SMT 0201元件的贴装工艺研究

表面贴装技术（SMT）主要是指在PCB的PAD上印刷，涂布锡膏，并将表面贴装元件准确贴放在涂有锡膏的PAD上，按照特定的回流温度曲线、环境加热PCB，让锡膏熔化，其合金成分冷却凝固后在元件和PAD之间实现冶金连接的技术。0201电阻元件的尺寸只有0.3*0.6mm，这种元件主要问题就是尺寸小，相对的贴装工艺窗口也小。0201的贴装工艺主要涉及PCB的PAD设计、网板设计、锡膏、锡膏印刷工艺、贴片控制、回流焊参数等居多因素。本文就一电阻元件制造商接PCB打件厂商客诉0201电阻元件贴装缺陷（焊点桥连、焊点开路eg立碑）进行贴装工艺研究，研究主要涉及PCB的PAD设计、印刷网板的设计、锡膏的选用、回流焊接，像印刷机台及参数设定、贴片机等机器方面不做研究。

图1:0201电阻元件尺寸

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     PCB上安排了0201电阻元件，合计12960PCS，方向有0°和90°两种。PCB为187*312mm的单面板，板厚为1.550mm标准厚度。PAD的设计为非阻焊膜界定（NSMD），PAD金属处理方式为OSP（Entek Plus）。所有线路和PAD均使用1/2oz的铜，阻焊膜材料为Taiyo PRS4000。

     按DOE试验设计方法，对0201、0402元件设计了三种不同PAD宽度、长度和间距，总共完成0201和0402元件的27种不同PAD的设计。每一排安排120个同样的PAD，根据表1中PAD设计，每排PAD由3个字母组成的代码表示。EgAD设计ADG表示PAD宽度A=0.300mm,PAD长度D=0.200mm，PAD间距G=0.225mm。

PAD宽度（W）	A=0.300	B=0.375	C=0.450
PAD长度（D）	D=0.200	E=0.300	F=0.400
PAD间距（P）	G=0.225	H=0.300	I=0.375
单位：mm

表1:0201电阻元件的PAD尺寸

图2:0201PAD示意图

1.2印刷网板的设计

     印刷钢网的厚度为0.175mm，采用激光切割、电抛光制作。设计两张网板，分别编号网板1和网板2，对应每个PAD的设计，设计5种不同的开孔。网板2根据网板1的结果来设计，在网板2上，对于一种既定的PAD设计，采用同一开孔设计。

PAD设计	网板开孔尺寸	网板开孔位置
ADG	0.375*0.225mm	0.025mm外移
ADH	0.375*0.225mm	居中
AEG	0.375*0.275mm	0.075mm外移
AEH	0.375*0.325mm	0.0125mm外移
AFG	0.300*0.375mm	0.0125mm外移
AFH	0.350*0.400mm	居中
BDG	0.450*0.225mm	0.0375mm外移
BDH	0.450*0.225mm	0.0125mm居中
BEG	0.375*0.275mm	0.0125mm外移
BEH	0.375*0.275mm	0.0125mm内移
BFG	0.375*0.375mm	0.0125mm外移
BFH	0.425*0.400mm	居中
CDG	0.525*0.225mm	0.0375mm外移
CDH	0.525*0.225mm	0.0125mm外移
CEG	0.450*0.275mm	0.0125mm外移
CEH	0.450*0.275mm	0.0125mm内移
CFG	0.450*0.375mm	0.0125mm外移
CFH	0.500*0.400mm	居中

表2：网板2的0201网板开孔尺寸和位置

图3：钢网开孔与PAD相对位置

1.3锡膏的选用和印刷参数设置

锡膏是一种灰色膏体，是伴随着SMT应运而生的一种新型焊接材料，是由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂、触变剂等加以混合形成的膏状混合物。在常温下，焊膏可将电子元器件初粘在既定位置，当被加热到一定温度时﹐随着溶剂和部分添加剂的挥发合金粉的熔化，使被焊元器件和PAD连在一起，冷却形成永久连接的焊点。对焊膏的要求是具有多种涂布方式，特别具有良好的印刷性能和再流焊性能，并在贮存时具有稳定性。

