CN114986011A - 一种ltcc基板可焊性的快速无损检测装置和测试方法 - Google Patents

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张孔
刘建军
胡海霖
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Abstract

本发明公开一种LTCC基板可焊性的快速无损检测装置和测试方法，包括样品工装台、加热装置、测试光源、显微镜系统、图像传感器、信号处理分析系统和显示系统，LTCC基板放置在样品工装台上，样品工装台设置在加热装置上，测试光源、显微镜系统、图像传感器均设置在样品工装台上方，测试光源对LTCC基板提供单色绿光或白色的LED光源，显微镜系统与图像传感器连接，图像传感器和信号处理分析系统连接，信号处理分析系统和显示系统连接；本发明通过焊盘润湿面积以及焊盘上焊料堆积高度的最大值两个关键参数，分析系统将根据两个关键参数是否超出规定的阈值来判断可焊性合格与否，可焊性判定依据统一、明确，能排除人为主观判断存在的偏差，结果更加准确可信。

Description

一种LTCC基板可焊性的快速无损检测装置和测试方法
技术领域
本发明涉及集成电路检测技术领域，具体涉及一种LTCC基板可焊性的快速无损检测装置和测试方法。
背景技术
低温共烧陶瓷LTCC基板作为混合集成电路基板中的一种，具有优良的电学、机械、热学和工艺特性，能满足低频、数字、射频和微波器件的多芯片组装和单芯片封装的技术要求。特别是LTCC基板的布线密度高、叠层层数多且可以内置无源元件，能大幅提升组装密度，减小电子装备的重量和体积，有利于整机的小型化和高集成化，是当前混合集成电路基板发展的重点分支，广泛应用于通信、汽车电子、计算机、雷达等各个领域。
LTCC基板在组装过程中，需要与元器件、封装壳体等进行联接，为保证良好的电传输性、导热性和机械强度，通常要求采用焊接工艺。LTCC焊盘作为基板端的焊接面，其可焊性将直接影响到基板封装后的性能。如LTCC正面焊盘可焊性差将导致表面的元器件出现虚焊、剪切力低等问题，在使用中会出现严重的可靠性问题；而背面大面积焊接时，如果可焊性较差，会出现大面积焊接空洞，造成接地不良，反应在微波特性上就会出现幅频特性变化甚至自激。因此，LTCC基板的可焊性至关重要，是基板的重要指标。
为了避免可焊性不良的LTCC基板进入后道组装工序，必须在使用前对基板的可焊性进行测试。当前LTCC基板可焊性测试采用的是浸锡的方法，测试前需要准备锡锅，将锡锅中填满焊锡并加热到完全融化，然后将LTCC基板整片浸入融化的焊料中一段时间，再拿出基板观察表面焊盘的上锡情况，判定标准以目测为主，凭人为主观估算润湿效果及润湿率，结果随机性大；同时，浸锡后LTCC基板上除焊接焊盘外的图形将全部被锡溶解掉，LTCC基板完全报废无法再使用。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种LTCC基板可焊性的快速无损检测装置，包括样品工装台、加热装置、测试光源、显微镜系统、图像传感器、信号处理分析系统和显示系统，LTCC基板放置在所述样品工装台上，所述样品工装台设置在所述加热装置上，所述加热装置用于对所述样品工装台加热，以控制所述LTCC基板的温度，所述测试光源、所述显微镜系统、所述图像传感器均设置在所述样品工装台上方，所述测试光源对所述LTCC基板提供单色绿光或白色的LED光源，所述显微镜系统与所述图像传感器连接，所述图像传感器和所述信号处理分析系统连接，所述信号处理分析系统和所述显示系统连接，所述显微镜系统采集所述LTCC基板的光强信息，所述图像传感器将所述光强信息转化为数字信号，所述信号处理分析系统接收所述数字信号并进行处理，获得所述LTCC基板上焊盘表面的特征图像信息并进行分析判定，最后通过所述显示系统输出显示。
