0201技术推动工艺解决方案
超小型足印(footprint)的无源元件，如0201元件，是电子工业的热门话题。这些元件顺应高输入/输出(I/O)元件而存在，如芯片规模包装(CSP)和倒装芯片(flip chip)技术，它们是电子包装小型化的需要。图一把一个0201的尺寸与一个0805、0603、一只蚂蚁和一根火柴棒进行比较。0.02 x 0.01" 的尺寸使得这些元件当与其它技术结合使用的时候，对高密度的包装是理想的。本文将对已经发表的文章或著作作广泛的回顾，突出电路板设计的指引方面，和定义印刷、贴装和回流的工艺窗口。本文也包括为了产生一个稳定的工艺窗口和电路板设计而对电路板设计参数、工艺限制和工艺指引所作的调查课题。对课题各方面进行讨论和给出试验性的数据，但由于该课题正在进行中，最后的数据编辑还有待发表。 驱动力 受到携带微型电话、传呼机和个人辅助用品的人的数量增加的驱动，消费电子工业近来非常火爆。变得更小、更快和更便宜的需要驱动着一个永不停止的提高微型化的研究技术的需求。大多数微型电话有关的制造商把0201实施到其最新的设计中，在不久的将来，其它工业领域也将采用该技术。在汽车工业的无线通信产品在全球定位系统(GPS, global positioning systems)、传感器和通信器材中使用0201技术。另外，公司在多芯片模块(MCM, multi-chip module)中使用0201技术，以减少总体的包装尺寸。和这些MCM元件一起，0201技术已经更靠近半导体工业，因其直接与裸芯片包装，铸模在二级电路板装配的包装内。必须完成许多研究，以定义出焊盘设计和印刷、贴装、回流的工艺窗口，从而在全面实施0201之前达到高的第一次通过合格率和高的产量。 电路板设计指引 已经有几个对采用0201无源元件的电路板设计指引的研究。大部分通过变化焊盘尺寸、焊盘几何形状、焊盘对焊盘间距和片状元件与元件的间距，来观察设计。重要的设计方面包括缺陷最小化和增加元件密度，同时收缩整个印刷电路板的尺寸。以下是可能受焊盘设计所影响的主要缺陷：1. 墓碑(Tombstoning) 该缺陷的发生是当元件由于回流期间产生的力而在一端上面自己升起的时候。通常，墓碑发生是由于元件贴装在相应的焊盘上不平衡，一端的焊锡表面能量大于另一端。表面能量的不平衡引起一端的扭矩更大，将另一端拉起并脱落焊盘。小于0603的元件比较大的无源元件更容易形成墓碑。对0402和0201元件，焊盘设计可减少或甚至防止墓碑。焊盘横向延长，纵向减少可减少引起墓碑的纵向力。回流过程也会影响墓碑缺陷。如果升温坡度太大，元件的前端进入回流区可能在另一端之前熔化，将元件立起。 2. 焊锡结珠(Solder beading) 焊锡球数量是一个过程指标，由于焊锡膏中使用的助焊剂而附着于无源元件，通常位于元件身体上。焊锡珠，当使用免洗焊锡膏时由于助焊剂残留和缺少其它锡膏类型通常使用的清洗步骤，是常见的，它表示过程已经偏出了工艺窗口。通常，结珠的发生是由于焊盘太靠近一起，过大的焊盘和过多的锡膏印在单个焊盘上。以高速贴装0201无源元件可能引起锡膏溅出锡膏“砖”。这些溅出的锡膏在元件周围回流，引起锡球，在IPC 610 中定义为缺陷。这是超小无源元件上最常见的缺陷。如上所述，设计指引可以用来控制这些类型的缺陷，以及理解工艺窗口。有人推荐，0201焊盘设计来限制锡膏在元件长边上的接触角，而延长焊盘的横向尺寸，允许更大的接触角1,2,3。与这种焊盘设计相关的力将趋向于作用在元件侧面，允许更多的自己对中，而减少引起“墓碑”的力。 焊盘间隔也可能控制焊锡球化缺陷。研究表明，焊盘中心对中心应该在0.020~0.022"之间，边对边的间隔大约为0.008~0.010"。焊盘设计应该达到贴装工具的精度。另有研究表明，对于无源元件，沿纵向轴的恢复力比较大，但如果元件贴装有纵向偏移，那么该元件必须与两个焊盘接触，保证两个不同的力来自己定位。因此，如果贴装机器只有0.006"的精度，贴出0201的偏移太大，那么元件将不会自己定位。表一列出了推荐用来减少墓碑和焊锡结珠的焊盘尺寸和设计。
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river.jiang (威望:0)
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0201焊盘尺寸 下限 上限 过程效果
长度尺寸 0.010" 0.012" 改进“墓碑”
宽度尺寸 0.016" 0.018"
焊盘间隔() 0.020" 0.022" 改进焊锡结珠
