在空气中回流焊接所产生的焊点桥连缺陷比例最低，为7.0%；其次是使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接的工艺，焊点桥连缺陷比例为15.0%；使用免洗锡膏在空气中回流焊接的工艺产生的焊点桥连比例最高，为21.0%。其缺陷分布如图1.27所示。

（3）不同的装配工艺中焊点桥连与元器件间距之间的关系

焊点桥连缺陷与元器件之间的间距相关。试验表明，随着元器件间距的增加，焊点桥连缺陷也随之减少，当元器件间距为0.012″或更大时，在3 个装配工艺中都没有发现有桥连的缺陷。同时，我们可以发现在3 种装配工艺中，使用免洗型锡膏在空气中回流产生的焊点桥连缺陷数最少，共计14 个；使用水溶性锡膏在空气中回流产生的焊点桥连缺陷次之，共计99 个；而使用免洗型锡膏在氮气中回流产生的焊点桥连缺陷最多，为866 个，如图1.28所示。

在使用免洗型锡膏空气中回流的装配工艺中，当元器件间距最小为0.008″时，在18 种焊盘设计组合中有12 种组合没有产生任何焊点桥连缺陷。在使用水溶性锡膏空气中回流的装配工艺中，当元器件间距最小为0.008″时，在18 种焊盘设计组合中有10 种组合没有产生任何焊点桥连缺陷。在使用免洗型锡膏氮气中回流的装配工艺中，当元器件间距最小为0.008″时，在18种焊盘设计组合中有6种组合没有产生任何焊点桥连缺陷。

（4）出现锡珠缺陷与同一元件焊盘上所印锡膏的距离之间的关系

焊珠随着所印锡膏距离的增加而减少。因为当同一元件焊盘上所印锡膏的距离增加时，在元件贴放时挤散开的锡膏量会较少。在焊盘设计AEG（L = 0.012″，W = 0.012″，S =0.009″）中所对应的最大的锡膏印刷间距为0.016″，在这个组合产生的锡珠缺陷也最少。

（5）装配良率和元件方向之间的关系

在试验板上，元件有两种放置方向，0°和90°。通过分析成对样品来决定元件方向（0°和90°）是否显著影响到装配的成品率。0°方向表示元件两端同时通过炉子，90°方向则表示元件一端比另一端先通过炉子，如图1.29所示。

所验证的假设为：

● 虚拟假设Z = 0——在0°和90°方向之间的装配缺陷数在统计意义上没有明显的差别。

● 另外假设：Z ≠ 0——在0°和90°方向之间的装配缺陷数在统计意义上有明显的差别。

对于免洗型锡膏在空气中回流焊接工艺，P 值（置信度）是0.576 5。因为 P 值较高，我们不能否决虚拟假设。因此使用免洗型锡膏在空气中回流焊接时，元件的方向对装配良率没有明显的差别。也就是说，由于免洗型助焊剂的低活动性，在空气中回流焊接时不会增加立碑（焊点开路）的风险。

使用水溶性锡膏在空气中回流焊接得到的P值为0.001959。因为P值低，虚拟假设被否决。与免洗型锡膏相比，对于90°方向的元件而言，由于水溶性锡膏中的助焊剂活性的增加，立碑（焊点开路）缺陷显著增加。

而使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接，获得的P值为0.000002。因为P值很低，虚拟假设再次被否决。由于氮气的使用（氧气浓度低于50 ppm），增加了元件在90°方向产生立碑缺陷的机会。根据对所发现的立碑缺陷的检查，绝大多数开路的焊点出现在较晚回流的元件末端，如图1.30和图1.31所示。

（6）不同的焊盘设计与装配缺陷的关系

① 使用免洗型锡膏在空气中回流焊接时，基于焊盘设计的装配缺陷如图1.32所示。

在此装配工艺中，18 种焊盘设计中的7 种设计（BDH，BEG，BFG，BFH，CDH，CEH和CFH）没有产生任何装配缺陷。根据锡膏印刷的难度、焊盘的形状和焊盘的尺寸，BEG和CEH焊盘是比较好的设计。

