Pozorování a 3D měření stavu nanesení pájecí pasty
Pájecí pasty neboli pájecí krémy slouží k připojení a připevnění součástek pro povrchovou montáž (Surface Mount Device, SMD) k desce u technologie povrchové montáže (Surface Mount Technology, SMT), což je široce používaná metoda osazování desek plošných spojů (Printed Circuit Board, PCB). Stav tisku nebo nanesení pájecí pasty má velký vliv na kvalitu PCB. Tato část popisuje základní poznatky o pájení, proces osazování PCB a nejnovější příklady pozorování a měření pájecích past, které hrají významnou roli v hodnocení pro zajištění kvality, výzkum a vývoj těchto pájecích materiálů (pájek).
- Základy pájení
- Charakteristiky pájecích past a dalších pájecích materiálů
- Postup pájení přetavením a dalších metod pájení
- Příklady pozorování a 3D měření stavu nanesení pájecí pasty
- Digitální 4K mikroskop, který zajišťuje sofistikovanější pozorování a analýzu pájecí pasty a zrychluje operace
Základy pájení
Pájky jsou materiály pro spojování kovů používané pro připojení elektronických součástek k PCB. Typické pájky se taví při teplotě nižší než 450 °C. U spojů na PCB se smísí s mědí a po vytvrzení propojí kontakt. Spojování pomocí pájek se nazývá pájení.
U pájení se typicky používá tavidlo, které zvyšuje roztékavost a smáčivost* pájky. Tavidla se vyrábějí z rostlinných pryskyřic, např. kalafuny. Tavidla mají i další účinky, například brání oxidaci během zahřívání a chemicky eliminují zoxidované povlaky a nečistoty z kovových povrchů.
Konvenční pájky (eutektické pájky / pájky na bázi olova) obsahují přibližně 40 % olova (63 % cínu a 37 % olova). Tyto pájky mají bod tavení 183 °C a pro spojování při obvyklém použití se zahřívají na cca 250 °C. Protože však olovo při likvidaci jako průmyslový odpad má vážný dopad na životní prostředí, jsou zhruba od roku 2000 nejběžnějším materiálem bezolovnaté pájky. U bezolovnatých pájek se teplota ohřevu musí nastavit přibližně o 30 °C výš než u konvenčních pájek. Proto je u pájení přetavením, což je jedna z nejběžnějších metod povrchové montáže, důležité nastavit teplotní profil procesu přetavení. Toto široké využití vychází ze skutečnosti, že u PCB zprohýbaných nadměrným teplem může být montáž vadná. Bezolovnaté pájky mají nižší smáčivost než konvenční pájky, což v závislosti na stavu použité pájecí pasty nebo řízení teploty v procesu přetavení může vést k vadám známým jako kuličky pájky. Kuličky pájky mohou způsobit vady nebo nefunkčnost obvodů.
- TipyCo je smáčivost?
- Smáčivost v pájení se také nazývá smáčivost pájky. Smáčivost je schopnost roztavené pájky rozprostřít se na kontaktním povrchu místo toho, aby ji povrch odpuzoval. Smáčivost pájky má významný vliv na pevnost spoje. Pokud například pájka v důsledku nedostatečné smáčivosti zatvrdne na připojovací ploše nebo podkladu PCB bez dostatečného rozprostření, u osazovaných součástek může dojít k problémům typu menší pevnosti spoje, špatného kontaktu a malé vodivosti, což může mít za následek poruchu zařízení.
-
- Dá se říci, že smáčivost pájky je vyšší, pokud je kontaktní úhel θ (úhel A na obrázku) blíže k hodnotě 0 stupňů. Vyšší hodnoty smáčivosti zajistí při pájení větší pevnost spoje mezi deskou a osazovanými součástkami. Extrémně vysoký kontaktní úhel θ (nízká smáčivost) může vést k vadám montáže, a pokud pájecí pasta kulově zatvrdne, vytvoří kuličky pájky, které mohou způsobit zkrat. Aby se těmto problémům předešlo, je u automatizovaných procesů osazování, zejména u přetavení, důležité zkontrolovat smáčivost pájecí pasty na připojovací ploše před použitím.
Charakteristiky pájecích past a dalších pájecích materiálů
Pájecí pasta, nebo též pájecí krém, je pájecí materiál těstovité konzistence vyrobený z práškové pájky a tavidla.
