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1、如何准确地贴装0201元件 By Dave Kalen本文介绍，更小的元件与更窄的间距为电路板装配提出了新的挑战。理解这些贴装问题可以使产品更快地推出市场，并减少缺陷。业界所面临的现实是零件变得越来越小。例如，0201片状电容比0402小75%，在电路板上所占的面积少66%，这些元件在本十年的早期将出现在一些通用的印刷电路板上，而甚至更小的01005片状元件到2005年将在空间更珍贵的模块电路板上看到。因为对于许多新的产品板的空间是如此珍贵，尽管更小的元件成本更高，但还是会得到甚至更广泛的使用。这种新的小型化要求贴装精度提高但又不降低速度。确认所面临的挑战小的元件提出了许多问题。更高的密度 -
2、 这是困扰较小元件的主要原因 - 使得贴装任务的难度大了一个数量级。例如，0201元件通常要求较小的焊盘尺寸来防止焊锡污迹，和接纳无焊脚焊接。还有，更小的焊盘意味着更窄的元件间距。虽然这些允许设计者取得高度功能化与紧凑的产品所需要的更高密度，但也使情况复杂化。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、元件竖立和元件不对准焊盘的机会。因此，我们需要什么呢？现在，现实的生产目标是达到99.9%的吸取率，同时3的贴装精度为60m。为了达到这个目标，机器精度变成首要问题。例如，摩托罗拉的试验表明，在贴装偏移中小到0.025mm的变化都可能重大地影响缺
3、陷水平。对于标准的焊盘(用十万个元件进行试验)，y0.075mm, x0.075mm的贴装偏移对缺陷的影响类似于没有偏移。可是，当偏移增加到0.1mm时，缺陷水平上升到超过5000ppm。虽然这个绝对距离意味着很小，但是研究表明该工艺留下很少犯错的余地。还有，贴装操作涉及的不止其本身。它包括吸取的可靠性、准确的元件视觉识别和贴装的可重复性。事实上，试验表明0201元件要求99%的吸取可靠性。吸取位置公差为了保持生产系统的连贯性，吸嘴必须能够在所有三个方向上移动，即沿X,Y和Z轴移动 - 这一点是重要的，因为在所有生产机器上Y轴的控制是没有的。可是，为了保持贴装精度在公差之内，Y方向的控制对于将
4、元件对中在吸嘴上是必要的(图一)。自然地，这个对中对于0201比对其他零件具有更紧的公差。图一、Y方向是0201元件贴装的唯一最重要的轴向纠正由于在三个轴上的闭环实时反馈，对送料器校准的需要实际上消除了。没有三个轴上的实时闭环反馈，送料器的校准是关键的。研究表明，在Y方向0.07mm的精度对于确保成功的0201贴装是必要的。还有，成功的贴装要求在X方向0.1mm的公差，在Z方向0.1mm，以达到0.2mm的目标值。纠正吸嘴X/Y轴的运动是保证稳定和持续的元件吸取的关键。在锡膏上的运动另一个贴装问题是在某些条件下，0201不会停留在其贴装的位置。考虑这样一种情况，试验将0201电容贴装在印刷锡膏
5、和助焊剂的PCB上，希望得到0.05mm的受控行程和0.15mm的元件间距。试验已经显示，对于Y方向3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60m。会发生什么呢？有趣的是进一步调查显示当元件只是贴装在助焊剂上时，元件不会发生由于超程的滑移，但是在锡膏上时会发生。结论：问题在于锡膏的颗粒直径。为了补偿Z轴纠正，机器必须具有实时的反馈机构，测量每个元件的厚度。当颗粒大小大于20m时，元件偏斜就有可能，因为颗粒在焊盘上分布不均。因为元件贴装时间是几毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或运动。这就是为什么热风焊锡均涂(HASL)的板不适合于0201贴装，这与0402
