pcb工艺技术教学提纲

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。pcb工艺技术-0201装配，从难关到常规贴装ByScottWischoffer本文解释并探讨在高产量与高混合装配两种运作中的支配0201贴装的指导原则。虽然通常认为是相当近期的一项发展，印刷电路板(PCB,printedcircuitboard)自从五十年代早期就已经有了。从那时起，对越来越小、越来越轻和越来越快速的电子产品的需求就一直推动着电子元件、PCB和装配设备技术朝着SMT的方向发展。对SMT最早的普遍接受是发生在八十年代早期，那时诸如DynapertMPS-500和FUJICP-2这些机器进

2、入市场。在那时，1206(3216)电阻与电容是最流行的贴装元件。可是在一两年内，1206即让路给0805(2125)作为SMT贴装的最普遍的元件包装。在这个期间，机器与元件两者都迅速进化。在机器变得更快更灵活的同时，0603(1608)元件开始发展。在这时，许多装配机器制造商走回研究开放(R&D,researchanddevelopment)实验室，重新评估用于接纳这些更新、更小元件的设备中的技术。更高分辨率的相机与更小的真空吸嘴就在这些元件带给装配设备的变化之中。0402(1608)包装的出现在PCB装配的各方面都产生了进一步的挑战。在机器发展方面，真空吸嘴变得更小和更脆弱。新的重点放在元

3、件的送料器(feeder)上面，它作为需要改进的一个单元，为机器更准确地送出零件。随着0402元件的出现，工艺挑战又增加到那些需要为成功的元件贴装而探讨的问题之中。锡膏(solderpaste)印刷变得更加关键-模板(stencil)厚度与锡膏网孔是越来越重要的工艺考虑因素。这种贴装所需要的技术也涉及重要的新成本。这些因素的结合造成在电子工业历史中最慢采用的一种新包装形式。总计，几乎将近五年时间，0402包装才在工业中达到广泛的接受-并且在今天还有许多装配工厂从来不贴装一颗0402片状。现在，进入了0201。在过去一年半时间里，0201贴装已经是整个工业内讨论的一个关键主题。由于尺寸、重量和功

4、率消耗的需求，许多OEM电路板装配商需要将甚至更小的元件和技术结合到其产品中去。合约制造商(CM,contractmanufacturer)也必须具备新的技术，以保持装配工艺最新和为客户提供完整的服务范围。对于机器制造商，其挑战是开发在一个动态的技术变化的时代中更加抵抗陈旧过时的装配设备。0201贴装的挑战0201元件的贴装比其前面的元件介入更具挑战性。主要原因是0201包装大约为相应的0402尺寸的三分之一。原先可以接受的机器贴装精度马上变成引进0201的一个局限因素。另外，传统的工业带包装(taping)规格对于可靠的0201贴装允许太多的移动，而工艺控制水平也必须提高，以使得0201贴装

5、成为生产现实。虽然这些障碍非常大，但它们远不是不可克服的。当然，它们需要全体的决心，因为对0201贴装所必须的技术获得要求大量的资金和最高管理层对研究开发(R&D)的许诺。可靠的0201贴装的关键在FUJI，进取的R&D计划已经产生了使所有的电路装配机器以100%速度兼容0201的能力，最低的吸取可靠性为99.90%，目标的吸取可靠性为99.95%，和最低的贴装可靠性为99.99%。在一开始，设计的每个方面都得到评估其对一个完整的0201方案的能力，还有紧密相关的机器元件参数的单一元素的结合证明对达到成功是关键的。这些参数包括：元件送料器工作台。R&D计划得出结论，精密定位料车(carriag

6、e)工作台的能力-和作出极小的调整来补偿料带(tape)的不精确-是达到元件吸取可靠性高于99.95%的关键因素。为了达到这个，送料器(feeder)工作台必须精密加工，以保证单个送料器的可重复定位，并且使用双轨线性移动导轨与一个高分辨率半封闭循环的伺服系统相结合。该设计允许作出很小的调节-基于由视觉系统判断的吸取精度结果。这保证元件尽可能地靠近中心吸取。元件送料器。送料器必须制造达到极紧的公差，以保证吸取位置维持可重复性，不管元件高度和大量的可能元件位置的变化。用于定位和将送料器锁定在位置上的机构必须耐用和精密，还要保持用户友好。另外，用于制造送料器的材料必须强度高、重量轻，以允许人机工程上

