1 概述
電子產品高密度、高效能、高可靠性、低成本的持續需求，驅動著組裝工藝技術不斷向微型化、密間距方向發展。0201元件在體積和重量上比0402小75%，佔用板面空間小66%；在高頻應用場合，0201電容的等效串聯電阻(ESR)和阻抗較低，比0402效能更優；電介質層的厚度減小及層數增多使0201電容的容值範圍和0402電容相同。片式器件是電子產品中使用數量最多的元件，用0201片式器件可以大大降低電子產品的尺寸、重量和體積。目前大多數手機制造商已把0201實施到其最新的設計中,許多多晶片模組(MCM, multi-chip module)中也使用0201技術，以減少產品總體尺寸，提高產品效能與市場競爭力。
2 關鍵因素分析
0201器件長寬尺寸為0.60mm*0.30mm，是目前可實用的最小的片式器件，組裝影響因素多，組裝難度大，工藝視窗小，主要缺陷主要是立碑、其次是連錫及錫珠，如圖1：
圖1 0201連錫與立碑缺陷
片式器件立碑的根本原因是焊接時器件兩端的受力不平衡，一端所受的力大於器件本身的重力與另一端的拉力，從而將器件另一端拉離焊盤。影響0201組裝質量的因素很多，如器件焊端一致性、器件可焊性、器件與料帶配合、焊盤及鋼網設計、錫膏效能、印刷精度、元件貼放精度、迴流引數等，每方面又可能有多個影響因素，主要影響因素分析如圖2：
圖2 0201缺陷要因分析
本專案在業界研究成果基礎上，對器件質量、焊盤與鋼網設計、印刷、貼片、迴流、返修等主要因素進行試驗驗證研究。
3 試驗設計
*焊盤設計：綜合業界研究成果，設計了五種焊盤方案進行試驗。
*片式元件種類：0201電阻、0201電容，Matte Tin無鉛鍍層（業界主流的表面可焊性鍍層）廠家：0201片容－P、T兩個廠家；0201片阻－P、K兩個廠家
*0201焊盤邊緣間距：8、10、12、16mil ；
*0201元件方向：0°、45°、90°、135°；
*0201與其它大片式元件焊盤邊緣間距：主要考察0201佈置在0402、0603、0805、1206周圍時的相互影響程度。0201與這些器件的間距（焊盤邊緣距離）為8、10、12、16mi ；
*PCB：（材料：FR-4；尺寸：160x105x1.0mm；PCB表面處理：ENIG、OSP）；
*鋼網：厚度5mil（鐳射切割＋電拋光）；
*錫膏：錫鉛共晶；Type III ；
*迴流焊氣氛：空氣；
試驗板如下圖3：
圖3 PCB設計佈局
4 試驗過程
4.1 PCB與鋼網製作質量檢測
組裝試驗前利用三座標測量儀對PCB和鋼網進行尺寸精度與位置精度檢測，資料分析表明焊盤尺寸誤差在+/2mil以內，位置誤差在+/-1mil以內，鋼網尺寸誤差與位置誤差在+/-1mil以內。
4.2 器件及料帶評估
其後利用三座標測量儀對 P 廠家 0201電阻、電容及 K 廠家電阻及其料帶進行了測量評估，主要評估了器件尺寸與焊端質量、器件與料帶的配合、器件上端平整度等方面，發現在 P 廠家電阻器件形狀不規則，且焊端尺寸差異較大，如圖4(見100頁)。這會影響到貼片時的識別與吸取，從而影響到貼片質量與焊接質量。
圖4 P廠家電阻形貌
4.3 焊盤篩選試驗
本試驗採用西門子HS50貼片機、0201吸嘴（906型）、經校準的0402/0201專用飛達（3*8，金色）、0201專用相機與感測器，在試驗前對印刷機和貼片機進行精度校準。迴流曲線設定如下圖5有鉛錫膏空氣中迴流）：
圖5 0201組裝試驗迴流曲線
本階段組裝了27pcs單板53865個0201元件，貼裝可靠性達到99.8％。透過人工與AOI檢測統計共101個缺陷，其中77個為立碑，其他為貼片偏移導致的開焊，未發生橋接缺陷。組裝過程中發現，P 廠家電阻的拋料率與焊接缺陷都相對較高，這應與前期評估的器件質量有關。AOI檢測過程與結果表明，AOI可以對0201片式器件的漏貼、飛料、立碑以及貼偏缺陷進行有效測試，但由於0201焊點太小（甚至不可見），故不能對焊點質量進行測試（如：開焊，少錫等）。缺陷分佈見表1 ：
