為0201時代升級——新興高速芯片貼裝解決方案

許多SMT行業傳媒正大力宣傳01005元器件，人們留下了這樣一種印象，即0201貼裝已經過時。然而，盡管大多數貼裝設備廠商把0201列為已經實現的功能，但如果進一步探究，您就會發現這其中還存在許多限制，這些限制更多地是在面臨許多實際狀況時才會顯現，一開始不會就一覽無遺。

實際情況是，一些廠商在貼裝0201元器件時不得不降低機器速度，而另一些廠商則只能在限定區域內部貼裝0201元器件，通常位于貼裝頭運動范圍的中心。這兩種情況都給貼裝機所有者帶來了限制，例如會降低生產線速度，或不能貼裝某些電路板類型，尤其是大型電路板。

部分限制可能在于運動控制系統本身固有特點，而貼裝頭和吸嘴在撿拾和貼裝過程中也會體現出某些限制。盡管大多數貼裝機廠商都聲稱擁有0201貼裝功能，但某些機器只能在很小的“有效范圍”中貼裝0201元器件，其通常位于機器貼裝區域的中心。這可能因為廠商選擇了只有部分繪圖和校正的運動控制系統，而沿著運動軸沒有直接線性編碼或激勵器硬件被集成到高架運動系統中，則會使這種限制更加明顯。0201元器件的尺寸一般是0.023"×0.012"×0.08" （0.6mm×0.3 mm×0.2mm），其貼裝容許誤差為±12μm，因此幾乎沒有誤差空間。

線性運動的使用量上升

目前，電容器等0201無源組件的使用正日益廣泛，大型電路板（如電信、3G基礎設施和網絡產品使用的背板）的設計人員希望利用其小尺寸的優勢提高I/O密度，降低解耦電路占用的電路板空間，從而使新興一代產品能夠支持更多的信道，提高信號速度并增加用戶數量。因此0201元器件的未來發展將明顯需要在大型電路板邊沿進行精確貼裝。這自然而然地要求運動控制系統能夠在高架和貼裝頭活動的整個范圍內實現0201貼裝并具有更高的精度。

由于線性馬達技術已經成熟，希望提供0201貼裝能力的大多數貼裝設備廠商都會采用線性馬達驅動的機器，或正在演進到線性馬達。在與線性驅動器結合使用時，直接安裝在運動軸上的線性編碼器可以實現更加精確的死循環位置控制。

盡管線性激勵可以在大范圍活動區域內更好地實現精度和可重復性，但還要考慮其它因素。不同公司設計和創建線性馬達的方式并不是完全一樣的，對某些線性馬達的設計來說，產生的熱量是一個問題，熱會導致熱膨脹，熱膨脹又會導致相對位置不準確。考慮到0201元器件貼裝±12μm的容許誤差，很明顯熱膨脹幾乎沒有余量。位置不準確還會要求重新校準，而重新校準無疑會降低生產效率。

此外，并不是所有供貨商都以相同方式集成線性馬達。0201高成品率所需的精度在很大程度上取決于選擇的運動技術的穩定性和可重復性及其實現方式，其中一個差異在于Y軸驅動。為實現最大的穩定性、剛性和位置可重復性，某些設備制造商在Y軸高架上部署了雙線性驅動器，從兩端直接同時驅動軸，消除了只驅動一端、而另一端在軸承滑片上運行可能出現的懸臂效應。這對大型電路板應用尤為重要，它可以保證精度，消除運動激勵之間的振鈴或振蕩穩定時間。

額定貼裝速度下降

如果不同時驅動Y軸的兩端，那么只有在這些振蕩的幅度已經衰減到小于最大貼裝容限時，才能撿拾要貼裝的元器件，而最大貼裝容限取決于元器件組合和焊盤尺寸。在貼裝0201元器件時，“穩定頻帶”通常預計是貼裝0402元器件時可容忍范圍的一半左右。因此，貼裝動作必須衰減額外的周期，直到振蕩器衰減到0201較窄的穩定頻帶范圍內；或者在接近希望的位置時，必須降慢馬達速度和制動。不管是哪種解決方案，都會影響元器件貼裝總耗時，相應地就會影響產能。

