在過(guò)去十年中，隨著各種便攜設(shè)備的相繼推出， 如移動(dòng)電話、PDA、MP3和GPS等，以及結(jié)合 了更多電子技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備，如起搏器或助聽器等，我們的生活發(fā)生著巨大的變化。這些設(shè)備在更小的 封裝里集成了越來(lái)越多的功能，滿足了我們對(duì)于性能和舒 適度日益增長(zhǎng)的需求。
在這樣的環(huán)境下，電子行業(yè)必須開發(fā)各種與之相適應(yīng) 的新的PCB（印刷電路板）以整合到這些產(chǎn)品中。開發(fā)小之 又小的PCB有很長(zhǎng)的路要走，這需要最小的元器件。而這些 元器件中，最小的01005元件封裝顯著節(jié)省了PCB的空間和 重量。
01005元件最初主要用于醫(yī)療應(yīng)用，它們更注重尺寸 大小，而不是成本。而現(xiàn)在，不僅實(shí)現(xiàn)了01005元件的規(guī)?；a(chǎn)，其成本也大大降低，并且被廣泛應(yīng)用于許多 消費(fèi)電子產(chǎn)品。和01005最為接近的0201元件，大小是01005的2.25倍，而01005則比0201貴約25倍。現(xiàn)在，人們 對(duì)01005元件更有興趣，因?yàn)槠鋬r(jià)格已相對(duì)于其推出以來(lái)下降了4倍。
我們用肉眼幾乎看不見01005元件，它只有0.2×0.4mm 大小，重量只有0.004毫克；它對(duì)組裝是真正的挑戰(zhàn)。合格 的制造廠有能力組裝包含有01005無(wú)源元件的PCB，但面臨 諸多的困難。由于元件非常小，組裝過(guò)程讓人頭痛不已，且它幾乎不可能返修。
AOI 策略
現(xiàn)在，沒有必要再次證明AOI對(duì)SMT生產(chǎn)線的好處。這 些系統(tǒng)的投資回報(bào)率（ROI）目前已被多數(shù)PCB生產(chǎn)商的實(shí)踐充分證明。在人工檢驗(yàn)極其困難，而返修也是不太可能 的情況下，AOI成為在01005組裝過(guò)程中非常必要的一環(huán)，能為最終產(chǎn)品帶來(lái)真正的附加值。AOI在標(biāo)準(zhǔn)SMT生產(chǎn)線最 優(yōu)使用，就是將設(shè)備放在生產(chǎn)過(guò)程中盡可能早的階段。缺 陷發(fā)現(xiàn)越早，那么返修費(fèi)用越少。
由于01005元件的返修是不太可能的，在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線上 選擇AOI放置的位置需要適應(yīng)01005元件檢查的需要，重在預(yù)防，而不是發(fā)現(xiàn)，及早發(fā)現(xiàn)缺陷是非常重要的。印刷后 的SPI和爐前AOI都放在生產(chǎn)流程的前期階段，以使工藝控制快速、精確，做到過(guò)程控制而不僅是過(guò)程檢查。然而， 正如01005元件對(duì)于回流焊的設(shè)置更為敏感，回流焊后的檢查有助于生產(chǎn)線在質(zhì)量和成本方面獲得最好的表現(xiàn)。
前面強(qiáng)調(diào)過(guò)，橋接、偏移和立碑是最常見的01005元件的缺陷類型。此外，圖6顯示01005元件的缺陷，通常 有49％是在印刷過(guò)程中產(chǎn)生，43％是在回流焊時(shí)產(chǎn)生。顯然，這表明將AOI（SPI）放到印刷后，有利于在生產(chǎn)過(guò)程 中盡可能早地發(fā)現(xiàn)印刷缺陷。在這一階段，PCB可以清潔并重新印刷，且印刷參數(shù)可實(shí)時(shí)調(diào)整。
焊膏檢查設(shè)備提供兩種不同方法，二維或三維。二 維檢查能夠很好地提供焊盤上焊膏覆蓋率和焊膏位置的信息。三維檢查則增加了高度、體積和形狀測(cè)量能力，為 01005元件工藝提供更精確的數(shù)據(jù)。三維SPI是用于在批量生產(chǎn)中的過(guò)程監(jiān)控，例如，網(wǎng)板清洗頻率。在NPI（新產(chǎn)品 導(dǎo)入）階段，它對(duì)優(yōu)化模板印刷參數(shù)有很大幫助。