表1 焊盤篩選試驗缺陷統計
從表1得知，焊盤方案C的缺陷最高，而焊盤方案D在90度方向缺陷相對最多，故排除這兩個方案；方案E在90度方向缺陷相對較多；而焊盤方案A與B的差別在於方案B的焊盤寬度比方案A的大3mil，而缺陷率相差不大。考慮到佔地面積小的焊盤方案在佈局方面更有優勢，故篩選出方案A進行下一步工藝視窗試驗（其綜合DPMO為14/（395*27×4＋27）=328ppm）。
4.4 工藝視窗試驗
4.4.1 印錫視窗試驗
選取印刷偏位作為主要因素，採用二因子二水平DOE試驗，見表2：
表2 印錫視窗試驗因素選擇
首先採用試驗方案設計的X方向偏移4mil，Y方向偏移0mil進行試驗，缺陷（立碑）比率太高，逐步調整至高水平設定為1.5mil，用於後續試驗結果分析。
焊盤設計A方案的DOE試驗結果見表3 ：
表3 印錫視窗試驗缺陷統計
顯著影響因素分析如圖6 ：
圖6 印刷偏位顯著因素分析圖
從上圖可知，X方向印刷偏移是影響組裝缺陷（立碑）的顯著影響因素，Y方向印刷偏移影響不如X方向偏移顯著，X方向偏移量的大小會直接導致元件兩個焊端焊料潤溼力矩差異較大，其對試驗結果缺陷的影響較為明顯。
印刷偏位與缺陷等高線分佈圖如圖7：
圖7 陷等高線分佈圖
初定可接受的DPMO目標值為500ppm，綜合上圖資料可得印刷偏位工藝視窗為：
* X方向偏位≤0.5mil/13um，Y方向偏位≤0.8mil/20um ；
4.4.2 貼片視窗試驗
選取貼片偏位作為主要試驗因素，DOE試驗設計見表4 ：
表4 貼片視窗試驗因素選擇
焊盤設計A方案的DOE試驗結果見表5：
表5 貼片視窗試驗缺陷統計
顯著影響因素分析如圖8 ：
圖8 貼片因素分析圖
從下圖可知，X方向偏移接近顯著影響因素（P值是0.1），角度和Y方向偏移其次，X方向偏移量的大小會直接導致元件兩個焊端焊料潤溼力矩差異較大，其對試驗結果缺陷的影響較為明顯。
貼片偏位與缺陷等高線分佈圖如圖9：
圖9 缺陷等高線分佈圖
初定可接受的DPMO目標值為300ppm，綜合上圖資料可得貼片偏位工藝視窗為：
* 當角度偏移≤15度時，X方向偏位≤2.5mil/63um，Y方向偏位≤2.6mil/66um。
4.4.3 迴流視窗試驗
對迴流曲線，進行工藝引數試驗，試驗組合見表6 ：
表6 迴流視窗試驗因素選擇
從上圖可知，均熱溫度對迴流焊後的缺陷影響比較大。試驗時與RTS迴流焊曲線進行了對比，缺陷比率相差近3倍。說明較高的迴流焊均熱溫度和較長的均熱時間對改善立碑缺陷有積極作用。
根據缺陷主因素分析圖如圖10 ：
圖10 迴流焊接主因素分析圖
4.4.4 返修試驗
針對立碑缺陷採用通用的烙鐵進行返修試驗，採用烙鐵尖直徑較小的烙鐵可完成返修，但返修的難度遠大於0402。由於烙鐵尖比較細，返修過程容易氧化，需要經常加錫防止氧化和去掉被氧化的氧化膜。由於0201元件較小，可以藉助5～10倍放大鏡進行返修。返修後的焊點外觀在放大鏡下觀察不如正常焊接平整，但可以接受，如圖11。
圖11 0201返修後照片
5 產品應用
根據試驗結果，在 W模組上進行了試用，組裝了8塊試驗板，每塊板上60個0201器件，無任何缺陷；
隨後將一塊手機板上的所有0402器件焊盤庫用0201焊盤庫替代，每塊板上410個0201器件，生產了20塊板，僅一個立碑缺陷（該缺陷是由於操作員認為有些偏位，用鑷子撥後對錫膏造成干擾從而導致立碑），即使算入缺陷，綜合DPMO仍達到30ppm的水平。
6 結論
透過0201元件組裝工藝研究及產品應用結果表明，已具備0201元件的組裝工藝能力，可逐步推廣應用。0201元件貼片拾取可靠性大於99.8％，組裝試驗焊端綜合DPMO在500ppm以下，產品實際應用的綜合DPMO低於30ppm。焊後缺陷主要為立碑和開焊，需要重點監控元件質量、貼片吸嘴的定期保養、飛達的維護校準，印刷、貼片工藝引數過程控制等要素。
