膏狀焊料塗布狀態的觀察與3D尺寸量測
在現已成為主流印刷電路板封裝方式的表面黏著技術（SMT：Surface Mount Technology）中，「膏狀焊料（錫膏）」屬於將表面黏著零件（SMD：Surface Mount Device）與印刷電路板連接、接合的部分。錫膏的印刷及塗布狀態將大幅影響封裝印刷電路板的品質。在此介紹焊錫的基礎知識、印刷電路板封裝製程，以及在品質保證與研究開發的評估上相當重要的膏狀焊料觀察、量測的最新案例。
焊錫的基礎知識
焊錫（solder）是一種透過金屬將電子零件接合並連接至印刷電路板上的材料。一般會在未達450°C的熔點溫度下使其熔解並凝固，藉此與印刷電路板端的銅接合部形成合金來接合接點。而使用焊錫來進行接合的行為則稱為焊接（soldering）。
為了提升焊錫的滲透性與「潤濕性」*，焊接時通常會使用助焊劑。助焊劑的原料包含植物性樹脂（松香等）。此外，助焊劑具有防止加熱中氧化、科學去除金屬面氧化膜及髒污的效果。
以往的焊錫（共晶焊錫、有鉛焊錫）大約包含40%的鉛（錫63%/鉛37%）。其熔點為183°C，一般加熱至約250°C進行接合。但由於鉛成為工業廢棄物後的環境負擔較大，自2000年左右「無鉛焊錫」變成了主流。若要使用無鉛焊錫，設定的加熱溫度就必須比以往再提高30°C左右。因此，在表面封裝時主要使用的回流焊方式中，回流焊製程的溫度曲線設定便十分重要。若印刷電路板因為過多的熱產生翹曲，就有封裝不良的風險。此外，由於無鉛焊錫的潤濕性較以往材料差，有時也可能因為塗布的膏狀焊料狀態或回流焊製程的溫度控制狀態而發生焊錫球等不良情形，以及不良情形導致的電路問題與故障。
- Tips何謂「潤濕性」
- 焊錫的「潤濕性」又稱「焊錫潤濕性」。它描述的是熔融的焊錫會潤濕接合表面並展開，且不受排斥的性質。焊錫潤濕性會大幅影響接合強度。舉例來說，若焊錫因潤濕性不足而未能充分潤濕印刷電路板的焊盤（焊墊）並展開，凝固後便可能導致元件接合強度降低、接觸不良或導通不良等機器故障。
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- 接觸角θ（圖中A）越接近0°，「潤濕性」越高。如果是焊錫，印刷電路板與封裝零件的接合強度也會越大。接觸角θ極大（潤濕性低）時，除了可能導致封裝不良外，一旦焊錫凝固成球狀，更有產生「焊錫球」並導致短路的風險。因此，在回流焊製程等自動化的封裝製程中，在投入使用前先在焊盤上確認膏狀焊料潤濕性的步驟格外重要。
膏狀焊料的特徵與其他焊錫
膏狀焊料指的是由焊錫粉末與助焊劑製成的膏狀焊錫，又稱錫膏或焊錫膏。
它被用於目前主流自動封裝方式的表面封裝技術（SMT）中，大量生產時主要透過絲網印刷將膏狀焊料塗布於印刷電路板的焊盤上，再以爐進行加熱，將表面封裝零件（SMD）焊接上去。
依照使用目的不同，有時也會使用點膠機械手臂或噴墨印表機將膏狀焊料塗布成指定圖形。
其他代表性的焊錫形態
除了膏狀焊料外，其他代表性的焊錫形態如下。此處也將說明其特徵與使用方法。
- 焊錫絲
- 焊錫絲指的是線狀的焊錫。它包含管狀的助焊劑，使用焊鐵直接加熱焊錫絲使其熔解後，便可將零件焊接至印刷電路板。若使用自動控制的焊接裝置，則可自動供給焊錫絲。
- 焊錫棒
- 焊錫棒用於通孔插裝技術（IMT：Insertion Mount Technology）中，將接腳（電極）插入印刷電路板的通孔（洞），並以焊接接合。需使用焊錫爐熔解焊錫棒再進行焊接。
回流焊方式的製程與其他焊接方法
回流焊方式（Reflow方式）在運用表面封裝技術（SMT）的自動封裝製程中屬於主流手法。
一般會使用鋼板進行網版印刷，在印刷電路板的焊盤上將膏狀焊料塗布成指定圖形。接著一樣在必要處將用來固定零件的晶片黏著劑塗布成指定圖形，再用稱為貼片機的裝置來自動搭載表面封裝零件（SMD）。最後將印刷電路板輸送至稱為回流焊爐的爐中加熱來接合零件。這個製程即稱為回流焊製程。
