快速准确地测量焊点形状的方法
汽车行业中通信电子控制部分正在不断增加。随着日常使用的智能手机、平板终端、智能手表等可穿戴设备等的小型化和高密度化，电子元件封装质量保障和质量保证显得日益重要，要求也更高。
下面将解说与印刷电路板封装质量密切相关的“焊点”、封装工序基础知识、焊点形状不良和封装不良及其应对措施、焊点形状测量和评估的课题与解决方法。
何谓焊点
印刷电路板封装的“焊点（英语：solder fillet）”是指印刷电路板上封装部件的焊锡（焊料）堆高的部分。可根据焊点形状等评估焊接质量。
良好焊点形状
- A
- 角度：15°至45°
- B
- 凹状曲线，平滑且有光泽（呈凸状突起时称为“球状焊锡缺陷”，引起封装不良）
一般情况下，会确认和评估在与焊盘的接合部分熔融并固化的焊锡形状（焊点）。其形状是如同富士山一般具有平滑、凹状的曲线，并于山脚处扩展开。接触角θ越小（润湿性高），状态越好，之后会结合图示进行说明。
另一方面，当加热不足或焊锡量过多时，就会固化成水滴般的鼓起形状。这称为“球状焊锡缺陷”，会降低接合强度，导致连接不良。
何谓接触角θ和润湿性
润湿性可用固体表面与滴落在其上的液体（熔化状态的焊锡等）之间的“接触角θ（Contact Angle）”大小来表示。图中的角度A（接触角θ）越小，润湿性越高，代表液体与固体表面之间的涂布结合性越好。接触角越大，固体表面与液体的结合性越差，润湿性也更低。
表面贴装（SMT）的工序、焊点形状、封装不良与应对措施
下面将解说表面贴装（SMT：Surface Mount Technology）的一般工序、表面贴装中的焊锡量、焊点形状、封装不良。
表面贴装（SMT）工序示例
此处将依次解说FA（工厂自动化）中表面贴装（SMT）的一般工序。
- ·焊锡浆（焊锡膏）印刷工序
- 使用高精细的金属掩膜（制版、丝网掩膜）和刮刀，将焊锡浆（焊锡膏）在印刷电路板上实施丝网印刷，由此仅在必要位置涂布焊锡浆。在试制或少量生产中，有时也会采用不需要制版的喷墨式打印机。
- A
- 金属掩膜
- B
- 刮刀
- C
- 焊锡浆（焊锡膏）
- D
- 印刷电路板
- ·芯片粘结剂工序
- 该工序涂布粘结剂，将芯片部件固定至印刷电路板。主要目的是在回流焊工序中，在封装部件等时候，“固定部件，使其不会脱落”。此外，通过使用导电性粘合剂，可同时实现部件固定和导电。
- ·芯片封装工序
- 将卷取成卷带状的封装部件的盒子安装至封装装置（贴片机）。对于提供的印刷电路板，贴片机按照程序，将封装部件自动配置到印刷电路板上的目标位置。
- ·回流焊工序
- 涂布焊锡浆或芯片粘结剂，然后将载有封装部件的印刷电路板搬运至回流炉内并加热。通过加热使焊锡浆熔化，浸润到封装部件和印刷电路板的焊盘内，在冷却时固化，完成焊接。同时，用热量使芯片粘结剂固化，固定部件。
- 焊锡熔融的温度和芯片粘结剂的固化温度各有不同，因此必须在工序内调整加热温度和冷却速度。此外，还需要小心在回流焊工序中，印刷电路板因热量而发生翘曲。
焊点形状、封装不良与应对措施
焊点的焊锡必须适量，呈能够覆盖部件端子电极和焊盘的形状。
例如，在封装常用的积层芯片电容器时，若焊锡适量，焊点则会在左右端子电极上呈现出八字型的斜面。但是，焊锡量过多时，会变成前言中说明的“球状焊锡缺陷”状态，而焊锡量不足时，无法获得形状完整、体积充分的焊点。在这两种情况下，都会造成紧固力降低，从而导致封装不良和连接不良。
- A
- 适当的焊锡量和焊点形状（两个电极必须处于相同状态）
- B
- 焊锡量不足和焊点形状不良
- C
- 焊锡量过多和焊点形状不良
此外，在回流焊工序中，熔融的焊锡会使端子电极受到表面张力。此时，若两个端子焊锡量有差异，或加热温度有偏差，两个端子上的表面张力会产生差异，出现芯片立起的现象。这种现象可比作高层大厦，称为“曼哈顿现象”，或比作墓碑，称为“立碑现象”。
