Waarnemen en in 3D meten van toepassingsomstandigheden van soldeerpasta
Met soldeerpasta kan een opbouwcomponent (SMD) worden verbonden met een printplaat volgens de opbouwtechnologie (SMT), de methode die het meest wordt gebruikt voor montage van printplaten. De omstandigheden waaronder soldeerpasta wordt gedrukt of aangebracht, zijn van grote invloed op de kwaliteit van de PCB's. In dit gedeelte wordt een inleiding gegeven tot de basiskennis over solderen, het monteren van printplaten en de meest recente voorbeelden van het waarnemen en analyseren van soldeerpasta's die een belangrijke rol spelen bij de evaluatie voor kwaliteitsborging, onderzoek en ontwikkeling van deze soldeermiddelen.
- Basisprincipes van solderen
- Eigenschappen van soldeerpasta en andere soldeermiddelen
- Stappen van reflow-solderen en andere soldeermethoden
- Voorbeelden van waarnemen en in 3D meten van toepassingsomstandigheden van soldeerpasta
- Een 4K digitale microscoop die de verfijning van de waarneming en analyse van soldeerpasta verbetert en het werk sneller laat verlopen
Basisprincipes van solderen
Soldeer is metaalhechtmateriaal voor het monteren van elektronische componenten op een printplaat. Soldeer smelt doorgaans al onder 450°C. Dat wordt gelegeerd met koper op de verbindingen op een PCB en hecht een contact wanneer het uitgehard is. Het met elkaar verbinden van metalen onderdelen met soldeer wordt solderen genoemd.
Bij normaal solderen wordt een vloeimiddel gebruikt om de doordringbaarheid en bevochtiging* van soldeer te verhogen. Dat vloeimiddel wordt gemaakt van botanische hars zoals rosin. Vloeimiddelen hebben nog enkele andere effecten zoals het voorkomen van roestvorming tijdens verhitting en het chemisch verwijderen van geoxideerde folies en vuil van de metaaloppervlakken.
Conventioneel soldeer (eutectisch soldeer/loodhoudend soldeer) bevat ongeveer 40% lood (63% tin en 37% lood). Met een smeltpunt van 183°C wordt dit soldeer verhit tot ongeveer 250°C voor hechten van de standaardtoepassingen. Omdat lood echter schadelijk is voor het milieu wanneer het als industrieel afval wordt verwijderd, wordt loodvrij soldeer sinds ongeveer 2000 het meest gebruikt. Voor loodvrij soldeer moet de verwarmingstemperatuur circa 30°C hoger worden ingesteld dan voor conventioneel soldeer. Daarom is de instelling van het temperatuurprofiel voor het reflow-proces belangrijk bij reflow-solderen, dat de meest gebruikte methode voor surface mounting is. Dit wijdverbreide gebruik vloeit voort uit het feit dat de montage gebrekkig kan zijn op PCB's die zijn kromgetrokken door overmatige verhitting. Loodvrij soldeer heeft een lagere bevochtiging dan conventioneel soldeer, wat een defect kan veroorzaken dat soldeerballetjes wordt genoemd, afhankelijk van het toegepaste soldeerpasta of de temperatuurregeling in het reflow-proces. Soldeerballetjes kunnen fouten of storingen in printplaten veroorzaken.
- TipsWat is bevochtiging?
- Bevochtiging bij solderen wordt ook soldeerbevochtiging genoemd. Door bevochtiging vloeit het gesmolten soldeer beter uit op een contactoppervlak en wordt het niet afgestoten. Soldeerbevochtiging zorgt voor een sterke hechting. Als soldeer bijvoorbeeld uithardt zonder dat het zich voldoende heeft verspreid op het soldeerspoor of het soldeerpunt op een PCB als gevolg van onvoldoende bevochtiging, kan het gemonteerde onderdeel problemen geven zoals een lagere hechtsterkte, slecht contact en slechte geleiding, hetgeen kan leiden tot storingen in de apparatuur.
-
- Er kan worden gesteld dat de bevochtiging groter is wanneer de contacthoek θ (A in de afbeelding) dichter bij nul graden ligt. Bij het solderen zorgt een hogere bevochtiging voor een betere hechting tussen de printplaat en de gemonteerde componenten. Een extreem hoge contacthoek θ (lage bevochtiging) kan montagefouten veroorzaken en er kunnen als het soldeerpasta bolvormig uithardt, soldeerballetjes ontstaan die kortsluiting kunnen veroorzaken. Om dit te voorkomen, is het met name bij het reflow-proces belangrijk dat de bevochtiging van het soldeerpasta op de soldeersporen wordt gecontroleerd voordat de componenten automatisch worden gemonteerd.
Eigenschappen van soldeerpasta en andere soldeermiddelen
Soldeerpasta is een pasteus soldeer gemaakt van soldeerpoeder en vloeimiddel.
Soldeerpasta wordt gebruikt voor SMT, de methode die momenteel het vaakst wordt gebruikt. Bij massaproducties wordt soldeerpasta via zeefdruk aangebracht op de soldeersporen op een PCB en in een oven verhit om SMD's te solderen.