Pájecí pasty se využívají u metody SMT, která je v současné době nejpoužívanější. U hromadné výroby se pájecí pasta nanáší na připojovací plochy na PCB pomocí sítotisku a při pájení SMD se zahřívá v pecích.
U některých aplikací se k nanášení pájecí pasty podle daného vzoru používají robotické dávkovače a inkoustové tiskárny.
Další typické formy pájek
Kromě pájecích past existují i následující typické formy pájek. V této části jsou popsány jejich charakteristiky a způsoby použití.
- Pájecí drát
- Pájecí drát má tvar drátu. Obsahuje vlákna tavidla. Součástky SMD se pájí na PCB přímým zahřátím a roztavením pájecího drátu pomocí páječky. Pájecí drát je podáván automaticky řízeným pájecím strojem.
- Pájecí tyčinky
- Tato forma pájky se používá u technologie montáže skrz otvory (Insertion Mount Technology, IMT), kde se vývody nebo elektrody vsunou do průchozích otvorů na PCB a připájí. Pájecí tyčinky se před použitím k pájení roztaví v pájecí lázni.
Postup pájení přetavením a dalších metod pájení
Nejčastěji používanou metodou při automatizovaném procesu osazování pomocí technologie SMT je pájení přetavením.
U typického pájení přetavením se pájecí pasta nanáší na připojovací plochy na PCB v daném vzoru pomocí sítotisku přes kovové masky. Na zadaný vzor se nanášejí i lepidla, která mají za úkol přidržet součástky SMD automaticky osazované montážním zařízením na vzor. PCB se vloží do přetavovací pece a zahřeje, čímž dojde k připojení SMD. Tomu se říká proces přetavení.
Otočením PCB je možné osazovat SMD na druhou stranu. Pájecí pasta se nanese na druhou stranu PCB a osadí se na ni SMD. Potom se PCB znovu zahřeje v přetavovací peci. Postup je znázorněn na následujících obrázcích.
Další typické metody pájení
Kromě pájení přetavením existuje řada dalších metod pájení. Níže jsou popsány typické metody pájení jako ruční pájení, automaticky řízené pájení a automatické pájení na linkách.
- Pájení pomocí páječky
- Hrot páječky se zahřeje na vysokou teplotu pomocí topného prvku z nichromového drátu nebo keramiky a umístí se do přímého kontaktu s pájecím drátem, aby jej zahřál. Součástky SMD se roztaveným pájecím drátem připojí k PCB. Některé páječky jsou vybaveny velmi užitečnou funkcí regulace teploty, aby jejich teplota odpovídala teplotě tavení použité pájky. Kromě ručního pájení se páječky používají i v automatických pájecích strojích. U některých aplikací se používají portálová zařízení nebo robotická ramena s páječkami, aby byly součástky SMD pájeny přesně podle souřadnic naprogramovaných automatickým řízením.
- Pájení obtékáním
- Dolní povrch PCB se v pájecí lázni umístí do kontaktu s hladinou tekuté pájky, což jsou roztavené pájecí tyčinky, a tím se součástky SMD připájí k PCB. Tato metoda se používá hlavně k pájení pouzder „dual in-line package“ (DIP) s vývody. Pro pájení obtékáním se používají dva typy pájecích lázní: statická lázeň, kde je tekutina v klidu, a proudová pájecí lázeň, která na hladině tekuté pájky vytváří vlny.
Příklady pozorování a 3D měření stavu nanesení pájecí pasty
Když je pájecí pasta, vyrobená z práškové pájky a tavidla, natištěna nebo nanesena na připojovací plochy, její smáčivost výrazně ovlivní kvalitu a spolehlivost montáže. Smáčivost nanesené pájecí pasty je možné posoudit podle úhlu vůči připojovací ploše. Je také důležité sledovat vzhled a měřit objem a tvar pájecí pasty, podle nichž lze posoudit, jak se prášková pájka a tavidlo na připojovací ploše rozprostřou.
Zaostřit na pájecí pastu pro pozorování v celém zorném poli je však obtížné vzhledem k odleskům od odraženého světla, jiné odrazivosti světla, než má pozadí, a tvarům s výškovými rozdíly. Rovněž není možné měřit tvar pájecí pasty před pájením přetavením pomocí kontaktních měřidel. Kromě toho je obtížné pomocí optických mikroskopů přesně měřit rozměry 3D tvarů.
