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针对01005元件的工艺优化

[size=2]消费者希望得到功能更丰富、重量更轻、更易于携带的产品，正是这些日益增长的需求迫使许多元件类型的尺寸越做越小。集成电路朝着微间距矩阵阵列连接的方向发展，无源元件的尺寸也缩小到01005。人们已经为尺寸较大、简单易用的元件妥善地制定了工艺窗口，但是，对于这些新型无源元件，工艺局限和合适的温度还不清楚。通过实验来研究适合01005电阻器和电容器的工艺要求，确定焊膏的印刷参数、对贴片精度和力的大小、再流焊参数，以及焊盘的形状、尺寸和间距。
设计了供实验使用的印刷电路板，它所使用的方法遵循实验设计（DOE）软件*。图1是01005电阻器和电容器，表1表示它们的标称尺寸规格。

[b]实验设计 [/b]
    利用DOE软件，可以通过适量实验来收集影响SMT工艺的参数和焊盘的尺寸规格。
我们可以通过尽量少的实验收集数据，并且从中提取尽可能多有价值的信息。 [/size][size=2][img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2006年9月/28.jpg[/img]
图1 无源元件尺寸对比。从左到右依次为：01005,01005，0201，0603。[/size]

[size=2]    这个实验项目由两组实验和一些附加实验组成。第一组实验的目的是确定重要的参数，同时，通过这些实验来研究在只使用电容器的情况下，贴装质量如何随着具体参数的变化而变化的。第二组实验是在第一组实验数据的基础上，用电容器和电阻器来做实验，重点是焊盘尺寸的优化。附加实验的目的是确定元件的最小距离，并对圆形焊盘做出评估。在所有的实验中，都会利用显微镜检查贴装和焊点的情况，并且根据IPC-A-610C标准做出判断。

[b]元件与设备[/b]
    针对01005元件设计了印刷电路板的铜焊盘（每块印刷电路板4780个）。电路板使用FR-4板，进行了ENIG表面处理。焊盘设计成矩形和圆形，其中有160种不同尺寸的矩形焊盘和六种圆形焊盘。在这个实验中，用长度、宽度和间距作为参数来描述矩形焊盘。根据软件生成的数据表格来决定焊盘的尺寸。在印刷电路板的左边，是为第二组实验而设计的，包含所有可能的矩形焊盘尺寸，供焊盘尺寸优化使用。为了确定元件的最小间距，印刷电路板中间的焊盘间距设计在50至140祄之间。为了实现50祄的间距，把焊盘宽度设计为150祄，这是因为铜焊盘间距低于100祄时，制作起来非常困难。在电路板的右上部分，是直径为200到300祄之间的圆形焊盘。
    由于01005焊盘需要的焊膏体积很少，因此用不锈钢电铸，厚度为0.75mm。然而，如果孔壁的面积与孔径比接近1，那么焊膏很可能会留在模板上，而不是转移到印刷电路板上。矩形焊盘的面积与孔径比取0.57，而圆形焊盘的面积与孔径比取0.67。在实验中使用4号和5号微粒的Sn62/Pb36/Ag2焊膏。5号焊膏需要使用五公斤的压力进行印刷，4号焊膏需要使用九公斤的压力进行印刷。使用带有高分辨率照相机的贴片机**贴装元件，使用包含五个预热温区、一个峰值再流温区和一个冷却温区的再流炉进行焊接。使用了线性再流升温曲线A，和传统的温度曲线B。A和B都是软件需要的参数。表2是软件定义的参数。 [/size]
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[size=2]    这项研究的第一阶段是通过筛选，确定最重要的因素。在选定筛选作为目标，DOE软件会生成一个包含多个设计的表。它建议采用包含70项实验的设计，每个实验都代表一种独特的焊盘几何形状和SMT工艺参数。在定量方面，要把焊盘几何参数，以及最大值与最小值之间的数值作为实验的组成部份。在定性方面，在所有的实验中，SMT工艺参数都在选定的两个方案之间改变。在设计完成之后，便按照计划进行70项实验。根据各种缺陷模式计算每个实验中的缺陷数量，并且把它输入到软件生成的数据表中。

[b]结果与观察：第一组实验[/b]
    在所有实验中，未见因为侧面立起、一端立起、重叠或者焊点高度超标而引起的焊点失效。但是，最坏的情况是，在再流焊之前，贴装时元件一端立起，这占总失效的30%。所有元件能够在再流焊时自动对正，因此，我们可以得出结论，在实验中所使用的贴片机都能够完成01005元件的贴装，并且达到IPC-A-610C的要求。大家知道，无铅焊膏的表面张力高于锡铅焊膏，而且，无铅焊膏不容易自动对正。焊盘长度是最重要的因素，但是也必须认真考虑焊盘宽度和焊膏类型。DOE软件有利于得到适合实验的最大值和最小值参数，值得注意的是，不管其他条件如何，焊盘长度达到最大值时往往会引起缺陷。

