INLEDAREN Avsyna blyfritt Det finns många aspekter att ta hänsyn till när man skall producera blyfritt. En av dem är avsyningen av lödpunkter med blyfritt lod. Eftersom de ser annorlunda ut än med tenn/bly-legeringar finns det risk för att en felfri lödning kan klassas som felaktig. Därför måste såväl maskiner som metoder ses över. Många använder en automatisk optisk inspektionsutrustning, AOI, i linan. Vissa har satsat på röntgenavsyning. För att vara på den säkra sidan använder man båda metoderna. Det finns nu maskiner på marknaden som arbetar med såväl optisk avsyning som röntgenavsyning. En annan metod är att använda ultraljud. Ytterligare en metod är manuell avsökning. En sådan presenteras i den här utgåvan. Den är konstruerad i Sverige och tillverkas även här, vilket visar att man med kreativitet och entreprenörskap visst kan skapa helt nya produkter och företag i vår del av världen! Sådant behöver vi mer av! Ett annat exempel är företaget Mydata automation. Det är visserligen inte nytt, men fortsätter att växa och kan göra så med sitt nya affärsområde: maskinen My500, som gör det möjligt att direktdispensera lodpasta utan screentryck. Mydata figurerar i ett annat sammanhang i den här temasektionen, nämligen i ett forskningsprojekt där man undersöker förutsättningarna för att ytmontera de ytterst små 01005-komponenterna. GUNNAR LILLEISKÖLD Det växande behovet av miniatyrisering av elektroniska montage har lett fram till den minimala kapselstorleken 01005 för passiva komponenter. Kapslingsstandarden för dem är dock fortfarande under utveckling. En grupp från Chalmers tekniska högskola, Mydata automation och Shanghai University rapporterar här resultat från experiment utformade för att optimera processparametrar, padstorlek och komponentavstånd vid ytmontering av passiva komponenter i storleken 01005. I den moderna elektronikvärlden är miniatyrisering av elektroniska montage alltid ett populärt ämne. Antalet funktioner som kan integreras i handhållna och bärbara elektroniska apparater ökar hela tiden dramatiskt, samtidigt som apparaterna blir allt mindre och lättare. Den nyckelfaktor som bestämmer storleken på elektroniska montage är kapslingstätheten. Ett sätt att öka kapslingstätheten är att minska storleken på de passiva komponenterna och avståndet som behövs mellan dem. Det hela tiden växande behovet av miniatyrisering av elektroniska montage har redan lett fram till den minimala kapselstorleken 0201 för passiva komponenter. Nu är nästa steg på gång för att ytterligare minska storleken. 01005-kondensatorer och 01005-resistorer med en längd av 400 µm och en bredd av 200 µm har tillverkats. De visas i fig 1. Inom en nära framtid kommer den vidsträckta användningen av dessa små komponenter definitivt att främja en ytterligare minskning av storleken på elektroniska montage, särskilt i handhållna och bärbara apparater. I IPC-7351 [2] tillhandahålls information om utformningsstandard för paddar vid ytmontering av passiva komponenter i storleken 0201. Konstruktörer kan använda den för att upprätta standardkonfigurationer för kapsling av 0201-komponenter. Optimera processen för ytmonterade 01005-komponenter För 01005-komponenter är standarden fortfarande under utveckling. Detta dokument presenterar resultat från en serie experiment särskilt utformade för att undersöka optimeringen av processparametrar, padstorlek och komponentavstånd vid ytmontering av passiva komponenter i storleken 01005. PROBLEMFORMULERING OCH MÅL Fig 1. Passiva komponenter i storlekarna 0603, 0201 och 01005 Fig 2. Kretskort konstruerat i detta projekt. Ytmonteringskvaliteten kan påverkas av en rad olika SMTprocessparametrar förutom padstorleken. För små komponenter blir kraven för dessa processparametrar mycket mer kritiska. Först och främst ska rätt volym lodpasta deponeras på paddarna, och fördelningen ska vara så jämn som möjligt. För att uppnå detta mål behövs en väl fungerande screentryckprocess. Kvaliteten på screentrycksprocessen styrs av många faktorer. Några av de viktigaste är stenciltjocklek, lodpastatyp, lodpastaegenskaper, screentrycksläge, hastighet