7、的操作，同时保证元件料带(carriertape)的精密、可重复的送出。送料器驱动链轮。驱动链轮在机器定位元件料带的能力中起关键作用。驱动链轮轮齿的形状、锥度和长度重大地影响送料器定位料带的能力。其它因素也作了调查研究，比如驱动链轮的直径和料带与链轮接触的数量等。对基本的链轮设计所作的改变得到定位精度的改进，比较早的设计在X方向提高20%，Y方向提高50%。吸取头。在适当地进给元件之后，下一步是将元件吸取在真空吸嘴上，并把它带到电路板上。真空吸嘴(nozzle)需要顺应以吸收在吸取与贴装元件期间的冲击，补偿锡膏高度上的微小变化，并且减少元件破裂的危险。为了这些原因，吸嘴必须能够在其夹具内移动。

8、材料选择、材料硬度、加工公差和热特性都必须理解，以构造一个可靠的吸取头。吸嘴必须在其夹具(holder)内自由移动，而不牺牲精度(图一)。吸嘴轴装配。吸嘴轴(nozzleshaft)也是一个关键的设计元素-通过保持整个吸嘴与轴装配直接对中，消除了过压(overdrive)现象。过压是由于当贴装头上下运动是所产生的惯性造成的。如果吸嘴和轴不在一条直线，就产生一点抖动(whip)-或过压。过压造成定位精度的变化，它决定于运动速度、吸嘴重量和元件重量。通过消除过压，直接对中减少与元件吸取和贴装有关的负面因素的数量(图二)。吸嘴设计。吸嘴设计上的变化对于允许接纳0201元件是一个很重要的因素。为了吸取

9、0.6x0.3mm的元件，吸嘴必须有不大于0.40mm的外径。这样形成一个长而细的吸嘴轴，弯曲脆弱但还必须保持精度以维持吸取的高可靠性。从直线轴到锥形设计的改变增加吸嘴强度，并允许吸嘴抵抗弯曲(图三)。基体结构。所有机械在运行期间都产生振动。基体框架设计是减少产生振动和谐波共振的速度与运动效应的关键第一步。通过使用铸铁基础框架和艺术级结构技术，振动与谐波共振可在机器内减少到可控制水平，这样，负面影响可以应付。达到标准通过所有六个关键因素，可靠的0201贴装的障碍已经消除。因此，R&D的焦点已经转向更新、更小的元件，0201不再认为是前缘的元件包装技术。对于0201元件贴装，现在接受的工艺窗口是

10、在3时大约75m的X和75m的Y。为了达到6的贴装可靠性，X与Y的公差必须减少到50m。最新的高速贴装设备具有66m的等级，实际标准偏差大约为3545m。随着0201元件变得更加广泛地使用和制造工艺变紧，可达到提高的准确性。供应商之间的元件尺寸差别对0201进料和贴装都产生挑战。散装进料(bulkfeeding)正在开放之中，应该在2001年可以得到。虽然机器现在具备这个能力，但只有一小部分使用者将准备在未来1224个月内迈出使用0201贴装的步伐。这类似于球栅阵列(BGA,ballgridarray)和0402元件的引入，在装配这个环境里，机器的能力超前于工艺状态。前面的挑战虽然0201元件

11、的贴装现在是新贴装设备的一个标准特性，还需要作另外的工作来改进终端用户的整体工艺。在机器制造商、元件供应商、电路板制造商、模板工厂和锡膏制造商之间的关系需要加强，以形成一个更加无缝的(seamless)开发过程。最终结果将是对该工艺的统一的理解，以及将使最终用户受益的更好的工作关系，特别是通过使新的生产技术更快和更有效的结合。如何准确地贴装0201元件ByDaveKalen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

12、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-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

13、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

14、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

15、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。

16、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，

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、，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

24、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

25、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CPSeries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

26、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

27、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机的凸轮速度、吸嘴的选用、元件放置高度和工作台速度方式。较大的元件使用较低的凸轮速度和工作台速度，在编程时被安排在末尾进行贴装。优化后的程序，实现了较后贴装较大元件，逐渐降低工作台速度，直到完成PCB的组装。然后，工作台以最低的编程速度运行到卸载位置，PCB从此位置返回到传送机，并送入下一道工序。为特种元件确定适用的工作台方式有四个因素影响到元件在贴片后会出现误差：元件质量、元件高度、引线接触焊料的面积以及焊料

