为顺应电子产品小型化、簿型化、轻量化和便携化发展趋势，在今天的电子制造业中，0201元器件已经开始替代过去占主要地位的0603和0402封装，进入到许多实际应用之中。

0201（0.02 英寸 0.01 英寸即0.508mm 0.254mm）器件是一种非常微小的无源器件，为了能够对装配在0201器件中所遇到的令人烦恼的问题有所认识，从而最终战胜设计和装配时所遇到的挑战，美国IBM公司的技术人员对此开展了研究，现将有关情况对大家作一介绍。


检测0201器件贴装的设置


IBM公司的有关技术人员设计和装配了12块测试载体板（test vehicle boards），每一块板包含有1400个0201电阻封装件。这些电路板是2000年4月在美国Celestica Toronto 工厂的生产制造环境中进行装配的。在装配过程中所遇到的挑战包括：印刷模板设计、焊膏筛网印刷(paste screening)、拾取和贴装设备和回流焊接热分布曲线等。

为了检测0201元器件的贴装情况，制造和使用总数为12块的完全相同的板。这种电路板共有8层，在采用电镀镍（100 英寸）加工的表面上具有3-5 英寸的浸金处理（immersion gold）。这块板在2至3层和6至7层之间包含有两层埋置入电容的层。

每块板的尺寸为274.32mm 406.4mm (10.80 英寸 16.00 英寸)，采用玻璃转变温度为170℃的FR4材料。板的厚度为2.34mm 0.254mm (0.092 英寸 0.010 英寸)。分离的元器件被贴装在10 10阵列配置的边排上。


0201元器件的焊盘图形和间距


有14种独特的0201元器件的焊盘图形和间距的组合形式，每一种用一系列数字来表示。

装配

● 模板设计

例如用一个0.127mm (5 mil) 厚梯型激光切割的电抛光模板来满足电路板上的焊膏筛网印刷。因为焊膏的释放特性还不知道，一些焊盘的设计中包含有盘中孔，对其进行确定完全取决于常规的模板设计试验。结果所有的0201器件的孔隙被设计成：孔隙与焊盘的比例为1：1。因为在这块电路板上还包含有其它的元器件包括CCGA器件，一个0.127mm (5 mil)厚的模板可能是最薄的模板，没有设计成分级模板（step stencil）是为了防止损害到在板上的其它元器件的焊点。来自这项设计的长度与直径比（aspect ratios）数值在2.4至3.2之间。面积的纵横比（area aspect ratios）范围在0.72到0.85之间。根据这些数值可以预见优良的焊膏释放效果。

●焊膏与涂布

为了能够非常逼真地模拟生产制造情况，采用一种类型3的免清洗焊膏来满足这项制造要求。对于0201器件来说，可能类型4的焊膏更能使印刷质量理想化，但是也可能对其它元器件位置上的印刷质量产生消极的效果。为了能够达到最大的焊膏释放效果，一种密封的印刷头系统被用来替代传统的橡皮滚子刮刀/模板结构。

●组件模拟

由于组件可能存在问题，所以采用0201电阻封装来进行模拟，以满足贴装试验的需要。这些元器件在形状和引线端接长度上不完全相同，这样就增加了发生拾取出错和回流焊接以后发生墓碑现象的机会。在这项试验中，采用完全随机地通过该试验的方法。然而，当使用0201元器件的时候，随之而来的是要考虑质量水平和元器件的一致性情况。

●整套设备情况

筛网印刷机：DEK 265 GSX （采用 ProFlow 头）
贴装设备：Panasonic MVIIV
回流焊接炉：Conceptronic HV 155 （共10区对流加热烤箱）
供料器和管嘴

在这项研究中采用标准的设备供料器。在开展研究以前，对供料器进行检验并进行测定校准以确保其具有最佳的性能。专门的0201管嘴和过滤装置是从Panasonic Factory Automation（松下工厂自动化公司）购得的。

●回流焊接加热曲线

所有的板在一台采用氮气氛保护的Conceptronic（10区对流加热烤箱）中进行回流焊接。加热炉中的氧含量水平维持在150 ppm 以下。起始的加热速率为1.7 ℃/秒。

对装配结果的总结

●筛网印刷

一般来说，优良的印刷质量可以通过良好的对准中心和平坦的焊膏沉淀来得到。焊膏沉淀的高度通过采用一台激光焊膏高度测试仪进行测量，结果其高度在0.1143mm (4.5 mil) 和 0.1524mm (6 mil) 之间。由于设备的局限性，3维焊膏检测仪仅被用在测量较大的分离焊盘（0402,0603,0805）上的焊膏体积，以确认焊膏的体积是否能够满足这些位置上的要求。

1:1的模板隙缝设计会导致焊盘上的焊膏过量，这会产生大量的焊料球，从而会增加形成墓碑电阻器现象的机会。通过降低缝隙尺寸消除焊料球产生的机会，是将来模板设计的优化方法。

●外观检测

在开始工作以前，0201电阻器以双面形式进行安置，以确保满足设备贴装的使用要求。0201电阻器有着各种各样尺寸和形状以及不规则的端接方式。

●拾取和贴装的确认

元器件被良好地安置在所有0201器件焊盘的中心位置上。

●拾取和贴装结果

就所提供的各种各样尺寸和形状的元器件来说，拾取和贴装的精度是良好的。

标准供料器的拾取率为99.85%，所实现的贴装率是99.68%。同时也采用新的高速供料器来进行试验。采用这些供料装置能够大幅度地增加拾取速率。

●回流焊接后的检测

在进行了回流焊接以后，使用一台显微镜对所有安置有0201器件的位置进行外观检查。一般情况下，焊料填角显现出光泽，并展示令人满意的润湿。然而，许多焊料填角显露出拥有过多的焊料体积，焊料填角呈现出凸状，在横截面处这种现象非常明显。因为焊料不会延伸到端边金属喷镀处，这种焊接点在IPC-A-610C4标准下将可以接受。

