为0201时代升级——新兴的高速芯片贴装解决方案

 摘要：实际情况是，一些厂商在贴装0201元器件时不得不降低机器速度，而另一些厂商则只能在限定区域内部贴装0201元器件，其通常位于贴装头运动范围的中心。这两种情况都给贴装机业主带来了限制，比如会降低生产线速度，或不能贴装某些电路板类型，比如大型电路板。
 　关键词：0201；贴装速度；高度控制

　 现在，媒体宣传的重点已经转向了01005，与此同时，0201贴装技术作为通用的大批量器件贴装解决方案，它的开发工作也正在紧锣密鼓地进行着。
　 许多SMT行业传媒正大力宣传01005元器件，人们留下了这样一种印象，即0201s贴装已经过时。然而，尽管大多数贴装设备厂商把0201列为已经实现的功能，但如果进一步地探究，您就会发现这其中还存在许多限制。这些限制更多地是在面临许多实际状况时才会显现，而不会一开始就一览无余。
　 实际情况是，一些厂商在贴装0201元器件时不得不降低机器速度，而另一些厂商则只能在限定区域内部贴装0201元器件，其通常位于贴装头运动范围的中心。这两种情况都给贴装机业主带来了限制，比如会降低生产线速度，或不能贴装某些电路板类型，比如大型电路板。
　 部分限制可能源于使用的运动控制系统的固有特点。但是，贴装头和吸嘴现在也在捡拾性能和贴装后成品率中发挥着关键得多的作用。尽管大多数贴装机厂商都声称拥有0201贴装功能，但某些机器只能在很小的“最有效击球点”中贴装0201元器件，其通常位于机器贴装区域的中心。这可能源于厂商选择只是部分绘图和校正运动控制系统，而沿着运动轴没有直接线性编码或激励器硬件集成到高架运动系统中的方式，则通常会使这种问题进一步恶化。0201元器件的尺寸一般是0.023" x 0.012" x 0.08" (0.6mm x 0.3 mm x 0.2mm)，其贴装容许误差最小±12μm，因此几乎没有误差空间。能够只在很小的运动区域内提供可以接受的0201成品率无疑有许多限制，大型电路板是一个明显的实例。$Page_Split$

线性运动的使用量上升
　 由于线性马达技术已经成熟，希望提供0201贴装能力的大多数贴装设备厂商都会采用线性马达驱动的机器，或正在演进到线性马达。在与线性驱动器结合使用时，直接安装在运动轴上的线性编码器可以实现更加精确的闭环位置控制。
　 目前，电容器等0201无源器件的使用量正日益广泛，大型电路板(如电信、3G基础设施和网络产品使用的背板)的设计人员希望利用其小的尺寸，提高I/O密度，降低解耦电路占用的电路板空间。更高的I/O密度使得新兴一代产品能够支持更多的信道，提高信号速度，增加用户数量。
　 由于这些应用给电子器件组装厂商带来了重要的收入，特别是在欧洲和北美运营的厂商，0201贴装的未来发展将明显需要在大型电路板边沿进行精确贴装。这自然而然地要求运动控制能够在高架和贴装头运动的整个范围内实现0201及更高的精度。
　 尽管线性激励可以在大型活动区域内更好地实现精度和可重复性，但还要考虑其它因素。线性马达的创建方式并不是完全一样的。对某些线性马达的设计来说，产生的热量是一个问题，因为这会导致热膨胀，热膨胀又会导致相对位置不准确。考虑到0201元器件贴装±12μm的容许误差，很明显热膨胀几乎没有余量。位置不准确还会要求重新校准，而重新校准则会降低生产效率。
　 此外，并不是所有供应商都以相同方式集成线性马达。一直提供0201高成品率所需的精度在很大程度上取决于选择的运动技术的稳定性和可重复性及其实现方式，其中一个差异在于Y轴驱动。为实现最大的稳定性、刚性和位置可重复性，某些设备制造商在Y轴高架上部署了双线性驱动器。在这里，从两端直接同时驱动轴，消除了只驱动一端、而另一端在轴承滑片上运行可能出现的悬臂效应。这对大型电路板应用尤为重要，以保证精度，消除运动激励之间的振铃或振荡稳定时间。$Page_Split$

