Betrachtung und 3D-Messung der Anwendungsbedingungen von Lotpaste
Lotpasten verbinden ein oberflächenmontiertes Bauteil (SMD) mit einer Leiterplatte in Oberflächenmontagetechnik (SMT), der am häufigsten verwendeten Methode zur Leiterplattenmontage. Die Bedingungen für den Druck oder die Anwendung von Lotpaste haben großen Einfluss auf die Qualität der Leiterplatten. In diesem Abschnitt werden grundlegende Lotkenntnisse, der Leiterplattenbestückungsprozess und die neuesten Beispiele für die Betrachtung und Messung von Lotpasten vorgestellt, die eine wichtige Rolle bei der Auswertung für die Qualitätssicherung, Forschung und Entwicklung dieser Lote spielen.
- Grundlagen der Lötmittel
- Eigenschaften von Lotpaste und anderen Loten
- Schritte beim Reflow-Löten und anderen Weichlötverfahren
- Beispiele für die Betrachtung und 3D-Messung der Anwendungsbedingungen von Lotpaste
- Ein Digitalmikroskop, das die Betrachtung und Analyse von Lotpaste verbessert und die Arbeitsabläufe beschleunigt
Grundlagen der Lötmittel
Lötmittel oder Lote sind metallische Bindemittel, die zum Verbinden elektronischer Komponenten mit einer Leiterplatte verwendet werden. Typische Lote schmelzen bei weniger als 450°C. Sie werden an den Verbindungsstellen auf einer Leiterplatte mit Kupfer legiert und verbinden einen Kontakt, wenn sie ausgehärtet sind. Das Verbinden mit Lötmitteln wird Weichlöten genannt.
Beim typischen Weichlöten wird ein Flussmittel verwendet, um die Permeabilität und Benetzbarkeit* von Loten zu erhöhen. Flussmittel werden aus pflanzlichen Kunststoffen wie Kolophonium hergestellt. Flussmittel haben noch einige andere Wirkungen, z. B. verhindern sie die Oxidation während des Erhitzens und entfernen chemisch oxidierte Schichten und Schmutz von den Metalloberflächen.
Üblicherweise verwendete Lote (eutektische Lote/Bleilote) enthalten etwa 40% Blei (sie enthalten 63% Zinn und 37% Blei). Mit einem Schmelzpunkt von 183°C werden diese Lote bei typischen Anwendungen auf etwa 250°C erhitzt, um sie zu verbinden. Da Blei jedoch bei der Entsorgung als Industrieabfall schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt hat, werden seit etwa dem Jahr 2000 überwiegend bleifreie Lote verwendet. Um bleifreie Lote zu verwenden, muss die Heiztemperatur etwa 30°C höher eingestellt werden als bei anderen Loten. Aus diesem Grund ist die Einstellung des Temperaturprofils für den Reflow-Prozess beim Weichlöten, der am häufigsten verwendeten Methode für die Oberflächenmontage, wichtig. Diese weit verbreitete Verwendung rührt daher, dass die Montage auf Leiterplatten, die sich durch übermäßige Erwärmung verziehen, fehlerhaft sein kann. Bleifreie Lote haben eine geringere Benetzbarkeit als andere Lote, was zu einem Defekt führen kann, der als Lotkugeln bezeichnet wird, abhängig von den angewandten Bedingungen für die Lotpaste oder der Temperaturkontrolle im Reflow-Prozess. Lotkugeln können Schaltkreisdefekte oder Fehlfunktionen verursachen.
- TippsWas ist Benetzbarkeit?
- Die Benetzbarkeit beim Weichlöten wird auch als Lotbenetzbarkeit bezeichnet. Unter Benetzbarkeit versteht man die Fähigkeit des geschmolzenen Lots, sich auf einer Kontaktfläche auszubreiten, anstatt abgestoßen zu werden. Die Benetzbarkeit des Lotes hat großen Einfluss auf die Haftfestigkeit. Wenn z. B. ein Lot aushärtet und sich aufgrund unzureichender Benetzbarkeit nicht ausreichend auf dem Land oder Pad einer Leiterplatte verteilt, kann das montierte System Probleme wie geringere Haftfestigkeit, schlechten Kontakt und schlechte Leitfähigkeit aufweisen, was wiederum zu Gerätestörungen führt.