爐前AOI是非常重要的，再次提醒，返修是不可能的。 一些研究表明，使用小顆粒焊粉的01005元件在回流焊時(shí) 具有自對(duì)中效應(yīng)。一些被檢查到偏差小于0.050mm的片式元件或電阻，在組裝生產(chǎn)線末端發(fā)現(xiàn)被正確貼裝和焊接。 即使觀察到這一自對(duì)中效應(yīng)，它不能被認(rèn)為是一個(gè)常態(tài)的工藝條件。對(duì)于一個(gè)受控的過(guò)程，貼片機(jī)必須準(zhǔn)確地貼裝01005元件在焊盤上。
因此，爐前AOI在精確定位上發(fā)揮了根本性作用，因?yàn)?它可反映貼片機(jī)XY方向的相關(guān)數(shù)據(jù)和角度偏差。事實(shí)上，在SPI和AOI系統(tǒng)中集成了強(qiáng)大的實(shí)時(shí)SPC，這是實(shí)行這個(gè) 過(guò)程控制策略的核心。SPC必須記錄準(zhǔn)確的元件貼裝偏差，并進(jìn)行趨勢(shì)分析，以指出潛在的缺陷。
理想狀況下，AOI會(huì)自動(dòng)生成警報(bào)并反饋給貼片機(jī)以實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，從而修改貼片機(jī)設(shè)置。因?yàn)闇?zhǔn)確貼裝這些元 器件的工藝窗口非常小，所以這個(gè)由AOI與貼片機(jī)組成的閉 環(huán)系統(tǒng)為貼裝如此小的元件提供了很大幫助。
爐后AOI是必要的，它能保證01005生產(chǎn)線最終產(chǎn)品質(zhì) 量，并確保充分識(shí)別在回流過(guò)程中造成的缺陷（通常是與焊點(diǎn)有關(guān)的缺陷）。爐后AOI確保這些目檢不可能發(fā)現(xiàn)的缺 陷沒有被遺漏。AOI可以檢查到偏移或虛焊這樣的缺陷，因?yàn)樗鼈兊碾姎膺B續(xù)性可能仍然存在，而被ICT（在線測(cè)試）遺漏。
基于上述原因，01005生產(chǎn)線AOI最佳策略是使用多個(gè) AOI，即作為過(guò)程監(jiān)測(cè)工具的印刷后SPI和爐前AOI，以及確保最終產(chǎn)品質(zhì)量的爐后AOI。01005返修即使不是不可能也 是非常困難的，所以節(jié)約生產(chǎn)成本的唯一途徑是，徹底分析整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程改善工藝，從而防止缺陷產(chǎn)生。
將上游SPI/AOI和爐后AOI獲取的數(shù)據(jù)整合到SPC里是非常有用的，這可以確定最后的缺陷和早期工藝參數(shù)之間 的關(guān)系，并改善工藝。因此，每個(gè)有強(qiáng)大SPC工具的多種AOI，可以在制造過(guò)程中追溯到每個(gè)元器件的缺陷，這使得 制造商知道在哪個(gè)工藝過(guò)程中造成的缺陷，并就此采取糾 正行動(dòng)。
例如，當(dāng)爐后AOI檢查到偏移元器件，根據(jù)來(lái)自多臺(tái) AOI的SPC實(shí)際數(shù)據(jù)，可以追溯到這一缺陷是由于焊膏印刷 偏移，或貼裝偏移，甚至由于這些過(guò)程因素結(jié)合造成。通 過(guò)確定問(wèn)題，馬上采取糾正行動(dòng)讓工藝受控。
當(dāng)建立缺陷產(chǎn)生過(guò)程模型，實(shí)時(shí)SPC與缺陷預(yù)警在持 續(xù)自我改進(jìn)中使用更有效。同樣這可以適用于沒有01005元 件的過(guò)程。事實(shí)上，當(dāng)返修不太可能和生產(chǎn)設(shè)置如此嚴(yán)格，這一策略變得更加至關(guān)重要。
AOI的挑戰(zhàn)