28、的粘度。通过定义“元件系数”，可以确定贴装各类元件的最适用的工作台速度方式。元件系数等于质量高度/端子焊盘面积（图2）。不同的焊膏粘度，元件系数对应的工作台速度方式稍有不同（图3）。不过，不同类型焊膏对应的曲线还是极相似的。因此，使用粘度和元件系数可以确定每种元件的工作台速度方式（图4）。表1所列是测试的元件类型和汇编结果的例子。这些元件都是电子组装业最常用的元件，占贴片元件总数的95%以上。结论平均来说，贴片在电路板上的元件大约有85%是无源元件。这些元件有0603（0201）、1005（0402）、1608（0603）、2125（0805）和3216（1206），它们包括电阻和电容。这些元

29、件的质量极小，而接触焊膏的面积却很大，因此可连续采用超高速工作台方式贴片这类元件。只要最基本的工艺控制到位的话，工作台运行不会影响到贴片精度。其余的15%贴片元件是有源元件，包括大型的钽电容、D-PAK、玻璃二极管、SOIC、PLCC、QFP和电解类型的元件。多数元件是已使用多年的标准封装，计算出的元件系数已被载入塔式贴片机的标准元件数据库中。大多数设备制造厂家都设有应用工程部，以便帮助寻找特定问题的根源，并帮助建立和维持过程控制，排除这些问题。一种良好的制造工艺将会提高生产现场的产量和质量。高效率的0201工艺特征ByDanialF.Baldwin,PaulN.Houston,BrianJ.

30、LewisandBrianA.Smith最近的研究找到了影响0201元件装配工艺缺陷数量的变量.。虽然目前大多数公司还没有达到0201这一工艺水平，但是本文所使用的研究方法和得到的研究结果值得我们学习和借鉴，以便更好地做好我们的1206、0805、0603、0402.在过去几年中，消费品电子工业已经明显地出现迅猛的增长，这是因为越来越多的人佩带手机、传呼机和个人电子辅助用品。有趋势显示，每年所贴装的无源元件的数量在迅速增加，而元件尺寸在稳步地减小。将产品变得越来越小、越快和越便宜的需求，推动着对提高小型化技术研究的永无止境的需求。大多数消费品电子制造商正在将0201元件使用到其最新的设计中去，

31、在不久的将来，其它工业也将采取这一技术。因此，将超小型无源元件的装配与工艺特征化是理所当然的。我们需要研究来定义焊盘的设计和印刷、贴装与回流工艺窗口，以满足取得0201无源元件的较高第一次通过合格率和较高产出的需求。最近进行了一个0201元件的高速装配研究，对每一个工艺步骤进行了调查研究。研究的目标是要为高速的0201装配开发一个初始的工艺特征，特别是工艺限制与变量。试验的准备对应于锡膏印刷、元件贴装和回流焊接，进行了三套主要的试验。为了理解每个工艺步骤最整个0201装配工艺的影响，我们进行检查了每个工艺步骤。在工艺顺序方面，只改变研究下的工艺步骤的变量，而其它工艺参数保持不变。我们设计了一个

32、试验载体(图一)，提供如下数据：HYPERLINK/Images/0201c-1.jpgt_blank图一、试验载体0201到0201的间距：焊盘边沿到边沿的距离按4,5,6,8,10和12mil(千分之一英寸)变化焊盘尺寸的影响，标称焊盘尺寸为12x13mil的矩形焊盘、中心到中心间距为22mil。标称焊盘变化为10%、20%和30%。元件方向，在单元A、B、C和D中，研究的元件方向为0和90。E和F单元研究45角度对0201工艺的影响。单元1至6研究0201与其它无源元件包括0402、0603、0805和1206之间的相互影响。这些分块用来决定0201元件对其它较大的无源元件的大致影响，它

