摘 要：本文就0201器件贴装与检测的一些要求进行讨论。文章也涉及选用正确的焊盘设计，不更换模板或焊膏，达到6Sigma贴装过程的目标。
关键词：0201，焊膏印刷，器件贴装，6Sigma。
1. 引 言
电子产品进一步小型化,0201器件的贴装是组装厂必须具备的能力。许多新型电子产品的开发使用0201器件，但应用面仍然不大。这是与之相关的器件供应链，工厂设备能力，焊接工艺及大批量生产稳定性等因素进展较慢。
0201器件贴装一个主要因素是贴片机的能力。现在大多数工厂对其设备能力设定的窗口为+/- 0.15mm。先前的过程研究表明窗口宽度必须减到+/-0.10mm，才能避免高的缺陷率。由此看来，所有主要设备供应商必须与贴装0402器件作一对比，改进他们系统的控制能力。
本文就0201器件贴装与检测的一些要求进行讨论。文章也涉及选用正确的焊盘设计，不更换模板或焊膏，达到6Sigma贴装过程的目标。
2. 贴装设备
在七年来,高速贴片机的能力已经得到很大改进,但是由于存在许多不确定因素,0201器件贴装仍然是非常苛刻的。这些不确定因素包括；光学摄像系统（定位，校正，分辩率及量度），视像识别，真空吸嘴，真空系统，器件吸持/贴装X/Y/Z/Θ轴传动系统，印制板支承固定装置等。
一台高速贴片机可专门用于0201器件的贴装，但其子系统无法精确支持贴装过程保持在100μm标准界限的窗口之内。比如；在我们的研究中发现，摄像系统的分辩率及量度不到位或不能有效支持贴装0201器件的技术要求。表 1 列示摄像系统原始量度值，所得到低的精度数据。
表 1 摄像系统贴装0201原始精度值
为短期目的解决这个不足，系统0201数据库必须更改原始数据，重新校准摄像机的量度。表 2列示在进行上述操作后，摄像系统正确的精度值。
表 2 0201数据库更改后摄像系统正确精度值
但从长远利益看，必须将贴片头/摄像系统综合一起解决。
3. 0201的贴装成本
贴片机贴装0201器件增加的成本可分为;投资,易耗类,资源.资源包括设备严格维护保养,贴装工艺研发及诊断。投资成本是新投资采购，升级，送料器及先进校准工具。易耗类包括真空吸嘴，备件与超灵敏不耐用另部件，过滤器，润滑材料。超灵敏另件指的是一些与常规器件不同功能的项目。有关需要设备改造或更新的投资项目可在原来的老机器资料中取得。新设备必须对使用寿命及生产期间的磨损变坏进行监测。
在我们的实验中，从一台非贴装0201的常规贴片机改造升级，具有支持贴装0201器件的能力，设备的子系统进行检测评估。此过程在已有230×106次贴片操作，使用了4.75年的老机器上完成的。
这台机器原始具有贴装0201器件能力。
在贴装0201器件之前，机器的精度进行定量，按照机器制造厂原始的检测条件重新进行调整。机器原始的精度为X轴；1.41CP/1.35CPK;Y轴1.35CP/0.97CPK,标准界限+/-100μm。在此基楚上，对贴装头/X-Y工作台完成一些其他测量。
其中有一个贴装头与Y轴的滚珠丝杠必须更换。先进的校准工具与夹具用于鉴定摄像系统及整个设备的标度。最终得到的设备精度为
X轴2.09CP/1.95CPK;Y轴1.96CP/1.58CPK,标准界限+/-100μm。
贴装头与真空电磁阀中，对贴装过程超灵敏性进行予防检测的易损另件作了更换。这台机器重新恢复并具有贴装0201能力，另部件更换及工时费用$25，000，不包括0201送料器与摄像机的投资费用。
改造一台老机器具备贴装0201器件的投资成本多少取决于需要更换升级的另部件。摄像机与视觉系统的成本约在$5，000。，成本很大程度取决需要更换或升级的另部件。
4. 在线检测系统
为进一步改进高速贴片机的性能与提高贴装0201器件的能力,就必须拥有大量相关数据。这些数据来自在线检测系统对焊膏与贴装器件的测量能力。使用这些高端系统可采集贴装过程中单一工序的变化数据,作出通过或不通过的决定。高端丰富的数据信息可用于更深度的统计分析，但其投入成本较大；一台基本机器的高端系统需花费$180，000，不包括返修，离机编程软件。
在每条SMT线上配置焊膏印刷，贴装器件的检测系统显然增加投资成本。生产线没有配置检测系统的工厂使用高精度测量系统满足最低的要求。已配置多台检测设备的工厂，离机光学测量系统是很有用的，独立的测量工具保证检测设备的正确操作。离机操作系统按工作台大小，先进的精度及其他技术项目的需要，一般在$100，000左右。
检测系统能直接经统计过程控制（SPC）及趋势分析判断设备，材料及工艺的变化。保证更稳定的工艺环境是进行改进的基楚，0201器件贴装生产需要检测与测量，全部工艺过程的改进量值化。