Bij sommige toepassingen worden dispenserrobots en inkjetprinters gebruikt om soldeerpasta in specifieke patronen aan te brengen.
Andere vormen van solderen
Behalve soldeerpasta zijn er nog andere manieren om te solderen. Deze methoden worden hieronder uitgelegd en wordt beschreven hoe die moeten worden gebruikt.
- Soldeerdraad
- Soldeerdraad ziet eruit als draad. Soldeerdraad bestaat uit fluxdraad. Een soldeerbout wordt gebruikt om de soldeerdraad rechtstreeks te verhitten en te smelten om SMD's op een PCB te solderen. Soldeerdraad wordt aangevoerd door een automatisch gestuurde soldeermachine.
- Soldeerstaaf
- Deze vorm van solderen wordt gebruikt voor insertion mount technology (IMT), waarbij draden of elektroden in doorgaande gaten op een PCB worden gestoken en vastgesoldeerd. Soldeerstaven worden gesmolten in een soldeerbad en vervolgens gebruikt voor solderen.
Stappen van reflow-solderen en andere soldeermethoden
Reflow-solderen is de meest gebruikte methode bij het geautomatiseerde montageproces met SMT.
Bij reflow-solderen wordt er soldeerpasta in specifieke patronen met metalen sjablonen door zeefdruk op de soldeersporen op een PCB aangebracht. Er worden ook hechtmiddelen op de gespecificeerde patronen aangebracht om de SMD's vast te houden die door de mounter automatisch op de patronen worden gemonteerd. De PCB wordt in een reflow-oven verhit om de SMD's te hechten. Dit proces wordt het "reflow-proces" genoemd.
SMD's kunnen aan de andere kant van de PCB worden bevestigd door de PCB om te draaien. Soldeerpasta wordt aangebracht op de andere kant van de PCB en SMD's worden er op gemonteerd. De PCB wordt vervolgens opnieuw in de reflow-oven verhit. Dit procedé wordt geïllustreerd aan de hand van de volgende afbeeldingen.
Andere soldeermethoden
Behalve reflow-solderen zijn er nog andere soldeermethoden. De volgende soldeermethoden worden vaak gebruikt: handmatig solderen, automatisch gestuurd solderen en automatisch solderen in lijnen.
- Solderen met een soldeerbout
- De punt van de soldeerbout wordt met een nichroomdraad- of keramisch verwarmingselement tot een hoge temperatuur verhit en in direct contact gebracht met de soldeerdraad om die te verhitten. SMD's worden met gesmolten soldeerdraad op een PCB gesoldeerd. Sommige soldeerbouten hebben een zeer handige functie voor het regelen van de temperatuur waarmee de temperatuur kan worden aangepast aan de smelttemperatuur van het te gebruiken soldeer. Soldeerbouten worden niet alleen bij handmatig solderen maar ook in automatische soldeermachines gebruikt. Bij sommige toepassingen worden portaalframes of robotarmen met soldeerbouten gebruikt voor het solderen van SMD's volgens de coördinaten die door de automatische besturing zijn geprogrammeerd.
- Golfsolderen
- De onderzijde van een PCB wordt in een soldeerbad in contact gebracht met het vloeibare soldeervlak, dat bestaat uit gesmolten soldeerstaven om SMD's op de PCB te solderen. Deze methode wordt hoofdzakelijk gebruikt voor de montage van dual in-line packages (DIP) met aansluitdraden. Er zijn twee typen soldeerbaden die voor golfsolderen worden gebruikt: het statische bad waarin vloeistoffen niet bewegen, en het golfsoldeerbad waarin de vloeistof in golven over het vloeibare soldeeroppervlak gaat.
Voorbeelden van waarnemen en in 3D meten van toepassingsomstandigheden van soldeerpasta
Wanneer soldeerpasta dat wordt gemaakt van soldeerpoeder en vloeimiddel, wordt gedrukt of aangebracht op soldeersporen, is de bevochtiging zeer bepalend voor de kwaliteit en betrouwbaarheid van de hechting. De bevochtiging van aangebracht soldeerpasta kan vanuit een hoek op het soldeerspoor worden geëvalueerd. Het is ook belangrijk om de vormgeving en het meten van het volume en de vorm van het soldeerpasta waar te nemen om te kunnen zien hoe het soldeerpasta en vloeimiddel zich hebben verspreid over het soldeerspoor.
Het is echter lastig om het pastakleurige soldeer voor de waarneming scherp in het hele zichtveld in beeld te brengen vanwege de schittering door weerkaatsing en reflectie van het licht die verschillen van die van de achtergrond, en vanwege de vormen met hoogteverschillen. Ook is het onmogelijk om voorafgaand aan het reflow-solderen de vorm van het soldeerpasta met instrumenten voor contactmeting te meten. Bovendien is het moeilijk om met optische microscopen de afmetingen van 3D-vormen nauwkeurig te meten.
