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小型元件的整体状况
  2020-06-02      160

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I-Connect007编辑团队采访Ray Prasad以了解电子行业使用尺寸更小型元件背后的推动力,以及他对组装行业的看法。他还谈到组装行业必须把重点放在前端技术、印刷技术和成像技术领域,以及为什么这些领域的技术目前是使用这些小型元件的限制因素。

Nolan Johnson电子行业的发展趋势是使用越来越小的元件,我们正在探索在电路板上的这些更小型元件的特征尺寸。这一趋势对我们的制造供应链造成压力。我们的问题是,“是什么在推动这一趋势?是这些变得更小的元件推动电路板的功能特性,还是电路板的功能特性推动元件的尺寸变小?”

Ray Prasad如果你从元件的整体状况看,就会发现是摩尔定律在起作用。在上世纪六十年代,Gordon Moore博士说,硅晶片的性能每十八个月到两年就会提升一倍。硅晶片必须装在某种外壳中,也就是装在封装里。必须把这些封装安装到电路板上,并且电路板上会有大量的这类封装。 

一个电子从一个封装到达另一封装是通过引线键合来实现的,一个封装中的硅晶片的电子沿着电路板的走线,穿过电路板上的过孔,通过电路板上的一个电路到键合下一个封装的另一条电线,然后到这个封装的电路板走线最终回到这个封装中的硅晶片。这个过程就像电子在交通的高峰期以缓慢的速度通过。在这个过程中,你会有附加损失。硅晶片设计师以皮秒的速度来讨论性能,而电路板设计师在安排时序时是以纳秒的速度来考虑性能问题。电子要通过电感器、电容器和电阻器、线路的导线的引线键合,这些器件使电子放慢速度。

为了提高性能,您必须减小间距,引线尺寸,引线键合等。这些都是提高电子速度的封装功能的示例。这种改善先从通孔元件到表面贴装元件,然后从细间距元件到BGA元件再到BTC元件,最后到倒装芯片元件,这样做也能改善封装的性能。在基片级的引线和空隙方面,类似的改进不是很多。在上个世纪八十年代,我们用的是10密尔的引线和间距,现在,我们在大批量生产中很可能用5密尔的引线和间距。这是一个例子,它说明为什么电路板的性能是电子产品系统整体性能的瓶径之一。

Dan Feinberg尺寸和重量非常重要,现在,我们要求各种不同的器件有做越来越多事情的能力,尺寸和重量是一个影响很大的因素,因此,器件的尺寸必须更小。 

Prasad是的,不过,归根结底,这完全由实际应用决定。在消费电子产品中,产品的重量和成本一定是关键的驱动因素。于是,在有些情况中,处理器是25瓦的器件,器件中处理器的热性能就是主要的驱动力。当然,在所有的应用中,成本都起作用。问题在于,一个相同的情况不会在各种不同应用中都起主导作用。如果你的器件是在卫星上使用,要送到太空,他们就不大关心它的成本问题。甚至在消费电子产品中,比如笔记本电脑,如果你有一个大功率器件,你不想用风扇来冷却它,那么,它的散热性能就变得非常重要。所以说,实际应用决定一切。

Matties如果我们能把这些小型元件引进组装工艺,你认为我们的组装行业在遇到细间距元件时会面临哪些挑战?

Prasad在组装小型元件方面有哪些工艺?如果必须使用小型元件,你要对它进行印刷、贴片、回流、测试和返工。间距会在某种程度上影响所有这些工艺步骤,对印刷的影响最大。如果间距小于10密尔,大多数人要花很多时间来印刷锡膏,这是由于焊盘靠得太近,你可能会有桥连。对于一个有良好基础架构的公司,对间距小到大约16密尔左右的焊锡膏印刷,他们不会有什么问题。但是,在间距小于16密尔时,印刷焊锡膏的能力是对大多数公司的关键制约因素。我认为贴片和回流方面的问题并不是真正的问题

Matties你能谈谈焊锡膏的钢网印刷和喷涂吗?

