PCBTN.COM-专业技术-基于无铅焊料下的01005元件PCB设计与组装过程研究1

基于无铅焊料下的01005元件PCB设计与组装过程研究
更新日期： 2007-6-28 17:14:30  作者:     来源:
414

摘要:电子装联在努力向小型化发展。元件的尺寸也随之减小。今天,尺寸非常小的电阻和电容01005(长400微米、宽200微米)也可以生产了。在不远的将来,上述元件的印刷电路板设计组装会成为使模板和手持产品小型化的关键能力。本文基于0201元件以前的经验,调查了01005元件的焊盘和孔径设计、焊膏印刷、元件贴装和回流焊接。也包括了间隔100微米的元件。使用抗剪强度实验、截面以及光学显微镜检查和扫描电子显微镜检查(SEM)对结果进行了检验。
关键词：01005 最小化 电阻 电容
介绍：
随着便携式电子设备体积小型化及功能综合化的趋势增强，对电子元件的高密度封装也提出了更高的要求。其中一个有效的提高封装密度的方式是减小无源元件的尺寸以节约空间。在过去的三年时间里，为了获得0201元件量产过程中高的良率，伟创力发展并总结了在设计，组装，检查及返修方面的能力要求。通过这些努力所获得的经验表明：许多同样重要的参数有必要控制在一个适当的界限内。找出这一界限范围，并通过工具以确保达到界限要求这本身就是一个挑战。在工艺方面、硬件及软件工具方面，这些实验对于接下来的尺寸发展过程是非常有效的。同时也可以更好的理解整个过程中所用到的各种装置。

尽管0201元件仍然被认为非常小并且对组装过程中如何保持高的良率是一个挑战。但这一尺寸并非电子装联道路上的最终尺寸。此时，人们的兴趣及需要已经转入了下一个更小的尺寸，01005（见图1）的需求量将会逐渐增长并最终克服存在的障碍。这一驱动力来自于电子产品尺寸及重量的减小所带来的可能的好处。与0201元件所需的PCB板面积相比，在焊盘布局优化及焊盘相邻间距为150µm的情况下，01005元件可以节省大约50%的面积。
本文描述了基于01005元件焊盘设计及组装过程相关的两组实验的结果及其分析。
挑战及目标：
01005尺寸元件的使用对SMT（表面组装技术）组装过程带来了一系列的挑战。首先,切实可行的印刷工艺必须要达到。为了保证高良率的焊接过程，需要充分的焊膏量.同时焊膏体积的差异要做到最小。许多因素影响印刷质量:模板厚度、焊膏特性、焊膏种类(焊粉颗粒尺寸)以及印刷参数比如印刷速度,刮刀压力,分离速度.其他因素诸如模板的制造工艺,清洗频率,PCB板的平整度以及印刷过程中对PCB板的支撑方式同样对印刷质量产生影响。

另一个方面与贴装相关。当前使用的贴片机必须要具备准确贴放以及可复验的能力,在机械方面能够做到微小尺寸的精密贴装。放置后的准确性还依靠元件回流中的自对准能力。理论上,自对准能力取决于焊膏成分(有铅焊料与无铅焊料的最低熔点相比)回流中的气体环境(对于焊接时的表面张力以及焊点表面质量的影响)。
我们第一个目标是制作一个测试样板,可以保证组装过程中的高良率以及最接近真实生产中的状态。第二个任务是对01005类元件的印刷和贴装过程进行评估同时提出改进的建议。
测试板:
如(图2)所示01005类元件被设计成一些阵列排列在测试板上。（见图3）测试板的整体尺寸是170×145×1mm，其中为816个01005元件位置所设计的面积仅占测试板整体尺寸的很小一部分。板的厚度为1mm。为六层基扳结构，基扳材料为FR-4。
元件:
使用的仿真元件电阻和电容有两个不同的供应商提供，其中对电容的尺寸做了一个特定的限制，电容的尺寸限制为0.39×0.19mm，厚度为0.08mm.一般而言，01005的元件看上去虽然小，但这种变异是可接受的。尽管太小的元件体尺寸给测量结果的统计带来了困难，但是合理的贴片机抛料率也从另一方面说明了这种观点的正确性。
01005元件装在8mm宽的料带中，装料的元件槽的间隔为2mm。在接下来的实验中，这一类型的料带在使用中没有产生任何问题。尽管与0201类元件所使用的料带相比，装料的元件槽的尺寸已接近01005元件体尺寸公差范围的临界值。
焊盘设计优化：
在第一个实验中，我们对两种不同的焊盘进行测试。大部分使用焊膏印刷。也有一些01005的仿真电阻贴放在双面胶纸上。在首次实验后。对实验数据进行了分析，并且作为下一次焊盘尺寸设计的依据。基于收集的焊膏印刷数据重新设计焊盘是为了确定符合标准的开孔尺寸。再流前以及再流后的检查，包括使用光学显微镜，X-RAY，SEM进行可视化检查，以及焊接后的焊点测试。结果表明：三个不同的焊盘设计之间的区别非常小,但对于成功处理这种小的元件仍然非常重要.一些因素,诸如元件尺寸及其公差,PCB板的可制造性,贴装的准确性,生产过程中的变异和产品的可靠性都需要被考虑到。
在最初的实验中，锡铅焊膏被使用在ENIG（无电镀镍浸金）的PCB板上。在第二次的实验中，使用无铅焊膏在OSP（有机可焊性保护膜）的PCB板上。所使用的钢网厚度为100 µm。
如图4：最初使用A型焊盘，在实验中发现X和Y方向的焊盘面积都太小，导致焊盘表面无法进行足够的润湿。并且焊盘宽度小于元件宽度。这一不匹配是因为在设计焊盘时没有充分的考虑到01005元件的公差范围。第一次实验的结果同样证明了使用这种焊盘无法达到可接受的印刷效果。

从第一次的实验结果来看，B型焊盘更加合适。在这种类型中，焊盘具有足够的宽度同时拥有足够的表面来完成润湿。借助此类型焊盘。尽管焊膏体积的工序能力达到和维护存在困难，但印刷效果在视觉检查下看起来是可接受的。图5显示了仿真电阻贴放在B型焊盘的双面胶纸上。
出于将尺寸减小的主要原因。在不牺牲良率的情况下。根据结果进一步优化焊盘布局产生了C型焊盘。其X和Y的尺寸进行了修改。最终这一焊盘设计（如图6：C型焊盘）被选用进行接下来的实验。
第二种叠代布局使用在另一个实验中。大约1600个仿真电容使用无铅焊膏贴装并进行回流焊接。在这个实验中，元件布置在无阻焊膜的基板位置。焊盘间距为150µm。
钢网开孔设计：
目标厚度是100µm。激光切割电抛光不锈钢模板被认为是一种低成本的选择。先前的实验以及早期的研究认为选用电铸成型模板以及更小厚度的模板具有更好的效果。但在实际的应用中发现：更薄的模板无法为同一PCB板上的其它类型元件提供充足的焊膏。而电铸成型的模板成本要高于激光切割电抛光模板。
基于伟创立早期关于0201以及其他小型的焊盘和模板开孔的经验。最理想的焊膏量经过计算并转换为钢网的开孔尺寸。三种不同的模板开孔尺寸经过了调查研究（见表1）其中。区域比率（AR）在设计中已经过计算并考虑。区域比率的定义为：开孔面积与开孔内壁面积之间的比率关系。