och tryck. I plock- och placeringsprocessen är maskinens förmåga att noggrant och repeterbart plocka och placera dessa små komponenter avgörande för monteringsresultatet. Även ett mycket litet fel i placeringsposition, beräknat i mikroner, kan få avgörande betydelse för om det blir fel eller inte. Förutom monteringsnoggrannheten är monteringskraften en parameter som är känslig för resultatet, särskilt för dessa extremt små och sköra komponenter. I slutänden kan en felaktig placering i plock- och placeringsprocessen i viss mån självjusteras i lodomsmältningsprocessen. Den slutliga positionsnoggrannheten vid en montering bestäms till stor del i denna process. Förmågan till självjustering beror till stor del på legeringssammansättningen i den använda lodpastan. Normalt anses självjusteringen för komponenter som monteras med blyfria lödpastor vara sämre än för komponenter som monteras med Sn/Pb. Det primära målet med detta projekt var att definiera optimal padstorlek och bästa inställningar för processparametrarna för att åstadkomma en korrekt lödfog för passiva komponenter i storleken 01005. Ett annat mål var att definiera minsta komponentavstånd och utvärdera monteringen av 01005-komponenter på runda paddar. UTFORMNING AV EXPERIMENT Projektet inleddes med utformningen av experimentet. För att inom ett rimligt antal experiment få fram information om vilken inverkan SMT-processparametrarna och padstorleken användes programmet MODDE [3]. MODDE är ett Windows-program för generering och utvärdering av statistiska, experimentella utformningar. Experiment kan utföras och planeras av MODDE för att få fram maximal mängd information ur insamlade data i närvaro av brus och med minst antal experimentkörningar. Projektet omfattade två experimentserier och några ytterligare experiment. Syftet med den första experimentserien var att identifiera de viktiga parametrarna och studera hur monteringskvaliteten förändras då en viss parameter varieras. Utifrån resultaten från den första experimentserien utfördes den andra experimentserien med hänsyn tagen till inriktningen på optimering av padstorleken. Syftet med de extra experimenten var att definiera minsta komponentavstånd och utvärdera monteringen av 01005-komponenter på runda paddar. I varje experimentserie bedömdes monteringarna genom manuell avsyning under mikroskop, och resultaten bedömdes enligt standard IPC-A-610C [4]. KOMPONENTER na som användes var kondensatorer och resistorer i storleken 01005 från två respektive tillverkare. Dimensionerna för dessa komponenter visas i tabell 1. I den första experimentserien användes endast kondensatorer. I den andra experimentserien studerades både kondensatorer och resistorer. Totalt användes tjugo tusen 01005-komponenter 38 ELEKTRONIK I NORDEN 20/2005
Forts nästa sida Tabell 1. Dimensioner för komponenterna som användes i detta projekt Tabell 6. Svar definierade i MODDE Tabell 2. Paddimensioner utformade för den andra experimentserien i projektet (10 000 kondensatorer och 10 000 resistorer). 01005- komponenterna tillhandhölls i hålremsor (8 mm remsa med 2,0 mm komponentavstånd). Tabell 3. Egenskaper för lodpastorna i detta projekt Tabell 4. Utrustning som användes för kretskortmontering i detta projekt KRETSKORT Ett kretskort med endast grupper av kopparpaddar för 01005-komponenter konstruerades för detta projekt. Det visas i fig 2. Den totala storleken för detta kretskort var 146 96 1,6 mm. Det hade ett grundmaterial av FR4 och ytbehandling av kemiskt Au. Antalet platser för 01005-komponenter på detta kretskort var 4 780. Två typer av padform (fyrkantig pad och rund pad) utformades. De omfattade 160 olika fyrkantiga padstorlekar och sex runda padstorlekar. I detta arbete definierades längd, bredd och avstånd som parametrar som beskriver geometrin för fyrkantiga paddar. De visas i fig 3. De fyrkantiga paddarna på den nedre högra delen av kretskortet utformades för den första experimentserien. Padstorlekarna i denna del bestämdes i enlighet med det arbetsblad som genererades av MODDE. På den vänstra delen av