Prasad可以。虽然IPC-610的文件很厚,有几百页,但是,问题最大的缺陷只有两种类型。IPC-610列出所有类型的缺陷,重要的缺陷是短路(桥连)和开路这两种。如果你认真思考这个情况就会发现,短路和桥连是决定产品成功或失败的关键。

一个值得注意的事实是,绝大多数公司的开路缺陷要比短路缺陷多。如果你在任何一个公司收集过去六个月的数据,然后对他说“把你的所有缺陷分为三类:开路、短路和其他”。所有公司的开路缺陷数量都是短路缺陷的四到五倍。我的主张是,你应努力提高短路缺陷的数量,让它大大增多,甚至让短路缺陷达到开路的六倍。这是为什么呢?

这是由于短路缺陷从来都不能躲过测试,它们不能通过电路在线测试、功能测试、视觉检查,等等。它们将在测试时被发现,客户将永远不会知道曾有过短路问题,但是开路缺陷或焊锡不足引起的缺陷可能会逃过测试。它们甚至会通过在线测试,这就是为什么在出现由于开路缺陷引起的故障时,故障会令人非常困惑,供应商和用户之间对故障原因会存在许多分歧,无论故障是在使用产品的用户地点出现,还是在产品的应用现场出现。解决出现故障的根本原因的代价可能非常高昂。

不过,如果我在印刷焊膏时使用最大数量的焊锡膏,出现稍多的桥连,由于我可以在交货之前发现这些桥连,它们就不会逃过。我还要强调的是,我的意思并不是说你应该有很多桥连。我要说的是在你的工艺中应该是桥连多一些,开路少一些;桥连除以开路的比例应很接近6。在我们不断缩小间距时,这个缺陷的比例要更大。

Matties随着间距变得更细,焊盘之间更接,你认为短路和开路比例会自然转换吗?

Prasad会是这样的,但人们的做法很奇怪。他们在更细的间距下仍然会有更多的开路,原因在于,在他们看到桥连时,他们就采取各种步骤来减少印刷的锡膏体积和钢网的厚度。人们不愿意看到桥连的原因是它很明显。为了减少桥连,他们重做他们的钢网设计(钢网厚度、钢网孔),这是因为他们不希望看到产品有每个人都容易看出的桥连

现在回答你的问题,随着间距变细,自然会出现更多的桥连,但人们会修改他们的钢网和印刷工艺,最终出现焊锡不足的情况。正如你所预料的,这会导致出现更多开路,而不是更多的桥连。

Matties即使间距更细,但趋势是应用更少或更薄的焊锡膏。

Prasad这就是为什么间距更细时的缺陷水平在你使用比较少的焊锡膏时达到每百万个零件10000以上 (这里还有其他的原因,例如引线的易碎性)。

Matties焊锡膏制造商是怎么解决这个问题?

Prasad对于焊锡膏印刷,有许多指南。这些指南中一个原则就是钢网孔与焊锡粉末之比应达到4:3或更大。换句话说,通过钢网孔的焊锡球应多于四个,这样就不会造成堵塞钢网孔。钢网孔的宽度也有对应的指南。孔的宽度大约是间距的一半。一般地说,当间距较细时,孔的宽度要超过间距宽度的一半以上。对于16密尔的间距,你也许会希望你的钢网孔宽度是10密尔。

比较细的间距必须用比较小的焊锡粉末尺寸。不过,焊锡粉末的尺寸越小,焊料粉末暴露的表面积就越大。表面积越大就意味氧化物越多,如果氧化物越多,你就有更多起球的焊锡。对于粉末尺寸比较小的焊锡,你必须有像氮气氛围这样的惰性环境。由于粉末尺寸越小,就越容易被氧化,因此要让焊锡粉末处在一个惰性环境中,并确保它们不被氧化。焊锡膏制造商的作用非常大,尤其是提供细间距使用的焊锡膏。

