如何準確地貼裝0201片狀元件

業界所面臨的現實是零件變得越來越小。例如，0201片狀電容比0402小75%，在電路板上所占的面積少66%，這些元件在本十年的早期將出現在一些通用的印刷電路板上，而甚至更小的01005片狀元件到2005年將在空間更珍貴的模塊電路板上看到。
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因為對于許多新的產品板的空間是如此珍貴，盡管更小的元件成本更高，但還是會得到甚至更廣泛的使用。這種新的小型化要求貼裝精度提高但又不降低速度。 　

確認所面臨的挑戰 　　
小的元件提出了許多問題。更高的密度 - 這是困擾較小元件的主要原因 - 使得貼裝任務的難度大了一個數量級。例如，0201元件通常要求較小的焊盤尺寸來防止焊錫污跡，和接納無焊腳焊接。還有，更小的焊盤意味著更窄的元件間距。雖然這些允許設計者取得高度功能化與緊湊的產品所需要的更高密度，但也使情況復雜化。對于密度高的PCB，貼裝精度直接影響回流焊接后的裝配缺陷數量，例如，貼裝偏移會增加錫橋、錫珠、元件豎立和元件不對準焊盤的機會。 　

因此，我們需要什么呢？現在，現實的生產目標是達到99.9%的吸取率，同時3σ的貼裝精度為±60μm。為了達到這個目標，機器精度變成首要問題。
　　
例如，摩托羅拉的試驗表明，在貼裝偏移中小到0.025mm的變化都可能重大地影響缺陷水平。對于標準的焊盤(用十萬個元件進行試驗)，y<0.075mm, x<0.075mm的貼裝偏移對缺陷的影響類似于沒有偏移。可是，當偏移增加到<0.1mm時，缺陷水平上升到超過5000ppm。雖然這個絕對距離意味著很小，但是研究表明該工藝留下很少犯錯的余地。還有，貼裝操作涉及的不止其本身。它包括吸取的可靠性、準確的元件視覺識別和貼裝的可重復性。事實上，試驗表明0201元件要求99%的吸取可靠性。
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吸取位置公差 　
為了保持生產系統的連貫性，吸嘴必須能夠在所有三個方向上移動，即沿X,Y和Z軸移動 - 這一點是重要的，因為在所有生產機器上Y軸的控制是沒有的。可是，為了保持貼裝精度在公差之內，Y方向的控制對于將元件對中在吸嘴上是必要的(圖一)。自然地，這個對中對于0201比對其他零件具有更緊的公差。 圖一、Y方向是0201元件貼裝的唯一最重要的軸向糾正
　
由于在三個軸上的閉環實時反饋，對送料器校準的需要實際上消除了。沒有三個軸上的實時閉環反饋，送料器的校準是關鍵的。
　　
研究表明，在Y方向±0.07mm的精度對于確保成功的0201貼裝是必要的。還有，成功的貼裝要求在X方向±0.1mm的公差，在Z方向±0.1mm，以達到0.2mm的目標值。糾正吸嘴X/Y軸的運動是保證穩定和持續的元件吸取的關鍵。 　

在錫膏上的運動 　
另一個貼裝問題是在某些條件下，0201不會停留在其貼裝的位置。考慮這樣一種情況，試驗將0201電容貼裝在印刷錫膏和助焊劑的PCB上，希望得到±0.05mm的受控行程和0.15mm的元件間距。試驗已經顯示，對于Y方向3σ的貼裝精度，板上小于0.05mm超程的元件有時將會向短邊方向滑行超過60μm。
　
會發生什么呢？有趣的是進一步調查顯示當元件只是貼裝在助焊劑上時，元件不會發生由于超程的滑移，但是在錫膏上時會發生。結論：問題在于錫膏的顆粒直徑。為了補償Z軸糾正，機器必須具有實時的反饋機構，測量每個元件的厚度。
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當顆粒大小大于20μm時，元件偏斜就有可能，因為顆粒在焊盤上分布不均。因為元件貼裝時間是幾毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或運動。這就是為什么熱風焊錫均涂(HASL)的板不適合于0201貼裝，這與0402許可HASL形成對照。 圖二、當元件超程沖擊焊錫顆粒時，反作用力改變吸嘴的軸向并產生一個水平的力，產生元件的偏移。

因此，超程降低貼裝精度。它也可能增加高密度貼裝的錫橋，因為當使用無焊腳焊盤時，元件會將錫膏從零件下擠出(圖二)。因此，可以將超程定義為使得元件和PCB之間的間隙小于焊錫顆粒大小，即，貼裝系統必須控制該間隙，將它保持在40-60μm。一個起作用的因素是板的支撐，沒有支撐元件可能從過高的高度落下或被壓入錫膏中。為了準確地控制行程，板的支撐系統必須為板的拱形提供足夠的糾正。

需要的改進 　　
要取得有效的0201元件的使用，部分的解決方法將在吸嘴的設計改進中找到。因為元件是如此的小，它們要求吸嘴的設計盡量加大真空的接觸表面積，同時提供一個不會干涉高密度布局的外形。另外，吸嘴必須高度耐磨，因為其腐蝕作用會由于小的接觸面積而惡化。所有這些都必須意識到如何滿足和處理即將面臨的01005元件的挑戰。
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現在的結果為0.25mm的間隙提供0.75的節拍時間、60μm(3σ)的精度、和99.9%的吸取率。目標是要為0.10-0.15mm間隙達到每個零件0.075秒的節拍時間、40μm(3σ)的精度、和99.9%的吸取率。為0201元件專門開發的盤帶送料器也應該有助于更精確和更快速的元件貼裝。

結論 　
一個現實的經濟問題是用0201元件生產的板將比其對應的較大零件更加昂貴。另外，更緊的公差必然需要增加工藝控制、更徹底的預防性維護、更多的培訓和工藝知識、和對報廢及檢查/修理活動的增加的認識。 　　預防性維護總是生產的一個重要部分，現在由于0201貼裝而更加重要。因為誤差的公差和可達性和元件本身一樣小，預防性維護是0201生產線比其他元件更加重要的制造成本因素。類似地，似乎0201的使用將要求更頻繁的吸嘴清洗、攝像機清潔和機器貼裝的測量與調整。元件吸取和貼裝的高度將是關鍵的，對于初始的元件吸取，送料器軸的調整是需要的，盡管機器可以在吸取位置補償元件的偏移。