kretskortet arrangerades samtliga möjliga fyrkantiga padstorlekar för den andra experimentserien med målet att optimera padstorleken. I tabell 2 beskrivs dimensionerna för dessa paddar. För att studera det minsta komponentavståndet utformades paddar med komponentavstånd från 50 till 140 µm i mitten av kretskortet. Fig 4 visar en del av dessa paddar. För att utforma ett komponentavstånd av 50 µm dimensionerades padbredden till 150 µm, eftersom kopparpadavstånd under 100 µm var extremt svåra att konstruera för kretskorttillverkarna. Runda paddar med diametrar från 200 till 300 µm utformades i den övre högra delen av kretskortet. Tabell 5. Faktorer definierade i MODDE (75 µm) för experimenten. Det var en elektroformad stencil tillverkad av rostfritt stål. Det minsta ytförhållandet var 0,57 för fyrkantiga paddar och 0,67 för runda paddar. Ytförhållande är kvoten mellan aperturens öppningsarea och aperturens väggarea. LODPASTA I projektet användes två typer av lodpasta från en och samma leverantör. De hade olika partikelstorlekar men samma legeringssammansättning, Sn62Pb36Ag2. Beträffande partikelstorleken var en av dem av typ 4 och den andra av typ 5 enligt pulverklassificeringsstandard J-STD-005 [5]. Tabell 3 visar detaljerade egenskaper för de två typerna av lodpasta. STÄLLA IN UTRUSTNINGEN Utrustningen som användes för kretskortmontering i projektet visas i tabell 4. Före huvudexperimenten optimerades screentryckarens inställningar för att skapa en väl fungerande lodpastatryckprocess för 01005-komponenter. Tryckläget ställdes till flöda/tryck för att åstadkomma en jämn fördelning av lodpastan på paddarna. Rakelhastigheten ställdes till 20 mm/s och separationshastigheten till 8 mm/s. För lodpasta av typ 5 ställdes både flödes- och tryckningstrycket till 5 kg. Ett bra tryckresultat uppnåddes utan att lod saknades någonstans med tillräcklig mängd lodpasta även på de minsta paddarna med ett ytförhållande av 0,57 i stencilaperturen. Det visas i fig 5. För lodpasta av typ 4 uppnåddes de bästa tryckresultaten när både flödes- och tryckningstrycket ställdes till 9 kg. Plock- och placeringsmaskinen MY9 från Mydata uppgraderades till detta projekt för att kunna montera 01005-komponenter. Förutom en högupplösningskamera, som redan fanns, installerades en Agilis komponentmatare, ett Agilis linjärt magasin och ett monteringsverktyg som kan hantera 01005-komponenter. Under monteringen användes en lämplig uppsättning stödstift för att stabilisera korten. Lodpastaomsmältningsprocessen utfördes i en omsmältningsugn med sex värmezoner och en kylzon. Före huvudexperimenten ställdes de temperaturprofiler in som behövdes i detta projekt och verifierades med hjälp av en temperaturgivare. FÖRSTA EXPERIMENTSERIEN I detta projekt var den första experimentserien det första steget i undersökningen av ytmontering av 01005-komponenter med målet att identifiera de viktiga parametrarna som har en betydande inverkan på ytmonteringskvaliteten. För att göra denna undersökning med hjälp av MODDE var det två faser, utformning och analys, som skulle gås igenom. UTFORMNINGSFASEN Utformningsfasen inleddes med att definiera faktorer och svar samt välja mål och utformning och avslutades med att arbetsbladet skapades. Faktorerna definierades i enlighet med parametrarna som skulle identifieras. De visas i tabell 5. I denna definitionsprocess tilldelades var och en av padgeometriparametrarna ett intervall som var tillräckligt stort för att det optimala värdet skulle finnas med, eftersom det inte fanns någon information att följa beträffande paddarnas utformning för 01005-komponenter. De definierades alla som kvantitativa faktorer. Var och en av SMT-processparametrarna tilldelades två alternativ och definierades som kvalitativa faktorer. <A> och <B> var två omsmältningstemperaturprofiler med samma topptemperatur och tid över smältpunkten för lodpastan. De visas i fig 6. <A> var en temperaturprofil med linjär stigning från omgivningstemperaturen till lodets smälttemperatur. <B> var en profil med förvärmning, vätning, omsmältning och kylzoner av standardtyp. Svaren