Matties钢网的几何结构在这里也起重要作用。 

Prasad不错,你必须用更薄的钢网来印刷更细的间距。钢网可以多薄的极限取决于制作钢网的金属。一些人在打算做2密尔厚或3密尔厚的钢网时,会变得非常困难,他们尝试用Kapton带来制作这样的钢网。此外,有人使用电铸钢网,这是一种电镀钢网,对细间距印刷很有意义。电铸钢网不是用轧钢材料制作的,因此它们不像普通钢网那么坚固,而成本是普通钢网的五倍,普通钢网的成本大约是200-300美金,电铸钢网的成本在800-900美元左右。

你必须使电铸钢网的表面非常光滑,这样,在印刷焊锡膏时,任何东西都不会附着在钢网孔的侧壁上,你提起钢网时,你印刷的所有焊锡膏都完全通过钢网孔留在电路板上。如果钢网的表面不是非常光滑,就会有一些通过钢网孔的焊锡膏在钢网提起时回到钢网上,这样,你在回流时就没有足够的焊锡。

Matties在你谈到焊锡膏不足时,这些电路板在通过检查工艺时是否进行SPI检查?

Prasad他们是这么做的,但是,在检查焊锡膏覆盖时(覆盖焊盘面积的65%125%-225%)不检查焊锡膏的高度是多少,所以他们必须这么做。

Matties我认为如果在检查时就进行SPI检查,你就会看到是否存在焊锡或焊锡膏不足的情况,而不是在出现现场故障造成大的不良影响时再去做。

Prasad这就是你要做的事情,为了达到可接受标准,你必须设置比较高的标准(焊盘覆盖率接近100%的那一端),这样,你会有最大的焊锡膏体积。SPI就可以帮助你。

Matties现在大多数车间都采用这种标准做法吗

Prasad这不是对每个人都适用的。要看具体情况。如果你买的是一台50,000美元印刷机,它没有SPI能力。我还想说的是,对于印刷机,你需要的印刷能力中,最重要的能力是把焊锡膏从钢网孔中吸出来的能力。间距变得更小时,你要确保没有东西留在钢网孔里。随着间距变小,达到这个要求的难度变得越来越大。50,000美元印刷机从小孔中回吸焊锡膏的能力要比昂贵的印刷机(价格100,000美元以上)大很多,但是,不是每个人都有这种昂贵的印刷机。

Matties对于这些细间距元件,你说过贴片既不是问题,也不应该成为问题。

Prasad对于大多数人,贴片元件之所以不是问题,是因为现在的大多数机器都比以前好很多;即使你有偏离,对于1类和2类元件,允许有50%的偏离,对于3类元件,允许有25%的偏离。你不必做到完美,放置的元件自动对准即使稍有偏离,焊锡熔融时,它就会被拉回来。

Matties你说的是标准的减法工艺吗?

Prasad是的,我不认为在这种情况中加法工艺是常用的工艺。

Matties你认为在哪些产品中应使用细间距封装,在电子产品中会普遍使用这种封装吗?

Prasad没有人愿意买一个很大的手机。只要你要求手机的尺寸小,重量轻,就需要细间距封装。我们还要通过采用面积阵列封装,如BGA来达到把元件尺寸缩得更小的目标。例如,如果你将0.5毫米间距的QFP换成BGA,间距将变成1毫米,元件的尺寸变小,是因为你使用封装的整个底面。此外,你用1毫米间距的封装取代0.5毫米间距的封装时,你的印刷就不会成为问题。

如果你使用的是超细间距的封装,例如10密尔间距的封装,你要处理的问题就不只是印刷问题,还有一个重要问题是处理引脚,因为这种封装的引脚很容易损坏。由于引脚非常容易损坏,导致在你贴装超细间距封装之前它们就可能出现各种机械问题(不是在印刷时)。

