0201片式电阻工艺流程
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发布时间：2022-04-24 05:05
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时间：2022-04-27 16:55
电子产品高密度、高性能、高可靠性、低成本的持续需求，驱动着组装工艺技术不断向微型化、密间距方向发展。0201元件在体积和重量上比0402小75%，占用板面空间小66%；在高频应用场合，0201电容的等效串联电阻(ESR)和阻抗较低，比0402性能更优；电介质层的厚度减小及层数增多使0201电容的容值范围和0402电容相同。片式器件是电子产品中使用数量最多的元件，用0201片式器件可以大大降低电子产品的尺寸、重量和体积。目前大多数手机制造商已把0201实施到其最新的设计中,许多多芯片模块(MCM, multi-chip mole)中也使用0201技术，以减少产品总体尺寸，提高产品性能与市场竞争力。
2 关键因素分析
0201器件长宽尺寸为0.60mm*0.30mm，是目前可实用的最小的片式器件，组装影响因素多，组装难度大，工艺窗口小，主要缺陷主要是立碑、其次是连锡及锡珠，如图1：
图1 0201连锡与立碑缺陷
片式器件立碑的根本原因是焊接时器件两端的受力不平衡，一端所受的力大于器件本身的重力与另一端的拉力，从而将器件另一端拉离焊盘。影响0201组装质量的因素很多，如器件焊端一致性、器件可焊性、器件与料带配合、焊盘及钢网设计、锡膏性能、印刷精度、元件贴放精度、回流参数等，每方面又可能有多个影响因素，主要影响因素分析如图2：
图2 0201缺陷要因分析
本项目在业界研究成果基础上，对器件质量、焊盘与钢网设计、印刷、贴片、回流、返修等主要因素进行试验验证研究。
3 试验设计
*焊盘设计：综合业界研究成果，设计了五种焊盘方案进行试验。
*片式元件种类：0201电阻、0201电容，Matte Tin无铅镀层（业界主流的表面可焊性镀层）厂家：0201片容－P、T两个厂家；0201片阻－P、K两个厂家
*0201焊盘边缘间距：8、10、12、16mil ；
*0201元件方向：0°、45°、90°、135°；
*0201与其它大片式元件焊盘边缘间距：主要考察0201布置在0402、0603、0805、1206周围时的相互影响程度。0201与这些器件的间距（焊盘边缘距离）为8、10、12、16mi ；
*PCB：（材料：FR-4；尺寸：160x105x1.0mm；PCB表面处理：ENIG、OSP）；
*钢网：厚度5mil（激光切割＋电抛光）；
*锡膏：锡铅共晶；Type III ；
*回流焊气氛：空气；
试验板如下图3：
图3 PCB设计布局
4 试验过程
4.1 PCB与钢网制作质量检测
组装试验前利用三坐标测量仪对PCB和钢网进行尺寸精度与位置精度检测，数据分析表明焊盘尺寸误差在+/2mil以内，位置误差在+/-1mil以内，钢网尺寸误差与位置误差在+/-1mil以内。
4.2 器件及料带评估
其后利用三坐标测量仪对 P 厂家 0201电阻、电容及 K 厂家电阻及其料带进行了测量评估，主要评估了器件尺寸与焊端质量、器件与料带的配合、器件上端平整度等方面，发现在 P 厂家电阻器件形状不规则，且焊端尺寸差异较大，如图4(见100页)。这会影响到贴片时的识别与吸取，从而影响到贴片质量与焊接质量。
图4 P厂家电阻形貌
4.3 焊盘筛选试验
本试验采用西门子HS50贴片机、0201吸嘴（906型）、经校准的0402/0201专用飞达（3*8，金色）、0201专用相机与传感器，在试验前对印刷机和贴片机进行精度校准。回流曲线设置如下图5有铅锡膏空气中回流）：
图5 0201组装试验回流曲线
本阶段组装了27pcs单板53865个0201元件，贴装可靠性达到99.8％。通过人工与AOI检测统计共101个缺陷，其中77个为立碑，其他为贴片偏移导致的开焊，未发生桥接缺陷。组装过程中发现，P 厂家电阻的抛料率与焊接缺陷都相对较高，这应与前期评估的器件质量有关。AOI检测过程与结果表明，AOI可以对0201片式器件的漏贴、飞料、立碑以及贴偏缺陷进行有效测试，但由于0201焊点太小（甚至不可见），故不能对焊点质量进行测试（如：开焊，少锡等）。缺陷分布见表1 ：