33、可影响印刷、贴装和回流焊接(散热)。这里，焊盘对焊盘间距为本4、5、6、8、10和12mil。另外，0201焊盘尺寸在这六个单元上变化。测试载体含有6,552个0201、420个0402、252个0603、252个0805、252个1206，总共7,728个无源元件。基板是标准的FR-4环氧树脂板，厚度1.57mm。迹线的金属喷镀由铜、无电解镍和浸金所组成。所有测试板使用相同的装配设备装配：一部模板印刷机、一部高速元件贴装机、和一台七温区对流回流焊接炉。模板印刷试验为了表现对0201无源元件印刷的特征，我们使用了一个试验设计方法(DOE,designforexperiment)，试验了印刷工艺

34、的几个变量：锡膏的目数、刮刀的类型、模板的分开速度、和印刷之间模板上锡膏滞留时间。这个DOE是设计用来决定是否这些因素会影响0201装配的印刷工艺。度量标准是印刷缺陷的数量和锡膏厚度的测量。结果是基于95%的可信度区间，从统计分析上决定重要因素。印刷缺陷定义为在印刷后没有任何锡膏的空焊盘以及锡桥。对于这个印刷试验，模板厚度为125微米，100%的开孔率，商业使用的免洗锡膏。印刷机的设定是基于锡膏制造商的推荐值，在推荐范围的中间。模板印刷的试验结果表一列出只检查印刷影响的试验。使用了三个度量标准来评估每个试验条件。第一个度量标准是平均锡膏印刷高度。使用一部激光轮廓测定仪从四个象限测量16个数据。

35、表一、第一个模板印刷试验的试验设计试验编号锡膏类型刮刀类型锡膏滞留时间(分钟)分开速度(cm/s)1III金属0.50.052III金属100.133III聚合物0.50.054III聚合物100.135IV金属100.056IV金属0.50.137IV聚合物0.50.058IV聚合物100.13锡膏厚度的标准偏差用作第二个度量标准。图二显示来自八个试验的平均高度和高度标准偏差。HYPERLINK/Images/0201c-1.jpgt_blank图二、从第一次模板印刷试验得到的印刷高度结果第三个度量标准是缺陷总数。用光学检查单元1-6和A-D的选择部分，记录缺陷数量。含有锡桥的焊盘和没有锡膏

36、的焊盘被认为是缺陷(图三)。HYPERLINK/Images/0201c-1.jpgt_blank图三、从第一次模板印刷试验得到的缺陷结果基于这些度量标准和使用95%的可信度区间，在统计分析上唯一的重要的主要影响是刮刀类型。锡膏类型、分离速度和锡膏滞留时间有低于85%的可信度区间。分离速度与擦拭频率试验进行第二个更小的试验是要检查分离速度和擦拭频率的影响。调查模板擦拭频率，是由于它影响产量。因为模板擦拭大大增加模板印刷机的周期时间，所以在生产中应该避免或减少这个步骤。进行这个试验是要决定是否对于0201装配必须做模板擦拭，以获得良好的印刷。另外还希望确定是否分离速度是一个重要因素，所以将它包括

37、在本试验中。使用0.05和0.13cm/sec的分离速度。对这两次运行，使用了IV类型的锡膏和金属刮刀，没有滞留时间。表二中列出试验9和10的结果。这些结果与试验5和6(来自表一)比较，也是使用了IV型锡膏和金属刮刀。基于这些结果，模板擦拭频率是这个试验的唯一主要影响。表二、第二次模板印刷试验结果试验编号分离速度(cm/s)擦拭频率平均(mil)标准偏差缺陷数50.05每次印刷149.9713.451560.13每次印刷149.3620.204390.05无145.7715.41236100.13无136.4515.19238贴装试验做一个试验来确定是否基准点形状或基准点定义方法对元件贴装有影

38、响。基准点形状使用了圆形和十字形基准点，而基准点清晰度方面使用了阻焊与金属界定的基准点。这些试验的度量是使用视觉元件检查。用来评估每个试验条件的标准是0201元件的贴装精度。元件贴装在板上的四个象限内(象限4、19、25和40)。这些象限是横穿电路板的，象限4和25使用+30%的焊盘尺寸(17x19mil)，而象限19和40使用标称焊盘尺寸(12x13mil)。元件贴装在水平与垂直两个方向。四百八十个0201元件贴装在每块板上，每个试验总共1920个元件。元件焊盘边沿到边沿的间隔范围从5-12mil。在贴装试验中。最好的贴装发现在象限4，逐渐地在板上向左偏移，很可能是由于在很大的试验载体上伸展