此外，貼裝頭是影響額定速度下降的另一個主要因素。旋轉貼裝的優勢在于，在上述情況下，它能夠在單點運轉時以最優方式撿拾部件；而直插軸系統必須考慮設計本身固有的機械偏移。為實現有競爭力的單個元器件貼裝時間，直插軸特別依賴成套撿拾，但在從送料器中精確地撿拾小型部件時，它們沒有成套撿拾的能力。而0201元器件體積非常小，為可靠地撿拾元器件，吸嘴必須與元器件的中心完全對準。由于不能成套撿拾，直插軸系統最多會損失25%的產能。

雖然塔式貼裝頭沒有這種限制，但為了在運轉過程中調節撿拾高度，完成適應性觸地和貼裝，塔式貼裝頭就必須實現多個傳感器，成本又會非常高。

撿拾和貼裝時的Z高度控制

一般來說，0201元器件可以接受的最大撿拾失敗率是1000 dpm。撿拾錯誤的可能原因包括元器件在送料器條帶中的位置差，或者從條帶中檢測到的位置處撿拾器件時，貼裝頭X-Y定位能力差。在這里，旋轉貼裝頭再次表現出明顯的優勢。

Z高度控制差是撿拾錯誤的另一個重要原因。盡管送料器的高度不可能改變條帶的厚度，但是元器件的厚度變化，以及條帶頂部到條帶中元器件頂部表面的關系都足以使撿拾機制失效，不能檢測和適應撿拾最優Z高度的變化。自動“學習”、連續監視及適應各種撿拾高度的能力至關重要，這要求貼裝頭技術總是能確定確切的撿拾高度。

在成功地撿拾之后，元器件貼裝給Z軸控制進一步帶來了挑戰。由于0201元器件的高度一般在0.15mm到0.25mm之間，因此電路板高度的細微變化會導致不能成功地進行貼裝，而在貼裝大型元器件時可能根本沒有問題。例如，下側元器件回流焊導致的電路板熱變形可能會導致Z高度變化，而這種變化對電路板最上面的0201貼裝過程會非常明顯。如果電路板高度低于預期水平，那么存在著一種風險是只把元器件放在焊膏表面，而不是放到焊膏中。這減少了在回流焊后形成良好焊接接口的可能性。

另一方面，如果電路板表面略高于電路板到吸嘴的預計高度，那么元器件貼裝力可能會太大，有可能會損壞元器件。貼裝力太大不僅存在著損壞元器件的風險，還會把焊盤位置的焊膏散開。這會帶來雙重影響，一個是損害焊接接口本身的電氣性能和機械性能，另一個是在電路板其它地方散開焊膏，可能會引起橋接故障、焊珠或焊球。設備廠商必須克服這些困難，以使貼裝的目標缺陷率低于50 dpm。

當然，正確計算Z高度一直是SMT貼裝過程面臨的問題，設備設計人員已經開發了多種解決方案。基于推算定位的方案不能真實感應電路板的高度，但可以根據假設數據計算每個貼裝的Z高度，這些數據假設電路板一直是扁平的，而且定義元器件厚度使用的數據是正確一致的。實踐證明，該方案在貼裝大型元器件時提供了令人滿意的結果，但正確計算0201元器件貼裝的Z高度卻是一個巨大的挑戰。采用推算定位方式的機器最常見的小型部件缺陷是“部件丟失”，這可以歸結于這種設計上的疏忽。

另一個解決方案是使用位于電路板任何一側的光源和光學掃描編碼器，實現死循環Z高度調節。通過這種方式，可以在短距離內實現高精度，并精確計算正確的Z高度，從而在幾微米范圍內貼裝器件。但是，這并不是調節撿拾高度的高效解決方案，因為它要求兩個單獨的Z高度傳感機制。

還有一種常用的設計方法是監測通過貼裝頭Z軸的電流數量。這種方法的缺點是要求的沖擊力較大，然后系統才能檢測到明顯觸地的吸收電流變化。

同時為撿拾操作和貼裝操作提供適應性Z高度計算且功能上更高效的方法是貼裝頭傳感技術，如使用應變儀。應變儀提供吸嘴施加力的連續變化參數，從而實時控制吸嘴Z位置。在設置過程中，吸嘴可以接觸送料器，從應變儀輸出數據中得到額定撿拾高度。通過連續監測應變儀輸出，可以迅速檢測到條帶厚度的后續變化，然后優化撿拾高度。