表1 焊盘筛选试验缺陷统计
从表1得知，焊盘方案C的缺陷最高，而焊盘方案D在90度方向缺陷相对最多，故排除这两个方案；方案E在90度方向缺陷相对较多；而焊盘方案A与B的差别在于方案B的焊盘宽度比方案A的大3mil，而缺陷率相差不大。考虑到占地面积小的焊盘方案在布局方面更有优势，故筛选出方案A进行下一步工艺窗口试验（其综合DPMO为14/（395*27×4＋27）=328ppm）。
4.4 工艺窗口试验
4.4.1 印锡窗口试验
选取印刷偏位作为主要因素，采用二因子二水平DOE试验，见表2：
表2 印锡窗口试验因素选择
首先采用试验方案设计的X方向偏移4mil，Y方向偏移0mil进行试验，缺陷（立碑）比率太高，逐步调整至高水平设置为1.5mil，用于后续试验结果分析。
焊盘设计A方案的DOE试验结果见表3 ：
表3 印锡窗口试验缺陷统计
显著影响因素分析如图6 ：
图6 印刷偏位显著因素分析图
从上图可知，X方向印刷偏移是影响组装缺陷（立碑）的显著影响因素，Y方向印刷偏移影响不如X方向偏移显著，X方向偏移量的大小会直接导致元件两个焊端焊料润湿力矩差异较大，其对试验结果缺陷的影响较为明显。
印刷偏位与缺陷等高线分布图如图7：
图7 陷等高线分布图
初定可接受的DPMO目标值为500ppm，综合上图数据可得印刷偏位工艺窗口为：
* X方向偏位≤0.5mil/13um，Y方向偏位≤0.8mil/20um ；
4.4.2 贴片窗口试验
选取贴片偏位作为主要试验因素，DOE试验设计见表4 ：
表4 贴片窗口试验因素选择
焊盘设计A方案的DOE试验结果见表5：
表5 贴片窗口试验缺陷统计
显著影响因素分析如图8 ：
图8 贴片因素分析图
从下图可知，X方向偏移接近显著影响因素（P值是0.1），角度和Y方向偏移其次，X方向偏移量的大小会直接导致元件两个焊端焊料润湿力矩差异较大，其对试验结果缺陷的影响较为明显。
贴片偏位与缺陷等高线分布图如图9：
图9 缺陷等高线分布图
初定可接受的DPMO目标值为300ppm，综合上图数据可得贴片偏位工艺窗口为：
* 当角度偏移≤15度时，X方向偏位≤2.5mil/63um，Y方向偏位≤2.6mil/66um。
4.4.3 回流窗口试验
对回流曲线，进行工艺参数试验，试验组合见表6 ：
表6 回流窗口试验因素选择
从上图可知，均热温度对回流焊后的缺陷影响比较大。试验时与RTS回流焊曲线进行了对比，缺陷比率相差近3倍。说明较高的回流焊均热温度和较长的均热时间对改善立碑缺陷有积极作用。
根据缺陷主因素分析图如图10 ：
图10 回流焊接主因素分析图
4.4.4 返修试验
针对立碑缺陷采用通用的烙铁进行返修试验，采用烙铁尖直径较小的烙铁可完成返修，但返修的难度远大于0402。由于烙铁尖比较细，返修过程容易氧化，需要经常加锡防止氧化和去掉被氧化的氧化膜。由于0201元件较小，可以借助5～10倍放大镜进行返修。返修后的焊点外观在放大镜下观察不如正常焊接平整，但可以接受，如图11。
图11 0201返修后照片
5 产品应用
根据试验结果，在 W模块上进行了试用，组装了8块试验板，每块板上60个0201器件，无任何缺陷；
随后将一块手机板上的所有0402器件焊盘库用0201焊盘库替代，每块板上410个0201器件，生产了20块板，仅一个立碑缺陷（该缺陷是由于操作员认为有些偏位，用镊子拨后对锡膏造成干扰从而导致立碑），即使算入缺陷，综合DPMO仍达到30ppm的水平。
6 结论
通过0201元件组装工艺研究及产品应用结果表明，已具备0201元件的组装工艺能力，可逐步推广应用。0201元件贴片拾取可靠性大于99.8％，组装试验焊端综合DPMO在500ppm以下，产品实际应用的综合DPMO低于30ppm。焊后缺陷主要为立碑和开焊，需要重点监控元件质量、贴片吸嘴的定期保养、飞达的维护校准，印刷、贴片工艺参数过程控制等要素。
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时间：2022-04-27 18:13