对于其他几种设计，因为考虑到最小的焊盘设计，相应的网板开孔尺寸也会设计较小。但较小的开孔使锡膏的传输效率不高，容易被阻塞。如果采用厚度为0.004″的印刷网板，虽然会提高锡膏的传输效率，降低0201 网板孔的阻塞，但在其他需要更多焊膏量的表面贴装元件位置，印刷的锡膏量会不够。

最大的焊盘设计有利于提高锡膏传输效率，增加锡膏量，容易获得较好的焊点形状。但是，较大的焊盘设计需要占用更大的电路板空间，降低装配密度。

② 使用水溶性锡膏在空气中回流焊接时，基于焊盘设计的装配缺陷如图1.33所示。

在考虑元件两个方向时，使用水溶性锡膏在空气中回流，在所设计的所有焊盘上都产生了装配缺陷。在焊盘设计CEG上产生的装配缺陷最少。在焊盘CDH上0°方向未产生任何缺陷，但是在90°方向却产生了比较多的装配缺陷。在焊盘设计CEG上获得的焊点形状比较好。根据CEG焊盘设计所设计的印刷钢网开孔，在试验中也没有发现有塞孔的问题。

③ 使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接时基于焊盘设计的装配缺陷（如图1.34所示）。

当考虑元件两个方向时，使用免洗型锡膏在氮气中回流，同样，在所设计的所有焊盘上都产生了装配缺陷。在焊盘设计CEG上所产生的装配缺陷最少，获得的焊点形状较好。根据CEG焊盘设计所设计的印刷钢网开孔，印刷免洗型锡膏，在试验中也没有发现有塞孔的问题。

④ 焊盘宽度和装配缺陷的关系（如图1.35所示）。

首先确定对应3 种装配工艺最佳的焊盘设计，然后将焊盘长度和间距固定，改变焊盘的宽度，比较在不同的焊盘上产生的装配缺陷。发现随着焊盘宽度的增加，在所有的装配工艺中装配良率也随之提高。

装配良率对0.012″和0.015″之间的焊盘宽度更为敏感。当焊盘宽度为0.018″时，在使用水溶型锡膏在空气中回流和使用免洗型锡膏在氮气中回流的装配工艺中产生的缺陷最少。而当焊盘宽度为0.015″时，在使用免洗型锡膏在空气中回流的装配工艺中产生的缺陷最少。但是，由于装配数量的限制，所以严格地说，在0.015″和0.018″的焊盘之间的缺陷水平差别不具有统计显著性。使用免洗型锡膏在空气中回流的装配工艺对焊盘宽度不敏感，而使用免洗型锡膏在氮气中回流的装配工艺对焊盘宽度变化则非常敏感。

⑤ 焊盘长度和装配缺陷的关系（如图1.36所示）。

同样，首先确定对应3 种装配工艺最佳的焊盘设计，然后将焊盘宽度和间距固定，改变焊盘的长度，比较在不同的焊盘上产生的装配缺陷。对3 种装配工艺而言，最佳的焊盘长度是0.012″。

装配良率对0.08″和0.012″之间的焊盘长度比较敏感。使用免洗型锡膏在氮气中回流的装配工艺对焊盘长度的变化最敏感。当焊盘长度为0.012″和0.016″时，在使用免洗型锡膏在空气中回流的装配工艺中未产生任何装配缺陷。

⑥ 装配缺陷、焊盘间距和装配工艺类型之间的关系。

首先确定对应3 种装配工艺最佳的焊盘设计，然后将焊盘长度和宽度固定，改变焊盘的间距，比较在不同的焊盘上产生的装配缺陷。焊盘间距指的是PCB上元件两端焊盘之间的距离，如图1.37所示。