definierades i enlighet med de olika typer av defekter som definieras i standard IPC-A- 610C. De visas i tabell 6. Målet som valdes för den här undersökningen var screening. I MODDE är screeningmålet det första steget i en undersökning när föga är känt om faktorernas effekter på svaren och målet bara är att identifiera de viktiga faktorerna. Efter att ha valt mål genererade MODDE en lista som innehöll ett flertal utformningar. En utformning i MODDE är ett protokoll för variation av faktorerna i ett experiment. Det är en uppsättning experimentkörningar som spänner över experimentområdet. I listan har varje utformning sin egen beräkningsmetod och antal experimentkörningar. I den här undersökningen omfattade den valda utformningen 70 experimentkörningar. Varje körning representerade en unik inställning av padgeometrin och SMT-processparametrarna. För kvantitativa faktorer, padgeometriparametrar, ingick värden mellan maximum och minimum i vissa av experimentkörningarna. STENCIL För 01005-komponenter blir, på grund av de extremt små paddarna på kretskortet och motsvarande små aperturer i stencilen, kraven för stencilvillkoren avgörande för resultatet av lodpastatryckningen. Stencilen bör ha extremt liten tjocklek för att aperturerna ska kunna tillhandahålla den erforderliga lodpastan på paddarna. I detta projekt tillverkades en stencil med tjockleken tre tusendels tum Fig 3. Parametrar beskriver padgeometrin i detta projekt Fig 5. Tryckresultat för lodpasta av typ 5 på 150 200 µm paddar. Fig 4. En del av paddarna med ett komponentavstånd av 80 µm Fig 6. Omsmältningstemperaturprofiler som användes i den första experimentserien. ELEKTRONIK I NORDEN 20/2005 39
Optimera processen... forts från föregående sida För de kvalitativa faktorerna, SMT-processparametrarna, var allt som skedde att de två givna alternativen omväxlande användes i alla experimentkörningarna. I slutet av utformningsfasen skapade MODDE arbetsbladet med alla 70 experimentkörningarna listade. Arbetsbladet är ett kalkylblad som används för lagring av data (värden på faktorer och svar) och det är där resultaten från experimenten ska skrivas in. Efter utformningsfasen genomfördes arbetsbladets 70 experimentkörningar i laboratoriet. na som användes var 01005-kondensatorer. Tio 01005-komponenter studerades i varje experimentkörning. Totalt monterades och omsmältes 700 komponenter. Monteringarna avsynades under mikroskop och bedömdes enligt klass 3 i IPC-A-610C. Antalet defekta komponenter i varje experimentkörning enligt respektive felläge räknades och fördes in i arbetsbladet. ANALYSFASEN Under observationen förekom inga defekter av typen sidoöverhäng, ändöverhäng eller ändöverlapp i någon av de omsmälta komponenterna. Det största sidoöverhänget som förekom var 20 procent av bredden på komponentänden, vilket motsvarar 40 µm. Det visas i fig 7. Detta procenttal av sidoöverhäng ligger under defektnivån - 25 procent av bredden för komponentänden - som definieras i IPC-A610-C. Största ändöverhäng och minsta ändöverlapp visas i fig 8 och fig 9. I fig 8 ligger komponentänden, trots att den hänger över padden med 40 µm, klart under defektnivån - hela änden hänger över padden. I fig 9 överlappar komponentänden padden med endast 50 µm, men det är godtagbart jämfört med defektnivån - inget överlapp mellan ände och pad. Faktiskt är komponentpositionsfel den viktigaste orsaken till defekter i dessa tre defektklasser. Att ingen defekt orsakad av positionsfel förekom tyder på att tillräckligt hög placeringsnoggrannhet kan åstadkommas på 01005-komponenter med MY9-maskinen. Komponentpositionen beror inte bara på placeringsnoggrannheten utan också på komponenternas självjustering under omsmältningsprocessen. Fig 10 visar en komponent efter plock och placering med ett sidoöverhäng på 30 procent av bredden på komponentänden, vilket motsvarar 60 µm. Efter omsmältning självjusterades den till en position med ett sidoöverhäng på mindre än 10 µm. Det går att dra slutsatsen att självjustering med upp till 50 µm kan åstadkommas under de experimentella förhållandena. Om