01005组装—用AOI实现成品率提升
我们必须考虑不同的自动光学检查（AOI）标准而执行最佳的策略，以保证在高产出的条件下实现01005元件组装产品的高品质。[2009.3.1]
在 过去十年中，随着各种便携设备的相继推出， 如移动电话、PDA、MP3和GPS等，以及结合 了更多电子技术的医疗设备，如起搏器或助听 器等，我们的生活发生着巨大的变化。这些设备在更小的 封装里集成了越来越多的功能，满足了我们对于性能和舒 适度日益增长的需求。 在这样的环境下，电子行业必须开发各种与之相适应 的新的PCB（印刷电路板）以整合到这些产品中。开发小之 又小的PCB有很长的路要走，这需要最小的元器件。而这些 元器件中，最小的01005元件封装显著节省了PCB的空间和 重量。 01005 元件最初主要用于医疗应用，它们更注重尺寸 大小，而不是成本。而现在，不仅实现了01005元件的规 模化生产，其成本也大大降低，并且被广泛应用于许多 消费电子产品。和01005最为接近的0201元件，大小是 01005的2.25倍，而01005则比0201贵约25倍。现在，人们 对01005元件更有兴趣，因为其价格已相对于其推出以来下降了4倍。 我们用肉眼几乎看不见01005元件，它只有0.2×0.4mm 大小，重量只有0.004毫克；它对组装是真正的挑战。合格 的制造厂有能力组装包含有01005无源元件的PCB，但面临 诸多的困难。由于元件非常小，组装过程让人头痛不已，且它几乎不可能返修。
AOI 策略 由 于01005元件的返修是不太可能的，在标准生产线上 选择AOI放置的位置需要适应01005元件检查的需要，重在 预防，而不是发现，及早发现缺陷是非常重要的。印刷后 的SPI和炉前AOI都放在生产流程的前期阶段，以使工艺控 制快速、精确，做到过程控制而不仅是过程检查。然而， 正如01005元件对于回流焊的设置更为敏感，回流焊后的检 查有助于生产线在质量和成本方面获得最好的表现。 前面强调过，桥接、偏移和立碑是最常见的01005元 件的缺陷类型。此外，图6显示01005元件的缺陷，通常 有49％是在印刷过程中产生，43％是在回流焊时产生。显 然，这表明将AOI（SPI）放到印刷后，有利于在生产过程 中尽可能早地发现印刷缺陷。在这一阶段，PCB可以清洁并 重新印刷，且印刷参数可实时调整。 焊膏检查设备提供两种不同方法，二维或三维。二 维检查能够很好地提供焊盘上焊膏覆盖率和焊膏位置的信 息。三维检查则增加了高度、体积和形状测量能力，为 01005元件工艺提供更精确的数据。三维SPI是用于在批量 生产中的过程监控，例如，网板清洗频率。在NPI（新产品 导入）阶段，它对优化模板印刷参数有很大帮助。 炉前AOI是非常重要的，再次提 醒，返修是不可能的。 一些研究表明，使用小颗粒焊粉的01005元件在回流焊时 具有自对中效应。一些被检查到偏差小于0.050mm的片式 元件或电阻，在组装生产线末端发现被正确贴装和焊接。 即使观察到这一自对中效应，它不能被认为是一个常态的 工艺条件。对于一个受控的过程，贴片机必须准确地贴装01005元件在焊盘上。
因 此，炉前AOI在精确定位上发挥了根本性作用，因为 它可反映贴片机XY方向的相关数据和角度偏差。事实上， 在SPI和AOI系统中集成了强大的实时SPC，这是实行这个 过程控制策略的核心。SPC必须记录准确的元件贴装偏差， 并进行趋势分析，以指出潜在的缺陷。 理想状况下，AOI会自动生成警报并反馈给贴片机以实 现实时交互，从而修改贴片机设置。因为准确贴装这些元 器件的工艺窗口非常小，所以这个由AOI与贴片机组成的闭 环系统为贴装如此小的元件提供了很大帮助。 炉 后AOI是必要的，它能保证01005生产线最终产品质 量，并确保充分识别在回流过程中造成的缺陷（通常是与 焊点有关的缺陷）。炉后AOI确保这些目检不可能发现的缺 陷没有被遗漏。AOI可以检查到偏移或虚焊这样的缺陷，因 为它们的电气连续性可能仍然存在，而被ICT（在线测试）遗漏。