在不良应对措施中，除焊锡量和质量以外，还需要研讨回流炉预热和升温曲线合理化等工序条件。
在前阶段中设计印刷电路板时，也需要考虑容易形成正常焊点的焊盘形状、热量应对措施等。有时也会通过改善焊锡浆（焊锡膏）印刷时的金属掩膜，提升焊接精度。
焊点形状测量的课题
在测量和评估焊点时，存在以下测量课题。
使用形状轮廓测量仪测量焊点形状的课题
形状轮廓测量仪是使用被称为探针的触针，沿目标物表面移动，对其轮廓形状进行测量、记录的装置。
测量时需要实施水平调整，因此目标物的放置方法、使用夹具的定位、测量针的下落方式等事先设定和测量的难度很高，需耗费大量时间和精力。
因为是以“线”为单位测量拥有三维形状的焊点，所以无法掌握整体形状，而且往往难以测量高密度的小型封装印刷电路板。
焊点形状测量的课题解决方法
前面用二维图像说明了焊点形状，但是现实中焊点拥有三维形状。插入封装和表面贴装中，焊点有各种形状不良。
因此，在焊点形状测量和外观检测时，通过高精度地测量面积、高度、体积、倾斜等三维形状，可准确地评估焊点。然而，接触式的测量方法采用以线为单位进行测量等方法，难以准确掌握焊点形状。
为解决这些测量课题，基恩士开发了3D轮廓测量仪“VR系列”。以非接触的方式，以面为单位来准确捕捉目标物的3D形状。
无需对目标物实施严格定位，放置在载物台上，最快1秒即可完成3D扫描。可高精度地测量三维形状和二维截面形状。因此，测量结果不会产生偏差，可快速、简单、定量地实施测量和评估。下面具体介绍这些优点。
优点1：最快1秒内完成非接触式测量。以面为单位测量整体的3D形状
圆角规用线进行形状拟合，形状轮廓测量仪在用针接触焊点表面的同时以线为单位测量，两者均难以准确测量焊点的整体形状。
而使用“VR系列”，能够以非接触方式以面为单位快速扫描目标物的3D形状，并在最快1秒内完成测量。
可切换低倍率/高倍率，不仅可测量封装印刷电路板整体，还能高精度地测量特定部件的微小焊点形状。
利用彩色图显示高度，可使焊点和电子部件的形状可视化，帮助测量人员迅速了解异常位置及其详细值。
此外，经过一次3D扫描的数据被保存下来，日后可根据数据测量各直线下的截面轮廓。通过简单易懂的数据共享详细形状，可顺利查明不良原因、采取防止再次发生不良的措施、实施比较和趋势分析等。
优点2：无需事先设定和定位，简单快速地测量焊点形状
“VR系列”可立即开始测量，无需用夹具固定目标物，无需严格定位，免去了使用测量仪时困难的事先设定和操作。
将目标物放置到载物台上，通过只需按下按钮的简单操作，即可测量3D形状。根据目标物的特征数据自动完成位置补正，因此无需严格的定位。无需经验和知识即可定量测量，难以产生人为偏差，因此可增加测量数。
此外，还配备了“Smart Measurement功能”，设定时能自动设定测量范围和移动载物台，免去了设定测量长度和Z范围等麻烦。
总结：对曾经难以测量的焊点形状测量进行飞跃性改善和高效化
采用“VR系列”，可通过高速3D扫描，以非接触的方式，以面为单位，对焊点形状乃至印刷电路板整体封装状态进行迅速、准确地3D形状测量。
- 最快1秒。以面为单位、用彩色图了解焊点情况（高度），可通过各截面的轮廓测量，取得详细数据。
- 小型、精密的封装部件的整体和细节也能利用倍率切换，以非接触方式高精度地进行形状测量。
- 无需定位。无需经验和知识。只需将目标物放置到载物台上并按下按钮的简单操作，即可完成测量。
- 可通过3D形状的彩色图像、目标物图像与轮廓数据的组合等自由表现。可将一目了然的数据进行共享，顺利实现与各工序的合作并采取措施。
- 短时间内增加了测量数。此外，轻松实现多个测量数据的定量比较和分析。
可将多个测量数据排列比较，并通过设定的批量应用来分析数据。共享3D形状数据，从测量作业到不良分析及不良应对措施，飞跃性地缩短了工作时间，提升了效率。