 

额定贴装速度下降
　 如果不同时驱动Y轴的两端，那么只有在这些振荡的幅度已经衰减到小于最大贴装容限时，才能捡拾要贴装的元器件，而最大贴装容限则取决于元器件组合和衬垫尺寸。在贴装0201元器件时，这种“稳定频带”通常预计是贴装0402元器件时可以容忍的范围的一半左右。因此，贴装动作必须衰减额外的周期，直到振荡器衰减到0201较窄的稳定频带范围内；或者在接近希望的位置时，必须降慢马达速度和制动。不管是哪种解决方案，都会影响元器件贴装总耗时，相应地就会影响产能。
　 此外，贴装头技术是影响额定速度下降的主要因素。旋转贴装的优势在于，在上述情况下，它在单点运转时以最优方式捡拾部件；而直插轴系统必须考虑设计本身固有的机械偏移。
　 为实现有竞争力的每个元器件的贴装时间，直插轴特别依赖成套捡拾。但是，在必须从送料器中精确地捡拾小型部件时，它们没有成套捡拾的能力，而0201元器件体积非常小，为可靠地捡拾元器件，吸嘴必须与元器件的中心完全对准。由于不能成套捡拾，直插轴系统最多会损失25%的产能。
　 而塔式贴装头则没有这种限制。但是，对塔式贴装头来说，为在运转过程中调节捡拾高度，完成适应性触地和贴装，必须实现多个传感器，其成本会非常高。

捡拾时的Z高度控制
　 一般来说，0201元器件可以接受的最大捡拾失败率是1000 dpm。捡拾错误的潜在原因包括元器件在送料器条带中的位置差，或者从条带中检测到的位置捡拾器件的贴装头X-Y定位能力差。在这里，旋转贴装头再次提供了明显的优势。
　 Z高度控制差是捡拾错误的另一个重要原因。尽管送料器的高度不可能改变条带中细小的厚度变化，但是元器件的厚度变化及条带顶部到条带中元器件顶部表面的关系都足以使捡拾机制失效，不能检测和适应捡拾最优Z高度中的变化。自动“学习”、连续监视及适应各种捡拾高度的能力至关重要，这要求贴装头上技术确定确切的捡拾高度。$Page_Split$

贴装时的Z高度控制
　 在成功地捡拾之后，元器件贴装给Z轴控制进一步带来了挑战。由于0201元器件的高度一般在0.15mm到0.25mm之间，因此电路板高度中的细微变化都会导致不能成功地进行贴装，而在贴装大型元器件时可能根本没有问题。例如，下侧元器件回流焊导致的电路板热变形可能会提高Z高度变化，而这种变化对电路板最上面的0201贴装过程会非常明显。如果电路板高度低于预期水平，那么存在着一种风险是只把元器件释放到焊膏层，而不是放到焊膏中。这减少了在回流焊后焊接界面良好的可能性。
　 另一方面，如果电路板表面略高于电路板到吸嘴的预计高度，那么元器件贴装力可能会太大，有可能会损坏元器件。贴装力太大不仅存在着损坏元器件的风险，还会把衬垫位置的焊膏散开。这会带来双重影响，一个是损害焊接界面本身的电气性能和机械性能，另一个是在电路板其它地方散开焊膏，可能会引起桥接故障、焊珠或焊球。设备厂商必须迎接这些挑战，以使贴装的缺陷率目标低于50 dpm。
　 当然，正确计算Z高度一直是SMT贴装过程面临的问题，设备设计人员已经开发了多种解决方案。基于推算定位的方案不能实际传感电路板的高度，但可以根据假设数据计算每个贴装的Z高度，这些数据假设电路板一直是扁平的，而且定义元器件厚度使用的数据是正确一致的。实践证明，这些方案在贴装大型元器件时提供了令人满意的结果，然而使用推算定位方式正确计算0201元器件贴装的Z高度是一个巨大的挑战。采用推算定位方式的机器最常见的小型部件缺陷是“部件丢失”，其可以归结于这种设计上的疏忽。
　 另一方面，可以使用位于电路板任何一侧的光源和光学扫描编码器，实现闭环Z高度调节。通过这种方式，可以在短距离内实现高精度，并精确计算正确的Z高度，以在几微米范围内贴装器件。但是，这并不是调节捡拾高度的高效解决方案，因此要求两个单独的Z高度传感机制。
　 另一种常用的设计方法是监测通过贴装头Z轴的电流数量。这种方法的缺点是要求的冲击力较大，然后系统才能检测到表明触地的吸收电流变化。
　 同时为捡拾操作和贴装操作提供适应性Z高度计算的、功能上更高效的方法是实现贴装头上传感技术，如使用应变仪。应变仪提供吸嘴施加的力的连续变化的输出表示，因此可以实时控制吸嘴Z位置。在设置过程中，吸嘴可以接触送料器，使用应变仪输出指明额定捡拾高度。通过连续监测应变仪输出，可以迅速检测到条带厚度的后续变化，这种变化会提高最优捡拾高度变化。
　 贴装头上传感技术可以实现响应能力更强、更加灵敏的适应性高度控制功能，但缺点是为塔式贴装的每个吸嘴实现这种传感的成本很高。径向贴装头技术的出现在这方面实现了重大突破。$Page_Split$