过多的焊膏量是在焊盘之间形成大量焊料球的关键因素。因此，这些焊料球不能计算在缺陷内，因为它们将可以通过优化模板的隙缝来使其降低到最小的程度或者消除掉。尽管有着较大的焊料体积，不会导致产生桥接的缺陷现象。

所有缺陷的产生是由于墓碑缺陷所引发的，它会导致4.25的单位平均缺欠数（defect per unit 简称DPU)，1012的每百万缺陷机会（million opportunities 简称DPMO），考虑到焊盘几何形状的多种多样，这些数据是惊人的。

对这些数据的进一步分析可以发现影响墓碑缺陷的主要因素是元器件之间的间距、焊盘和盘中孔之间的间距。

图1 显示了失效率与元器件间距之间的关系。当间距从0.254mm (0.010 英寸)增大至0.381mm (0.015英寸)的时候，相伴而生的现象是墓碑缺陷减少了。这样可以预计由于增大了元器件至元器件的间距，这将朝着对焊膏、元器件贴装和定位差错增加容忍度的方向发展。

另外，焊盘之间的间隙（G）会对墓碑缺陷率产生影响。小型化的0.2032mm (0.008 英寸)焊盘间隙与0.254mm (0.010 英寸)的焊盘间隙相比较明显地降低了产生缺陷的数量。这证明了Schake et al 的研究成果，他指出较小的焊盘间隙会导致装配生产量的提高（注：在这项研究中所采用的最小焊盘间隙为0.2032mm/0.008 英寸）图2 比较了0.2032mm(0.008英寸)的焊盘间隙和0.254mm(0.010英寸)的焊盘间隙的缺陷率。

现在让我们关注一下图3，在这里令人感兴趣的是显现了在很少缺陷和盘中孔之间奇特的正相关性。正如在7,8,11 和12排所显示的那样，采用正切导孔焊盘（tangent via pads）形成了最大的墓碑缺陷现象。然而，在正切导孔设计位置产生墓碑现象仅限于0201器件，对于0402和0603器件来说不显现出相同的问题。

在采用正切导孔的焊盘上发生大量的缺陷还没有被完全认识，可能要归咎于一些不同的原因。当采用通孔时，由于导孔上有着较大的热物质，所以在对焊盘上的元器件进行焊接时需要较大的热量，这样就增加了两个焊盘之间的热量不均匀的机会。当采用盘中孔的时候，加热时需要的热量较少，加热可能非常均匀，这是因为所涉及的热物质较少。同样埋置入电容的层面与盘中孔的位置相连接，可以提供相当均匀和一致的加热。由于存在着墓碑现象的潜在可能性，电路板的设计师选择使用0201元器件与导孔相连接的时候，将试图尽可能的达到均匀一致。另外，在没有盘中孔的位置上采用通孔，其表面上覆盖着焊剂，它与焊盘相毗连。所存在的细微的高度差异可能会导致在焊盘上产生不均匀的填料以及焊膏掩膜，这样就增大了墓碑现象的产生机会。为了进一步确认原因，必须开展进一步的实验工作。

14个焊盘图形排列中的6排(1,2,5,6,9,10) 包含着一个具有盘中孔的焊盘和一个具有正切导孔的焊盘。这些焊盘形状也使用得很好。

●抗剪强度

由于元器件和它们各自的焊点非常的小，所以焊点的耐久性和可靠性成为非常关键的因素。随着可焊面积的减小，抗剪强度将降低。为了能够确定在抗剪强度方面降低的程度，使用一台5 kg的测力计，以0.254mm/秒(0.01 in/秒)的剪切速率对所有各排0201电阻器件进行完全的剪力测试。测试结果表明：对于不同的焊盘几何形状或者说不管焊盘采用还是不采用盘中孔技术，焊点的抗剪强度没有很大的差异。对于0201元器件来说平均的抗剪强度测试值为734 gf。所有元器件测试的失效模式为在焊点发生松散现象。同样，在相同的电路板上对0402和0603元器件也进行了对抗剪强度的测试。图4显示了0201元器件相对于0402和0603元器件的平均抗剪强度。


结束语


当生产安装的电路板包含有0201器件的时候，供料器和管嘴是非常重要的。为了能够达到令人满意的效果，这些设备必须进行校准和保持优良的工作状态。当在电路板设计中采用0201元器件的时候，端接的均匀一致性和所采用元器件的质量也必须被检验。

尽管对于0201元器件的焊膏筛网印刷来说，1:1模板间隙设计不是最佳的模板设计，但是具有缺陷可能的焊球形态和焊接点的强度控制在预计的范围内是可能的。下一步工作将是研究模板间隙的优化问题。

当贴装0201元器件的时候，可以观察到的最普遍的缺陷是墓碑现象，它主要受到相邻的元器件焊盘之间的间距和焊盘之间的间距（G尺寸）的影响。看来较小的0.2032mm (0.008英寸)的焊盘间距优于0.254mm (0.010英寸)的焊盘间距。此外，为了降低墓碑现象的产生，推荐元器件焊盘至元器件焊盘的间距为0.381mm (0.015英寸)。它优于0.254mm (0.010英寸)的间距。现在采用的盲盘中孔（blind via-in-pad）技术能够降低墓碑缺陷。

许多研究工作还有待于进一步开展，通过在电子产品中采用0201器件，为实现电子产品的进一步小型化、簿型化和轻量化打下坚实的基础。