此外，只要將印刷電路板上下翻轉並再次塗布膏狀焊料、黏著SMD，再以回流焊爐加熱，即可對印刷電路板的雙面進行表面封裝。其製程如下圖所示。
其他代表性的焊接手法
除了回流焊方式以外，焊接還有各式各樣的手法。以下列舉手工作業、自動控制及生產線上自動封裝等所使用的代表性手法。
- 焊鐵
- 以鎳鉻絲加熱器或陶瓷加熱器將焊鐵末端加熱至高溫，再使其直接接觸線狀的焊錫絲來進行加熱，讓焊錫熔解，以將零件接合至印刷電路板。附帶溫度調整功能的焊鐵可因應使用焊錫的熔解溫度，具備較高的便利性。此外不只是手工作業，焊鐵也被運用於自動裝置上。在某些用途中，會在門型裝置或機械手臂上會裝備焊鐵，並使用自動控制對編排好的座標執行高精度的焊接。
- 流焊方式（Flow方式）
- 先在焊錫爐熔化焊錫棒，再將印刷電路板的底面浸入其焊錫液面來進行焊接。這種手法主要使用在接腳型DIP零件的封裝。用於流焊製程的焊錫爐分成液面靜止的「手浸式焊錫爐」與焊錫液面有波動的「噴流式焊錫爐」兩種。
膏狀焊料塗布狀態的觀察、3D尺寸量測的案例
膏狀焊料由粉末焊錫與助焊劑組成，將它印刷（塗布）於焊盤時的潤濕性會大幅影響封裝品質與可靠性。塗布膏狀焊料後的潤濕性可藉由它與焊盤的夾角來加以評估。此外，從外觀觀察焊錫粉末與助焊劑在焊盤上展開的情形，以及調查其體積與形狀也相當重要。
然而，由於反射光會產生光暈、膏狀焊料與背景的光反射率不同，且膏狀焊料具備立體形狀，過去要對整片膏狀焊料進行對焦觀察非常困難。此外，進行回流焊之前的膏狀焊料也不能使用接觸式測量儀來量測形狀。一般顯微鏡難要以正確且定量執行3D尺寸量測也是一大課題。
KEYENCE的超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」，採用了實現大景深和高解析度的光學系統和4K CMOS、高功能照明與高水準的影像處理等獨創設計的系統。藉此便能輕鬆完成以往困難的條件，找出及對焦於立體目標物，以4K的高解析度影像鮮明的進行觀察。此外，也能透過4K高解析度影像直接執行高精度的非接觸2D、3D尺寸量測。在此介紹使用「VHX系列」觀察、量測塗布於印刷電路板焊盤上的膏狀焊料的案例。
以4K影像高解析度觀察膏狀焊料
4K數位顯微鏡「VHX系列」具備大景深，可取得塗布於焊盤上的整片立體膏狀焊料的清晰對焦影像。此外，只要應用「去除環狀」功能及「消除光暈」功能，便不受膏狀焊料特有的光反射影響。即可以清晰的4K高解析度影像觀察細微的焊錫粉末及助焊劑狀態、焊盤與焊錫境界等細節。
還配備一鍵按下便能找出照明條件的簡單操作。也有能自動取得以全方位照明拍攝的資料的「多重照明」功能，只要選擇符合目的地影像即可開始進行觀察。「VHX系列」可以儲存各個照明條件下的影像資料，日後仍可叫出不同照明條件的影像，從不同觀點進行觀察。由於只需選擇任意影像即可完全重現相同的條件，即使時間、樣本個體不同，也能立刻於相同條件下接續進行觀察。
膏狀焊料的3D尺寸量測、輪廓量測
從正上方拍攝的清晰4K觀察影像，到細微的紋理變化與表面粗糙度，4K數位顯微鏡「VHX系列」都能掌握並轉換成3D影像。也能迅速執行高精度的2D、3D尺寸量測。 包含膏狀焊料的高度、體積在內，實現了接觸式測量儀不能執行的3D尺寸、形狀的非接觸量測。可依據膏狀焊料的體積及形狀輕鬆完成焊錫量不足及冷焊等不良原因的定量評估。
只要看著畫面一邊操作滑鼠指定任意部位，還能執行輪廓量測。可以非接觸、非破壞的方式量測塗布於各種形狀上的膏狀焊料2D截面形狀，需依據其與焊盤夾角來評估潤濕性時也相當實用。
使膏狀焊料的觀察、分析更為精準，提升業務速度的4K數位顯微鏡
電子元件產業的印刷電路板及元件朝小型化、高密度化發展，更需與全球同業競爭高品質與新技術。4K數位顯微鏡「VHX系列」具備解決以往課題的功能與性能，且只需簡單的操作即可迅速執行，可於電子元件產業提供高度的競爭力。
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