这些检测系统对0201超灵敏的贴装过程提出超前警告。检测系统量化及分隔焊膏印刷，器件贴装的工艺因素，诊断发生的缺陷。
选用焊膏印刷与器件贴装的在线检测系统采集有效的数据是严格的。过去，检测系统难以提供SMT过程各工序的能力指数。
0201器件的过程窗口予计在75-100μm之间，测量系统与过程标准相比，必须提高10倍。检测系统的测量精度必须达到7-10μm。
随着器件与焊膏图形的几何尺寸的减少，检测系统的分辩率是一个重要因素。一些其他因素也对保持检测系统度量能力起到重要作用，，这些因素在设备安装以后，并不会迅速显现。但当SMT生产线在加工大批量/复杂混装产品时就暴露出来。还有如；程序编制，耐用性，低虚假可接受/低虚假不合格之间的折衷平衡等。
5. 焊盘图形设计
大批量0201器件贴装的过程管理与其他常规器件如0402存在明显差别。0201器件的过程变化对造成缺陷更为敏感。本研究通过正确焊盘图形设计，在不更换标准模板厚度125μm前提下，制定0201器件贴装工艺，以达到接近6Sigma过程的目的。
5.1 实验过程
如图 1所示,实验过程使用金属定义,阻焊层定义,阻焊/金属定义五种不同的焊盘设计,这些焊盘设计必须符合焊盘/微孔组合的要求。
图 1 实验使用的焊盘图形设计
实验使用的焊膏是；
l 焊膏1；焊剂A-3型，5型混合
l 焊膏2；焊剂A-3
l 焊膏3；焊剂B-3，5型混合。
实验板的布局设计，每种焊盘图形数百个，间距为0.38,0.3,0.25,0.2mm不等。间距只是焊盘设计与过程的限定，不作为焊盘考核因素。
贴装其器件的位置偏差分别为（0，0），（0.5,0.5）,(0.1,0.1)，这些偏差设置是模拟超出过程控制。随着偏差的加大，缺陷也就增加，这样便于进行缺陷数据的统计分析。
贴片机贴装器件过程的能力指数为2.72CP/2.5CPK，在整个实验过程贴片机没有偏离这些数值。
每种贴装器件的位置偏差出现的缺陷水平是不同的。贴装偏差大，焊盘图形较可靠，则缺陷率低。在再流焊后，器件的位置使用激光检测设备进行测量。在再流过程，较可靠及表面状态较好的焊盘图形，显示较高的自对准能力。
在本试验中，共贴装30，000个0201器件，有电阻器或电容器，实验采用电容器贴装数据，其结果与电阻器相同。
5.2 测量的重复性与再现性(gage R&R)
器件贴装后(印刷焊膏图形)及再流焊后的测量重复性与再现性,在器件贴装后, 从贴片机中取出测量三次,然后立刻送返贴片机由另一名操作者进行操作测量。焊膏印刷与最终测量的时间间隔为三小时。再流过程的测量相同，仅时间的变化。在检测设备用于他用时，测试板一天测量，隔三天后测量。
实验测量结果证明在印刷焊膏或再流焊后0201器件的贴装质量是可接受的。表 3 列示再流焊后检测数据（gage R&R 6.45%）;
表 3 重复性与再现性(gage R&R)
5.3 实验结果
焊盘图形越好,器件焊后对中越好,这种规点与实验焊后测量数据不符。测量程序从CAD中心数据得到距离尺寸。由于实验贴装器件数量巨大，漏贴器件不计。这些数据对三种焊盘设计影响不明显。这三种焊盘的缺陷如图 2图3 所示。
图 2 缺陷率；焊盘图形/焊膏类型（0.1m）
图3 缺陷率；焊盘图形/焊膏类型（0.05m）
实验设计中的数据分析包括焊膏与焊盘间对焊后器件位置的相互关系,图 4所示各种焊膏与焊盘的予测模型。
焊膏在再流焊的自对中作用并不显著，焊盘图形起到很大影响，PanM的自对中最好，Mmod，Lib2最差。
5.4 缺陷率
图 2,图 3所列缺陷率,两种焊盘存在大量缺陷,数据不计。自对中仅一半缺陷数据确认予测模型。Lib2，Lib2缺陷率高，再流焊后器件脱离印制板，因此没进行测量。在许多情况，器件一端立起没形成焊点，常称立碑缺陷。检测设备没测量记录器件位置。
混合焊膏在缺陷发生没存在明显的因果关系。焊膏2，焊膏3在0.05mm贴装偏差产生非常少量缺陷。焊膏1（2，3焊料）的焊剂未经优化。
6. 结 论
图4 焊盘/焊膏的予测模型
Mot-0201焊盘与焊膏1相配是理想的组合。但焊盘设计间距应防止接近0.35mm。要求焊盘间距靠紧，0201器件高密度组装的优越性得到实现。PanM-0201在贴装偏差具有另缺陷是一种好的选择。贴装偏差从0.05mm上升到0.01mm，缺陷明显增加。这提示必须采用严格的工艺标准界限。
实验提供在可接受的产能条件下，制定相应的工艺过程。但在实际大批量生产之前，任何简单的模拟都无法确定真正的Sigma值。实验结果提示通过设备与送料器严格的维护保养及模板清洗，缺陷接近6Sigma是可能的。
实验建议在0201器件制造过程中，对焊膏印刷，器件贴装精度使用检测系统进行监测。在贴装设备真正达到6Sigma-0.075μm过程窗口之前,必须进行检测。