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- Man kann sagen, dass die Benetzbarkeit höher ist, wenn der Kontaktwinkel θ (A in der Abbildung) näher an Null Grad liegt. Beim Weichlöten führt eine höhere Benetzbarkeit zu einer höheren Haftfestigkeit zwischen der Leiterplatte und den montierten Komponenten. Ein sehr hoher Kontaktwinkel θ (geringe Benetzbarkeit) kann zu Montagefehlern führen und, wenn die Lotpaste kugelförmig aushärtet, Lotkugeln erzeugen, die Kurzschlüsse verursachen können. Um diese Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, die Benetzbarkeit der Lotpaste auf Lötaugen vor der Verwendung in automatisierten Montageprozessen, insbesondere im Reflow-Prozess, zu prüfen.
Eigenschaften von Lotpaste und anderen Loten
Lotpaste ist ein pastöses Lot, das aus pulverförmigem Lot und Flussmittel hergestellt wird.
Lotpaste wird für SMT verwendet, das derzeit am häufigsten eingesetzt wird. In der Massenproduktion wird Lotpaste im Siebdruckverfahren auf die Flächen einer Leiterplatte aufgetragen und in Öfen erhitzt, um SMDs zu löten.
In einigen Anwendungen werden Dispenserroboter und Tintenstrahldrucker eingesetzt, um Lotpaste in bestimmten Mustern aufzutragen.
Andere typische Lotformen
Neben Lotpaste gibt es folgende typische Lotformen. In diesem Abschnitt werden die Merkmale und die Verwendung erläutert.
- Lötdraht
- Lötdraht sieht aus wie ein Draht. Lötdraht enthält Flussmittelfäden. Zum Löten von SMDs auf einer Leiterplatte wird ein Lötkolben verwendet, um Lötdraht direkt zu erhitzen und zu schmelzen. Der Lötdraht wird von einer automatisch gesteuerten Weichlötmaschine zugeführt.
- Lotbarren
- Diese Form des Weichlötens wird für die Durchsteckmontagetechnik (IMT) verwendet, bei der Leitungen oder Elektroden in Durchgangslöcher auf einer Leiterplatte eingeführt und verlötet werden. Lötstäbe werden in einem Lötbad geschmolzen und zum Weichlöten verwendet.
Schritte beim Reflow-Löten und anderen Weichlötverfahren
Reflow-Löten ist die am häufigsten verwendete Methode bei der automatisierten Montage mittels SMT.
Beim typischen Weichlöten im Reflow-Verfahren wird die Lötpaste in bestimmten Mustern durch Metallmasken im Siebdruckverfahren auf die Lötaugen der Leiterplatte aufgebracht. Auf die angegebenen Muster werden außerdem Klebstoffe aufgetragen, um die SMDs zu halten, die vom Bestücker automatisch auf den Mustern montiert werden. Die Leiterplatte wird in einen Reflow-Ofen eingeführt und erhitzt, um die SMDs zu verbinden. Dieser Prozess wird als Reflow-Prozess bezeichnet.
SMDs können auf der anderen Seite der Leiterplatte montiert werden, indem sie umgedreht werden. Auf der anderen Seite der Leiterplatte wird die Lotpaste aufgetragen und die SMDs werden darauf montiert. Die Leiterplatte wird erneut im Reflow-Ofen erhitzt. Der Vorgang wird in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Andere typische Weichlötmethoden
Neben dem Reflow-Löten gibt es verschiedene andere Weichlötmethoden. Nachfolgend finden Sie typische Methoden für das Weichlöten wie das manuelle Weichlöten, das automatisch gesteuerte Weichlöten und das automatische Weichlöten in Linien.
