在印刷电路板封装的主流技术—表面封装技术(SMT:Surface Mount Technology)中,“焊锡膏(焊膏)”是用来连接和接合表面封装部件(SMD:Surface Mount Device)和印刷电路板的部分。印刷和涂布的状态很大程度决定了封装印刷电路板的品质。下面我们将为您介绍焊锡的基础知识、印刷电路板封装工序以及在其品质保证、研发阶段的评价中十分重要的焊锡膏观察和测量的案例。

焊锡膏涂布状态观察和三维尺寸测量

焊锡的基础

焊锡(solder)是将电子部件以金属接合的方式连接到印刷电路板上的材料。一般在低于450°C的温度下熔解,并通过固化在印刷电路板侧的铜接合部形成合金,将接点接合。使用焊锡接合称为焊接(soldering)。
为了提高焊锡的渗透性和“润湿性”*,一般会使用焊剂。焊剂的原材料采用植物性树脂(松香等)。此外,焊剂具有防止加热时的氧化,并科学去除金属面的氧化膜及污渍的效果。

传统的焊锡(共晶焊锡、有铅焊锡)含有约40%的铅(锡63%/铅37%)。熔点为183°C,接合时一般加热至约250°C。但是,铅成为工业废物时会造成环境污染,因此从2000年左右开始,“无铅焊锡”便成为主流。使用无铅焊锡时,必须将加热温度设定为比过去高30°C左右的温度。为此,采用在表面封装中成为主流的回流焊方式时,回流焊工序中的温度曲线设定非常重要。当印刷电路板因为过热而发生翘曲时,可能会造成封装不良。此外,无铅焊锡的润湿性低于传统焊锡,因此根据涂布的焊锡膏状态和回流焊工序中的温度控制,可能会发生焊瘤等不良,或者因焊瘤而造成电路问题和故障。

小提示何谓“润湿性”
焊锡的“润湿性”也称为“焊锡润湿性”。熔解焊锡在接合物表面密接扩散而不被排斥的特性。焊接的润湿性跟接合强度有很大关系。例如,焊锡润湿性不足导致焊锡在印刷电路板的焊盘(焊垫)上未充分铺展的状态下凝固时,会引起元件接合强度下降、接触不良、导电不良等设备故障。
何谓“润湿性”
接触角θ(图中A)越接近于0°,“润湿性”越高,如果是焊锡,印刷电路板和封装部件的接合强度也更高。当接触角θ极大(润湿性低)时,除了会造成封装不良之外,一旦固化成球状,还可能产生“焊瘤”导致短路。因此,尤其在回流焊工序等自动化封装工序中,在投入前检查焊盘上焊锡膏的润湿性非常重要。

焊锡膏的特点以及其他焊锡

焊锡膏是指由焊锡粉末和焊剂制作而成的膏状焊锡,也称为焊膏或锡膏。
它用于目前作为主流自动封装技术的表面封装技术(SMT),在大量生产中主要用丝网印刷在印刷电路板的焊盘上涂布焊锡膏,在用炉子加热后焊接表面封装部件(SMD)。
根据不同目的,有时会使用点胶机或喷墨打印机把焊锡膏进行图样涂布。

其他代表性的焊锡形态

除焊锡膏之外,代表性的焊锡形态如下。下面将说明其中的特点和使用方法。

焊锡丝
焊锡丝是指线状的焊锡。焊锡丝含有管状焊剂,用烙铁直接加热使其熔解,然后把部件焊接在印刷电路板上。自动控制的焊接装置会自动供应焊锡丝。
焊锡条
用于插入封装技术(IMT:Insertion Mount Technology),将引线(电极)插入印刷电路板通孔(孔),并通过焊接连接。使用熔解焊锡条的焊锡槽实施焊接。

回流焊方式的工序以及其它焊接的方法

回流焊方式(Reflow方式)是在使用表面封装技术(SMT)的自动封装工序中采用的主流方式。
一般来说,通过使用金属掩膜的丝网印刷,将焊锡膏在印刷电路板的焊盘上进行图样涂布。用于固定部件的芯片键合技术,也需要在必要位置进行图样涂布,然后用名为贴片机的装置在该位置自动安装表面封装部件(SMD)。最后将其搬运到名为回流炉的炉子里加热,接合部件。这种工序称为回流焊工序。
此外,将印刷电路板上下翻转,再次涂布焊锡膏,安装SMD,用回流炉加热,就可在印刷电路板的两面实施表面封装。这种工序如下所示。

1.将金属掩膜叠在印刷电路板上,用名为刮刀的刷子涂膜焊锡膏。
2.金属掩膜孔部分的膏体留在印刷电路板的焊盘上。
3. 安装表面封装部件,用回流炉加热并焊接。
4.上下翻转印刷电路板,叠上金属掩膜,用刮刀涂膜焊锡膏。
5. 安装表面封装部件,用回流炉加热后焊接。
6.印刷电路板两面的表面封装完成。