使用01005元件不僅對(duì)SMT生產(chǎn)線的不同設(shè)備產(chǎn)生影 響，還影響AOI系統(tǒng)，因?yàn)樗m應(yīng)這些微型封裝，并提供良好的能力來(lái)定位元器件和發(fā)現(xiàn)缺陷。檢查設(shè)備是否有測(cè)試01005的能力，要看以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：
• 放大倍數(shù)/速度
通常情況下，AOI系統(tǒng)要求有更高分辨率才能測(cè)試 01005。PCB制造商普遍需要降低產(chǎn)品的成本，意味著生產(chǎn) 線的速度加快，AOI需要運(yùn)行更快才能不成為生產(chǎn)線的瓶 頸。這兩項(xiàng)要求相互沖突，給AOI系統(tǒng)設(shè)計(jì)師一個(gè)進(jìn)退兩難 的選擇。
許多公司正使用基本像素大小通常約為7微米的圖像探 測(cè)器。像素大小取決于物鏡使用的放大倍數(shù)。對(duì)于相同的探 測(cè)器，更小像素尺寸和更小的FOV（視野范圍），需要更長(zhǎng) 的檢查時(shí)間。
換句話說(shuō)，放大倍數(shù)會(huì)影響設(shè)備的產(chǎn)量。如果像素大小 降到能更準(zhǔn)確地檢查01005元件，由于更小的FOV，通常會(huì) 降低設(shè)備的產(chǎn)能。如果AOI系統(tǒng)嘗試通過(guò)降低像素大小來(lái)足 于測(cè)試01005元件，這樣對(duì)大元器件的檢查能力過(guò)剩，影響產(chǎn)量。
下面是供應(yīng)商解決這一難題通常采用的幾種辦法和問(wèn)題 所在：
1、一些供應(yīng)商試圖使像素大小可調(diào)，這種方法要求在 整個(gè)檢查過(guò)程中所選擇的像素保持不變，如需調(diào)整像素大小 將需硬件改動(dòng)，這將影響整體產(chǎn)量；
2、一些供應(yīng)商甚至想出在一個(gè)測(cè)試過(guò)程中像素大小可 變化。乍一看這不會(huì)浪費(fèi)檢查時(shí)間，而事實(shí)上檢查時(shí)間卻增加了很多，尤其那些有分散小元器件的PCB板。這種方法通常依賴于機(jī)械切換系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)可重復(fù)性下降的風(fēng)險(xiǎn)；
3、一些制造商建議使用多個(gè)不同放大倍率相機(jī)。他們 可以在一個(gè)測(cè)試過(guò)程中通過(guò)編程改變分辨率。這樣，只有當(dāng) 需要時(shí)才會(huì)使用更高分辨率相機(jī)，這減少對(duì)測(cè)試時(shí)間的影 響。然而，檢查時(shí)間延遲多少取決于有多少小元器件分散在 PCB上；
4、還有一些供應(yīng)商選擇是使用高像素的照相機(jī)。這種 做法使分辨率可選，但保持了相同F(xiàn)OV。在高分辨率的模式下，它使用了更多的像素?cái)?shù)量，以獲得同樣FOV，而在低分 辨率模式下，相同的FOV使用較少的像素?cái)?shù)。然而，高分辨率模式下需要更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間。此外，也可能存在相機(jī)相互 兼容性的問(wèn)題。
ViTechnology采用了先進(jìn)的解決方案——亞像素矢量成像。它的關(guān)鍵是，并不完全依賴像素大小。亞像素技術(shù) 用比普通像素網(wǎng)格更高的分辨率來(lái)檢查目標(biāo)特征，它可以應(yīng)用于元器件位置和焊點(diǎn)檢查。強(qiáng)大的算法計(jì)算測(cè)試區(qū)的 每個(gè)像素精確值，并返回一個(gè)值，使其能夠精確地進(jìn)行焊點(diǎn)分析。這種做法，并不需要AOI為測(cè)量01005元件使用不 同像素，因此無(wú)需平衡放大率和設(shè)備產(chǎn)出。
