A 0201 méretkódú alkatrészek sorozatgyártott áramkörökbe való beültetését az erős fenntartások ellenére alkalmazzuk. Napjainkra ez már teljesen általánossá vált, még nagy megbízhatóságú elektronikai rendszerekben is. Most a 01005 méretkódú alkatrészek használatba vételén a sor. Ezek döntő többsége ellenállás és kondenzátor, lehetőséget biztosítva az elektronikai gyártóknak az alkatrész-beültetési sűrűség további növelésére.
A mindössze 0,4 mm hosszú és 0,2 mm széles, 01005 méretkódú, chipméretű alkatrészek új kihívások elé állítják a nyomtatott huzalozási és felületi szerelés-technológiát (SMT). Tovább kell fejleszteni a stencilnyomtatást, beültetési eljárásokat és a forrasztási technológiákat egyaránt, hiszen amíg a millió darabonkénti alkatrészhiba közel van az egyszámjegyes értékhez, addig sorozatgyártásra még nem érett meg a technológia. Az Assembléon kimerítő teszteket végzett a 01005 méretkódú alkatrészek sorozatgyártásba való bevezethetőségét vizsgálva, amelynek tanulsága, hogy – bizonyos alapvető szabályok betartásával – ezek készen állnak az automatizált tömeggyártásra.
Az alkatrészsűrűség növelése
A passzív alkatrészméretek dominanciája a 90-es évek óta megváltozott. Az 1206 (3,2x1,6 mm) és 0805 (2,0x1,25 mm) méretkódú, chipméretű, passzív alkatrészekről immár nem mondható el, hogy a többséget teszik ki. Helyüket a 0603 (1,6x0,8 mm), a 0402 (1,0x0,5 mm) és 0201 (0,5x0,25 mm) alkatrészek vették át, nagyrészt ennek köszönhető a beültetési sűrűség látványos növekedése.
Elsősorban a hordozható elektronikus eszközök azok, amelyek igényelték a nagyobb beültetési sűrűséget. Jelenleg a >50 alkatrész/cm2 átlagos beültetési sűrűség a jellemző, a következő tíz évben ez közel 80 alkatrész/cm2-re is növekedhet. Várhatóan a 0603 és 0402 méretkódú alkatrészek folyamatosan cserélődnek le a 0201 és 01005 méretkódúakra. Bár ezek térhódítása még folyamatban van (különösen a cikkünk tárgyát képező 01005 méretkódúaké), az ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 2008-as prognózisa szerint a 01005 legalább 2012-ig még a minimális alkatrészméret marad.
A térköz hatása a beültetési sűrűségre
A 0402 méretkódú alkatrészek esetében a minimális térköznek legalább 150 µm-nek kell lennie, így még ezeknél a relatív kisméretű alkatrészeknél is kb. 100 alkatrész/cm2 a szerelési sűrűség felső korlátja. Az eggyel kisebb szabványméretű, 0201-es alkatrészeknél kisebb, 100 µm térköz is megengedhető, így a maximális alkatrészsűrűség 300 alkatrész/cm2 is lehet. A 01005 méretű, chipméretű alkatrészeknél 50 µm minimális térközzel kell számolni, így a korábbiakhoz hasonlóan dupla, 600 alkatrész/cm2 sűrűséggel is lehet tervezni. Ez a sűrűség szükséges a passzív, chipméretű alkatrészeket tartalmazó, félvezető modulokban vagy a System-in-Package (SiP) tokokban. Ilyen modulokkal többnyire hordozható alkalmazásokban találkozhatunk (mobiltelefon, MP3 lejátszók stb.).
Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy az alkatrész-beültetés kisebb térköztartás esetén sokkal érzékenyebb folyamatablakot (process window) követel meg.
Az alkatrészméret befolyása a stencilekre
Az első probléma, hogy milyen vastag legyen a stencil. A nagyobb méretű alkatrészekhez vastagabb stencilre van szükség ahhoz, hogy elegendő forraszanyag kerüljön a kontaktusfelületekre, hiszen ez a jó forrasztott kötés létesítésének az alapfeltétele. A kisméretű alkatrészeknél a forraszpaszta felviteléhez ezzel szemben vékonyabb stencil kell. Ezekkel azonban a nagyméretű alkatrészek igényelte nagyobb forraszanyag-mennyiséget nem tudjuk felhordani.