一种LTCC基板可焊性测试方法，采用所述LTCC基板可焊性的快速无损检测装置，包括步骤：
S1，清洗LTCC基板的焊盘，将所述LTCC基板放入所述样品工装台；将所述样品工装台放在所述测试光源的正下方，打开所述测试光源并调节入射光强度，所述显微镜系统接收所述LTCC基板的表面反射光源，调节镜头X/Y方向位置以及与所述LTCC基板的距离直至所述显示系统上的焊盘图形清晰；对焊盘进行Z向扫描并通过所述信号处理分析系统生成焊盘扫描原始图像，存储所述焊盘扫描原始图像并在所述显示系统上输出；
S2，设置所述加热装置的保温温度并开启加热程序，当温度达到设定温度后，将所述样品工装台移至所述加热装置上，保温2min以上；
S3，将所述焊锡丝放在所述焊盘上，所述焊锡丝将熔化并在所述焊盘上润湿扩展，静置20S～25S后，从所述加热装置上将所述样品工装台移回所述测试光源正下方，自然冷却；
S4，按所述步骤S1，重新调节所述测试光源的位置和光源强度，然后Z向扫描被焊锡丝润湿过的焊盘，并获得所述焊盘在润湿后的扫描特征图像。
S5，所述信号处理分析系统根据对比所述焊盘扫描原始图像与所述润湿后的扫描特征图像，得到焊锡丝润湿后覆盖区域的面积占整个LTCC测试焊盘面积的比例，用润湿覆盖率α表示；同时所述信号处理分析系统根据所述焊盘扫描原始图像与所述润湿后的扫描特征图像的对比可统计出所述焊盘上分布的焊锡厚度值，记厚度最大值为δ，如果所述润湿覆盖率α小于覆盖率阈值或者所述厚度最大值δ大于厚度阈值，则判定不合格；所述润湿覆盖率α和所述厚度最大值δ均满足要求则判定合格；
S6，将所述样品工装台重新置于所述加热装置上，设定重融温度，所述样品工装台上的LTCC基板表面焊锡料加热重融后，去除焊盘表面的焊料，关闭加热装置，取下所述样品工装台，待冷却后，取出其中的LTCC基板，清洗LTCC基板表面并晾干。
较佳的，所述样品工装台为铝或铜材质的平板件，所述样品工装台上设置有深度为0.5mm～1mm的盲腔，所述盲腔一侧有弹簧压紧装置用于放入LTCC基板后夹紧LTCC基板。
较佳的，所述步骤S3中，所述焊锡丝的线径为1mm，长度为1±0.1mm。
较佳的，所述LTCC基板的焊盘的长和宽在1.5mm～2mm范围内；焊盘的金属成分为锡铅焊接用金属。
较佳的，所述步骤S1中的Z向扫描范围-100μm～100μm；所述步骤S4中的Z向扫描范围-800μm～800μm。
较佳的，所述步骤S2中所述加热装置的设定温度为190℃～210℃。
较佳的，所述焊锡丝的成分为Sn63Pb37。
较佳的，所述步骤S5中的所述润湿覆盖率α的下限阈值设定为0.95，所述厚度最大值δ的上限阈值设定为0.5mm。
较佳的，所述步骤S6中加热重融的温度设定为220℃～250℃。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明的LTCC基板可焊性测试方法为LTCC基板原位测试，测试数据准确可信。当前传统的测试方法是在一个批量的样品中抽取一块LTCC基板进行测量，用这一块的测试结果代替整个批量的所有基板可焊性结果，这种方法存在很大的偶然性，也是当前可焊性测试最大的风险点。而本发明直接选取待装配LTCC基板上的某一个焊盘进行测试，由于同一块基板上的焊盘状态一致，能很好的反应整块基板的可焊性；2，本发明的LTCC基板可焊性测试方法，只需要使用基板上的一个特定焊盘，而不需要像传统方法那样使用整块基板做测试。因此，本方法的LTCC基板在设计时可以专门布设用于可焊性测试的焊盘，测试完成后基板可以继续正常使用，为非破坏性测试。对比传统的可焊性测试方法，需要将整块基板浸入焊料，造成基板上的纯金焊盘完全脱落，测试后基板完全报废无法再使用，属于破坏性测试；3，本发明的LTCC基板可焊性测试方法，其焊料量只需使用长度单位为毫米级的焊丝，重量在毫克量级，相比传统可焊性测试方法动辄几千克的焊料使用量，本方法测试使用的焊料成本忽略不计。