当焊盘间距增加时，装配缺陷也随之增加。而使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接的装配工艺对焊盘间距的变化最为敏感。但是使用免洗型锡膏在空气中回流焊接的装配工艺受焊盘间距变化的影响较小，如图1.38所示。

3.对0201元件装配工艺的总结

（1）设计因素对不同的装配工艺影响程度不一样

在使用免洗型锡膏在空气中回流焊接的装配工艺中，产生的立碑（焊点开路）和焊点桥连两种装配缺陷最少，设计因素对这种工艺的影响程度也最低。

使用水溶性锡膏在空气中回流焊接的装配工艺所产生的装配缺陷相比前者要多，使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接的装配工艺产生的装配缺陷最多。

（2）回流环境中的氧气浓度和锡膏中助焊剂的活性影响装配良率

使用比较低的氧气浓度（小于50 ppm）和较高活性的助焊剂会将降低装配良率和工艺的稳定性。建议在选择锡膏时，避免使用助焊剂活性很强的锡膏。

在装配过程中，使用氮气的回流环境有利于防止金属焊点的和焊盘及元器件的氧化，增加焊料润湿能力并减少润湿时间，但是氧气的浓度不要太低，100～500 ppm比较合适。

（3）焊盘的设计既影响装配良率又影响装配密度

当元件最小间距为0.008″时，没有产生焊点桥连缺陷，但在氮气中回流和使用助焊剂活性较强的水溶性锡膏会增加焊点桥连的缺陷。在较小的焊盘上出现的桥连缺陷比在大的焊盘上出现桥连的缺陷要多。最小的焊盘宽度或最小的焊盘长度的设计组合会增加焊点桥连的概率。随着装配密度的增加，0201元件的间距可能会达0.006″，甚至到0.004″。所以对于这种超高密度的装配，还需要继续研究。

（4）锡珠出现的概率会随着焊盘间距和印刷钢网开孔间距的减少而增加

可以通过改变元件两焊接端与底下锡膏的“重叠区域”来减少或消除焊珠。方法之一就是增加钢网上开孔的间距。但是，随着印刷锡膏间距的增加，立碑（焊点开路）的风险也会增加，对印刷和贴片的精度要求会更高。在设计网板时，网板开孔之间的距离最大应控制在0.010～0.012″之间。

（5）元件的方向安排对不同的工艺的装配良率影响程度不一样

元件的方向对使用免洗型锡膏在空气中回流的装配工艺没有明显的影响。但是元件90°的方向在使用水溶性锡膏在空气中回流和使用免洗型锡膏在氮气中回流的工艺中，产生最多的立碑缺陷。由于水溶性助焊剂具有较强的活性，增加了熔融状态焊料的润湿力。同时在氮气回流环境中，熔融状态焊料的表面张力较大，所以90°方向的元件两端所受的这些作用力差异较大。加上润湿时间更短的影响，更容易产生立碑现象。在实际的应用中，需要根据不同的工艺，确定合理的基板进入回流炉的方向（元件是0°还是90°）。

（6）最佳的焊盘设计和对应的印刷钢网设计

根据装配良率、焊盘尺寸、焊点质量和锡膏印刷难易程度，使用免洗型锡膏在空气中回流的装配工艺，最佳的焊盘设计为BEG（焊盘宽0.015″，长0.012″，间距0.009″）。基于BEG焊盘，印刷钢网开孔设计为宽0.015″，长0.011″，外移0.0005″，钢网厚0.005″。与其他两种工艺相比，使用免洗型锡膏在空气中回流的装配工艺更加稳健。

其他两种工艺对焊盘和印刷钢网的设计因素比较敏感。使用水洗型锡膏在空气中回流的装配工艺和使用免洗型锡膏在氮气中回流的装配工艺，最佳的焊盘设计为CEG（焊盘宽0.018″，长0.012″，间距0.009″）。基于CEG焊盘，印刷钢网开孔设计为宽0.018″，长0.011″，外移0.0005″，钢网厚0.005″。增加焊盘的宽度并减少焊盘的间距可降低对锡膏印刷和贴片精确度的要求。