径向灵活性
　 径向贴装头不仅提供了塔式贴装头高速可靠地捡拾0201元器件的个体适应能力，还提供了直插贴装头支持广泛的元器件的灵活贴装精度。可以设计一个多吸嘴径向贴装头，如其中只有一个Z驱动机制，提供经济、快速、精确的解决方案，贴装从0201s (或更小)直到大型精细间距QFP半导体器件的各种元器件。
　 例如，环球仪器公司的径向Lightning闪电贴装头有30个吸嘴，实现了芯片射击装置的贴装速度，同时使用单一的Z驱动和传感机制实现了连续监测和优化Z高度的能力，可以执行双功能操作，同时调节捡拾高度和电路板高度。

管理吸嘴真空
　 在设计设备时，还必须提前考虑置放和贴装0201元器件时的真空生成和反转问题。一般说来，真空路径越短，置放和贴装响应速度越快。真空路径是指真空阀和吸嘴之间的距离，真空路径越长，磁滞效应就会越多地降慢吸嘴上的真空应用和去除速度，要求贴装头保持稳定的时间也就越长，以保证在捡拾和贴装过程中及时隔离元器件。新型设计采用高速真空阀和非常短的真空路径，如果设备厂商要继续提高捡拾和贴装速度，那么必须采用新型设计。
　 这一规则基本上与元器件的尺寸无关，因此不仅仅限于0201元器件。然而在0201的特例中，元器件高度很低会导致吸嘴密切接近送料器条带及电路板表面。考虑到这一点，快速运动和响应的真空方案不仅可以支持高速操作，还可以防止把残骸和焊膏带入真空系统中。在0201元器件触地时，经验表明，很小的静电之类的效应也足可以使器件不能与吸嘴分开。响应快、快速动作的真空路径可以临时反转真空，在短时间内应用分离力，协助把器件与吸嘴分开，同时快速动作的真空阀则保证了在分离过程中不会使焊膏发生转移。
　 由于吸嘴和电路板表面非常接近，因此最好严格控制这一力量的幅度和时长，防止附近衬垫位置散出焊膏。在处理0201元器件时，吸嘴传送的焊膏和其它残骸可能会在各个元器件位置带来电路板污染，进而可能会导致焊接界面差或桥接失效。这些问题可能只会在目视检查或在线测试之后才会发现，有时甚至可能检测不到问题，导致有问题的器件流出生产车间。
　 通过径向Lightning闪电贴装头，环球仪器公司把真空生成技术集成到轴中，保证了从吸嘴末尾的真空路径总长度低于50mm，从而可以在不到2 ms时间内开关真空。定制设计的真空阀可以迅速反转真空，生成简单的驱逐力，把元器件与吸嘴分开。环球仪器公司把这一技术称为‘airkiss’，真空管快速动作及很短的真空路径是实现这一技术的关键。可以应用这一技术，而不会扰乱电路板上已经存储的焊膏。吸嘴附近使用响应快的真空，意味着也可以使用同一贴装头捡拾和贴装超大型元器件，而不必降低贴装机速度，保证元器件一直固定在吸嘴上。