39、的缘故。因此，贴装的最大偏移发生在象限40。当使用金属界定的十字型基准点时发生最坏的偏移，在象限40的元件几乎跨接焊盘。同时也注意到对于金属界定的圆形基准点比无任哪一种阻焊界定的基准点的偏移更大。表三显示对于象限40的四个试验的平均的X和Y的偏移。基于这些结果，阻焊界定的基准点提供比金属界定的基准点更好的板上贴装精度。基准点的形状对元件的贴装精度没有大的影响。表三、对象限40的贴装试验的平均试验偏差基准点图案平均X偏差(微米)平均Y偏差(微米)阻焊界定的圆223金属界定的十字1122金属界定的圆539阻焊界定的十字154回流焊接试验为了确定是否某些变量对0201回流焊接有影响，我们进行了另一个

40、试验。研究的变量是保温时间、保温温度、液相线以上的时间和峰值温度。这些参数在一个要求九次不同反复的DOE中设定(表四)。所有变量都在锡膏供应商所提供的锡膏规格范围内。表四、回流试验设计试验编号保温时间(秒)保温温度(C)液相以上时间(秒)峰值温度(C)145-50125-13555-65217-219255-60165-17555-65211-214345-50145-15545-50211-214425-35165-17545-50217-219525-35145-15555-65222-225625-35125-13535-40211-214745-50165-17535-40222-22

41、5855-60125-13545-50222-225955-60145-15535-40217-219对这个试验，印刷和贴装工艺保持不变，而对回流温度曲线作改变。使用的印刷工艺与印刷试验中使用的相同，是本研究中找到的较好的变量。使用的贴装参数是与在贴装期间使用阻焊界定的圆形基准点相同的。使用了对锡桥和直立的视觉和X射线检查标准，对于统计上认为重要的因素要求95%或更高的可信度区间。回流焊接试验结果对于在表五中所列出的每一个试验，重复做三次，每次重复总共564个元件，或者每个试验1692个元件。在每一块测试板上，贴装了396个0201无源元件。这些元件贴装在15x17mil和12x13mil的焊

42、盘上，以6mil和10mil的焊盘边沿对边沿的距离排列。除了0201元件之外，168个0402、0603、0805和1206也贴装，以决定一个产生可接受的0201元件的工艺会怎样影响较大的无源元件。使用了三个标准来评估每个试验条件：焊点质量、元件竖立和锡桥。所有的试验条件都产生良好的焊接点，完全以细粒度湿润。我们也检查了回流焊接的元件中缺陷的数量。确定的缺陷是锡桥和元件竖立。锡桥在两个相邻的焊接点连接到一起的时候发生，将元件短接在一起。这个缺陷很可能在以非常密的焊盘对焊盘间距贴装的元件上发生。当一个元件脱离一个焊盘而立起的时候发生元件竖立(tombstoning)。元件竖立一般是由元件不均衡的

43、湿润所造成的，或者当元件放在一个表面积大得多的焊盘上的时候。所有这些缺陷都在0201元件上找到。可是，没有一个较大的元件出现元件竖立或锡桥，这显示使用的装配工艺对较大的元件并不是不利的。图四、锡桥与元件竖立的X射线图象图四显示显示一个X射线图象，它包含锡桥和元件竖立。锡桥、元件竖立的数量和总的缺陷在表五中显示。图五描述每个试验发生的缺陷数量。表五、回流焊接试验结果试验编号贴装0201总数锡桥竖立总缺陷缺陷率(%)其它元件缺陷缺陷率(DPM)11,188615211.77017,67721,1881010.08084231,1880000.000041,1880000.000051,188022

44、0.1701,68461,188611171.43014,31071,1880000.000081,1884370.5905,89291,1880000.0000图五、回流焊接试验结果基于这些度量标准和使用95%的可信度区间，唯一在统计上重要的主要影响是保温温度，它具有大于97%的可信度区间。保温时间、液相线以上的时间和峰值温度具有的可信度区间小于40%，因此被认为是随机诱发的影响。保温温度的主要作用是在低保温温度和其它水平之间，因为在中等与高保温温度的结果之间存在的差别很小。结论从第一次模板印刷试验的数据显示，只有刮刀类型对锡膏高度和缺陷数量具有统计意义上的重要影响。如锡膏高度数据所显示的，