1.3 01005元件的组装工艺研究

01005元件的装配工艺和0201元件的装配工艺非常相似，但是普遍认为尺寸大小只有0201元件的四分之一的01005元件对设计和装配工艺会更加敏感。对01005元件的装配工艺而言，是否需要选用金属粉末颗粒更细的锡膏，譬如四型或五型？印刷钢网是否需要降到更低的厚度，譬如0.003″？考虑到高混合装配中与其他元件装配的兼容性问题，我们希望工厂现有的工艺能够满足装配的要求，或者在改动很小的情况下，就能保证高装配良率、高可靠性的装配。

本节介绍选用3 型锡膏和0.004″厚的印刷膏网，实现高装配良率的01005元件的装配工艺，涉及PCB焊盘的优化设计、印刷钢网的设计和影响装配良率的关键工艺变量，希望为生产实践起到指导性作用。

1.试验材料和装配准备

（1）试验板的设计

试验板为双面板，A面安排了01005元件（如表1.3所示），B面安排了01005元件和0201元件（如表1.4所示），方向有0°和90°两种。设计了4种不同的元件之间的间距。

电路板为：宽5.5″，长8″，板厚为0.062″，基材为FR-4。设计了3种不同焊盘宽度、长度和间距，共27种不同焊盘尺寸组合。焊盘的设计为非阻焊膜界定（NSMD），焊盘金属处理方式为OSP（Entek Plus），如图1.39所示。

（2）印刷钢网的设计

总共设计3 张印刷钢网，其中两张钢网用于A面01005元件的锡膏印刷，另外一张用于B面01005元件和0201元件的锡膏印刷。表1.5列出了3张印刷钢网之间的区别。

应用第一张印刷钢网的主要目的是确定在保证装配良率前提下，锡膏印刷的合适公差。钢网上01005元件的开孔是在前面所介绍的0201元件成功的工艺基础上加以比例缩放的，表1.6 中列出了其比例缩放的计算公式。在这张钢网上，9 种焊盘宽度和长度的组合对应的钢网开孔有两种，一种是“标准”开孔，即锡膏印刷不超出焊盘；另外一种是“过印”开孔，即锡膏印刷超出焊盘边缘。

钢网开孔设计如图1.40所示。另外，此钢网的开孔设计也考虑到了01005元件两个焊接端与底下锡膏“重叠区域”的问题，设计了大中小3 种不同程度的重叠。钢网开孔距离小则“重叠区域”就大，反之则小。当然，焊盘的间距也是影响“重叠区域”的关键因子，如图1.41所示。

这张钢网上大部分开孔相对焊盘是对称的，也有一部分开孔是有意使锡膏印刷偏移，在确定保证装配良率前提下，使锡膏印刷有合适的公差。钢网开孔在对角线方向设置0.5 mil和1 mil两个偏移量。

应用第二张印刷钢网的目的是通过减少所有焊盘对应的钢网开孔，来确定01005 电阻元件的装配公差。在这张钢网上，所有的开孔都位于对应焊盘的中间位置，最大的开孔尺寸与对应焊盘尺寸的比列为1∶1。如果焊盘的宽度比其长度大，那么所对应的钢网开孔宽度减少0.5 mil；如果焊盘长度超过其宽度，则对应的钢网开孔长度会减少0.5 mil。在设计此钢网时，开孔的长宽之比是重要的参考比例因子，保证焊盘的长宽之比与对应钢网开孔的长宽之比相同。

第三张钢网用于B面0201元件和平01005元件的印刷。针对0201元件设计了3种开孔方式：最小的开孔尺寸与对应的焊盘尺寸之比为1∶1；其他两种设计是在最小开孔的基础上每边增加1.0 mil。针对01005元件设计了8种开孔方式：其中3种为边长在8～10 mil的正方形上开孔；另外5种是在边长为7～11 mil的长方形上开孔。