锡膏类别	免洗型	水溶性
金属含量	90%	90%
粉末颗粒	Ⅳ型	Ⅳ型
黏度	900CKPS	900CKPS

表3：锡膏类别

印刷机	DEK265 GSX
印刷速度	1.0in/s
刮刀类型	金属刀片，前后刮刀交替印刷
刮刀角度	60°
刮刀压力	2.32b/in
印刷间距	0（接触式印刷）
分离速度	0.02 in/s

表4：印刷工艺参数设置

1.4贴片机

     贴片机采用环球仪器（Universal）4796R HSP高速贴片机，选用0201吸嘴、0201元件的专门供料器，元件采用圈带包装，照相机应用前光对元件成像和对中。

图4：环球仪器（Universal）4796R HSP高速贴片机

1.5回流焊接

     回流炉为Heller 1800w，8个加热区和1个冷流区。回流焊接环境为空气和氮气，在氮气回流环境下，控制氧气的浓度小于50ppm。

图5：回流焊接温度曲线

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试验分为两个部分进行，第一部分为试验1，即为过滤试验，将一些次要的因素或不恰当的组合排除，以减小第二部分的试验因子。方便获取最佳组合。在试验1中，使用免洗和水溶性两种锡膏贴装，并分别在空气和氮气回流环境中进行回流焊接。所以在此试验中，有27中PAD组合方式，每种PAD设计对应5种不同印刷网版钢网开孔，3种不同开孔位置，共装配311040PCS贴片电阻元件。试验1过滤掉了水溶性锡膏和氮气回流环境的组合，在此试验组合中发现采用最大PAD间距（I=0.375mm）比采用较小间距产生更多的焊点开路缺陷，所以将含有最大PAD间距（I=0.375mm）的组合过滤掉。

     试验2PAD的组合方式减为18种，根据试验1的结果，在试验2中，对每种PAD设计只使用一种网板开孔设计。在此阶段安排3种工艺：使用免洗锡膏在空气环境中回流焊接、使用免洗锡膏在氮气环境中回流焊接以及使用水溶性锡膏在空气中回流焊接。每种工艺安排贴装50块PCB，总共贴装贴片电阻元件1116000PCS。

2.2试验结果

2.2.1 三种贴装工艺良率对比

     以贴装过程出现的不良（焊点桥连、焊点开路eg立碑）缺陷数量来判定这个贴装工艺的优劣。试验结果如下表5：

贴装工艺	总不良数	总不良率	桥连不良占比	焊点开路占比
免洗锡膏在空气环境中回流焊接	66	59ppm	21%	79%
免洗锡膏在氮气环境中回流焊接	5665	5076ppm	15%	85%
水溶性锡膏在空气中回流焊接	1499	1343ppm	7%	93%

表5：个贴装工艺的不良状况对比

2.2.2不同的PAD设计与贴装缺陷的关系

1）使用免洗型锡膏在空气回流焊接

     在此贴装工艺中，18种PAD设计中有7种设计（BDH、BEG、BFG、BFH、CDH、CEH、CFH）没有产生任何贴装缺陷。根据锡膏印刷难度、PAD形状和尺寸，BEG和CEH是比较好的设计。对于其他几种设计，因为考虑到最小的PAD设计，相应的网板开孔尺寸也会设计较小，但较小的开孔使得锡膏的传输效率不高，很容易被堵塞。如果采用厚度为0.1mm的印刷网板，虽然会提高锡膏的传输效率，降低0201网板孔的阻塞，但在其他需要更多焊膏量的表面贴装元件位置，印刷的锡膏量会不够。最大的PAD设计有利于提高锡膏传输效率，增加锡膏量，容易获得较好的焊点形状。但是，较大的PAD设计需要占用到更大的PCB，降低贴装密度。

2）使用免洗型锡膏在氮气回流焊接

     当考虑元件两个方向时，使用免洗型锡膏在氮气回流焊接，在所设计的所有PAD上都产生了贴装缺陷。在PAD设计CEG上所产生的贴装缺陷最小，获得的焊点形状较好，根据CEG PAD设计所设计的印刷钢网开孔，印刷免洗型锡膏，在试验中没有发现塞孔的问题。