6、许可HASL形成对照。图二、当元件超程冲击焊锡颗粒时，反作用力改变吸嘴的轴向并产生一个水平的力，产生元件的偏移因此，超程降低贴装精度。它也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(图二)。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，即，贴装系统必须控制该间隙，将它保持在40-60m。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。需要的改进要取得有效的0201元件的使用，部分的解决方法将在吸嘴的设计改进中找到。因为元件是如此的小，它们要求吸嘴的设计尽
7、量加大真空的接触表面积，同时提供一个不会干涉高密度布局的外形。另外，吸嘴必须高度耐磨，因为其腐蚀作用会由于小的接触面积而恶化。所有这些都必须意识到如何满足和处理即将面临的01005元件的挑战。现在的结果为0.25mm的间隙提供0.75的节拍时间、60m(3)的精度、和99.9%的吸取率。目标是要为0.10-0.15mm间隙达到每个零件0.075秒的节拍时间、40m(3)的精度、和99.9%的吸取率。为0201元件专门开发的盘带送料器也应该有助于更精确和更快速的元件贴装。结论一个现实的经济问题是用0201元件生产的板将比其对应的较大零件更加昂贵。另外，更紧的公差必然需要增加工艺控制、更彻底的预防
8、性维护、更多的培训和工艺知识、和对报废及检查/修理活动的增加的认识。预防性维护总是生产的一个重要部分，现在由于0201贴装而更加重要。因为误差的公差和可达性和元件本身一样小，预防性维护是0201生产线比其他元件更加重要的制造成本因素。类似地，似乎0201的使用将要求更频繁的吸嘴清洗、摄像机清洁和机器贴装的测量与调整。元件吸取和贴装的高度将是关键的，对于初始的元件吸取，送料器轴的调整是需要的，尽管机器可以在吸取位置补偿元件的偏移。工作台运行对元件贴片的影响解决转塔式平台的问题要求完全了解许多工艺参数，并始终将重点放在过程控制上。1986年转塔式贴片机问世以来，已为电路板组装工业生产出大量的合格产
9、品。当其作为新产品进入市场时，转塔式平台曾以每小时贴片14400个元件震惊一时。在过去的16年中，转塔式贴片机的平均贴片速度已提高了近四倍，可贴装元件和器件的类型和范围也明显扩大，目前，贴片机烦琐的换线仅用微波炉嘣一袋爆米花的时间就可完成。然而，经多年的进展，转塔式贴片机的基本原理却没有任何变化。其基本设计是相当简单的。元件送料器前后运行，向固定的拾取位置供给元件。PCB沿X-Y方向运行，使PCB精确地定位于规定的贴片位置，而贴片机核心的转塔在两点间携带着元件，在运动过程中实施视觉检测，并进行旋转校正（图1）。就高速贴片机而言，任何转塔式设计的基本结构都具有一些显著的优点： 多达6个不同尺寸的
10、吸嘴适用于任何贴片头，工作中不需要更换吸嘴。也就是说，任何吸嘴都能够随时拾取元件，取消了过多的或不必要的运行操作步骤。 将用于校正元件的视觉检测系统，按规则安装在转塔式贴片机的拾取点和贴片点之间，可以在“飞行”中进行图像处理。 简单的机械齿轮传动式转塔设计可保持供电用电缆、伺服系统、编码器、传感器和摄像机等静止不动。这样就不会产生由于恒定的弯应力使线路断裂而出现的电气问题（例如：当台架始终不断从送料器向摄像机、电路板在运行时可能出现的故障）。 现在转塔式贴片机的贴片速度每小时可达53，000个元件以上。而最好的单头台架式贴片机，每小时仅能贴装约15，000个元件。为使台架式贴片机达到同等的速度