（3）锡膏的选择

选用3种常见的免洗型锡膏，包括锡铅和无铅的锡膏，如表1.7所示。其中两种无铅锡膏来自不同的供应商，其金属成分为SAC305（96.5Sn3Ag0.5Cu），粉末颗粒大小为3 型。锡铅锡膏为共晶型63Sn37Pb，粉末颗粒大小也为3型。在前面介绍的0201元件装配工艺研究中，也应用了同样的这一型号的锡膏。

（4）锡膏印刷参数设置

根据环球仪器公司先进工艺实验室对01005元件锡膏印刷的研究及工艺参数设置建议，所有的锡膏印刷采用如表1.8所示的设置。

（5）元件的贴装

应用具有4 个贴装轴的自动贴片平台进行元件的贴装，采用的仰视相机（Up-Looking-Camera）的像素尺寸为0.4 mil。送料器为电动电动机驱动，吸嘴设计如图1.42所示。

（6）回流焊接工艺

回流炉为8 个加热温区，两个冷却区，如果使用氮气回流环境，则控制氧气浓度小于50 ppm。回流温度曲线按照锡膏数据表上的推荐建议来设置，如图1.43所示，回流炉内上、下温区的温度设置一致，最大的风扇转速设置为3500 rpm。

2.试验结果及讨论

（1）试验结果

对01005元件的装配工艺研究利用3张印刷钢网进行了3个试验，使用的01005元件只是电阻元件，总共装配了12块试验板。3个试验装配设计如表1.9、表1.10和表1.11所示。

在试验1中，装配1和2中（Build 1和2）主要是用来确定01005电阻元件的装配工艺是否对焊盘的设计和钢网的设计具有敏感性。在这两个装配中，使用了氮气回流环境以增强润湿能力，获得更多的立碑缺陷。由于元件间距为6 mil的焊盘所对应的钢网开孔面积与孔壁表面积之比低于0.5，且此元件间距也是不太实际的应用，所以只是在这种焊盘上装配了部分元件。元件方向全部安排成90°的方向，根据前面对于0201元件装配的研究，这种元件一端比另一端先回流的进炉方向会产生更多的立碑缺陷。装配1 和2 的不同之处在于所使用的锡膏不同，回流温度曲线设置也不同。从两种装配的结果来看，没有发现桥连和焊点开裂缺陷，只是出现少量的锡珠。在几个采用锡膏“过印”方式的焊盘上发现有元件浮高的现象（如图1.44所示）。在这些焊盘设计上，由于采用“过印”的锡膏印刷方式，获得过量的锡膏，这是产生浮膏缺陷的原因。对01005 电阻元件的装配而言，焊盘和钢网设计的工艺窗口比预期的要大，使用锡铅和无铅的锡膏都可以获得较高的装配良率。

在试验1中，装配3和4中（Build 3和4）故意设计包含许多具有挑战性的组合，目的在于观察装配良率的变化，以确定装配的公差。在这两个装配中也使用了氮气回流环境，氧气浓度同样控制在50 ppm以下，以增强助焊剂的润湿能力。分别利用63Sn37Pb锡膏和96.5Sn3Ag0.5Cu锡膏装配两块试验板，板上元件间距为10 mil的焊盘对应的钢网开孔设计为“过印”方式，其他的焊盘设计对应的钢网开孔设计为“标准”方式。在最小元件间距为4 mil的焊盘上安排了90°的装配角度，包括3 种程度的“重叠区域”（其中包括那些钢网开孔面积和孔壁面积比小于0.5的组合）。在装配3中焊盘设计CFI上发现2个元件立碑，所使用的锡膏为63Sn37Pb，采用最小的“重叠区域”。而在无铅装配线4中没有发现任何装配缺陷，2块板4 mil的装配密度上都未出现桥连的缺陷，如图1.45所示。