3）使用水溶性锡膏在空气回流焊接

     当考虑元件两个方向时，使用免洗型锡膏在氮气回流焊接，在所设计的所有PAD上都产生了贴装缺陷。在PAD设计CEG上所产生的贴装缺陷最小。在PAD CDH上0°方向未产生任何缺陷，但是在90°方向却产生了较多的贴装缺陷。在PAD设计CEG上获得的焊点形状比较好，根据CEG  PAD设计所设计印刷钢网开孔，印刷免洗型锡膏，在试验中没有发现塞孔的问题。

编号/焊接方式/焊接角度	免洗型锡膏在空气回流焊接		免洗型锡膏在氮气回流焊接		水溶性锡膏在空气回流焊接
	0°方向	90°方向	0°方向	90°方向	0°方向	90°方向
ADG	0	5	51	442	2	26
ADH	0	3	135	324	4	18
AEG	4	5	175	384	116	114
AEH	1	0	185	365	44	82
AFG	8	10	82	268	62	108
AFH	4	2	134	200	24	92
BDG	0	9	38	534	20	54
BDH	0	0	36	278	1	30
BEG	0	0	20	65	16	6
BEH	6	0	78	210	36	22
BFG	0	0	43	59	18	36
BFH	0	0	108	218	38	151
CDG	1	1	72	415	1	58
CDH	0	0	56	216	0	24
CEG	5	0	8	54	2	4
CEG	0	0	36	278	8	12
CFG	0	2	10	78	8	52
CFH	0	0	65	291	40	178

表6：PAD设计的贴装缺陷统计

4）PAD宽度与贴装缺陷关系

     首先，确认对应3种贴装工艺最佳的PAD设计，然后将PAD长度和间距固定，改变PAD宽度，比较在不同的PAD上产生的缺陷数，发现随着PAD宽度的增加，在所有的贴装工艺中贴装良率也随之提升。贴装良率对0.300mm和0.375mm之间的PAD宽度更为敏感，当PAD宽度为0.450mm时，在使用水溶型锡膏空气中回流焊接和免洗型锡膏在空气回流焊接的贴装工艺中产生的缺陷数最少。但是由于贴装数量的限制，所以严格来说，在0.375mm和0.450mm的PAD之间的缺陷数水平差别不具有统计显著性。使用免洗型锡膏在空气回流焊接的贴装工艺对PAD宽度不敏感，而使用免洗型锡膏在氮气回流焊接的贴装工艺对PAD宽度变化则非常敏感。

PAD宽度/缺陷数/焊接工艺	免洗型锡膏在空气回流焊接	免洗型锡膏在氮气回流焊接	水溶性锡膏在空气回流焊接
0.300mm	15	554	225
0.375mm	10	92	24
0.450mm	6	32	8

表7：PAD宽度和贴装工艺类别的贴装缺陷

5）PAD长度与贴装缺陷关系

     同样确认对应3种贴装工艺最佳的PAD设计，然后将PAD宽度和间距固定，改变PAD长度，比较在不同的PAD上产生的缺陷数，对3种焊接工艺来说，最佳的PAD长度为0.300mm。贴装良率对0.200mm和0.300mm之间的焊盘长度比较敏感。使用免洗型锡膏在氮气回流焊接的贴装工艺对PAD长度最为敏感。当PAD长度为0.300mm和0.400mm之间时，在使用免洗型锡膏空气回流焊接的贴装工艺时未产生任何缺陷。

PAD长度/缺陷数/焊接工艺	免洗型锡膏在空气回流焊接	免洗型锡膏在氮气回流焊接	水溶性锡膏在空气回流焊接
0.200mm	7	476	54
0.300mm	0	65	12
0.400mm	0	68	72

表8：PAD长度和贴装工艺类别的贴装缺陷

6）PAD间距与贴装缺陷关系

     同样确认对应3种贴装工艺最佳的PAD设计，然后将PAD宽度和长度固定，改变PAD间距，比较在不同的PAD上产生的缺陷数。当PAD间距增加时，贴装缺陷也随之增加，而使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接贴装工艺对PAD间距的变化最为敏感。但使用免洗型锡膏在空气中回流焊接的贴装工艺受PAD间距变化的影响较小。

PAD间距/缺陷数/焊接工艺	免洗型锡膏在空气回流焊接	免洗型锡膏在氮气回流焊接	水溶性锡膏在空气回流焊接
0.225mm	0	54	18
0.300mm	8	185	24