同时本方法不存在焊料重复使用带来的污染情况，测试结果更加真实准确；4，本发明的LTCC基板可焊性测试方法，不需要花费长时间来融化焊料，测试耗时短，方便快捷。同时，该方法的可焊性判定依据统一、明确，能排除人为主观判断存在的偏差，结果更加准确可信；5，本发明公开的LTCC基板可焊性的快速无损检测装置和测试方法，能有效提高可焊性测试结果的准确性，且该方法不破坏测试样品，极大的降低了测试成本。同时，本发明公开的方法耗材极少，测试耗时短，具有节能环保等优点，适合大范围的推广应用。
附图说明
图1为所述LTCC表面可焊性快速测试装置的结构示意图；
图2为所述LTCC测试焊盘及表面焊锡的各阶段示意图；
图3为所述LTCC基板可焊性判定的示意图；
图4为可焊性测试焊盘的原始图像；
图5为可焊性测试焊盘的润湿高度扫描图像；
图6为可焊性测试焊盘的润湿区域扫描图像。
图中数字表示：
1-样品工装台；2-加热装置；3-测试光源；4-显微镜系统；5-图像传感器；6-信号处理分析系统；7-显示系统；8-LTCC基板瓷体；9-LTCC可焊性测试焊盘；10-未加热前的焊锡丝；11-加热融化后的焊锡；12-润湿覆盖区域；13-未润湿覆盖区域。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，图1为所述LTCC表面可焊性快速测试装置的结构示意图；本发明所述LTCC表面可焊性快速测试装置包括样品工装台1、加热装置2、测试光源3、显微镜系统4、图像传感器5、信号处理分析系统6、显示系统7，其中：
所述样品工装台1包括夹持工装和样品台，LTCC基板放置在所述样品台上并通过所述夹持工装固定。
所述样品台选用铝合金材料，外形为平板状，尺寸150mm*100mm*10mm，正面铣槽深度1mm用于放置待测的LTCC基板。
所述加热装置2包括载物台、加热丝、温度控制系统，用于样品加热，可控制加热的温度和时间。
所述测试光源3选择单色绿光光源。
所述显微镜系统4包括目镜、长焦物镜和干涉物镜，可获得样品图像和测试光源3中干涉光的光程差等，并转化为光强信息。
所述图像传感器5接收所述光强度信息转化为数字信号。
所述测试光源3与所述显微镜4、所述图像传感器5均设置在所述加热装置2的所述载物台正上方，并可在X、Y、Z方向自由移动。
所述信号处理分析系统6接收所述数字信号并进行处理，获得所述LTCC焊盘表面的特征图像信息并进行分析判定，最后通过所述显示系统7显示输出。
本实例待测LTCC基板表面焊盘为金铂钯(AuPtPd)成分，焊盘尺寸为1.9mm*1.6mm，按如下步骤进行可焊性的检测：如图2所示，其中图2(a)为所述步骤S1时的LTCC测试焊盘的俯视图，图2(b)为图2(a)的侧视图，图2(c)为焊锡丝放置在LTCC测试焊盘上未加热前的俯视图，图2(d)为图2(c)的侧视图，图2(e)为焊锡丝放置在LTCC测试焊盘上加热融化后的俯视图，图2(f)为图2(e)的侧视图。
步骤S1，
使用无水乙醇清洗LTCC的待测试焊盘，晾干后将LTCC基板放入样品工装台1；将此工装放在测试光源3正下方，打开测试光源3并调节入射光强度至40％，显微镜4接收表面反射光源，调节镜头X/Y方向位置以及与样品的距离直至显示系统7上的焊盘图形清晰；此时对焊盘进行Z向扫描，扫描范围-100μm～100μm，通过信号处理分析系统6生成焊盘扫描原始图像，存储该图像并在显示系统7上输出，原始图像如图4所示。
步骤S2，
设置加热装置2的保温温度并开启加热程序，设定温度200℃，当温度达到设定温度后，将上述装有LTCC基板的夹持工装置1移至加热装置2载物台上，保温2min以上；同时，准备线径1mm的焊锡丝成分Sn63Pb37，使用手术刀片切割成长度为1mm的小段待用。
步骤S3，