在元件间距为6 mil的焊盘中，有些对应的印刷钢网开孔面积比低于0.5，在这些焊盘上没有印刷锡膏。在其他焊盘上故意让锡膏印刷沿对角线方向偏移0.5 mil和1.0 mil，同时使用3 种程度的“重叠区域”，结果发现在锡铅装配3 中有10 个元件发生立碑缺陷，失效位置出现在焊盘宽度为“B”和“C”的组合中，如图1.46和图1.47所示。而在无铅装配4中未出现任何装配缺陷。

由于在这些间距较大的焊盘上锡膏印刷的偏移，元件两焊接末端与锡膏的“重叠区域”不对称，以及在印刷钢网设计时让其具有最小的“重叠区域”，导致在回流焊接过程中，熔融的焊料爬上先进入焊流的一端，将元件拉起使一端站立。而无铅的锡膏由于其较弱的润湿力，可以允许锡膏印刷有较大的偏差及更大的“重叠区域”不对称性。

在元件0°方向的装配中（元件两焊接末端同时进入回流），未发现任何装配缺陷。

在试验1 中，装配5 和装配4装配位置相同，且都使用同一无铅锡膏，唯一的区别是使用不同的回流焊接环境。在装配5 中回流焊接环境为空气，这一改变严重地影响到装配良率：在装配5 中，几乎所有的焊点都存在润湿的问题，焊接不全，如图1.48所示。在较宽的焊盘上，锡膏量稍多，情况要好点。但是在实际生产中，如此低的装配良率显然是不能接受的。

在试验2 的装配6，7，9 和10 中，一部分印刷钢网开孔尺寸和焊盘尺寸之比为1∶1，另外一些开孔面积比降低至0.46，以确定锡膏量对装配良率的影响。在此4 个装配中，锡膏选用3 型的无铅锡膏SAC305，分别来自A和B两家供应商，使用每种锡膏各装配两块试验板，共4 块试验板，其中两块在空气中回流焊接，另外两块在氮气中回流焊接。从回流焊接结果来看，多数使用锡膏I（Paste I）获得的焊点出现颗粒状且润湿不好，而锡膏II（Paste II）的焊接性能要优于锡膏I。虽然在使用锡膏II获得的焊点上也出现焊接不完整的现象，那是由于锡膏塞孔没有印刷到焊盘上而造成的。所有的焊点都未出现桥连和锡珠缺陷，但是在一些焊点中还是出现了焊料不均的现象，还有一些焊盘上没有被印上锡膏，而导致一些元件一端被焊接而另一端未焊接上。虽然未发现有元件站立，但有些元件出现一定角度的立碑缺陷，如图1.49所示。

在试验3装配11、12和13中装配了试验板B面的0201元件和01005元件，分别利用两个厂家A和B的无铅锡膏SAC305，只在元件两个焊盘中的一个上印刷锡膏，目的是研究尽量多的立碑缺陷的趋势。0201元件焊盘的设计采用了前面对其研究中所推荐的能获得高装配良率的设计建议。

结果发现：0201元件在氮气回流焊接环境中产生比01005元件更多的立碑缺陷，但在空气回流焊接环境中，它们所产生的立碑缺陷率几乎一样，都比在氮气中焊接的不良率要低。0201元件装配良率受回流环境的影响较01005元件要大。在0201元件和01005元件装配中没有立碑缺陷趋势，和印刷钢网开孔尺寸之间存在某种关联。