• 準(zhǔn)確性
AOI在檢查01005元件時(shí)準(zhǔn)確性明顯變得更重要。為了 盡量減少誤判，AOI系統(tǒng)必須能夠非常精確地找到位置，這需要使用小而準(zhǔn)確的搜索窗口。檢查焊點(diǎn)時(shí)，AOI系統(tǒng)必 須有足夠智能，根據(jù)測(cè)量元器件位置來(lái)定位焊點(diǎn)搜索框。ViTechnology利用高精度的線性位置編碼器，加上靈活的算 法定位元器件，來(lái)確保這一精度等級(jí)的相機(jī)定位。有幾部件和軟件幫助高精度AOI可靠地檢查01005元件：
1、軸 線性馬達(dá)與高分辨率光學(xué)編碼器帶來(lái)能使照相機(jī) FOV中心移動(dòng)到精確位置，然后測(cè)量元件位置偏差的所需的 精度。軸必須安裝在一個(gè)穩(wěn)定的框架上，以確保一致性。
2、鏡頭質(zhì)量 即使FOV中心放在精確的位置，如果光學(xué)系統(tǒng)包括太 多失真的圖像，也不會(huì)檢查準(zhǔn)確。由于大多數(shù)的AOI系統(tǒng)采用了最大FOV為01005元件檢查，以最大限度地提高檢查 速度，越來(lái)越多的系統(tǒng)已開始使用低失真鏡頭，試圖解決 FOV里的圖像問(wèn)題。
我們必須認(rèn)識(shí)到， 商用遠(yuǎn)心鏡頭是不足以檢查 01005的。遠(yuǎn)心在度量衡學(xué)中一重要特性是，不管目標(biāo)在FOV里的位置，甚至當(dāng)距離受某種未知變化影響，如 印制電路板翹曲或膨脹， 都可以確定其的確切大小。ViTechnology使用定制的最先進(jìn)的遠(yuǎn)心鏡頭，擁有最小失真（圖13 ），優(yōu)于商用遠(yuǎn)心鏡頭10至20倍。
結(jié)論
生產(chǎn)中使用01005元件的狀況將穩(wěn)步增長(zhǎng)。這些小封 裝元件組裝的所有步驟必須優(yōu)化：從電路板設(shè)計(jì)，到元件貼裝到回流工藝。使用01005元件對(duì)AOI也是挑戰(zhàn)，但技術(shù) 上已準(zhǔn)備到位且可應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)精確定位和可靠的缺陷檢查。由于視覺檢查和返工不可能發(fā)現(xiàn)和返修這些非常小的 組件，AOI不再是SMT生產(chǎn)線的一個(gè)可選項(xiàng)，它已成為絕對(duì) 必要的配置。
理想的情況是在每個(gè)SMT生產(chǎn)線的基本工藝環(huán)節(jié)后放 置AOI：印刷后和爐前作為一個(gè)過(guò)程控制的工具和爐后作為質(zhì)量保證。為確?？煽啃裕珹OI系統(tǒng)必須是最高性能并配備 功能強(qiáng)大的解決方案，以克服對(duì)檢查的精確性和產(chǎn)量的影響，并有能力提供可靠的數(shù)據(jù)，以控制和改善01005工藝。
隨著01005元件出現(xiàn)，它已不能滿足于只用圖像相關(guān)性 發(fā)現(xiàn)缺陷，這并不作為一種解決方案，可以適應(yīng)生產(chǎn)線在 速度和精確性兩方面的需求。結(jié)合先進(jìn)的算法與高性能的 光學(xué)元件和可靠的硬件是唯一的AOI解決方案，可以使我們對(duì)01005工藝有很好的預(yù)期。
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工藝挑戰(zhàn)
01005元件自從21世紀(jì)初推出以來(lái)，一直是許多 PCB制造商的研究重點(diǎn)，他們通過(guò)PCB設(shè)計(jì)、焊膏工 藝、貼裝和回流焊來(lái)找到適當(dāng)?shù)墓に囋O(shè)置。SMT生產(chǎn)線 的許多重要參數(shù)都必須控制得更為嚴(yán)格，以保證01005 元件組裝過(guò)程的穩(wěn)定可行。
• PCB 設(shè)計(jì)