blyfria legeringar hade använts Fig 7. Komponent med ett sidoöverhäng på 20 procent av bredden på komponentänden Fig 8. Komponent med ett ändöverhäng av 40 µm Fig 12. Effekter för ändfogens bredd skulle de snedställda komponenterna inte självjusteras lika enkelt under omsmältningen, eftersom dessa legeringar har mycket högre ytspänning än Sn/Pb. I den första experimentserien förekom heller ingen defekt av typen Största fillet-höjd. Det fanns komponenter med fillets som sträckte sig till toppen av huvens metallisering, men inte vidare fram till komponentkroppen. Det visas i fig 11. Förutom de fyra svaren som diskuterats ovan analyserades faktorernas effekter på alla andra svar i MODDE. Fig 12 visar alla faktorers effekter på svaret Ändfogens bredd. Det framgår att paddens längd och bredd har den mest betydande negativa inverkan på denna defekt. Antalet defekter av typen Ändfogens bredd ökar i takt med att paddarnas längd och bredd minskar. Av den här Fig 9. Komponent med ett ändöverlapp av 50 µm Fig 10. Komponent felplacerad med 60 µm före och efter omsmältning Fig 11. Komponent med fillets som sträcker sig till toppen av/ huvens metallisering, men inte vidare fram till komponentkroppen. Fig 13. Komponent med en ändfogsbredd på 55 procent av komponentändens bredd. Fig 15.Effekter för minsta fillet-höjd. Fig 16. Effekter för bryggbildning mellan fillets figuren framgår att padlängden har dubbelt så stor inverkan som padbredden. Orsaken till detta är att de flesta av värdena som MODDE genererade för padlängd var maximi- och minimivärden i sitt givna intervall. När padlängden genererades till sitt minimivärde 0,15 mm bildades i allmänhet ingen uppenbar fillet. I dessa fall bedömdes alla resultat för ändfogens bredd som defekter. Därför förvärrades betydelsen av padlängdens inverkan i analysen. Fig 13 visar ett exempel på defekten Ändfogens bredd. Ändfogens bredd är endast 55 procent av komponentändens bredd, vilket motsvarar 110 µm, mindre än 75 procent av ändens bredd. Fig 14 visar faktorernas effekter på svaret Minsta fillet-höjd. Det går att dra slutsatsen att padlängden är den viktigaste orsaken till defekter av typen Minsta fillethöjd. När padlängden minskas ökar antalet defekter av denna typ dramatiskt. Näst störst inverkan för denna defekttyp har lodpastatypen. Av figuren framgår att antalet defekter minskar när lodpasta av typ 5 används. Det går att dra slutsatsen att lodpasta av typ 5 uppvisar en något bättre vätningsförmåga än lodpasta av typ 4. Fig 15 visar en komponent med en fillet-höjd mindre än lodtjockleken plus 25 procent ändhöjd. Faktorernas effekter på svaret bryggbildning mellan fillets visas i fig 16. Som nämnts ovan var de flesta av värdena som MODDE genererade för padlängd och padbredd maximi- och minimivärden i sina givna intervall. När både padlängden och padbredden genererades till sina maximivärden var padarean så stor att mer lodpasta deponerades. I dessa fall förekom mer bryggbildning Fig 14. Fillet-höjd mindre än lodtjockleken plus 25 procent ändhöjd. mellan två fillets efter komponentplaceringen. Därför framgår det av fig 16 att dessa två faktorer har den mest betydande positiva inverkan på defekten Bryggbildning mellan fillets. Avståndet är en annan faktor som orsakar denna defekt och har störst negativ inverkan. Tydligen skapas det lättare bryggor mellan två fillets om avståndet mellan två paddar minskar. Vid sidan om detta inverkar även monteringskraften vid komponentplaceringen på denna defekt. Av figuren framgår att antalet defekter av typen Bryggbildning mellan fillets ökar när monteringskraften 3,5 N används. Monteringskraften har betydelse för hur nära substratet komponenten monteras. Ett litet avstånd mellan komponent och substrat orsakat av en stor monteringskraft tenderar att orsaka längre fillets och underlätta 40 ELEKTRONIK I NORDEN 20/2005