    较高的安装力和较小的间距可能会引起更多的桥接。5号焊膏的湿润能力略高于4号焊膏。 当刮刀速度控制在20 至40mm/s之间时，再流温度在曲线A和曲线B之间转换时，焊点质量差不多。焊膏合金成份可能也会影响焊点的质量。焊料合金铺开的情况和毛细作用会直接影响到焊点的宽度和高度。如果使用无铅合金，由于湿润能力有差别，焊点也不尽相同。 [/size]
[img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2006年9月/25.jpg[/img]
[color=#666666]图2 焊盘的几何参数。[/color]

[size=2][b]结果与观察：第二组实验[/b]
    这次实验把重点放在焊盘尺寸的优化上。刮刀速度固定为20mm/s，再流温度曲线为A。发现焊膏的类型和安装时的力会影响到一些具体的焊点缺陷，因此需要设计更多的实验来进一步测试它们的重要性。根据两个元件厚度进行实验可以得到最佳的焊盘尺寸。第一次实验中已经对缺陷标准做出明确的定义。在检查之后，确定焊盘的最佳间距是160祄，焊点的形状完美，不存在桥接。图3表明缺陷率与焊盘尺寸有关。由于使用这些小型元件的主要目的是缩小尺寸，因此，缩小焊盘尺寸，在同样的电路板面积内尽可地安装更多的元件是很重要的。随着焊盘尺寸的增加，缺陷率下降，而且，220 × 210 祄是达到100%合格率的最小的焊盘尺寸。就此，我们可得出结论，对于01005电容器，210祄的焊盘长度、220祄焊盘宽度和160祄间距是焊盘的最佳尺寸，可以形成合格的焊点，而且占用电路板的面积最小。对01005电阻器进行的实验，得到类似的结论。最佳的焊盘尺寸的长度为190祄、宽度为220祄和间距为160祄。与0201元件相比，能够将占用的电路板面积缩小大约50%。
     从第一组实验来看，5号焊膏的湿润能力略高于4号焊膏，但是，这可能是因为使用了较小的焊盘的缘故。对于较大的焊盘，观察结果显示，这两种焊膏的湿润能力相当。4号焊膏的价钱一般比5号焊膏便宜，似乎也是一种比较好的折衷方案。当贴装的力达到3.5牛顿时，元件出现破裂，这个力是电容器能够承受的力的上限，但是，它已超出常规电阻器的要求。因此，建议的贴装力为1牛顿。[/size]
[size=2][b]结果与观察 [/b]
      据观察，圆形焊盘上的元件自动对正能力比矩形焊盘上的元件强。为了获得合格的焊点，焊盘的直径至少要达到260祄。然而，如果使用圆形焊盘，01005电阻器需要占用0.1467mm2的印刷电路板面积，而相当的方形焊盘只需要占用0.1188mm2的印刷电路板面积。01005元件使用圆形焊盘对节约电路板面积没有任何帮助，而且，也不推荐使用圆形焊盘来提高自动对正。 [/size]
[size=2][b][img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2006年9月/26.jpg[/img][/b][/size]
[color=#666666]图3 不同焊盘尺寸的焊点合格率。[/color]
[size=2][b]元件间的最小间距[/b]
      如果印刷设置没有很好地优化，很容易会发生桥接，特别是在间距小于100祄的情况下。焊膏湿润能力是另一个会在再流之后造成桥接的可能因素。如果使用无铅焊料合金，与锡铅合金相比，它的湿润能力降低，可能会造成更多的桥接。图3是桥接率与元件间距之间的关系。据观察，当间距为100祄时，相邻元件之间没有出现桥接。因此，建议元件的最小间距为100祄。

[b]结论[/b]
     使用厚度为75祄的模板适合01005元件的焊膏印刷工艺。建议使用比较小的1牛顿贴装力。虽然5号焊膏在性能上与4号焊膏差不多，但是4号焊膏的价钱较低，因此建议使用4号焊膏。适合01005电容器的最佳焊盘尺寸分别是长度210祄、宽度220祄、间距160祄，适合01005电阻器的最佳焊盘尺寸是长度190祄、宽度220祄和间距160祄。建议最小元件间距为100 祄。与0201元件相比，使用最佳焊盘尺寸能够节约50%的电路板空间。安装在圆形焊盘上的元件具有更好的自动对正能力，但是，使用圆形焊盘无助于节省电路板空间。

* MODDE设计实验软件，[/size]
[size=2]** MY9贴装机，MYDATA AB。 [/size]
[size=2][img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2006年9月/27.jpg[/img][/size]
[size=2][color=#666666]图4　桥接率与间距。[/color][/size]

我们最近正在讨论导入01005的计划呢，多谢兄弟提供资料。:victory: