浅议电子贴片元件(0201)的装配

2010-09-08曾凡慧

中国新技术新产品 2010年9期

曾凡慧

（贵州航天电子科技有限公司，贵州贵阳 550009）

1 小型电子产品发展的历程

自上个世纪五十年代发明印刷电路板(PCB,printedcircuitboard)后,人们对电子产品的小型化提出更新更高的要求,电子元件、PCB及其装配设备技术就始终在朝着SMT的方向发展。SMT的普遍应用发生在八十年代初期,1206(3216)电阻与电容是最流行的贴装元件。一两年之后,0805(2125)就替代了1206成为SMT贴装的最普遍的元件包装。

在此期间,机器与元件都得到迅速发展。在机器变得更快更灵活的同时,0603(1608)元件、0402(1608)包装的相继出现,给PCB装配的各方面都提出了更高的要求。为了使机器能更准确地送出零件,装配设备技术发展的重点是元件的送料器 (feeder)。此外锡膏(solderpaste)印刷也变得更加关键-模板(stencil)厚度与锡膏网孔成为越来越重要的工艺考虑因素。这些影响因素使得0402包装几乎用了五年时间才在工业中被广泛应用。现在更小的0201包装已经开始普及。由于尺寸、重量和功率消耗的需求,许多电路板需要将更小的元件和技术结合到其产品中去,因此0201贴装得到了快速发展。可以想象高精度的0201工艺在应用中必然有很多难点,而分析这些难点,找出0201的工艺特征也就是本论文的主要目的。

2 0201的准确贴装分析

2.1 主要的困难

0201的使用带来了更高的元件密度,也使得贴装作业的难度增大了一个数量级。0201元件要求采用较小的焊盘尺寸来防止焊锡污迹,接纳无焊脚焊接。对于密度高的PCB,贴装精度直接影响回流焊接后的装配缺陷数量,例如,贴装偏移会增加锡桥、锡珠、元件竖立和元件对不准焊盘的几率。根据资料显示,对于标准焊盘,y<0.075mm,x<0.075mm的贴装偏移基本上对缺陷没有影响。可是,当偏移增加到<0.1mm时,缺陷水平就会上升到超过5000ppm。此外,贴装操作涉及的不止其本身,它还包括吸取的可靠性、元件视觉识别系统的准确性和贴装的可重复性。还有一个很关键的问题是焊盘的设计,在这我们推荐一种行之有效的方法,见表1。

由于吸嘴的轴向运动会产生一个水平的力,将会造成元件的偏移,有可能增加高密度贴装的锡桥。因为当使用无焊脚焊盘时,元件会将锡膏从零件下挤出。因此,可以将超程定义为使得元件和PCB之间的间隙小于焊锡颗粒大小,也就是说,贴装系统必须将该间隙控制在40～60um。另一个起作用的因素是板的支撑,没有支撑元件可能从过高的高度落下或被压入锡膏中。为了准确地控制行程,板的支撑系统必须为板的拱形提供足够的纠正。下面所说的吸取位置公差就是描述吸嘴行程的参数。

2.2 吸取位置公差

因为传统贴装设备在Y轴上没有控制,所以使得公差难以控制,从而连贯性难以保证。为了保持生产系统的连贯性,吸嘴必须能够在三个方向上移动,即沿X,Y和Z轴移动。同时,既保证将元件对中吸嘴,又必须确保贴装精度在公差范围之内。显然,这对于0201来说,其公差精度要求与其他零件相比更高。

有研究表明,如果要确保0201贴装成功,有必要将吸嘴Y方向的精度控制在±0.07mm以内,X方向的精度在±0.1mm以内,Z方向的精度在±0.1mm内;为了补偿Z轴,贴装设备必须具有增设实时的反馈检测机构装置,测量每个元件的厚度,从而达到0.1mm的目标值。但从实际来看,在保证贴片机精度的前提下,还有一些其它问题需要解决。

2.3 元件在锡膏上的运动

0201贴装的另一个重要问题是在某些情况下,0201元件由于焊接过程中锡膏融化所产生的表面张力不均而无法停留在其原本贴装的位置,也就是说,即使贴片机做到了万无一失,0201元件最终在PCB板上的位置仍然有可能不准确。根据试验表明,对于Y方向的贴装精度,板上小于0.05mm超程的元件有时将会向短边方向滑行超过60um。

并且还发现当0201元件只是贴装在助焊剂上时,元件没有发生因超程产生的滑移,但是在锡膏上就会发生。经仔细对比试验数据后,发现当锡膏颗粒大小大于20um时,元件就会或多或少的出现偏移,这是因为颗粒在焊盘上分布不均。由于元件贴装时间仅仅是几毫秒,所以任何不平的表面都可能造成零件偏斜或运动。这也是热风焊锡均涂(HASL)板不适用于0201贴装的原因。显然:锡膏的颗粒直径也是影响贴装的精度的关键之一。

3 几个问题的关键因素

使0201获得准确贴装,主要由以下几个关键因素决定:

3.1 元件送料器工作台

送料器(feeder)工作台必须精密加工,保证单个送料器可重复定位,并且采用双轨线性移动导轨与高分辨率半封闭循环伺服系统相结合。这样,只需作微小的调节就可保证元件尽可能地靠近中心吸取。

3.2 元件送料器

元件送料器不论元件高度和元件位置可能出现的大量变化,都必须保证吸取位置维持可重复性。用于送料器的定位机构必须精确耐用。应选用强度高、重量轻的材料,以允许人机工程上的操作,以保证元件料带(carriertape)的精密、可重复的送出。

3.3 送料器驱动链轮

驱动链轮轮齿的形状、锥度和长度会极大地影响到送料器定位料带的能力。

3.4 吸取头

真空吸嘴(nozzle)应能适应在吸取贴装元件期间因机械运动引起的冲击,以补偿锡膏高度上的微小变化,减少元件破裂的危险。吸嘴必须能够在其夹具内自由移动。因此,在选择吸嘴材料时,必须考虑材料的硬度、加工公差和热特性等,以保证精度。

3.5 吸嘴设计

对于0201元件而言,吸嘴设计不同与其它元件。因为0201元件的体积非常小,如要吸取0.6×0.3mm的元件,吸嘴外径就不能大于0.40mm。所以要求吸嘴的设计应尽量加大真空的接触表面积,同时还应有一个不会干涉高密度布局的外形。为保证精度以维持吸取的高可靠性,0201元件的吸嘴轴由直线型设计改为锥型,增加了吸嘴强度,并使吸嘴具一定的抗弯能力。另外,吸嘴还必须高度耐磨、耐腐,因为元件表面的有机物对吸嘴的腐蚀作用会由于小的接触面积而更加严重。吸嘴设计的改进也可为提高贴装精度提供部分的解决方法。