Forts nästa sida bryggbildning. Fig 17 visar en komponent med två fillets med en brygga mellan sig. I IPC-A-610C är definitionerna för defekterna Sidofogens längd och Lodtjocklek de samma. I båda definitionerna räknas det som en defekt om en tydlig och korrekt vätt fillet saknas. Resultatet för dem kan därför representeras genom resultatet för Minsta höjd för fillet och Ändfogens bredd. Orsaken är att en fillet kan definieras som ej korrekt vätt när antingen en av dessa defekter eller båda förekommer. Från analysen av resultaten från den första experimentserien drogs slutsatsen att paddens längd och bredd är de viktigaste parametrarna som har en betydande inverkan på ytmonteringskvaliteten. Stor monteringskraft och litet avstånd tenderar att orsaka mer bryggbildning mellan fillets. Lodpasta av typ 5 uppvisar något bättre vätningsförmåga än typ 4. Lödfogens kvalitet är ungefär den samma med rakelhastigheten varierande mellan 20 och 40 mm/s och omsmältningstemperaturen växlande mellan profilerna <A> och <B>. Ytmonteringskvaliteten kan faktiskt också påverkas av lodpastans legeringssammansättning. Den spridning och kapillärkraft som lodlegeringen uppvisar har direkt effekt på lödfogens bredd och fillet-höjden. Om blyfria legeringar hade använts skulle lödfogarna bli helt annorlunda, eftersom sådana legeringar inte har samma vätningsförmåga som Sn/Pb. Topptemperaturen i omsmältningsprofilen skulle vara högre på grund av den högre smältpunkten för blyfria legeringar jämfört med Sn/Pb. En minimerad vätningszon eller en linjär stigning från omgivningstemperaturen till omsmältningstemperaturen förväntades användas för att dålig vätning skulle undvikas, eftersom oxideringen kan minskas genom att värmeinflödet minimeras före omsmältningen. Kväve kan behövas i omsmältningsprocessen för att undvika oxidering. ANDRA E X PE R I M E N TS E R I E N Utifrån resultaten från den första experimentserien utfördes den andra experimentserien med hänsyn tagen till inriktningen på optimering av padstorleken. Inställningarna för utrustningen som användes var den samma som i första experimentserien. Utan att det hade någon betydande inverkan på de observerade resultaten fixerades rakelhastigheten Fig 17. Komponent med två fillets med en brygga mellan sig Fig 18. Frekvensen godtagbara monteringar med kondensatorer med 160 µm avstånd kontra padstorlek till 20 mm/s och omsmältningstemperaturen till profil <A>. Eftersom lodpastatypen och monteringskraften visade sig ha inverkan på vissa lödfogsdefekter utformades fler experiment i den här serien för att ytterligare testa dessa parametrars betydelse eller inverkan. Som framgår av tabell 1 skiljde sig komponenttjockleken mellan 01005-kondensatorerna och 01005-resistorerna som användes i detta projekt. Därför utformades experimenten på olika komponenter på ett sådant sätt att optimala respektive paddimensioner skulle erhållas för dem. Totalt monterades 9 600 komponenter på 120 olika fyrkantiga padstorlekar och monteringarna avsynades under mikroskop. En montering bedömdes som godtagbar om ingen defekt som beskrevs i avsnittet om den första experimentserien förekom. Efter avsyningen definierades det optimala padavståndet till 160 µm, eftersom perfekta fillets erhölls med detta avstånd och inga defekter av typen Bryggbildning mellan fillets förekom. Frekvensen godtagbara monteringar för respektive padstorlek beräknades. Med hundra procent av monteringarna godtagbara bedömdes en mängd olika padstorlekar tillräckligt tillförlitliga för att bilda godtagbara lödfogar. Fig 18 visar frekvensen godtagbara monteringar som funktion av padstorleken. Eftersom en av huvudanledningarna till att använda dessa små komponenter är storleksreduktionen, är det viktigt att minska padstorleken så mycket som möjligt för att få plats med fler komponenter på samma kortutrymme. Av fig 18 framgår att frekvensen godtagbara monteringar ökar i takt med padstorleken och att 220 210 µm är den minsta padstorleken med 100 procent godtagbara monteringar. Figuren visar också att det finns sex padstorlekar som är större än 220 210 µm med godtagbara frekvenser under hundra procent. Orsaken är att de antingen har en padlängd som är mindre än 210 µm eller en padbredd som är mindre än 220 µm. Alla defekter som förekom under dessa experimentella förhållanden var av typen Ändfogens bredd eller Minsta fil- ELEKTRONIK I NORDEN 20/2005 41