Maga a forrasztási eljárás is nagyon nagy fontosságú. A kisméretű alkatrészek „gyors" újraömlesztéses forrasztási folyamatot igényelnek a folyasztószer gyors párolgása miatt. Ezzel szemben a nagyméretűeknek „lassabb" újraömlesztéses forrasztási folyamatot igényelnek, hogy elegendő idő álljon rendelkezésre a forrasztáshoz szükséges hőmérséklet eléréséhez.
A fentiekből az következik, hogy eltérő technológiát kell alkalmazni a kis- és nagyméretű alkatrészekhez. A mai trendek azt mutatják, hogy az áramkör nyomtatott huzalozású lemezére a nagyobb (max. 0402 vagy 0201 méretkódú) diszkrét alkatrészek kerülnek, míg a legkisebb, 01005 méretkódúak integráltan, különálló áramköri modulként kerülnek beültetésre. A gyártók szemszögéből ez szerencsés, hiszen nem kell a teljes gyártósort cserélni/fejleszteni, a kimagasló pontosság csak a moduláramkörök szereléséhez szükséges.
Áttérés mikrochipekről a modulokra
Az SiP alkalmazása számos előnnyel kecsegtet. Előnye, hogy rövidek a jelutak, jó a nagyfrekvenciás alkalmazhatóság. Ez nagyobb rugalmasságot ad többek között a mobiltelefonok tervezésénél, mivel a nagyfrekvenciás jelek egyetlen modulon belül tarthatók (rövid jelvezetékekkel), így a szerelőlemeznél már kevesebb rádiófrekvenciás tervezési szempontot kell figyelembe venni.
Ezek az RF-modulok egyre inkább szabványosított alkatrészek formáját öltik. A jelen helyzetben becslések szerint az IC-knek kb. 70%-a a fő szerelőlemezre kerül, míg a maradék 30% a modulokban foglal helyet.
Ahogy az újabb és újabb funkciók szabványossá válnak, ez az arány 40/60 százalékra módosul a következő 3 … 5 évben.
A 01005 méretkódú alkatrészek beültetése
A 01005 méretkódú alkatrészeket is megbízható, megismételhető minőségben kell az SiP-kbe beültetni. Ez a legtöbb mai pick & place beültetőgépnek nehéz feladat, hiszen egy csúcskategóriás gép számára is az utolsó tesztek között szerepel a 01005 beültetési pontossága és a megbízhatóság.
A teljes gyártási folyamatban az Assembléon A-Series pick & place gépei egyszámjegyes dpm-mel (defects per million) és 40 µm beültetési pontossággal működnek, amely jelenleg etalon az elektronikai szerelőiparban. Az A-Series gépek a konvencionális pick & place berendezésektől eltérően több, párhuzamosan működtetett egységgel ültetik be az alkatrészeket.
Hatékonyabb folyamatvezérlés, többfejes párhuzamos beültetéssel
A párhuzamos beültetés kisebb gyorsulásokat és lassulásokat jelent az alkatrész- beültetésnél, az egyedi xy robotoknak így több beállási és ellenőrzési időt bocsát rendelkezésre. Az alkatrész-felvételi „pick" ciklus alatt az A-Series-gépek ellenőrzik a felvételi magasságot, az alkatrész meglétét, és korrigálják az esetleges felvételi hibákat. Az alkatrész-beültetési „place"-ciklusban ellenőrzik, hogy az alkatrész még mindig megvan-e, újból ellenőrzik a helyzetbeállást, a beültetési erő mértékét, majd megvizsgálják az alkatrészt a beültetés után is.
A beültetési erő is sokkal pontosabb egy jól szabályozott pick & place folyamatban. A csatlakozók és nagyobb méretű alkatrészek megbízható beültetéséhez akár 40 N erő is szükséges lehet, míg a kisméretű alkatrészekhez már az 1,5 N is az alkalmazható felső erőhatárt jelenti, mert nagy az alkatrésztörés veszélye.