对于超细间距封装,封装的贴片变得更加重要。谈这个问题不是只从间距的角度看,而是要看间距适合哪种类型的封装。如果是非常脆弱的封装,并且引脚都在封装的边缘上(QFP),那么,操作和贴片就变得非常棘手。但是,如果同样的封装是BGABTC封装,你就是让它掉到地板上,也不会发生什么,因为它们非常结实。因此,贴片问题取决于封装的类型。

Feinberg有些器件没有电路板,不过,这类器件不是很多。换句话说,整个器件都在一块芯片上,芯片与使用者之间的连接是无线的,对器件的控制也是无线的;器件里面没有电路板。我这一周在CES上看到一些这类产品。

Prasad看看硬件公司和软件公司之间的股票和市盈率。硬件公司如果遇到瓶径,可以通过软件或人工智能来解决。

Feinberg正是这样。我们没有办法使电子流的速度超过光速。 

Johnson当你从减法转变到加法时,我希望让它加倍回到阈值。那么,阈值的定义是否明确?它会改变吗? 

Prasad我不是这方面的专家。根据对加法工艺的观察,我看到很多人都在使用这种工艺,不论是出于技术的原因还是成本的原因。试想一下,如果我们能够做间距在12密尔内的电路板;我们现在的电路板必须是多层的,最初是八层或六层,它可以是两层

那么,成本就会降下来,但成本下降的原因是1密尔或2密尔的走线可以用减法工艺来完成。为什么不这么做呢?我不知道答案是什么。

Johnson2019年,我们和供应链上的许多人讨论过很多次,其中的一些与元件有关的建议是“你要把元件做得尽可能小”,因为汽车和移动电话都要求制造更小的元件。按照那些材料清单专家团队的看法,提高产品寿命的秘诀是尽可能使用最小的元件。如果设计团队开始严格遵循这个指导方针,这样做是否会使他们更接近他们必须使用的一些其他工艺?

Prasad我并不认为元件的尺寸有那么重要。在元件的尺寸极限方面,已经出现在0201元件和0105元件,而我的建议却是相反。你应当尽可能用最大的元件来做你想做的事情,这里是指间距最大。要使用最大间距的元件。如果我们谈论04020201时是指电阻器和电容器,这时尺寸才有意义。

Johnson使用尽可能大的间距才有意义。

Prasad尽可能大的间距才是你需要的。如果它是一个很薄的封装,它就像一块饼,饼很大就容易吃,你不可能既要求封装的尺寸很小,间距又很大,你会使用像BGA类型的封装,而不是QFP

Matties在嵌入式有源元件方面,你有什么见解? 

Prasad在这方面已经做了相当多的工作。这里有一些变化,不过,我不知道在嵌入式有源元件方面有多少成功的例子。思考一下无源的电阻器和电容器,以及是怎样把它们集成起来使用。从上世纪八十年代开始,我们谈了许多关于把无源元件集成到电路板上做法,但是,今天你看到嵌入电路板的无源元件有多少?如果把无源元件嵌入电路板成功了,我们就没有使用02010105元件的理由,在所有的特定电路板中,你根据电路板的尺寸放置几百个02010105无源元件,这比尝试把有源元件嵌入电路板要简单得多。 

Matties他们为什么不使用把无源元件嵌入电路板的办法?

Prasad这是钱的问题。

Matties把无源元件嵌到电路板中要花更多的钱吗?

Prasad是的,请记住,每一块电路板都是独一无二的,你可以每天生产1块、5块、10块、20块、100块、1000块,甚至10000块电路板。但是,在你制造元件时,你每天生产几百万个或几十亿个元件。即使你能一天生产10000块电路板,你的工艺永远不会达到那些一天能生产几百万个和几十亿个元件的工艺的效率与产量水平。对于绝大多数的人,一天生产一万块电路板的生产速度已经是非常高的了,但这样的生产速度对任何一个元件供应商来说根本就不算什么。如果你比较元件供应商生产的元件与无源元件的生产批量时,就会发现它们都是以亿为单位来计算。在小批量生产环境下很难达到这样的效率,并且还能使它们具有经济效益。

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