表9：PAD间距和贴装工艺类别的贴装缺陷

2.2.3贴装良率与贴片电阻元件方向的关系

     在PCB上，元件有两种放置方向，0°和90°方向。通过分析成对样品来决定元件方向是否影响贴装的成品率。备注说明：0°表示元件两端同时通过回流焊炉，90°表示元件一端比另一端先通过回流焊炉。试验结果表明：

1）使用免洗型锡膏在空气回流焊接时，元件的方向对贴装良率无明显差异；

2）使用免洗型锡膏在氮气回流焊接时，由于氮气的使用，增加了元件在90°方向产生立碑缺陷的机会，发现绝大多数的焊点开路出现在较晚回流的贴片电阻元件末端；

3）使用水溶性锡膏在空气回流焊接时，对于90°方向的贴片电阻元件，由于锡膏的助焊剂活性增加，焊点开路eg立碑缺陷显著增加。

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     在使用免洗型锡膏在空气中回流焊接的贴装工艺中，产生的焊点开路（立碑）和焊点桥连两种贴装缺陷最少，设计因素对这种工艺得影响程度最低。在使用水溶性锡膏在空气中回流焊接的贴装工艺所产生的贴装缺陷相比前者要多得多，使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接的贴装工艺产生的贴装缺陷最多。

3.2回流焊接环境氧气浓度和锡膏中助焊剂的活性影响贴装良率

     使用比较低的氧气浓度（<50ppm）和较高活性的助焊剂会降低贴装良率和工艺的稳定性，所以建议在选择锡膏时，避免使用助焊剂活性很强的锡膏。在贴装过程中，使用氮气的回流环境有利于防止金属焊点、PAD和电阻元件的氧化，增加焊料的润湿性，但氧气的浓度不宜过低，100~500ppm较为合适。

3.3PAD设计即影响贴装良率又影响贴装密度

     当元件间距为0.200mm时，没有产生焊点桥连缺陷，但在氮气回流和使用助焊剂活性较强的水溶性锡膏会增加焊点桥连的缺陷。在较少的PAD上出现桥连缺陷比在大的PAD上出现桥连的缺陷要多。最小的PAD宽度和最小的PAD长度的设计组合会增加焊点桥连的概率，随着贴装密度的增加，0201电阻元件的间距可能会达到0.150mm，甚至0.100mm。

3.4锡珠出现的概率会随着焊盘间距和印刷钢网开孔间距的减少而增加

     可以通过改变电阻元件两端电极与底下锡膏的重叠区域来减小或消除锡珠。具体方法就是增加钢网开孔的间距。但是，随着印刷锡膏间距的增加，焊点开路（立碑）的风险会增加，对印刷和贴片的精度要求要更高。所以，在设计网板时，网板开孔之间的间距最大应控制在0.250~0.300mm之间。

3.5电阻元件的方向安排对不同的工艺的贴装良率影响程度不一样

     电阻元件的方向对使用免洗型锡膏在空气中回流焊接的贴装工艺没有明显影响。但是元件在90°的方向在使用水溶性锡膏在空气中回流焊接和使用免洗型锡膏在氮气回流焊接的工艺中，产生最多的立碑缺陷。

3.6最佳的PAD设计和对应的印刷钢网设计

     根据最佳贴装良率、PAD尺寸、焊点质量和锡膏印刷难易印刷程度，使用免洗型锡膏在空气中回流焊接的贴装工艺，最佳的焊盘设计为BEG（宽度为0.375mm、长度为0.300mm、间距为0.225mm）。基于BEG PAD,印刷钢网开孔设计为宽度0.375mm、长度0.275mm、外移0.125mm，钢网厚0.125mm。与其他两种工艺比较，使用免洗型锡膏在空气回流焊接贴装工艺更加稳定。其他两种贴装工艺对PAD和印刷钢网设计因素较为敏感，使用免洗型锡膏在氮气中回流焊接的贴装工艺和使用水溶性锡膏在空气中回流焊接的贴装工艺，最佳的PAD设计为CEG（宽度为0.450mm、长度为0.300mm、间距为0.225mm）。基于CEG PAD, 印刷钢网开孔设计为宽度0.450mm、长度0.275mm、外移0.125mm，钢网厚0.125mm。增加PAD的宽度并减少PAD的间距可降低对锡膏印刷和贴片精度的要求。