45、在第III和IV类锡膏之间就锡膏数量而言存在很少甚至没有差别。虽然存在很少差别，我们选择了第IV类锡膏作进一步研究，因为在研究的这个阶段只检测大的模板开孔。第二次印刷试验证实分离速度对锡膏高度和缺陷没有统计意义上的影响，但是擦拭频率有。锡膏缺陷的数量在这两次试验中比在用每一次印刷都擦拭模板的类似试验中要多得多。从贴装试验的数据显示，只有用于定义基准点的方法对贴装精度有重要影响。阻焊界定的基准点-不管圆形还是十字形-都比金属界定的基准点达到更高的贴装精度。从回流焊接试验的数据显示，只有保温温度对焊接点品质和缺陷数量有重要影响。如缺陷数据所显示，在不同保温时间、液相线以上时间或峰值温度之间存在很少

46、或没有差别。当使用低的保温温度时，缺陷数量大大增加。本研究检验了某些变量对0201无源元件工艺的影响。研究发现诸如刮刀类型、模板擦拭频率和保温温度这些变量影响工艺缺陷的数量。还有，诸如锡膏滞留时间、液相线以上时间和峰值温度等变量对工艺缺陷数量有很小到没有影响。监测表面贴装元件的贴装ByEdwardKamen,AlexGoldsteinandErinSahinci本文介绍：“要达到所希望的效率与可靠性很大程度上取决于元件贴装工艺过程。”在PCB上增加电路密度的愿望继续是表面贴装装配线技术发展水平进步的主要推动力之一。这个进步包括0201片状包装、密间距QFP、高输入/输出BGA、CSP和倒装芯片

47、(flipchip)的使用。这些元件的使用给装配工艺过程提出了很严厉的要求。特别是，要达到所希望的效率与可靠性很大程度上取决于元件贴装工艺过程。越来越多的表面贴装线正在使用自动的、在线式、贴装后的检查工具，来监测贴装过程的状态。贴装后的检查可以发现诸如元件丢失、极性交换和元件位置超出所规定误差等缺陷。除了查找缺陷之外，贴装后的检查工具也可以检查影响精度、质量和装配过程效率的工艺更改情况。如果可以通过监测元件贴装精度来发现和确认更改工艺情况，那么马上可以采取改正行动，以使其对效率的影响最小。这个能力要求分析测量数据的诊断工具的应用，诊断的使用要求对贴装过程中错误的可能根源的全面了解。模板印刷工艺

48、贴装错误的一个可能根源是模板印刷过程。特别是，锡膏块的高度、面积或体积可能影响贴装精度，由于贴装期间引脚落到锡膏里面时的元件横向运动。为了检验这个推测，通过位于乔治亚工学院(GeorgiaTech,Atlanta,GA)电路板装配研究中心(CBAR,CenterforBoardAssemblyResearch,Sidebar)的表面贴装/倒装芯片装配线，处理了大量的板。在运行期间，改变模板印刷机的刮板压力、印刷速度、脱离(snap-off)间隔和脱离速度以得到锡膏块的高度、面积和体积的一个范围值。使用商业上可购买到的检查工具，我们测量了印刷后锡膏块的高度、面积和体积，以及贴装后元件的X和Y的偏

49、差。图一和图二显示了X和Y偏差图，它们是0402元件和0.4mm间距的LQFP元件的锡膏块高度、面积与体积的函数。如果在偏移与锡膏参数之间存在很强的关联，图一与图二中的图表将揭示这个关系。但是，从图表上看到，该图由一簇簇的点所组成，没有显示明显的关系。对于0402元件，图形显示X与Y的偏移随着高度的增加而有些分散，但是数值的分散是由于较大高度值的数据点占多数。从测得的数据计算的互相关值很低，进一步证实了贴装精度与锡膏块高度、面积和体积之间没有重要的关系。在双面胶带上贴装该试验没有包括由于锡膏块与焊盘位置之间的偏离或由于奇形怪状的或非矩形的锡膏块所造成的对贴装精度的可能影响。为了消除涉及锡膏块的