A beültetési erőnek tehát nemcsak állíthatónak, hanem igen stabil értékűnek kell lennie.
A 01005 alkatrész-beültetés megbízhatósági tesztelése
Az Assembléon számos tesztet hajtott végre 01005 méretkódú alkatrészekkel a gépi beültethetőség meghatározására.
Talán a legfontosabb kérdés a gyártók részéről, hogy milyen méretű (térfogatú) forraszpaszta-lenyomatot
kell használni a kontaktusfelületeken (pad-eken), és mekkora a minimálisan alkalmazható térköz az alkatrészek között, amely még megbízható gyártást tesz lehetővé.
Image
A kicsivel nagyobb alkatrészek, mint például a 0201 méretkódúak, jelentősen nagyobb rugalmasságot adnak a gyártásban, leginkább az önbeálló képességüknek köszönhetően.
Image
Az alkatrészek pozicionálása
A normálméretű, felületreszerelhető, passzív alkatrészek (SMD-k) a forrasztásgátló maszk által körbevett kontaktusfelületekre azok alakja és elhelyezkedése szerint foglalnak helyet. A nagyon kis méretű alkatrészek (01005) beültetésénél azonban szerencsésebb lehet, ha a pozicionálást a forraszpaszta-lenyomathoz igazítva végezzük, mivel a paszta kisméretű helyezési pontatlansága esetén előfordulhat, hogy az alkatrész forrasztható (kontaktus-) felülete nem fog érintkezni a forraszpaszta-lenyomattal, és ez meghiúsult vagy hibás forrasztott kötést eredményez.
A kísérletezés során arra derült fény, hogy az apró alkatrészek elhelyezésénél, ha 50 µm-nél nagyobb pasztalenyomat-elhelyezkedési hibával kell számolni, akkor a sírkövesedés (alkatrész-felemelkedés) elkerülése érdekében tanácsosabb a forraszpaszta-lenyomat határolóvonalakhoz igazodni. Ha a lenyomat helyezési hibája kisebb, mint 50 µm, akkor bármely határoló vonalfajta megoldást jelent.
Az utolsó nagyobb gyártási lépés az újraömlesztéses forrasztás, amelynél a folyamathibák többnyire a pasztanyomtatásból vagy a térköztartásból következnek.
A forraszpasztához társított hibák vagy nyitott kötéseket, vagy sírkövesedést hagynak maguk után, a rossz térköztartás következménye pedig általában rövidzárlat.
A 60 µm-es alkatrésztérköz a 01005 méretkódú alkatrészek gépi beültetésének a kulcsa.
Összességében úgy tűnik, hogy a legkritikusabb technológiai művelet a pasztanyomtatás. A vékony, sérülékeny stencilek ugyanis gyakori tisztítást igényelnek az apertúrák eltömődési hajlama miatt. Ha a pasztalenyomat helyezési pontatlansága túl nagy, a 01005 méretkódú chipméretű alkatrészek nem tudnak önmaguktól – a forrasz megömlését követően – helyzetbe állni, megnövelve ezzel a sírkövesedés esélyét. Ha figyelembe vesszük e tényezőket, akkor a 01005 méretkódú alkatrészekkel végzett sorozatgyártás robusztusnak mondható. Nagyobb térközhöz (90, 100 és 200 µm) 80 µm, kisebbekhez (60, 70, 80 µm) 50 µm stencilvastagság ajánlott, így a 0402, 0201 és 01005 méretkódú alkatrészek kombináltam kezelhetők problémák nélkül. Az 50 µm (3σ) beültetési pontossághoz a minimális térköznek 60 µm-nek kell lennie. Az 1. és 2. ábrák azt mutatják, hogy az „A" és „B" stencilmérettel a forrasztott kötések gyakorlatilag 100%-ban sikerültek, amely bőven 20 dpm (defects per million) alatti beültetési minőséget jelent. Az Assembléon A-Series-gépek 40 µm 3σ-nál (az AX-201 esetében 20 µm) beültetési pontossága még jobb minőséget, közel 10 dpm pontosságot jelent, amely nyugodt szívvel nevezhető sorozatgyártásra késznek.
