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成功贴装细小片状元件的关键因素(上)

成功贴装细小片状元件的关键因素(上)

2007/12/10 15:52:00
前言 随着主动元器件的尺寸变得越来越小,被动元件的尺寸也在减小,设计人员能够灵活的利用它们来完成高密度产品的设计。0603 和 0402元件的广泛使用已有多年,这些元件能够在批量应用中有很高的装配良率。最近,0201/01005元件已经进行系统装配(SiP),在手机、数码像机、无线蓝牙等产品中得以应用。0201元件约为0402元件尺寸的四分之一,而01005元件则约为0201元件尺寸的四分之一。较小尺寸的元件可能会降低装配工艺的稳健性。这类细小元件的装配比其它元件在工艺材料的选择、设计、工艺的控制方面更具敏感性。由于本身的尺寸非常小,它的尺寸公差对装配工艺也会产生非常显著的影响。所以,细小元件的装配工艺不同于其它元件,需要更加精确的控制。 本文我们讨论的是细小元件的贴片控制工艺。环球仪器SMT工艺实验室已开发完整的0201/01005元件装配工艺,如果读者对锡膏的选择、印刷工艺的控制、印刷钢网和PCB的设计、以及回流焊接工 艺的控制感兴趣,欢迎和我们联系。 影响细小元件成功贴装的关键因素 贴装细小元件的关键因素包括贴片机的定位系统,取料过程控制,贴片机的影像系统,和对贴片过程的控制。除了这些因素之外,还有一些不容忽视的地方,如送料器的精度,元件包装的误差和元件本身的误差,吸嘴的材料设计等等,都是在装配之前需要综合考虑的。下面我们来讨论贴片过程中各个环节的关键控制点。 0201/01005元件的贴装控制 1.贴片机的定位系统 对于细小元件的贴装,要求驱动定位系统在所有驱动轴上都采用闭合环路控制,以保证取料和贴装的位置精度。现在很多贴片机都采用了可变磁阻马达(VRM)驱动系统,可以提高热稳定性,获得较高的加速度,还有高的精度,有的分辨率已达到1um。这些技术的应用给成功贴装细小元件提供了保障。值得注意的另外一点是,采用拱架式机构的贴片机的单悬臂横梁在贴片过程中的抖动,是往往容易被忽视的地方。 2.取料过程的控制 准确的取料是成功实现贴装的第一步,在此过程中影响正确取料的因素有元器件之间的差异,包装的误差,送料器的精度,贴片机驱动定位系统的误差,贴片头z轴方向的压力控制,吸嘴材料和设计,以及在取料过程中对静电的控制。 由于细小元件之间的细小差异会对取料和贴片过程产生显著的影响,要求贴片头在此过程中能自动感应其变化并采取相应的补偿措施,以消除对元件高度,厚度等的敏感性。采用的方法是在贴片头上安排压力感应器,防止过大的压力在此过程中将元件压碎,或取不到料。比较好的贴片机的贴片头z轴分辨率可达1um,压力感应器可以感应到24um的变形。 传统的机械式送料器已不能满足日益变小的元件对于高精度的要求。细小元件要求精度更高的马达驱动的电子送料器,并要求其有良好的抗静电效果。送料器安装在贴片机上,在它们之间会存在间隙和位置误差,这种误差很小,在贴装较大器件如0603/0805等,完全可以被忽略。但是对于细小的0201和01005而言,其影响会很大。在拾取0201/01005这类元件时,很难同时取4颗或7颗元件,原因在于此,另外还有元件包装的误差。所以单颗拾取0201或01005比较稳妥,可以保证取料的可靠性。理想的取料位置在元件的中心区域,如下图所示。如果取料位置超出元件上最佳的取料区域,可能会导致贴片缺陷,如偏移和立碑等。同时因为板上元件安排很密,可能会使吸嘴干涉到其它元件。
图1 0201元件最佳目标取料位置
图2 取料偏差导致吸嘴和其它元件干涉
图3 因吸料偏差导致立碑或侧立 为了消除包装,送料器等带来的误差,保证取料的一致性,需要贴片机在取料过程中具有动态的自动矫正取料位置的能力。在生产过程中,需要换线,需要换料,并且每只送料器的状态也不一样,所以元件最佳的取料位置也会变化。机器需要在此过程中敏感的捕捉到这种变化,并自动的找准调整吸料位置,保证吸料的准确性和可靠性。下图所示为某一机器在拾取0201和0402元件过程中,自动调整取料的最佳位置。
图4 对0201元件吸料位置自动矫正
图5 对0402元件吸料位置自动矫正 3.吸嘴的设计和保养 贴装0201和01005元件需要更细的吸嘴,同时为了防止静电损坏元件及在取料过程中带走其它元件,细嘴的材料需要抗静电,所以要选用ESD材料。为了尽量降低吸料过程中元件侧立,保证足够的真空和元件被吸起之后的平衡,在吸嘴头部需要设计2个或3个孔。考虑到贴装密度小于0.25mm的情况,吸嘴头部要足够的细,它上面的孔也会比较细。对0201的吸嘴而言,最小的孔径会达0.127mm,而01005元件的吸嘴更细,达0.1mm。这不仅给制造带来了难度,也需提高这些吸嘴的清洁保养频度。对吸嘴的清洁保养的要求比其它类型的吸嘴要高,需要利用清洁溶剂和超声波来清洁。由于0201/01005很薄,01005元件厚度只有0.1mm,这增加了细嘴与锡膏接触的机会。增加清洁保养的频度成为必要。
图6 某机型0201的吸嘴
图7 某机型01005的吸嘴
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