電路板設(shè)計(jì)是首先要優(yōu)化的，其目標(biāo)是在不犧牲成 品率的前提下，減少PCB板上組裝區(qū)域。特別要注意焊盤的類型、尺寸以及兩個(gè)元器件之間的最小間隙。了解 焊盤類型將對(duì)01005元件組裝時(shí)的印刷、貼裝和回流過(guò)程產(chǎn)生重大影響，所以必須小心選擇焊盤類型。如今， 有3種不同類型的焊盤可以使用：
1. NSMD焊盤（非阻焊膜定義）：廣泛用于表面貼 裝技術(shù)，阻焊空隙大于金屬焊盤。焊膏可以包裹在金屬 焊盤周圍；
2. SMD焊盤（阻焊膜定義）：用于銅箔在阻焊層下 面延伸的小封裝形式；
3. 半SMD焊盤：上述兩種焊盤結(jié)合，能使模板壓在 阻焊層上并固定這兩部分。
優(yōu)化焊盤尺寸與元 器件間的最小間隔，對(duì)于 避免回流焊后的焊料橋接 很重要。間隙（或2個(gè)焊 盤之間的距離）被認(rèn)為是 一個(gè)在回流焊后形成立碑 的關(guān)鍵因素，通常是小于0.150mm。
• PCB 制作
在PCB制作階段，焊盤的鍍層必須堅(jiān)固以避免回流焊 后的缺陷產(chǎn)生。焊盤上有阻焊也是產(chǎn)生橋接的一個(gè)根本原 因，同樣這將導(dǎo)致元器件焊點(diǎn)上焊錫過(guò)量。
• 焊膏工藝
研究表明，總?cè)毕葜写蠹s一半缺陷（49%）由印刷 這個(gè)工序引起，其中包括大多數(shù)的焊料橋接、焊料不足或 過(guò)多。需要特別注意不同關(guān)鍵因素在印刷過(guò)程中的相互作 用，以避免缺陷的產(chǎn)生。
第一項(xiàng)挑戰(zhàn)在于定義模板，最優(yōu)的模板厚度可使元器 件無(wú)論是小型還是大型封裝都能在同一PCB上正確組裝。許多研究得出的結(jié)論是，75μm厚度是貼裝01005元件和 準(zhǔn)確使用焊膏量實(shí)現(xiàn)可靠焊接的最優(yōu)厚度。為了保證在印刷過(guò)程中的一致性，建議使用電鑄模板，它有最光滑的孔 壁，因而產(chǎn)生更好的焊膏釋放率。
焊膏本身對(duì)回流焊后的缺陷形成也有很大的影響。建議使用具有良好印刷性和顆粒足夠細(xì)的焊膏，如4號(hào)或5號(hào) 粉（焊料球平均分別為0.031mm和0.018mm）；遵循5個(gè)焊料球填滿最小的模板開口的規(guī)則。使用小顆粒焊粉還能 在回流焊過(guò)程中增強(qiáng)自對(duì)中效應(yīng)，以減少偏移缺陷。模板印刷參數(shù)（速度、壓力和分離速度），以及清潔 頻率在01005元件組裝時(shí)也至關(guān)重要。它們可以導(dǎo)致更高的堵孔風(fēng)險(xiǎn)，造成焊料不足；另外，模板上的焊膏和助焊 劑殘留物，會(huì)造成橋接或多錫。
使用自動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于印刷過(guò)程的控制是非常重要 的。完全的焊膏檢查（SPI）提供相關(guān)信息來(lái)解決印刷 中的問(wèn)題，以穩(wěn)定印刷過(guò)程，并確保焊膏正確地印刷在 PCB上。SPI在檢查到缺陷時(shí)發(fā)出警告，它是組裝01005元件時(shí)重要的過(guò)程控制工具。
• 元件貼裝工藝
除此以外，還必須仔細(xì)考慮貼裝系統(tǒng)的選擇。準(zhǔn) 確性和重復(fù)性是在只有兩倍電極長(zhǎng)度的焊盤上成功貼裝 01005元件的兩個(gè)關(guān)鍵因素。