在试验3 中同时也进行了完全印刷，即元件两个焊盘上均印刷锡膏。试验结果表明，使用同样的装配工艺条件，在这些装配中未出现任何立碑缺陷。

01005元件和0201元件立碑缺陷的比较如图1.50和图1.51所示。

（2）对试验结果的讨论

① 印刷钢网的厚度和开孔面积比影响锡膏的传输效率。

4 mil的钢网厚度和较低的开孔面积比使锡膏印刷的传输效率低。开孔面积比低于0.6的钢网在印刷三型锡膏时，很难获得方正的锡膏形状，往往是圆柱或近似圆锥型。这使得贴片的一致性也会比较差。尽管锡膏印刷存在挑战，应用“标准”的钢网开孔设计，在一些焊盘设计组合上还是获得了均匀且足够的锡膏量，而且获得较高的装配良率。均匀的锡膏量的获得受影响于这几个方面：锡膏的物理性质；钢网和焊盘之间是否形成恰当的密合；基板上阻焊膜的厚度和其位置精度；锡膏印刷工艺的精确控制。

② 01005元件的吸嘴设计需要考虑其与锡膏的干涉问题。

01005元件的吸嘴材料要选择抗静电的ESD材料，以免静电对细小元件的影响。在进行外形设计时，要考虑其与锡膏干涉的可能性。在元件贴装的过程中，由于焊盘上的锡膏不平整，元件在被下压的过程中会有比较多的锡膏被挤散。因为锡膏的厚度与01005元件的厚度很接近，所以锡膏很容易被挤到元件的侧面，而在贴片过程中污染吸嘴。当吸嘴上粘附有锡膏时会降低取料的成功率，同时影响元件的影像处理，导致较高的抛料率。这种情况在当焊盘间距较大，元件两端与锡膏的“重叠区域”较小时，很容易发生。所以设计吸嘴适当的尺寸，同时吸嘴的保养也非常关键，要定期清洁。

③ 回流焊接环境影响01005元件的装配良率。

从成本的角度考虑，在空气中回流焊接无疑是比较有吸引力的焊接工艺，它有利于降低焊料熔融状态下的润湿力，对减少立碑和桥连缺陷有一定的帮助。但是对01005元件的装配，特别是无铅装配而言，将会变得很困难。试验中发现，锡膏使用时间的长短也是影响焊接性能的一个因子。试验证明，氮气的回流焊接环境有利于延长无铅锡膏的使用寿命。不同的锡膏供应商所提供的同样金属成分的无铅锡膏的焊接性能有所不同。目前尚不清楚是否因为其配方的细微差异，还是因为对回流曲线非常敏感。有人建议，为改善空气回流焊接的效果，需要快速加热。这个理论在本试验中得到了印证，在使用锡膏II时，其加热速度较锡膏I快，获得地焊接效果比使用锡膏I好。

（3）对01005元件组装的建议

利用4 mil厚的钢网，Ⅲ型无铅或锡铅锡膏，采用适当的开孔设计，在适当设计的PCB焊盘上可以实现锡膏印刷，并且在元件间距达4 mil的装配中获得高的印刷品质，同时获得满意的装配良率。而01005元件在氮气焊接条件下的无铅装配所产生的立碑缺陷并不像0201元件装配那样明显。

01005元件焊盘的设计建议采用BFG组合，印刷钢网厚度为4 mil，开孔尺寸：宽9 mil，长10 mil，“居中”的方式，即印刷钢网开孔位置在焊盘的中间。这样可以保证在锡膏印刷公差为 ±20 μm和贴片公差在 ±60 μm的最差情况下，元件两焊接末端仍然和锡膏接触，如图1.52所示。

考虑较低面积比的印刷钢网开孔对锡膏传输效率及稳定性影响，可以使用表面和孔壁更加光滑的电铸印刷钢网来获得更高的传输效率和稳定性。印刷刮刀材料选用摩擦力更低的材料，以利于锡膏在印刷过程中的滚动，并减少锡膏粘附在刮刀上的现象。印刷机采用全封闭式的印刷头也有利于提高印刷品质。

01005元件在空气中回流焊接的无铅装配工艺对电子制造业而言，具有实际的意义，目前也有实际应用。但是本试验发现在应用这个工艺时，一些焊点未完全焊接。对于那些细小焊点，在空气中的回流焊接可能存在兼容性的问题。