miniSMD表面贴装工艺的设计优化

作者:吴懿平 博士 武汉光电国家实验室 教授

引言

消费类产品产值已达到数万亿美元,以超过10%的年增长率持续增长。随着移动电子产品的发展,智能手机的功能越来越强大,集成度越来越高,板卡的封装密度越来越高,采用的无源元件的尺寸也越来越小。因为有效提高封装密度的方式是减小无源元件的尺寸,以节约空间,在电子封装中,出现了0.3 mm的CSP、 BGA、 Flip Chip和MCM等有源器件,也出现了亚毫米尺寸的片式元件——miniSMD(迷你型片式无源元件),如0201,01005元件。miniSMD的应用,大幅度地减少了电子产品的体积,降低了电路的互联阻抗,使其能在更高的频率下工作,使信号的质量得到提升,特别是在5G产品中的应用。在巨大的市场和应用需求的驱动下,miniSMD元件的应用与发展就成为电子制造行业的一个技术热点。由于其元件外形尺寸缩小到了亚毫米甚至一百微米,给整个基于焊膏封装的SMT工艺技术的各个工序带来了很大挑战。很多公司在组装01005元件过程中,组装良率很低,而且返工报废高。为了满足日益增多客户的要求,生产高质量及可靠性的电子产品,我们在很早以前就开展了基于miniSMD(01005)组装工艺的研究课题,联合业界设备、材料、工具供应商的资深专家、国际SMT代工大厂专家的共同研讨,提出相应的应对技术:从改善设计,改善设备配置,优化工艺参数等入手,建立针对01005迷你型元件的稳定可靠的SMT组装工艺。

2 miniSMD

2.1 SMD无源元件尺寸

随着片式元件(SMD)外形尺寸的减小,进入到了亚微米尺寸范围,称之为迷你片式元件(miniSMD)。贴装密度的提高,导致贴装间距从0.2 mm减小到0.1 mm。以片式电容和片式电阻为例,其具体尺寸如图1所示。

片式元件缩小后,其尺寸由0402、0201,进一步减小到01005。同样数量的01005元件组装后的面积则比0201减少了约40%,如图2所示。

2.2 miniSMD对SMT工艺的挑战

越来越多的电子产品需要贴装01005元件,如5G手机产品、智能穿戴产品、医疗电子产品,同时除了在硬板上组装外,还要求在软板上组装。而目前的制造设备、工具及制造工艺难以适用于超小尺寸的组装要求。

首先,对SMT代工企业来说,需要从设备、工艺和人员等进行可制造能力的认证;在新产品导入中提供基于01005元件的贴装工艺解决方案,为企业赢得订单。

其次,越来越多3级产品都采用了01005元件,因此要求SMT生产企业必须按照国际标准进行组装、检验及返工,能更有效地保证产品的品质和可靠性。

根据行业经验及试验研究,列出了应用01005元件给SMT行业带来的挑战,如图3所示。

3 焊膏印刷

3.1 焊膏

焊膏印刷工艺对于元件的焊接品质不良影响超过了63%。对于01005元件的贴装来说,除了保证基板和模板制造等因素外,焊膏的选择和印刷工艺优化是确保获得良好组装质量的前提。为了使下锡性更好,提升转移系数,尽量使焊膏印刷的面积体积足够。对于圆形及方形的模板开口,最佳推荐是在模板开口尺寸下漏印至少包含8个以上的锡球,如图4所示。根据表1,按照miniSMD元件要求的模板最小的开口尺寸160 μm计算, 如果填充8个球, 平均的锡球尺寸为20 μm。根据焊膏的尺寸类型范围定义,推荐选择5号锡粉的焊膏。应选用品牌商生产的焊膏。经验表明,焊膏是一个比较复杂的工艺材料,除了要求焊粉粒径均匀一致外,助剂直接影响印刷工艺性能和回流焊过程。

3.2 印刷

贴装miniSMD微元件,要求高精度的印刷工艺设备,应确保控制精度达到以下指标:印刷时,对位偏差需要保持在±1 mil之内;模板开窗( 镭射切割),设定标准值 ±0.1 mil,但实测值 控制在-0.5/+0.3 mil;PCB焊盘,通常比标准值小1个mil,系统偏移±1 mil;PCB阻焊膜窗口开孔尺寸±2 mil,阻焊膜偏位±3 mil。

材料和工具都会导致精度偏差,所以,更需要精确的印刷工艺参数控制与优化,最主要的印刷工艺参数有:印刷速度、印刷压力和脱模速度等。否则容易造成模板堵塞、焊膏量少、焊膏量变化和位置偏差等印刷质量问题。

建议选择金属刮刀,其长度与PCB板长度相当,控制刀片长度伸出刮刀夹部分6 mm,更有利于下锡;需要控制模板上的焊膏量,最初焊膏滚动直径控制在16 mm左右;印刷压力和速度直接相关,设定尽量低的压力保证刚好将模板刮干净, 在适应生产节拍前提下,降低印刷速度,让焊膏在模板上良好地滚动;设定较小的印刷角度,这将有利于焊膏的传输效率提升;在保证模板底部清洁的前提下, 尽量降低模板的清洁频率,以降低对模板最佳工作环境的破坏,过于频繁的清洁/过多的溶剂/不恰当的溶剂,破坏孔壁的润滑,导致印刷缺陷。