11、需要多台机器，这就意味着，将有更多的零部件需要维护、润滑、校准和返修。 使用转塔式设计，只在贴片机的一侧安装送料器。这样，可使贴片机前后宽度减少达3英尺左右，为此，就不必在生产线的另一侧额外安装送料器和元件储存装置，从而减少了整个操作区域的面积。问题何在？具有这样一系列有说服力的优点，似乎转塔式平台可以被认为是“最佳的选择”。然而，人们的目光关注着不停运动着的工作台。有人认为，工作台的运行会影响到元件贴片精度，而且，工作台运行会导致元件移位，甚至从PCB上脱落下来。这是真的吗？还是仅仅是生产台架式贴片机的制造商发出的“中伤”之言？事实是两者都有一点。如果使用不当，元件贴片后，转塔式贴片机工作台
12、的运行会使元件翻转。不过，元件贴片后的移位，始终是组装工艺过程已经失控的征兆。如果改用一台固定工作台的贴片机，就能使产品的质量得到改善的话，这实际表明更为严重的工艺问题很有可能被掩盖了。 元件为什么会移位？对位不准确或漏贴元件的原因通常与贴力度不合适有关。如果PCB在贴片机中得不到适当的支撑，它就会下沉，这样的话，PCB表面高度就会低于贴片机的“Z”轴零点。这样会导致元件在PCB上方略高的位置就被释放，与直接贴片到润湿、有粘性的焊膏上有所不同。另一个很可能的原因是元件的高度设置不合适。虽然，大多数新机器可对高度进行自动校正，但是，旧的贴片机必须通过编程，才能获得正确的元件高度。在生产过程中常常
13、需要更换元件卷带，有时，更换的元件不是同一个厂家生产的，这种元件外形尺寸可能有所差别。如果程序指出元件高度为1.0mm，而元件的实际高度只有0.6mm，元件就会从距贴片点上方0.4mm落到焊膏上，而不是直接贴片到焊膏上。即使贴片机是台架式机器（即在贴片过程中PCB保持静止状态），在这种情况下，贴片精度也会不好。元件有可能晃动而脱离焊盘，或进一步移位，或在PCB传送过程中完全脱落。此外，在元件贴装过程中，当元件高度设置得不正确时，在回流焊接阶段，就很有可能产生“墓碑”现象。其它工艺因素在PCB印刷焊膏后，需要在传送机上等待多长时间？焊膏的制造厂家总是说焊膏可敞开放置达6个小时，然而，这只对大量焊
14、膏才是真实的。一旦将焊膏印刷到焊盘上，其厚度仅为6mil，它有五个面暴露于大气中，焊膏往往出现干涸。如果PCB要在生产线上再停留20或30分钟的话，焊盘上的焊膏的外表会形成一层发干的表皮，从而其粘性会下降。因此，制造过程中需控制PCB在生产线上的传送速率。如果生产周期小于1分钟的话，那么最好在印刷机和贴片机之间缓冲一定数量的PCB；但是，如果生产周期为2分钟或3分钟的话，待贴片的PCB的数量就必须少一点了。如果生产线停止操作一段时间的话，更应特别谨慎。此时，焊膏已经干涸，元件仅能放置在焊膏的顶部而不能够完全插入到焊膏中。虽然，这个问题在工作台运行的机器上会被放大，但是，它同样会造成其它类型的生
15、产线出现丢失元件和质量问题。工作台运动的控制现代转塔式贴片机具有用户控制X-Y工作台运行速度和加速度的功能。例如，Fuji的CP Series系列，可根据下述方式控制工作台运动。贴片机有五种工作台速度方式可供用户选用。工作台速度方式的设置适用于不同类型的元器件，而且元件数据库中已带有相应的缺省参数设置。用户可通过缺省值的设置，来简化参数实施。几种设定的选项包括：超高速、高速、中速、低速和超低速。每个设置的参数可改变伺服系统的加速曲线、减速曲线以及工作台的最大速度，从而实现对由于工作台运行而施加于元件的作用力加以控制。一个常有的错误观念是，降低工作台速度将对贴片机的性能带来不利的影响。而实际上，虽然，工作台速度延长了贴片机的工作周期，但较大的和重的元件已使用较慢的凸轮速度来实施拾取和移动的操作。由于这个原因，当工作台速度以超高速或高速运行时，可能意味着工作台在转塔式贴片头携带元件到达规定的位置之前，工作台早已就位。所以，放慢工作台速度，使其与转塔的速度基本接近在多数情况下，不会影响到PCB贴片的工作周期。 优化程序的效果如何？贴片机的优化程序有助于元件贴片质量的改善。优化程序的目的是设定送料器和贴装顺序，以确保设备尽可能有效地发挥其作用，提高贴片总产量。优化程序还考虑了转塔式贴片
