Messung von Lötkegeln

Gute Lötkegelform

Es ist wichtig, dass Sie die Form des geschmolzenen und erstarrten Lots an dem Teil, das mit der Anschlussfläche verbunden ist, überprüfen und bewerten. Die Form sollte eine sanfte konkave Kurve sein, wie die Hänge eines Berges. Wie in der Abbildung unten erläutert, weist ein kleinerer Kontaktwinkel θ (höhere Benetzbarkeit) auf bessere Bedingungen hin.
Bei unzureichender Erhitzung oder zu viel Lot erstarrt es jedoch in einer konvexen Form wie ein Wassertropfen. Dies wird als Lötfleck (oder Blob) bezeichnet und kann zu einer Verminderung der Haftfestigkeit oder zu einem Verbindungsfehler führen.

Kontaktwinkel θ und Benetzbarkeit

Die Benetzbarkeit wird als der Wert des Kontaktwinkels θ zwischen der Oberfläche des festen Objekts und der darauf getropften Flüssigkeit (z. B. geschmolzenes Lot) ausgedrückt. Ein kleinerer Winkel A in der Abbildung (Kontaktwinkel θ) bedeutet eine höhere Benetzbarkeit und zeigt an, dass die Flüssigkeit ordnungsgemäß auf die Oberfläche des festen Objekts aufgetragen wurde. Ein größerer Winkel bedeutet eine geringere Benetzbarkeit, weil die Oberfläche des festen Objekts die Flüssigkeit abgestoßen hat.

Beispiel für Oberflächenmontagetechnik (SMT)

Allgemeine Prozesse der Oberflächenmontagetechnik (SMT) für die Fabrikautomation (FA) sind unten aufgeführt.

• Druckverfahren für Lötpaste

Unter Verwendung einer hochpräzisen Metallmaske (Platten- oder Siebmaske) wird Lötpaste im Siebdruckverfahren mit einem Rakel aufgetragen, sodass die Paste nur an den erforderlichen Stellen auf der Leiterplatte aufgebracht wird. Für die Herstellung von Prototypen oder kleinen Mengen kann ein Tintenstrahldrucker verwendet werden, der keine Maske benötigt.

• Chip-Bonding

Dies ist ein Bonding-Verfahren für die Montage von Chipkomponenten auf der Leiterplatte. Es wird vor allem beim Weichlöten verwendet, um die Komponenten zu fixieren, damit sie bei der Montage von Bauteilen nicht herunterfallen. Die Verwendung von elektrisch leitenden Klebstoffen ermöglicht es, die Komponenten an Ort und Stelle zu fixieren und eine Kontinuität zu erreichen.

• Chipmontage

Die Kassette, die die auf eine Rolle aufgewickelten Montagekomponenten enthält, wird auf dem Bestückungsautomaten installiert. Der Bestückungsautomat platziert die Montagekomponenten gemäß dem Programm automatisch an den angegebenen Positionen auf der mitgelieferten Leiterplatte.

• Reflow-Prozess

Nachdem die Lötpaste oder der Chip-Bond aufgetragen und die Montagekomponenten in Position gebracht wurden, wird die Leiterplatte in den Reflow-Ofen transportiert und aufgeheizt. Durch diese Erhitzung schmilzt die Lötpaste, wodurch sie benetzt wird und sich auf den montierten Bauteilen und dem Montagepad der Leiterplatte ausbreitet. Danach kühlt sie ab und verfestigt sich, um den Lötprozess abzuschließen. Gleichzeitig härtet diese Erhitzung auch den Chip-Bond aus, um die verklebten Komponenten zu fixieren.

Da die Schmelztemperatur des Lots und die Aushärtungstemperatur des Chip-Bonds unterschiedlich sind, müssen die Erhitzungstemperatur und die Abkühlgeschwindigkeit innerhalb des Prozesses angepasst werden. Beim Reflow-Prozess ist Vorsicht geboten, da die Gefahr besteht, dass sich die Leiterplatte durch die Hitze wölbt.

Lötkegelform, Montagefehler und Gegenmaßnahmen

Für Lötkegel muss eine geeignete Menge Lot in einer Form aufgetragen werden, die die Anschlussklemme des Bauteils und das Montagepad bedeckt.
Bei der Montage eines gängigen mehrschichtigen Chipkondensators bildet die Hohlkehle bei richtiger Lotmenge an der rechten und linken Anschlussklemme sanft nach innen gebogene Schräglinien. Wenn zu viel Lot aufgetragen wird, bildet sich, wie bereits erklärt, ein Lötfleck. Wenn die Menge an Lot zu gering ist, ist es nicht möglich, einen Lötkegel mit ausreichender Form und ausreichendem Volumen zu erzeugen. In beiden Fällen ist die Haftfestigkeit reduziert und es kann zu Montage- oder Verbindungsfehlern kommen.