其他代表性的焊接手法

除回流焊方式以外,还有其它多种焊接方法。以下列举了手工作业、自动控制、生产线自动封装中使用的代表性方法。

烙铁
将烙铁前端用镍铬丝加热器或陶瓷加热器加热到高温,使其直接接触线状的焊锡丝给予加热。熔解焊锡,将部件接合到印刷电路板上。带有温度调整功能的烙铁具有高便利性,可轻松达到要使用焊锡的熔解温度。此外,烙铁不仅可用于手工作业,还可用于自动装置。根据用途,还可使用在门型装置或机械手臂上安装烙铁,通过自动控制,在编程好的坐标处实施高精度焊接的装置。
波峰焊方式(Flow方式)
将印刷电路板的下表面浸于熔解焊锡条的焊锡槽的焊锡液面,实施焊接。这种手法,主要用于封装引线型的DIP部件。波峰焊工序中使用的焊锡槽包括液面静止的“静止槽”与焊锡液面有波动的“喷流焊锡槽”。

焊锡膏涂布状态观察和三维尺寸测量的案例

由粉末的焊锡和焊剂制作成的焊锡膏,在向焊盘印刷(涂布)时的润湿性,很大程度上决定了封装品质与可靠性。涂布的焊锡膏的润湿性可从相对于焊盘的角度来评价。此外还需从外观观察焊锡粉末和焊剂在焊盘上的铺展情况,以及检查体积和形状。
但是,焊锡膏会由于光线反射而出现光晕,而且与背景的光线反射率不同,还具有立体的形状,因此很难在整体对焦的状态下观察。而且,回流焊前的焊锡膏不可使用接触式的测量仪测量形状。而普通显微镜很难准确、定量地测量三维尺寸,这也是面临的课题之一*。
与本公司旧VH系列产品的比较

基恩士的超高精细4K数码显微系统“VHX系列”采用了实现大景深与高分辨率的光学系统和4K CMOS,以及高功能照明、高水准图像处理等自主研发的设计系统。这样就可用简单操作完成难以做到的条件设定和立体目标物对焦,还可通过4K高分辨率图像清晰地观察。另外,还可直接从4K高分辨率图像上以非接触的方式高精度地测量二维和三维尺寸。下面我们将为您介绍使用“VHX系列”观察和测量印刷电路板焊盘上涂布的焊锡膏的案例。

用4K图像高分辨率观察焊锡膏

4K数码显微系统“VHX系列”可借助大景深,清晰地获取焊盘上立体涂布的焊锡膏的整体对焦图像。而且,采用“去除环形光晕”功能和“去除反光”功能,可避免受到焊锡膏特有的光线反射的影响。由此,便可通过清晰的4K高分辨率图像,观察微小焊锡粉末和焊剂的状态、焊盘和焊锡的边界等细节。
此外,只需按下按钮的简单操作,就可设定照明条件。采用可自动获取在多方位照明条件下拍摄数据的“多方位多功能照明”功能,只需选择符合目的的图像,即可开始观察。各照明条件的图像数据会被保存下来,日后可调用不同照明条件的图像,以不同角度进行观察。除此之外,只需选择图像即可复制相同条件,因此即使是其它日期、其它个体的样品,也可立刻以相同条件重新开始观察。

用4K数码显微系统“VHX系列”观察焊锡膏
用4K数码显微系统“VHX系列”观察焊锡膏
环状照明(300×)
用4K数码显微系统“VHX系列”观察焊锡膏
去除环形光晕(300×)

焊锡膏的三维尺寸测量和轮廓测量

4K数码显微系统“VHX系列”可从正上方拍摄清晰的4K观察图像,并直接从图像上捕捉微小的纹理变化、表面粗糙度等,实现3D图像化。而且还可以高精度地快速测量二维和三维尺寸。 这样便可以非接触的方式测量包括焊锡膏的高度、体积在内的三维尺寸和形状,而这些操作用接触式测量器无法做到。根据焊锡膏的体积和形状,可对焊锡量不足、假焊等不良原因轻松地实施定量评价。
此外,只需看着画面用鼠标指定各种位置,即可测量轮廓。以非接触、非破坏的方式测量涂布成各种形状的焊锡膏的二维截面形状,在从相对于焊盘的角度评价润湿性时也十分有效。

用4K数码显微系统“VHX系列”进行焊锡膏的三维尺寸测量
用4K数码显微系统“VHX系列”进行焊锡膏的三维尺寸测量
上下均为环状照明(300×)+三维尺寸测量、轮廓测量
上下均为环状照明(300×)+三维尺寸测量、轮廓测量

提升焊锡膏观察和分析的水平、提高工作速度的4K数码显微系统

随着印刷电路板和元件变得小型化和高密度化,电子元件行业在全世界范围进行着高品质和新技术的角力。4K数码显微系统“VHX系列”具有出色的性能,配备丰富的功能,用简单操作即可快速解决各个课题,在电子元件行业提供高度竞争力。

“VHX系列”可通过4K图像进行清晰的高倍率观察,实现高精度3D图像化,只需1台设备就可无缝地测量二维和三维尺寸、测量轮廓以及自动制作报告,因此在研发和品质保证阶段,可显著提升评价的准确性和速度。

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