基 于上述原因，01005生产线AOI最佳策略是使用多个 AOI，即作为过程监测工具的印刷后SPI和炉前AOI，以及确 保最终产品质量的炉后AOI。01005返修即使不是不可能也 是非常困难的，所以节约生产成本的唯一途径是，彻底分 析整个生产过程改善工艺，从而防止缺陷产生。 将上游SPI/AOI和炉后AOI获取的数据整合到SPC里是 非常有用的，这可以确定最后的缺陷和早期工艺参数之间 的关系，并改善工艺。因此，每个有强大SPC工具的多种 AOI，可以在制造过程中追溯到每个元器件的缺陷，这使得 制造商知道在哪个工艺过程中造成的缺陷，并就此采取纠 正行动。 例如，当炉后AOI检查到偏移元器件，根据来自多台 AOI的SPC实际数据，可以追溯到这一缺陷是由于焊膏印刷 偏移，或贴装偏移，甚至由于这些过程因素结合造成。通 过确定问题，马上采取纠正行动让工艺受控。 当建立缺陷产生过程模型，实时SPC与缺陷预警在持 续自我改进中使用更有效。同样这可以适用于没有01005元 件的过程。事实上，当返修不太可能和生产设置如此严格，这一策略变得更加至关重要。 AOI的挑战 • 放大倍数/速度 许多公司正使用基本像素大小通常约为7微米的图像探 测器。像素大小取决于物镜使用的放大倍数。对于相同的探 测器，更小像素尺寸和更小的FOV（视野范围），需要更长 的检查时间。 换句话说，放大倍数会影响设备的产量。如果像素大小 降到能更准确地检查01005元件，由于更小的FOV，通常会 降低设备的产能。如果AOI系统尝试通过降低像素大小来足 于测试01005元件，这样对大元器件的检查能力过剩，影响产量。
下面是供应商解决这一难题通常采用的几种办法和问题 所在： 1、一些供应商试图使像素大小可调，这种方法要求在 整个检查过程中所选择的像素保持不变，如需调整像素大小 将需硬件改动，这将影响整体产量； 2、一些供应商甚至想出在一个测试过程中像素大小可 变化。乍一看这不会浪费检查时间，而事实上检查时间却增加了很多，尤其那些有分散小元器件的PCB板。这种方法通常依赖于机械切换系统，增加了系统可重复性下降的风险； 3、一些制造商建议使用多个不同放大倍率相机。他们 可以在一个测试过程中通过编程改变分辨率。这样，只有当 需要时才会使用更高分辨率相机，这减少对测试时间的影 响。然而，检查时间延迟多少取决于有多少小元器件分散在 PCB上； 4、 还有一些供应商选择是使用高像素的照相机。这种 做法使分辨率可选，但保持了相同FOV。在高分辨率的模式 下，它使用了更多的像素数量，以获得同样FOV，而在低分 辨率模式下，相同的FOV使用较少的像素数。然而，高分辨 率模式下需要更长的测试时间。此外，也可能存在相机相互 兼容性的问题。 ViTechnology采用了先进的解决方案——亚像素矢量 成像。它的关键是，并不完全依赖像素大小。亚像素技术 用比普通像素网格更高的分辨率来检查目标特征，它可以 应用于元器件位置和焊点检查。强大的算法计算测试区的 每个像素精确值，并返回一个值，使其能够精确地进行焊 点分析。这种做法，并不需要AOI为测量01005元件使用不 同像素，因此无需平衡放大率和设备产出。 • 准确性 1、轴 线性马达与高分辨率光学编码器带来能使照相机 FOV中心移动到精确位置，然后测量元件位置偏差的所需的 精度。轴必须安装在一个稳定的框架上，以确保一致性。 2、 镜头质量 即使FOV中心放在精确的位置，如果光学系统包括太 多失真的图像，也不会检查准确。由于大多数的AOI系统 采用了最大FOV为01005元件检查，以最大限度地提高检查 速度，越来越多的系统已开始使用低失真镜头，试图解决 FOV里的图像问题。 我 们必须认识到， 商用远心镜头是不足以检查 01005的。远心在度量衡学中一重要特性是，不管目标 在FOV里的位置，甚至当距离受某种未知变化影响，如 印制电路板翘曲或膨胀， 都可以确定其的确切大小。 ViTechnology使用定制的最先进的远心镜头，拥有最小失真（图13 ），优于商用远心镜头10至20倍。