- Weichlöten mit einem Lötkolben
- Die Spitze des Lötkolbens wird mit einem Nickel-Draht-Heizgerät oder einem Keramik-Heizgerät auf eine hohe Temperatur erhitzt und in direkten Kontakt mit dem Lötdraht gebracht, um diesen zu erhitzen. SMDs werden mit geschmolzenem Lötdraht auf eine Leiterplatte aufgebracht. Manche Lötkolben verfügen über eine äußerst nützliche Temperaturanpassungsfunktion, um die Temperatur an die Schmelztemperatur des zu verwendenden Lots anzupassen. Neben dem manuellen Weichlöten werden Lötkolben auch in automatischen Lötmaschinen verwendet. Bei einigen Anwendungen werden Portalrahmengeräte oder mit Lötkolben ausgestattete Roboterarme eingesetzt, um SMDs präzise nach den von der automatischen Steuerung programmierten Koordinaten zu löten.
- Flow-Löten
- Die Unterseite einer Leiterplatte wird in einem Lötbad mit der flüssigen Lotoberfläche, die aus geschmolzenen Lötstäben besteht, in Kontakt gebracht, um SMDs auf der Leiterplatte zu löten. Diese Methode wird hauptsächlich für die Montage von Dual-Inline-Gehäusen (DIP) mit Anschlüssen verwendet. Es gibt zwei Arten von Lötbädern, die zum Weichlöten verwendet werden: das statische Bad, das die Flüssigkeiten in Ruhe hält, und das Jet-Wellen-Lötbad, das Wellen auf der Oberfläche des flüssigen Lots erzeugt.
Beispiele für die Betrachtung und 3D-Messung der Anwendungsbedingungen von Lotpaste
Wenn Lotpaste, die aus pulverförmigem Lot und Flussmittel hergestellt wird, auf Lötaugen gedruckt oder aufgetragen wird, beeinflusst seine Benetzbarkeit die Qualität und Zuverlässigkeit der Montage erheblich. Die Benetzbarkeit der aufgetragenen Lotpaste kann anhand des Winkels zum Lötauge beurteilt werden. Es ist außerdem wichtig, das Erscheinungsbild zu betrachten und das Volumen und die Form der Lötpaste zu messen, um festzustellen, wie sich das pulverförmige Lot und das Flussmittel auf dem Lötauge verteilen.
Es ist jedoch schwierig, die Lotpaste im gesamten Sichtfeld für die Betrachtung zu fokussieren, da es durch Lichtreflexion zu Glanzlichtern kommt, das Licht anders reflektiert wird als der Hintergrund und die Formen Höhenunterschiede aufweisen. Es ist außerdem nicht möglich, die Form von Lotpaste mit taktilen Messgeräten vor dem Reflow-Löten zu messen. Zudem ist es schwierig, die Messungen von 3D-Formen mit optischen Mikroskopen präzise durchzuführen.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCE verfügt über ein optisches System und einen 4K-CMOS-Bilderfassungssensor, die sowohl eine hohe Tiefenschärfe als auch eine hohe Auflösung bieten, sowie über ein System mit hochfunktioneller Beleuchtung und ausgefeilter Bildverarbeitung. Mit diesen Funktionen sind die Bestimmung der Bedingungen und die Fokuseinstellung auf dreidimensionalen Messobjekten nicht mehr schwierig, sondern erfordern nur noch einfache Bedienschritte. Das Ergebnis ist eine klare Betrachtung mit hochauflösenden 4K-Bildern. Zusätzlich können berührungslose, präzise 2D- und 3D-Messungen mit hochauflösenden Bildern für die Betrachtung durchgeführt werden. Lesen Sie weiter, um Beispiele für die Betrachtung und Messung von Lotpaste zu sehen, die mit der Modellreihe VHX auf die Lötaugen einer Leiterplatte aufgetragen wird.