焊盘间隔() 0.008" 0.010"
不幸的是，只有很少的出版数据解释对于其它电路板设计变量，特别是元件对元件间距的限制，工艺窗口在哪里。元件间距可受各种因素影响，如板的放置和0201元件的贴装。为了理解设计指引的工艺窗口，一项非常广泛的研究正在进行中*。用于该研究的板如图二所示。设计包括各种焊盘尺寸，元件方向( 0°, 90°和±45°)，元件间距(0.004, 0.005, 0.006, 0.008, 0.010 和 0.012")，连到焊盘的迹线厚度(0.003, 0.004 和 0.005")。0201焊盘名义尺寸为0.012 x 0.013" ，和变动 0, 20 和 30%。焊盘到焊盘间隔为0.022"。0201元件分别贴放靠近其它的0201, 0402, 0603, 0805 和 1206，元件间距如上所述。迹线厚度是有变化的，对0201和0402两者，都有两个焊盘之一位于地线板上。这是要调查无源元件对吸热的影响。 印刷 许多存在于印刷先进技术包装，如CSP、微型BGA和倒装芯片等，的同样的问题与规则对0201元件的印刷是同等重要的。对那些比其它板上元件小几倍的开孔，使用较厚的模板和相同的锡膏进行印刷几乎是不可能的。有关0201工艺的普遍提出的问题包括模板厚度、开孔的尺寸、锡膏类型和要求的开孔几何形状。 现在，了解锡膏如何从不同厚度模板的各种开孔尺寸和几何形状中释放的工作正在进行中。该课题研究的一个主要方面就是在决定稳定的印刷窗口时面积比率的重要性。面积比率(area ratio)是开孔的横截面积除以开孔壁的面积。较早前的研究表明，在决定稳定的工艺窗口时，面积比率提供了比模板宽度开孔减少法(stencil-wide aperture reduction methods)，如纵横比(aspect ratio)，高得多的精度。该研究得出了大约0.6和更高的面积比可以沉淀锡膏的体积很接近开孔的总体积。 从进行中研究的试验性丝印数据显示，0.005"的模板，0.49的面积比率的0.096 x 0.0104" 的焊盘，对第四类型的Sn/Pb锡膏的释放性能很差。可是，0.56面积比的0.0108" x 0.0117" 的开口尺寸提供比较好的锡膏量和释放性能。而现在很少有发表的有关0201的丝印过程的数据，存在的东西都是模糊的，只说模板越薄越好，第四类锡膏(比第三类颗粒小)对锡膏释放的表现较好。可是，由于第四类比第三类更稀，使用第四类对印刷其它的SMT元件可能不行，因为材料塌落。该研究是用来理解印刷参数、模板参数和锡膏有关变量的影响。用于丝印过程的变量在表二中列出。表二、DOE Variables for Screeening Study
Stencil Printing Screening
Factor to be Varied Variation 1 Variation 2
Blade Type Metal Polymer
Separation Speed High Low
Paste Type Type III Type IV
Residence Time 30 Seconds 10 Minutes
Fiducial Type Metal Defined Mask Defined
Stencil Printing DOE
Factor to be Varied Variation 1 Variation 2 Variation 3
Print Force A B C
Print Speed A B C
Stencil Thickness 0.004" 0.005" 0.006"
Aperture Geomitry Oval Square _
Aperture Size 80% 100% 120%
Variable to be Held Constant
Factor to be Set Setting
Snap-off Height Contact Print
Board Fixturing Full Area Pin Grid Array
Paste Type No-clean
Paste Metallurgy Eutectic Sn/Pb
Wipe Frequency Every Print
Paste Preconditioning 8 hours
Stencil Type Electroformed Additive
理解和比较诸如锡膏沉积量和焊锡结珠缺陷的变量，要求许多贴装和反复过程。理解对于可能小如0.010"开口，锡膏如何表现，在控制和实施0201印刷工艺时是很重要的