结论 理想的情 况是在每个SMT生产线的基本工艺环节后放 置AOI：印刷后和炉前作为一个过程控制的工具和炉后作为 质量保证。为确保可靠性，AOI系统必须是最高性能并配备 功能强大的解决方案，以克服对检查的精确性和产量的影 响，并有能力提供可靠的数据，以控制和改善01005工艺。 随着01005元件出现，它已不能满足于只用图像相关性 发现缺陷，这并不作为一种解决方案，可以适应生产线在 速度和精确性两方面的需求。结合先进的算法与高性能的 光学元件和可靠的硬件是唯一的AOI解决方案，可以使我们对01005工艺有很好的预期。 --------------------------------------------------- 工艺挑战 01005元件自从21世纪初推出以来，一直是许多 PCB制造商的研究重点，他们通过PCB设计、焊膏工 艺、贴装和回流焊来找到适当的工艺设置。SMT生产线 的许多重要参数都必须控制得更为严格，以保证01005 元件组装过程的稳定可行。 • PCB 设计 1. NSMD焊盘（非阻焊膜定义）：广泛用于表面贴 装技术，阻焊空隙大于金属焊盘。焊膏可以包裹在金属 焊盘周围； 2. SMD焊盘（阻焊膜定义）：用于铜箔在阻焊层下 面延伸的小封装形式； 3. 半SMD焊盘：上述两种焊盘结合，能使模板压在 阻焊层上并固定这两部分。
优化焊盘尺寸与元 器件间的最小间隔，对于 避免回流焊后的焊料桥接 很重要。间隙（或2个焊 盘之间的距离）被认为是 一个在回流焊后形成立碑 的关键因素，通常是小于0.150mm。
• PCB 制作 • 焊膏工艺 第 一项挑战在于定义模板，最优的模板厚度可使元器 件无论是小型还是大型封装都能在同一PCB上正确组装。 许多研究得出的结论是，75μm厚度是贴装01005元件和 准确使用焊膏量实现可靠焊接的最优厚度。为了保证在印 刷过程中的一致性，建议使用电铸模板，它有最光滑的孔 壁，因而产生更好的焊膏释放率。 焊膏本身对回流焊后的缺陷形成也有很大的影响。建 议使用具有良好印刷性和颗粒足够细的焊膏，如4号或5号 粉（焊料球平均分别为0.031mm和0.018mm）；遵循5个 焊料球填满最小的模板开口的规则。使用小颗粒焊粉还能 在回流焊过程中增强自对中效应，以减少偏移缺陷。 模板印刷参数（速度、压力和分离速度），以及清洁 频率在01005元件组装时也至关重要。它们可以导致更高 的堵孔风险，造成焊料不足；另外，模板上的焊膏和助焊 剂残留物，会造成桥接或多锡。 使用自动光学系统对于印刷过程的控制是非常重要 的。完全的焊膏检查（SPI）提供相关信息来解决印刷 中的问题，以稳定印刷过程，并确保焊膏正确地印刷在 PCB上。SPI在检查到缺陷时发出警告，它是组装01005元件时重要的过程控制工具。 • 元件贴装工艺 为 消除贴装过程中的缺陷，控制元器件贴装条件至关 重要。只有当元器件的质量和尺寸都在控制之内，且有高 质量的编带和经过校准的喂料器，元器件才能被有效地拾 取。调节元器件位置将减少侧立和翻转等缺陷的风险。为 了获得所需的准确性，贴片机都配有视觉系统来确认吸嘴 接触的元器件位置。这种验证方法的局限是，它只是在元 器件被吸嘴吸上来时进行验证，而不能验证元器件放到焊 盘上的最终位置。这就是为什么炉前AOI是如此重要。炉 前AOI不仅能控制元件的贴装位置，它还能分析趋势和预 防缺陷产生。有了实时SPC分析，AOI能够发出预警，使 过程受控。 一些贴片机也可以确保在拾取后和贴装前没有元器件 丢失，因此可以减少缺件缺陷的发生。由于01005元件非 常小，重量也很轻，需要小心控制施加在元件上的压力， 以避免元件开裂。 在贴装01005元件时，应保持PCB的平整以减少振 动，避免元件发生偏移。虽然在回流焊过程中产生自 对中效应，但是在贴装01005元件时，如果偏移量大于0.05mm，会在炉后产生偏移缺陷。
• 回流焊工艺 发生在回流焊过 程中的缺陷多数为立碑和偏移。立 碑是指元器件完全立起，而元器件偏移是指元器件一边完 全焊接而另一边没有完全焊在焊盘上。这些缺陷在炉后 AOI很容易地辨别出来，它能提供精确的焊点分析。如前 所述，回流焊时的自对中效应对01005元件组装具有有利 作用，即使使用无铅焊料也是如此。不幸的是，它有局限性，并不会消除所有偏移缺陷。
• 返修 --------------------------------------------------- 参考资料： 关于作者 |
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