Optimera processen... forts från föregående sida let-höjd och orsakades av att paddens längd och bredd inte räckte till. Det går att dra slutsatsen att för 01005-kondensatorer är 210 µm i längd, 200 µm i bredd och 160 µm i avstånd de optimala paddimensionerna för att bilda en godtagbar lödfog på minsta kortutrymme. En montering på dem visas i fig 19. Liknande resultat erhölls genom analys av experimenten på 01005-resistorer. Optimala paddimensioner för dem visade sig vara 190 µm i padlängd, 220 µm i padbredd och 160 µm avstånd. I IPC-7351 är rekommenderade paddimensioner för 0201-komponenter: 300 µm i padlängd, 300 µm i padbredd och 200 µm avstånd. Om de optimala paddimensionerna för 01005-resistorer som erhölls i detta projekt och ett komponentavstånd av 100 µm används för beräkningen är minskningen i erforderligt kortutrymme jämfört med 0201-komponenter ungefär 50 procent. Monteringar av 01005-komponenter under andra experimentella förhållanden analyserades också. När det gäller lodpastatypen bedömdes ju typ 5 ha en något bättre vätningsförmåga än typ 4 i den första experimentserien. Detta berodde dock på den inverkan lodpastatyperna hade på monteringsresultatet på de minsta paddarna. På större paddar kunde ingen skillnad i resultat observeras mellan de två typerna av lodpasta. Med tanke på dess lägre kostnad rekommenderas lodpasta av typ 4 för montering av 01005-komponenter. En stor monteringskraft ökade sannolikheten för bryggbildning mellan fillets vid små padavstånd. Vid ett avstånd av 160 µm visade sig monteringskraftens inverkan vara extremt liten. För 01005-kondensatorer konstaterades sprickbildning i en komponent efter plock och placering med 3,5 N monteringskraft. Huvudorsaken var otillräcklig mängd lodpasta på dessa paddar på grund av ojämn fördelning. I andra hand berodde det på att ett stödstift under den komponentplatsen gjorde kortet mycket stelare under just den platsen. Med 3,5 N monteringskraft observerades mer sprickbildning i 01005- resistorer efter omsmältning vid ett padavstånd av 180 µm. Ett exempel visas i fig 20. Det var inte så konstigt, för tillverkaren angav 3 N som maximal monteringskraft. Huvudorsakerna till sprickbildningen var den mindre tjockleken hos 01005-resistorer och det långa avståndet mellan de två lodpastadeponeringarna som fungerade som stödpunkter. EXPERIMENT PÅ RUNDA PADDAR Experiment på runda paddar utfördes också för att utforska Fig 19. Kondensator monterad på 210 220 µm fyrkantiga paddar med ett avstånd av 160 Fig 22. Resistorer monterade med ett avstånd av 50 µm efter placering kontra komponentavstånd hur de skiljde sig från fyrkantiga paddar. Totalt monterades 960 resistorer på de runda paddarna med sex olika diametrar. I resultaten kan konstateras att bättre självjustering hos komponenterna erhölls på runda paddar än på fyrkantiga. För att åstadkomma godtagbara lödfogar bör paddiametern vara minst 260 µm. Det visas i fig 21. Om en 01005-resistor monteras på dessa paddar är det kortutrymme den upptar: Medan det kortutrymme en 01005-resistor monterad på optimala fyrkantiga paddar är: Utifrån beräkningarna visar det sig att det kortutrymme en komponent på optimala runda paddar upptar är mycket större än det utrymme som en komponent på optimala fyrkantiga paddar upptar. Det går därför att dra slutsatsen att runda paddar för 01005-komponenter inte kan bidra till att spara kortutrymme och därför inte kan rekommenderas vid kortutformning. EXPERIMENT VID SMÅ KOMPONENTAVSTÅND Montering av 01005-komponenter vid små komponentavstånd skulle också studeras i detta Fig 20. Sprucken resistor vid ett padavstånd av 180 µm och med 3,5 N monteringskraft Fig 21. Resistor monterad på runda paddar med en diameter av 260 µm Fig 23. Resistorer monterade med ett avstånd av 50 µm efter omsmältning Fig 24. Bryggbildningsfrekvens för monteringar med resistorer projekt. Antalet 01005-resistorer som användes i dessa experiment var 1120. Det visar sig att en väl fungerande screentryckprocess är den avgörande faktorn för