一般地,焊膏最适合的工作温度为22~25 ℃,相对湿度控制在40%~60% 。较底的温度使焊膏流动性变差,可能会出现少锡等现象。在较高的工作温度下,焊膏粘度变小,温度升高其粘度变化很大,印刷之后会出现桥连、锡珠和形状不完整等缺陷。

3.3 miniSMD包装

01005元件的包装与其他片式元件的包装方式上基本一样,采用标准的盘式或卷装包装,但是在料带的尺寸上01005元件采用8 mm宽,元件间距1 mm,这比0201元件4 mm宽,元件距离2 mm提升了1倍的精密度,因而对贴片机的精确吸取元件带来很大的挑战,如图5所示。

4 miniSMD的贴装

4.1 吸嘴

由于01005元件的尺寸很小,吸嘴的通道较窄,难以检测到负压,造成赌塞。设备供应商提出了对吸嘴增自动清洗的功能,但这将以浪费生产时间为代价。在吸嘴设计时,需要考量增加真空接触表面积;吸嘴材料必须耐磨,建议采用陶瓷吸嘴,以减少因为磨损导致的接触面积减小。

如图6所示,当吸嘴孔太大时, 元器件容易被卡住(图6(a));更改为两个小孔时(图6(b)),由于孔太小,容易被堵住。再进一步改为图6(c)所示的尺寸(0.3 mm×0.15 mm),吸嘴的寿命可达300万次拾取,每拾取15万次用超声波清洗。

由于元件的质量很轻,编带和剥带必须保持很平稳,需要采用电动喂料器。

由于元件太小了,因此miniSMD元件与包装料带及其他物体之间存在的静电力不可忽略。静电将导致miniSMD元件在拾取过程中竖起,或粘在编带上,或在吸嘴上漂起来。建议采用良好的接地除静电方法,同时采用抗静电料带,还可以在喂料器位置采用粒子风机,中和产生的静电电荷。

考虑到拾取过程中偶尔会发生元件掉落的情况,导致机器故障,所以对于掉落的miniSMD元件需要设计一个通道,专门对掉落元件进行收集。

4.2 拾取

拾取的精度与吸嘴位置及元器件放置位置精度、盘装或卷装的精度和飞达的运动精度都相关。在吸取元件时,保证吸嘴的运行平稳。针对miniSMD元件,在X/Z轴方向保持吸嘴取料的位置精度为±0.1 mm公差,Y方向保持±0.07 mm公差。

建议采用X/Y/Z轴的闭环实时反馈,以进行适时的控制。当贴装01005元件时,需要开启料槽识别技术,以判断编带内是否有料,如无料将移动到下一个槽口进行取料。

取料位置的自学习功能、实时验证和进行位置微调,有效保证了长期的取料精度,如图7所示。  

传统的吸嘴拾取元件采用接触式吸取,这样会导致吸嘴与料带之间的碰撞接触,造成震动;也可能对元件的接触表面造成损伤;对于小元件,则导致拾取不稳定,容易翻转。

针对miniSMD元件,推荐采用非接触式吸取方式。利用真空的吸力将元件吸取上来,完全可以克服上述问题,如图8所示,其难点是拾取高度的精确控制。

4.3 贴装

吸嘴对元件的冲击力需要准确控制,避免压坏miniSMD元件。对于静态的0201元件,控制贴装压力小于3 N,根据Muruta公式计算得出,01005元件的压裂压力仅为0201的44%,也就是1.5 N或更少,否则有使01005元件破裂的风险。很多先进的、适用于01005元件的贴片机,均可有效控制贴装压力。例如,由Z轴线性马达控制单元提供电子反馈控制,信号反馈来自于实时分析PCB厚度、变形量和弹性等各种参数。这种反馈控制系统大大提高了贴装位置精度和贴装力的精度,精确控制了贴装运动,使贴装的力维持在设定的范围,同时减少了元件偏移和立碑现象。

4.4 视觉

在元件拾取后需要视觉相机确定元件的尺寸和方向,随着元件的间距越来越小,相机的视场也在收缩。为达到99.9%的吸取率以及3σ的贴装精度(±60 μm)的目标,其相机需要高分辨率和高解析精度。

采用彩色相机容易更好地识别基准点,尤其是对软板、陶瓷板和热风整平基板;彩色相机能识别到01005的所有不良现象。

对于微型片式元件,采用无铅焊膏回流焊,由于表面张力的作用,其自对准作用都非常好。但是01005 miniSMD元件太轻了,仅0.04 mg,贴片时需要保证元件端子与涂有焊膏的焊盘表面有足够的接触面积,否则就会导至立碑现象。若贴装精度放宽至75 μm,则容易导致元件短路或偏移。提高贴装精度至50 μm,则miniSMD贴装准确,无立碑等缺陷发生,如图9所示。

总之,miniSMD的贴片方式是:采用吸嘴将料带上元件吸取并通过高速照相识别,贴装在印刷有焊膏的焊盘上。贴片机采用贴装手臂和PCB底盘同时运动的方式,通过光栅尺实现准确对位,实现快速准确的贴装。贴装要点总结见表2。

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