1 概述
電子產品高密度、高效能、高可靠性、低成本的持續需求，驅動著組裝工藝技術不斷向微型化、密間距方向發展。0201元件在體積和重量上比0402小75%，佔用板面空間小66%；在高頻應用場合，0201電容的等效串聯電阻(ESR)和阻抗較低，比0402效能更優；電介質層的厚度減小及層數增多使0201電容的容值範圍和0402電容相同。片式器件是電子產品中使用數量最多的元件，用0201片式器件可以大大降低電子產品的尺寸、重量和體積。目前大多數手機制造商已把0201實施到其最新的設計中,許多多晶片模組(MCM, multi-chip module)中也使用0201技術，以減少產品總體尺寸，提高產品效能與市場競爭力。
2 關鍵因素分析
0201器件長寬尺寸為0.60mm*0.30mm，是目前可實用的最小的片式器件，組裝影響因素多，組裝難度大，工藝視窗小，主要缺陷主要是立碑、其次是連錫及錫珠，如圖1：
圖1 0201連錫與立碑缺陷
片式器件立碑的根本原因是焊接時器件兩端的受力不平衡，一端所受的力大於器件本身的重力與另一端的拉力，從而將器件另一端拉離焊盤。影響0201組裝質量的因素很多，如器件焊端一致性、器件可焊性、器件與料帶配合、焊盤及鋼網設計、錫膏效能、印刷精度、元件貼放精度、迴流引數等，每方面又可能有多個影響因素，主要影響因素分析如圖2：
圖2 0201缺陷要因分析
本專案在業界研究成果基礎上，對器件質量、焊盤與鋼網設計、印刷、貼片、迴流、返修等主要因素進行試驗驗證研究。
3 試驗設計
*焊盤設計：綜合業界研究成果，設計了五種焊盤方案進行試驗。
*片式元件種類：0201電阻、0201電容，Matte Tin無鉛鍍層（業界主流的表面可焊性鍍層）廠家：0201片容－P、T兩個廠家；0201片阻－P、K兩個廠家
*0201焊盤邊緣間距：8、10、12、16mil ；
*0201元件方向：0°、45°、90°、135°；
*0201與其它大片式元件焊盤邊緣間距：主要考察0201佈置在0402、0603、0805、1206周圍時的相互影響程度。0201與這些器件的間距（焊盤邊緣距離）為8、10、12、16mi ；
*PCB：（材料：FR-4；尺寸：160x105x1.0mm；PCB表面處理：ENIG、OSP）；
*鋼網：厚度5mil（鐳射切割＋電拋光）；
*錫膏：錫鉛共晶；Type III ；
*迴流焊氣氛：空氣；
試驗板如下圖3：
圖3 PCB設計佈局
4 試驗過程
4.1 PCB與鋼網製作質量檢測
組裝試驗前利用三座標測量儀對PCB和鋼網進行尺寸精度與位置精度檢測，資料分析表明焊盤尺寸誤差在+/2mil以內，位置誤差在+/-1mil以內，鋼網尺寸誤差與位置誤差在+/-1mil以內。
4.2 器件及料帶評估
其後利用三座標測量儀對 P 廠家 0201電阻、電容及 K 廠家電阻及其料帶進行了測量評估，主要評估了器件尺寸與焊端質量、器件與料帶的配合、器件上端平整度等方面，發現在 P 廠家電阻器件形狀不規則，且焊端尺寸差異較大，如圖4(見100頁)。這會影響到貼片時的識別與吸取，從而影響到貼片質量與焊接質量。
圖4 P廠家電阻形貌
4.3 焊盤篩選試驗
本試驗採用西門子HS50貼片機、0201吸嘴（906型）、經校準的0402/0201專用飛達（3*8，金色）、0201專用相機與感測器，在試驗前對印刷機和貼片機進行精度校準。迴流曲線設定如下圖5有鉛錫膏空氣中迴流）：
圖5 0201組裝試驗迴流曲線
本階段組裝了27pcs單板53865個0201元件，貼裝可靠性達到99.8％。透過人工與AOI檢測統計共101個缺陷，其中77個為立碑，其他為貼片偏移導致的開焊，未發生橋接缺陷。組裝過程中發現，P 廠家電阻的拋料率與焊接缺陷都相對較高，這應與前期評估的器件質量有關。AOI檢測過程與結果表明，AOI可以對0201片式器件的漏貼、飛料、立碑以及貼偏缺陷進行有效測試，但由於0201焊點太小（甚至不可見），故不能對焊點質量進行測試（如：開焊，少錫等）。缺陷分佈見表1 ：