Digitální 4K mikroskop KEYENCE řady VHX používá optickou soustavu a obrazový senzor CMOS s rozlišením 4K, které zajišťují jak velkou hloubku ostrosti, tak i vysoké rozlišení, a systém zahrnující velmi praktické osvětlení a propracované zpracování obrazu. S těmito funkcemi již určení podmínek a nastavení zaostření u trojrozměrných objektů přestává být obtížné a vyžaduje jen velmi jednoduché úkony. Výsledkem je zřetelné pozorování prostřednictvím snímků s vysokým rozlišením 4K. Se snímky s vysokým rozlišením 4K použitými pro pozorování lze navíc provádět vysoce přesná bezkontaktní 2D i 3D měření. Níže najdete příklady, jak lze pomocí mikroskopů řady VHX provádět pozorování a měření pájecí pasty nanesené na připojovací plochy na PCB.
Pozorování pájecí pasty ve vysokém rozlišení prostřednictvím 4K snímků
Díky velké hloubce ostrosti digitálního 4K mikroskopu řady VHX lze zachytit plně zaostřené zřetelné snímky pájecí pasty nanesené na připojovací plochy ve 3D. S využitím funkcí odstranění kruhových odlesků a odstranění lze eliminovat působení odrazů světla charakteristických pro pájecí pasty. Tyto funkce umožňují pozorování pomocí snímků ve vysokém rozlišení 4K, které zřetelně zobrazí detaily pájecí pasty, například stav mikroskopických částí práškové pájky a tavidla a hranice mezi připojovacími plochami a pájecí pastou.
Světelné podmínky lze teď navíc nastavit pouhým stiskem tlačítka. Pomocí funkce vícenásobného osvětlení, která automaticky získává data snímků pořízených za osvětlení ze všech směrů, lze jednoduše zahájit pozorování výběrem vhodného snímku. Data snímků pořízených při každých světelných podmínkách se ukládají. Obsluha může později získat cílová data z odlišných perspektiv výběrem snímku pořízeného za jiných světelných podmínek. Stačí výběrem libovolného snímku reprodukovat podmínky použité k jeho pořízení. Později lze pozorování rychle obnovit u jiného vzorku stejného typu objektu za stejných podmínek.
3D měření a měření profilu pájecí pasty
Digitální 4K mikroskop řady VHX dokáže vytvořit 3D obraz zobrazující změny v mikroskopické struktuře a drsnosti povrchu ze zřetelného snímku pro pozorování v rozlišení 4K pořízeného přímo shora. Tyto snímky umožní rychlé a velmi přesné 2D a 3D měření.
Dále tato funkce umožňuje bezkontaktní 3D měření a měření tvaru (včetně výšky a objemu pájecí pasty), které je s kontaktními měřicími přístroji obtížné. Příčiny vad pájení, jako jsou např. nedostatečné nanesené množství nebo studené spoje, lze kvantitativně vyhodnotit na základě objemu a tvaru pájecí pasty.
Obsluha může také měřit profily po jednoduchém výběru požadovaného místa myší při sledování obrazovky. Dvourozměrné řezy pájecí pasty nanesené v různých tvarech lze měřit bezkontaktně a nedestruktivně, což je užitečné například při posuzování smáčivosti na základě úhlu vůči připojovací ploše.
Digitální 4K mikroskop, který zajišťuje sofistikovanější pozorování a analýzu pájecí pasty a zrychluje operace
S tím, jak se neustále zmenšuje velikost a zvětšuje hustota PCB a součástek, spolu výrobci elektronických zařízení po celém světě soutěží v zajištění vysoké kvality a tvorbě nových technologií. Funkce a výkon digitálního 4K mikroskopu řady VHX eliminují řadu problémů a jsou rychle dostupné pomocí jednoduchých úkonů, což vám umožní udržet si v průmyslu elektronických zařízení velkou konkurenční výhodu.
Mikroskopy řady VHX umožňují provádět zřetelná pozorování při velkém zvětšení pomocí snímků 4K, vytvářet velmi přesné 3D snímky, měřit dvourozměrné objekty, trojrozměrné objekty a profily a automaticky vytvářet protokoly, a to vše hladce a jediným přístrojem, což velmi zvyšuje přesnost a rychlost hodnocení u výzkumu, vývoje a zajištění kvality.
Další informace nebo odpovědi na otázky týkající se mikroskopů řady VHX, které mohou výrazně vylepšit širokou škálu úloh pozorování a analýz ve výrobě elektronických zařízení, např. počítačů, získáte kliknutím na následující tlačítka.