Während des Reflow-Prozesses wird durch das geschmolzene Lot an den Anschlussklemmen eine Oberflächenspannung erzeugt. Wenn es einen Unterschied zwischen den Lotmengen an den beiden Anschlussklemmen oder eine Variation der Erhitzungstemperatur gibt, tritt ein Unterschied in der Oberflächenspannung an den beiden Anschlussklemmen auf und verursacht das als „Manhattan-Phänomen“ bekannte Problem. Der Name kommt von der Tatsache, dass der stehende Chip einem hohen Gebäude ähnelt. Es wird auch als „Grabsteinphänomen“ bezeichnet, weil es einem Grabstein ähnelt.

Bei der Definition von Maßnahmen zur Fehlervermeidung ist es wichtig, neben der Lotmenge und -qualität auch die Prozessbedingungen zu berücksichtigen, einschließlich des Vorheizens des Reflow-Ofens und der Optimierung des Temperaturanstiegprofils.
In der vorangehenden Leiterplatten-Entwurfsphase müssen auch Faktoren wie die Form der Anschlussfläche und Maßnahmen gegen Hitze berücksichtigt werden, damit sich problemlos ein korrekter Lötkegel bilden kann. In manchen Fällen kann eine Verbesserung der Metallmaske, die beim Drucken der Lötpaste verwendet wird, die Genauigkeit des Weichlötens verbessern.

Herausforderung bei der Messung der Lötkegelform mit Hilfe von taktilen Profilmesssystemen

Ein Profilmesssystem oder Konturograph misst und erfasst das Profil eines Messobjekts, indem es dessen Oberfläche mit einem Taststift nachfährt.
Die Positionierung und Nivellierung sowie andere Vorbereitungen des Messobjekts sind für die Messleistung von entscheidender Bedeutung und erfordern Fachpersonal, das die Vorbereitungs- und Messarbeiten durchführt. Dies nimmt viel Zeit und Arbeit in Anspruch.
Da die Messung eines Lötkegels, der eine 3D-Form hat, mit Hilfe von Linien erfolgt, ist es nicht möglich, die gesamte Form zu identifizieren. Darüber hinaus kann die Messung von kleinen und hochdichten Leiterplatten schwierig sein.

Vorteil 1: Die 3D-Form einer gesamten Oberfläche kann in nur einer Sekunde erfasst werden

Da ein Schweißmessgerät die Formpassbedingungen auf einer Linie misst und ein Profilmesssystem die Lötfläche durch Taststiftkontakt auf einer Linie misst, ist es schwierig, die gesamte Lötkegelform genau zu messen.

Mit der Modellreihe VR kann die 3D-Oberflächenform des Messobjekts gescannt werden, um eine berührungslose Messung in nur einer Sekunde durchzuführen.
Da es möglich ist, zwischen geringer und hoher Vergrößerung umzuschalten, kann nicht nur die gesamte Leiterplatte, sondern auch die detaillierte Lötkegelform an bestimmten Komponenten mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Die angezeigten Höhenfarben ermöglichen es, die Form des Lötkegels oder eines elektronischen Messobjekts zu visualisieren, sodass abnormale Stellen und ihre detaillierten Werte schnell identifiziert werden können.

Sobald ein Messobjekt gescannt wurde, werden die Messdaten gespeichert und die Profilmessung des Querschnitts an einer beliebigen Stelle kann jederzeit unter Verwendung früherer Daten durchgeführt werden. Diese Daten können problemlos gemeinsam genutzt werden, sodass Aufgaben wie die Identifizierung der Ursache eines Defekts, die Definition von Gegenmaßnahmen zur Verhinderung eines erneuten Defekts und die Durchführung von Vergleichen und Trendanalysen einfach durchgeführt werden können.

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Vorteil 2: Die Messung von Lötkegelformen kann sofort und ohne vorherige Einrichtung oder Positionierung erfolgen

Mit der Modellreihe VR können Sie sofort mit der Messung beginnen, ohne das Messobjekt an einer Vorrichtung befestigen, eine genaue Positionierung oder andere schwierige Voreinstellungen oder Bedienungen des Messsystems vornehmen zu müssen.

Die Messung von 3D-Formen kann ganz einfach durchgeführt werden, indem Sie das Messobjekt auf den Objekttisch legen und eine Aufnahme starten. Da eine automatische Positionskorrektur anhand von Messobjektdaten möglich ist, ist eine genaue Positionierung nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine quantitative Messung ohne durch menschliche Faktoren verursachte Abweichungen. Jeder Anwender, unabhängig von seiner Erfahrung, kann präzise und wiederholbare Messungen durchführen und so die Anzahl der Proben, die in einer bestimmten Zeit gemessen werden können, erhöhen.
Darüber hinaus umfasst diese Modellreihe auch die neue „Smart Measurement“-Funktion, die den Messbereich automatisch konfiguriert und den Objekttisch bewegt. Damit entfällt die Arbeit, die für die Einstellung der Messlänge, des Z-Bereichs oder anderer Werte erforderlich ist.

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