表1 焊盤篩選試驗缺陷統計
從表1得知，焊盤方案C的缺陷最高，而焊盤方案D在90度方向缺陷相對最多，故排除這兩個方案；方案E在90度方向缺陷相對較多；而焊盤方案A與B的差別在於方案B的焊盤寬度比方案A的大3mil，而缺陷率相差不大。考慮到佔地面積小的焊盤方案在佈局方面更有優勢，故篩選出方案A進行下一步工藝視窗試驗（其綜合DPMO為14/（395*27×4＋27）=328ppm）。
4.4 工藝視窗試驗
4.4.1 印錫視窗試驗
選取印刷偏位作為主要因素，採用二因子二水平DOE試驗，見表2：
表2 印錫視窗試驗因素選擇
首先採用試驗方案設計的X方向偏移4mil，Y方向偏移0mil進行試驗，缺陷（立碑）比率太高，逐步調整至高水平設定為1.5mil，用於後續試驗結果分析。
焊盤設計A方案的DOE試驗結果見表3 ：
表3 印錫視窗試驗缺陷統計
顯著影響因素分析如圖6 ：
圖6 印刷偏位顯著因素分析圖
從上圖可知，X方向印刷偏移是影響組裝缺陷（立碑）的顯著影響因素，Y方向印刷偏移影響不如X方向偏移顯著，X方向偏移量的大小會直接導致元件兩個焊端焊料潤溼力矩差異較大，其對試驗結果缺陷的影響較為明顯。
印刷偏位與缺陷等高線分佈圖如圖7：
圖7 陷等高線分佈圖
初定可接受的DPMO目標值為500ppm，綜合上圖資料可得印刷偏位工藝視窗為：
* X方向偏位≤0.5mil/13um，Y方向偏位≤0.8mil/20um ；
4.4.2 貼片視窗試驗
選取貼片偏位作為主要試驗因素，DOE試驗設計見表4 ：
表4 貼片視窗試驗因素選擇
焊盤設計A方案的DOE試驗結果見表5：
表5 貼片視窗試驗缺陷統計
顯著影響因素分析如圖8 ：
圖8 貼片因素分析圖
從下圖可知，X方向偏移接近顯著影響因素（P值是0.1），角度和Y方向偏移其次，X方向偏移量的大小會直接導致元件兩個焊端焊料潤溼力矩差異較大，其對試驗結果缺陷的影響較為明顯。
貼片偏位與缺陷等高線分佈圖如圖9：
圖9 缺陷等高線分佈圖
初定可接受的DPMO目標值為300ppm，綜合上圖資料可得貼片偏位工藝視窗為：
* 當角度偏移≤15度時，X方向偏位≤2.5mil/63um，Y方向偏位≤2.6mil/66um。
4.4.3 迴流視窗試驗
對迴流曲線，進行工藝引數試驗，試驗組合見表6 ：
表6 迴流視窗試驗因素選擇
從上圖可知，均熱溫度對迴流焊後的缺陷影響比較大。試驗時與RTS迴流焊曲線進行了對比，缺陷比率相差近3倍。說明較高的迴流焊均熱溫度和較長的均熱時間對改善立碑缺陷有積極作用。
根據缺陷主因素分析圖如圖10 ：
圖10 迴流焊接主因素分析圖
4.4.4 返修試驗
針對立碑缺陷採用通用的烙鐵進行返修試驗，採用烙鐵尖直徑較小的烙鐵可完成返修，但返修的難度遠大於0402。由於烙鐵尖比較細，返修過程容易氧化，需要經常加錫防止氧化和去掉被氧化的氧化膜。由於0201元件較小，可以藉助5～10倍放大鏡進行返修。返修後的焊點外觀在放大鏡下觀察不如正常焊接平整，但可以接受，如圖11。
圖11 0201返修後照片
5 產品應用
根據試驗結果，在 W模組上進行了試用，組裝了8塊試驗板，每塊板上60個0201器件，無任何缺陷；
隨後將一塊手機板上的所有0402器件焊盤庫用0201焊盤庫替代，每塊板上410個0201器件，生產了20塊板，僅一個立碑缺陷（該缺陷是由於操作員認為有些偏位，用鑷子撥後對錫膏造成干擾從而導致立碑），即使算入缺陷，綜合DPMO仍達到30ppm的水平。
6 結論
透過0201元件組裝工藝研究及產品應用結果表明，已具備0201元件的組裝工藝能力，可逐步推廣應用。0201元件貼片拾取可靠性大於99.8％，組裝試驗焊端綜合DPMO在500ppm以下，產品實際應用的綜合DPMO低於30ppm。焊後缺陷主要為立碑和開焊，需要重點監控元件質量、貼片吸嘴的定期保養、飛達的維護校準，印刷、貼片工藝引數過程控制等要素。