貼裝頭上傳感技術可以實現響應能力更強、更加靈敏的適應性高度控制功能，但缺點是為塔式貼裝的每個吸嘴實現這種傳感能力的成本很高。徑向貼裝頭技術的出現在這方面實現了重大突破。

徑向貼裝頭與吸嘴設計

徑向貼裝頭不僅提供了塔式貼裝頭高速可靠地撿拾0201元器件的適應能力，還提供了直插貼裝頭支持廣泛元器件的靈活貼裝精度。可以設計一個多吸嘴徑向貼裝頭，其中只有一個Z驅動機制，從而提供經濟、快速、精確的解決方案，貼裝從0201（或更小）直到大型精細間距QFP半導體器件的各種元器件。

例如，環球儀器公司的徑向Lightning閃電貼裝頭有30個吸嘴，同時使用單一的Z驅動和傳感機制實現了連續監測和優化Z高度的能力，可以執行雙功能操作，同時調節撿拾高度和電路板高度。

在生產過程中，還會出現必須提前考慮置放和貼裝0201元器件時的真空生成和反轉問題。一般說來，真空路徑越短，置放和貼裝響應速度越快。真空路徑是指真空閥和吸嘴之間的距離，真空路徑越長，磁滯效應就會越多地降慢吸嘴上的真空應用和去除速度，要求貼裝頭保持穩定的時間也就越長，以保證在撿拾和貼裝過程中及時隔離元器件。新型設計采用高速真空閥和非常短的真空路徑，如果設備廠商要繼續提高撿拾和貼裝速度，那么必須采用新型設計。

這一規則基本上與元器件的尺寸無關，因此不僅僅限于0201元器件。然而在0201的特例中，元器件高度很低會導致吸嘴太過接近送料器條帶及電路板表面。考慮到這一點，快速運動和響應的真空方案不僅可以支持高速操作，還可以防止把碎屑和焊膏帶入真空系統中。在0201元器件觸地時，經驗表明，很小的靜電之類的效應也足可以使器件不能與吸嘴分開。響應快、快速動作的真空路徑可以臨時反轉真空，在短時間內應用分離力，協助把器件與吸嘴分開，同時快速動作的真空閥則保證了在分離過程中不會使焊膏發生轉移。

由于吸嘴和電路板表面非常接近，因此最好嚴格控制這一力量的幅度和時長，防止附近焊盤位置散出焊膏。在處理0201元器件時，粘在吸嘴上面的焊膏和其它殘骸可能會在各個元器件位置帶來電路板污染，進而可能會導致焊接效果差或橋接失效。這些問題可能只會在目視檢查或在線測試之后才會發現，有時甚至可能檢測不到，導致有問題的線路板流出生產車間。

通過徑向Lightning閃電貼裝頭，環球儀器公司把真空生成技術集成到軸中，保證從吸嘴到末尾的真空路徑總長度低于50mm，從而可以在不到2 ms時間內開關真空。定制設計的真空閥可以迅速反轉真空，生成簡單的驅逐力，把元器件與吸嘴分開。真空管快速動作及很短的真空路徑是實現這一技術的關鍵，應用這一技術，不會擾亂電路板上已經印刷好的焊膏。同時，吸嘴附近使用響應快的真空，意味著也可以使用同一貼裝頭撿拾和貼裝超大型元器件，而不必降低貼裝機速度，保證元器件一直固定在吸嘴上。

0201貼裝設備需要提高能效

鑒于器件本身尺寸很小，雖然可以使用傳統撿拾和貼裝運動控制功能貼裝0201元器件。但是，為使0201元器件在各種電子市場上實現全部潛力，組裝設備必須升級，實現與傳統大型元器件同樣的速度和同樣的成品率置放和貼裝0201元器件。此外，組裝廠商還必須能夠在電路板上的任何地方完全自由地貼裝0201元器件，在更廣泛的應用中實現0201節約空間的優勢，包括高性能背板這樣的高價值組裝應用。

0201組件目前步入主流，盡管其小兄弟01005元器件已經出現。然而 0201制造不再是極具挑戰性、極其苛刻的工作，其需求量的提高應該會推動生產量提高。但是，保證無差錯組裝0201元器件的前提是，所有貼裝機都能夠處理小型器件，同時能夠輕松處理相關的大型器件。隨著0201元器件變得更加流行，電路板組裝廠商如果希望獲得保持競爭優勢所需的速度和成品率，就需要考慮和考察貼裝設備解決方案中的各種因素。