50、任何因素，我们作了另一个试验，印刷之后用双面胶带覆盖一半的板面。基准点(fiducial)留下没有覆盖。然后元件贴装在胶带上，这样锡膏就不会影响贴装精度。将胶带贴在印有锡膏的板上对我们贴装后的检查工具的适当运作是必须的。板的另一半是以正常的方式处理的，元件贴装在锡膏内。试样结果在图三和图四中提供，其显示出X偏移的平均值和标准偏差，是对正常板和双面胶带板的元件类型的一个函数。注意，标准偏差对于双面胶的板较小，除两个元件之外，X偏移的平均值对双面胶的板较小。这些结果显示，将元件贴放在锡膏内对贴装精度有一些影响，但是从图三和图四中的图形看到，该影响是很小的。因此，该结果与第一个试验是一致的。模板印刷

51、工艺对贴装精度没有重要影响。这个说法不是意味着模板印刷工艺的品质对结果没有影响，特别是，印刷后锡膏块的量是决定回流后焊接点品质的主要因素。其它错误根源贴装错误可能是由于贴装设备的问题，包括：元件吸取、元件到正确位置的移动、和元件贴装。在元件吸取中，送料器(feeder)的设定错误可能造成位置偏移，将影响到贴装精度。虽然贴装机器可能使用视觉系统来检查吸取后的元件位置，但错误还可能由于成像系统的有限解析度或成像过程中的缺陷而发生。元件到正确位置的移动要求机器正确地校准，并且拱架系统(gantrysystem)不产生偏移错误。元件的正确定位也要求贴装吸嘴(nozzle)的正常运作。元件吸取、移动或贴

52、装的问题可以通过分析元件偏移错误来检查。贴装错误分析三个参数在分析贴装偏移错误中是有益的：一块板上一系列元件的偏移平均值一块板上一系列元件偏移的标准偏差一块板上一系列元件中偏移超出界限的次数一个相对大的平均值表示诸如失去校准的工艺过程中存在一个偏差。标准偏差提供贴装精度可变化程度的一个测量参数。超出某界限的偏移数量提供有关偏移值分布“拖尾”的信息。在贴装过程中一个问题的存在可以随着板在生产线上的移动，通过分析这些参数来发觉。另外，一个问题的根源可以通过分析板上特定元件组合的这些参数来确认。例如，一个送料器的问题可以通过计算和分析来自不同送料器位置的元件组合的这些参数来发觉。一个贴装吸嘴的问题可

53、以通过计算和分析由不同吸嘴贴装的元件组合的这些参数来发觉。这些参数作为吸嘴标号的函数，对其计算可以结合吸嘴贴装真空压力，以提高对问题的觉察。吸嘴故障发觉对于第二次试验中的板，我们计算了对用不同吸嘴贴放的、元件组合的、X偏移值的标准偏差。图五绘出了X偏移的标准偏差图，X偏移作为对一块板的吸嘴编号函数。从图中看到，在10号吸嘴上发生一个显著的峰值，并在12号吸嘴上发生一个较小的峰值。10号吸嘴的峰值是在试验中一些其它板凳作图上观察到的。为了证实10号吸嘴上存在的一个问题，我们绘出了吸嘴贴装真空压力图，它具有负值，是吸嘴编号的函数(图六)。注意，10号吸嘴上的真空具有最小的负值。这个值与通过10号吸

54、嘴贴装元件的偏移的标准偏差增加是一致的。因为贴装真空压力较小，我们可预料偏移可变性的增加。结合图五与图六的信息，我们得到10号吸嘴不是最佳运作的结论。这个问题是使用错误的吸嘴吸取圆柱形的0805元件所导致的故意的错误结果。使用的吸嘴是设计用于矩形形状的元件，因此，由于不配合形状而发生很小的真空泄漏。吸嘴不匹配的影响和在实际中发生的吸嘴部分阻塞的影响是类似的。因此，对偏移错误和贴装真空压力的监测与分析，应该可以找出吸嘴的问题。稳健的检查在上面所谈到的监测参数的过程中，一个关键问题是，基于这些参数的值，决定是否工艺过程正发生变化而需要调整。如果参数的绘图是在每个板的基础上产生的，并且显示在工厂车间