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks van KEYENCE is voorzien van een optisch systeem en een 4K CMOS-beeldsensor met een grote scherptediepte en hoge resolutie en een systeem met zeer functionele verlichtingen en geavanceerde verwerking van beelden. Met deze functies is het bepalen van de omstandigheden en het scherpstellen op driedimensionale beelden niet moeilijk meer en in feite zeer eenvoudig. Het resultaat zijn waarnemingen met 4K-beelden met hoge resolutie. Daarnaast kan er contactloos in 2D en 3D worden gemeten met 4K-beelden met hoge resolutie die bij het waarnemen kunnen worden gebruikt. Lees verder voor voorbeelden van het met de VHX-reeks waarnemen en meten van soldeerpasta dat is aangebracht op de soldeersporen op een PCB.
Waarneming in hoge resolutie van soldeerpasta met 4K-beelden
Dankzij de grote scherptediepte van de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks kunnen er haarscherpe beelden worden gemaakt van driedimensionaal soldeerpasta dat op soldeersporen is aangebracht. Met de functie Verwijdering van ringreflectie en de functie Glansverwijdering kunnen de effecten van lichtreflecties op soldeerpasta worden tenietgedaan. Met deze functies kan worden waargenomen aan de hand van een 4K-beeld met hoge resolutie dat duidelijk de details van het soldeerpasta laat zien, zoals de staat van microscopisch klein soldeerpoeder en vloeimiddel en de grenzen tussen de soldeersporen en het soldeerpasta.
De verlichtingscondities kunnen nu met één druk op een knop worden opgegeven. Met de multiverlichtingsfunctie waarmee automatisch gegevens worden opgehaald van meerdere beelden die met verlichting vanuit alle richtingen zijn vastgelegd, kan er snel worden begonnen met de waarneming door alleen maar het beeld te selecteren dat het meest geschikt is voor wat u op dat moment wilt doen. Beeldgegevens die onder elke verlichtingsconditie zijn vastgelegd, worden opgeslagen. Gebruikers kunnen de doelgegevens op een andere dag vanuit verschillende perspectieven waarnemen door een beeld te selecteren dat onder andere verlichtingscondities is gemaakt. Selecteer gewoon een beeld om die omstandigheden te reproduceren waaronder dat beeld is gemaakt. Vervolgens kan er dan op een andere dag direct onder dezelfde omstandigheden een ander monster van hetzelfde type doel worden waargenomen.
3D-meting en profielmeting van soldeerpasta
Met de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks kan een 3D-beeld worden gemaakt waarmee veranderingen in een microscopisch kleine structuur en oppervlakteruwheid worden aangetoond met behulp van een duidelijk 4K-waarnemingsbeeld dat recht van bovenaf is opgenomen. Deze beelden maken snelle en zeer nauwkeurige 2D- en 3D-metingen mogelijk.
Deze functie maakt ook contactloze 3D- en vormmetingen mogelijk (inclusief de hoogte en het volume van het soldeerpasta), die omslachtig zijn met contactmeetinstrumenten. Oorzaken van soldeerfouten zoals een te weinig aangebracht soldeer en koude verbindingen, kunnen kwantitatief worden geëvalueerd op basis van het volume en de vorm van het soldeerpasta.
Er kunnen ook profielen worden gemeten door eenvoudig met een muis de gewenste locatie op te geven terwijl er naar het scherm wordt gekeken. Twee-dimensionale doorsneden van soldeerpasta dat is aangebracht in verschillende vormen, kunnen op een contactloze, niet-destructieve manier worden gemeten, wat nuttig is wanneer bijvoorbeeld de bevochtiging wordt geëvalueerd op basis van de hoek ten opzichte van de soldeersporen.
Een 4K digitale microscoop die de verfijning van de waarneming en analyse van soldeerpasta verbetert en het werk sneller laat verlopen
Aangezien PCB's en apparaten steeds kleiner en compacter worden, beconcurreren wereldwijd fabrikanten in de elektronische-apparatenindustrie elkaar om een hoge kwaliteit te waarborgen en nieuwe technologieën te ontwikkelen. Door de functies en prestaties van het gebruik van de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks behoren een groot aantal problemen tot het verleden. Deze functies kunnen op eenvoudige manier worden gebruikt waarmee u het verschil kunt maken in de industrie voor elektronische apparaten.
Met de VHX-reeks kan er sterk vergroot en zeer duidelijk worden waargenomen met 4K-beelden; worden er zeer nauwkeurige 3D-beelden gemaakt; kunnen 2D-, 3D afmetingen en profielen worden gemeten en automatisch rapporten worden gemaakt en dat allemaal naadloos met één enkel apparaat waardoor evaluaties voor onderzoek, ontwikkeling en kwaliteitsborging aanzienlijk nauwkeuriger en sneller kunnen worden uitgevoerd.
Klik op de onderstaande knoppen voor aanvullende informatie of vragen over de VHX-reeks waarmee waarnemingen en analyses tijdens de productie van elektronische apparatuur zoals computers aanzienlijk kunnen worden verbeterd.