montering av komponenter under ett avstånd av 100 µm. Bryggbildning sker lätt om tryckinställningarna inte är korrekt optimerade. Dessutom är lodpastans vätningsförmåga en faktor som påverkar risken för bryggbildning efter omsmältning. Fig 22 visar en bryggbildning efter komponentplacering vid ett avstånd av 50 µm. Som framgår av fig 23 kan dock ingen bryggbildning längre observeras efter omsmältning beroende på lodpastans goda vätning. Om blyfria legeringar hade använts skulle man kunna förvänta sig mer bryggbildning på grund av den sämre vätningsförmågan jämfört med Sn/Pb. Loden skulle uppvisa en större tendens att förbli där den först placerades. Fig 24 visar frekvensen bryggbildning som funktion av komponentavståndet. Det visar sig att bryggbildningarnas antal minskar i takt med att komponentavståndet ökar. I inget av resultaten från experimenten kunde bryggbildning mellan intilliggande komponenter konstateras vid ett avstånd av 100 µm. Därför kan 100 µm definieras som minsta komponentavstånd under de experimentella förhållandena. Fig 25 visar komponenterna monterade Fig 25. Resistorer monterade med ett avstånd av 100 µm med ett avstånd av 100 µm. Elektronikkapslingstätheten kan ökas genom montering av passiva komponenter i storleken 01005. En väl fungerande lodpastatryckprocess för 01005-komponenter kan åstadkommas genom användning av en stencil med tjockleken tre tusendels tum. Placeringsnoggrannheten är tillräckligt hög på 01005-komponenter om plock- och placeringsmaskinen MY9 används. I komponent-placeringsprocessen rekommenderas en liten monteringskraft av 1 N, eftersom den stora monteringskraften 3,5 N tenderar att orsaka bryggbildning mellan fillets och sprickbildning i 01005-resistorer. Lodpasta av typ 4 rekommenderas eftersom den har samma prestanda som typ 5 och är billigare. Under de experimentella förhållandena definierades de optimala paddimensionerna för kondensatorer och resistorer i storleken 01005 till 210 µm i längd, 220 µm i bredd och 160 µm avstånd respektive 190 µm i längd, 220 µm i bredd och 160 µm avstånd. Minsta komponentavstånd definierades till 100 µm. Om optimala paddimensioner används kan 50 procent kortutrymme sparas jämfört med 0201-komponenter. monterade på runda paddar uppvisade bättre förmåga till självjustering, men runda paddar kan inte bidra till att spara kortutrymme på grund av de stora paddiametrar som krävs för att åstadkomma godtagbara lödfogar. YU WANG, MICHAEL OLORUNYOMI, JOHAN ANDERSON Smit Center och Institutionen för Mikroteknologi och Nanovetenskap, Chalmers Tekniska Högskola. MARTIN DAHLBERG, ZORAN DJUROVIC, Mydata Automation AB JOHAN LIU, Smit Center och Institutionen för Mikroteknologi och Nanovetenskap, Chalmers Tekniska Högskola och Key State Lab of New Displays and System Integration, Smit Center, Shanghai University Referenser 1. IPC-SM-782A. Surface Mount Design and Land Pattern Standard. Available from IPC, Northbrook, IL. 2. IPC-7351. Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard. Available from IPC, Northbrook, IL. 3. User s Guide to MODDE. Umetrics AB. URL: http: //www.umetrics.com/software_ modde.asp. 4. IPC-A-610C. Acceptability for Electronic Assemblies. Available from IPC, Northbrook, IL. 5. J-STD-005. Requirements for soldering pastes. Available from IPC, Northbrook. IL. 6. Larry B. Barrentine. An Introduction to Design of Experiments: A Simplified Approach. ASQ Quality Press, 1999, ISBN: 0873894448. 7. Z. Djurovic, M. Dahlberg and J. Anderson. Experimental study of component placement in solder paste. Proceedings of the Sixth IEEE CPMT Conference on High Density Microsystem Design and Packaging and Component Failure Analysis, 2004, pp. 185-194. 8. E. Kress. Solder Pad Geometry Studies for Surface Mount of Chip Capacitors. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol 8 (4), 1985, pp. 505-511. 9. F. Mattsson, D. Geiger, D. Shangguan and T. Castello. PCB design and assembly process study of 01005 size passive components using lead-free solder. Proceedings of SMTA International Conference, 2004. 42 ELEKTRONIK I NORDEN 20/2005