為消除貼裝過(guò)程中的缺陷，控制元器件貼裝條件至關(guān) 重要。只有當(dāng)元器件的質(zhì)量和尺寸都在控制之內(nèi)，且有高質(zhì)量的編帶和經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的喂料器，元器件才能被有效地拾 取。調(diào)節(jié)元器件位置將減少側(cè)立和翻轉(zhuǎn)等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。為了獲得所需的準(zhǔn)確性，貼片機(jī)都配有視覺系統(tǒng)來(lái)確認(rèn)吸嘴 接觸的元器件位置。這種驗(yàn)證方法的局限是，它只是在元器件被吸嘴吸上來(lái)時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，而不能驗(yàn)證元器件放到焊 盤上的最終位置。這就是為什么爐前AOI是如此重要。爐前AOI不僅能控制元件的貼裝位置，它還能分析趨勢(shì)和預(yù) 防缺陷產(chǎn)生。有了實(shí)時(shí)SPC分析，AOI能夠發(fā)出預(yù)警，使 過(guò)程受控。
一些貼片機(jī)也可以確保在拾取后和貼裝前沒有元器件 丟失，因此可以減少缺件缺陷的發(fā)生。由于01005元件非 常小，重量也很輕，需要小心控制施加在元件上的壓力， 以避免元件開裂。
在貼裝01005元件時(shí)，應(yīng)保持PCB的平整以減少振 動(dòng)，避免元件發(fā)生偏移。雖然在回流焊過(guò)程中產(chǎn)生自 對(duì)中效應(yīng)，但是在貼裝01005元件時(shí)，如果偏移量大于0.05mm，會(huì)在爐后產(chǎn)生偏移缺陷。
• 回流焊工藝
回流焊是最后一個(gè)會(huì)導(dǎo)致01005元件在組裝過(guò)程中形 成缺陷的因素，它導(dǎo)致的缺陷約占全部缺陷的43%。這一過(guò)程的挑戰(zhàn)是建立和保持最佳的爐溫曲線，從而使不同 大小的元器件在同一時(shí)間都能達(dá)到需要的溫度。建議小型元器件在回流焊時(shí)采用氮?dú)猸h(huán)境，以達(dá)到可接受的焊點(diǎn)質(zhì) 量。氮?dú)獾膬?yōu)點(diǎn)是，可以減少氧化，特別在使用無(wú)鉛焊膏時(shí)普遍采用。對(duì)于采用空氣的回流焊爐，必須認(rèn)真調(diào)整爐 溫曲線以適應(yīng)01005元件，但可能導(dǎo)致處理大型元器件更 加困難。
發(fā)生在回流焊過(guò)程中的缺陷多數(shù)為立碑和偏移。立 碑是指元器件完全立起，而元器件偏移是指元器件一邊完 全焊接而另一邊沒有完全焊在焊盤上。這些缺陷在爐后AOI很容易地辨別出來(lái)，它能提供精確的焊點(diǎn)分析。如前 所述，回流焊時(shí)的自對(duì)中效應(yīng)對(duì)01005元件組裝具有有利作用，即使使用無(wú)鉛焊料也是如此。不幸的是，它有局限性，并不會(huì)消除所有偏移缺陷。
• 返修
由于01005元件非常小，要在回流焊前做一些調(diào)整是 絕對(duì)不可能的。而回流焊后的返修也是不太可能的，而且返修成本非常昂貴。與元器件相比，烙鐵頭尺寸明顯過(guò) 大，不能退錫，而且很難達(dá)到安全的導(dǎo)熱接觸；必須在顯微鏡下完成整個(gè)操作過(guò)程，而且這會(huì)對(duì)其它元器件或焊盤 造成危險(xiǎn)。這就是為什么在組裝01005元件時(shí)，需要更嚴(yán)格的工藝控制，只有在使用AOI的情況下，才能實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化，以保證產(chǎn)品最終質(zhì)量。
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參考資料：
Process optimization of an 01005 by Peter Grundy and Mats Magnell. (2006)
關(guān)于作者
Cathy Combet 和 Ming-Ming Chang是法國(guó)ViTechnology的產(chǎn)品經(jīng)理。郵箱分別是：CCombet@vitechnology.com；MMChang@vitechnology.com。
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