Hochauflösende Betrachtung von Lotpaste mit 4K-Bildern
Dank der großen Tiefenschärfe kann das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX voll fokussierte, klare Bilder von dreidimensionaler, auf Lötaugen aufgetragene Lotpaste aufnehmen. Mit der Funktion zur Optimierung von ringförmigen Reflexionen und der Funktion zur Glanzlichtentfernung können Sie die Auswirkungen von Lichtreflexionen beseitigen, die spezifisch für Lotpaste sind. Diese Funktionen ermöglichen eine Betrachtung mit Hilfe eines hochauflösenden Bildes, das die Details der Lotpaste deutlich zeigt, wie z. B. die Bedingungen des mikroskopischen pulverförmigen Lots und des Flussmittels sowie die Grenzen zwischen den Lötaugen und der Lotpaste.
Außerdem können die Lichtverhältnisse jetzt auf Knopfdruck bestimmt werden. Mit der Multi-Lighting-Funktion, die automatisch Daten von Bildern erfasst, die mit Beleuchtung aus allen Richtungen aufgenommen wurden, kann die Betrachtung einfach durch Auswahl eines geeigneten Bildes gestartet werden. Die unter jeder Beleuchtungsbedingung erfassten Bilddaten werden gespeichert. Die Bediener können die Messobjekte zu einem späteren Zeitpunkt aus verschiedenen Perspektiven betrachten, indem sie ein Bild auswählen, das unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen aufgenommen wurde. Wählen Sie einfach ein beliebiges Bild aus, um die Bedingungen für die Erfassung dieses Bildes zu reproduzieren. Die Betrachtung kann umgehend an einem anderen Messobjekt desselben Typs an einem späteren Tag unter denselben Bedingungen fortgesetzt werden.
3D-Messung und Profilmessung von Lotpaste
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX kann ein 3D-Bild erstellen, das Veränderungen der mikroskopischen Textur und Oberflächenrauheit anhand eines klaren Betrachtungsbildes zeigt, das direkt von oben aufgenommen wird. Diese Bilder ermöglichen eine schnelle und präzise 2D- und 3D-Messung.
Diese Funktion ermöglicht auch berührungslose 3D- und Formmessungen (einschließlich Höhe und Volumen von Lotpaste), die mit taktilen Messgeräten schwierig sind. Die Ursachen von Lötfehlern, wie z. B. eine unzureichende Auftragsmenge und kalte Verbindungen, können anhand des Volumens und der Form der Lotpaste quantitativ bewertet werden.
Die Bediener können zudem Profile messen, indem sie einfach mit der Maus die gewünschte Stelle angeben, während sie den Bildschirm betrachten. Zweidimensionale Schnittformen von Lotpaste, die in verschiedenen Formen aufgetragen wurde, können berührungslos und zerstörungsfrei gemessen werden. Dies ist nützlich, wenn beispielsweise die Benetzbarkeit anhand des Winkels zu den Lötaugen bewertet wird.
Ein Digitalmikroskop, das die Betrachtung und Analyse von Lotpaste verbessert und die Arbeitsabläufe beschleunigt
Da Leiterplatten und Geräte immer kleiner und kompakter werden, konkurrieren die Hersteller in der Elektronikindustrie weltweit miteinander, um hohe Qualität zu gewährleisten und neue Technologien zu entwickeln. Die Funktionen und die Leistung des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX beseitigen verschiedene Probleme und sind mit einfachen Handgriffen schnell zugänglich, so dass Sie Ihren hohen Wettbewerbsvorsprung in der Elektronikindustrie halten können.
Die Modellreihe VHX ermöglicht eine klare Betrachtung bei hohen Vergrößerungen mit 4K-Bildern, erstellt präzise 3D-Bilder, misst zwei Dimensionen, drei Dimensionen und Profile und erstellt automatisch Berichte – und das alles nahtlos mit einem einzigen System, was die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Auswertung für Forschung, Entwicklung und Qualitätssicherung erheblich erhöht.
Für weitere Informationen oder Anfragen zur Modellreihe VHX, die eine Vielzahl von Betrachtungs- und Analyseaufgaben bei der Herstellung elektronischer Geräte wie z. B. PCs erheblich verbessern kann, klicken Sie auf die Schaltflächen unten.