55、内，那么一个有经验的设备操作员可能能够通过观察显示的信息正确地决定一个问题。可是，查找一个问题存在与发展的一个自动过程将是更有效的。现存的技术，如统计过程控制(SPC,statisticalprocesscontrol)，可应用于参数值的收集，产生对问题存在性的“有/没有”之类的决定。可是这种技术可能还不足够稳健，对具有高度自然变化性的工艺过程，如电子装配，产生正确的决定。近年来，人们作出许多努力来开发基于来自人工智能(AI,artificialintelligence)和Bayesian概率理论的概念上的“软决策(soft-decision)”方法。在软决策方法中，计算一个问题或缺陷存在的概

56、率(probability)或似然性(plausibility)，而不是有/没有类型的决定。一个软决策方法可以提供在很嘈杂的环境中得到正确结论的更稳健性。在乔治亚工学院的研究已经集中在用于电子制造的缺陷查找的软决策方法的开发上。GEM界面的使用在乔治亚工学院的装配线上的设备是通过一个GEM(genericequipmentmodel)界面连接与一部主机上。使用一个商业的基于GEM的软件包来收集装配线运行期间的数据。该软件包大大地简化了数据收集，并为可能的数据处理写出简单的应用模块。作为处理系统构架的一部分，我们写出了一个应用程序，使得每一个板可看作一个随其在装配线上移动积累数据的物体。使用这个

57、设定，来自装配线上不同设备项目的数据，可以比较或关联，以得出有关装配线状态的结果。结论对更高的PCB电路密度的持续的推动，给装配过程控制提出了甚至更加严厉的要求。即使有新一代设备改进的性能，装配线状态总是需要监测的，部分是由于操作设备的人为错误。这个监测将显示是否需要调整来维持品质。一个主要的挑战是开发一个自动的方案，来处理大量的测量数据，以产生对运行状态的正确决定-在一个嘈杂的环境里稳健地实施。本文所提及的参数的自动处理可对生产线运作提供一个有用的工具。在高密度PCB环境中的功能测试ByBobStasonis本文介绍，认真的设计、计划好的测试策略和适当的工具将提供可信赖的功能测试结果。功能测

58、试(functionaltest)在最终测试与过程中测试的使用量正在增加。对于验证整体功能、校准信息、ISO9000程序数据和诸如医疗设备等高危险性应用的资格认证，功能测试现在是必要的。实施策略正受诸多因素的推动，如预算限制、产出问题和被测部件(UUT,unitundertest)的设计。在这些因素中，被测部件(UUT)的设计对于可以测试什么有最大的影响。预算与产出限制什么将要完成。为了提供最大可能的缺陷覆盖，元件选择与印刷电路板(PCB)的布局必须在设计阶段审慎考虑。可是，到达市场的时间(time-to-market)和开发的紧张步伐经常会阻碍最佳的意图。可能，测试工程不得不要作的一些让步可

59、能影响未来的设计，使得测试更容易和改善缺陷覆盖。下面是一些测试工程师可能必须面对的一些建议。如果使用的话，每个建议都应该评估和使用。被测部件(UUT)测试要求在看设计和工艺之前，应该认真检查UUT，不只是PCB或最终装配本身。有关UUT的一些要问的问题包括：产品类型构造(单个PCB、PCB的组合板或最终产品)测试规格计划的测试点预计数量(每条生产线/每天/每班，等)预计缺陷谱很明显，列表中省去了预算这个词。但是UUT的测试成本在得到完全理解之前是不可能决定的。在UUT的测试要求知道之前不应该开始筹措资金的谈判。只有那时才可以作出必要的妥协，来将工作完成。高密度问题在表面上，元件密度似乎不是功能

60、测试的一个问题。毕竟，主要的关注基本上是“有东西进去，有东西出来”。虽然无可否认地过于简单化，但这种情况经常发生。定义好的激发信号作用到UUT的输入，一套特定的数据应该从UUT输出。对I/O连接器的访问应该是唯一的访问问题。HYPERLINK/Images/FT-in-HD1.jpgt_blank图一、典型的高密度PCB但是元件密度将是一个因素。考虑到图一中的样品PCB，这些问题必须首先回答：校准访问有必要吗？小至元件的诊断是关键吗？有通过人工或机器方法完成的探测吗？要使用自动处理器吗？I/O连接器是不是容易探测或连接？校准功能测试经常用来校准模拟电路。这个程序可能涉及探测UUT的内部，以确认