用镊子将切好的小段焊锡丝放在LTCC测试焊盘上，焊锡丝将熔化并在测试焊盘上润湿扩展，静置20S后，从加热装置2上将样品夹持工装1移回测试光源3正下方，自然冷却。
步骤S4，
按步骤S1方法，重新调节测试光源3的位置和光源强度，然后Z向扫描上述被焊锡丝润湿过的焊盘区域，并获得该测试焊盘润湿后的扫描特征图像。
步骤S5，如图3所示，图3为所述LTCC基板可焊性判定的示意图；其中，图3(a)为所述LTCC基板可焊性判定的俯视图，图3(b)为图3(a)的侧视图。
信号处理分析系统7根据对比扫描原始图像与特征图像，得到焊锡丝润湿后覆盖区域的面积占整个LTCC测试焊盘面积的比例，如图5所示，得到润湿覆盖率α为0.99；同时信号处理分析系统7根据特征图像对比可统计出整个焊盘上分布的焊锡厚度值取焊盘平面作为参考面，得到厚度最大值为δ为307μm，如图6所示。两项指标均满足要求，因此该可焊性判定为合格。
步骤S6，
将样品夹持工装1重新置于加热装置2载物台上，设定重融温度为220℃，待工装上的LTCC基板表面焊锡料加热重融后，使用吸锡带蘸取少量松香后，去除焊盘表面的焊料。关闭加热装置2，取下样品夹持工装1，待冷却后，取出其中的LTCC基板，清洗基板表面并晾干。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种LTCC基板可焊性的快速无损检测装置，其特征在于，包括样品工装台、加热装置、测试光源、显微镜系统、图像传感器、信号处理分析系统和显示系统，LTCC基板放置在所述样品工装台上，所述样品工装台设置在所述加热装置上，所述加热装置用于对所述样品工装台加热，以控制所述LTCC基板的温度，所述测试光源、所述显微镜系统、所述图像传感器均设置在所述样品工装台上方，所述测试光源对所述LTCC基板提供单色绿光或白色的LED光源，所述显微镜系统与所述图像传感器连接，所述图像传感器和所述信号处理分析系统连接，所述信号处理分析系统和所述显示系统连接，所述显微镜系统采集所述LTCC基板的光强信息，所述图像传感器将所述光强信息转化为数字信号，所述信号处理分析系统接收所述数字信号并进行处理，获得所述LTCC基板上焊盘表面的特征图像信息并进行分析判定，最后通过所述显示系统输出显示。
2.如权利要求1所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，采用所述LTCC基板可焊性的快速无损检测装置，包括步骤：
S1，清洗LTCC基板的焊盘，将所述LTCC基板放入所述样品工装台；将所述样品工装台放在所述测试光源的正下方，打开所述测试光源并调节入射光强度，所述显微镜系统接收所述LTCC基板的表面反射光源，调节镜头X/Y方向位置以及与所述LTCC基板的距离直至所述显示系统上的焊盘图形清晰；对焊盘进行Z向扫描并通过所述信号处理分析系统生成焊盘扫描原始图像，存储所述焊盘扫描原始图像并在所述显示系统上输出；
S2，设置所述加热装置的保温温度并开启加热程序，当温度达到设定温度后，将所述样品工装台移至所述加热装置上，保温2min以上；
S3，将所述焊锡丝放在所述焊盘上，所述焊锡丝将熔化并在所述焊盘上润湿扩展，静置20S～25S后，从所述加热装置上将所述样品工装台移回所述测试光源正下方，自然冷却；
S4，按所述步骤S1，重新调节所述测试光源的位置和光源强度，然后Z向扫描被焊锡丝润湿过的焊盘，并获得所述焊盘在润湿后的扫描特征图像。
S5，所述信号处理分析系统根据对比所述焊盘扫描原始图像与所述润湿后的扫描特征图像，得到焊锡丝润湿后覆盖区域的面积占整个LTCC测试焊盘面积的比例，用润湿覆盖率α表示；同时所述信号处理分析系统根据所述焊盘扫描原始图像与所述润湿后的扫描特征图像的对比可统计出所述焊盘上分布的焊锡厚度值，记厚度最大值为δ，如果所述润湿覆盖率α小于覆盖率阈值或者所述厚度最大值δ大于厚度阈值，则判定不合格；所述润湿覆盖率α和所述厚度最大值δ均满足要求则判定合格；
S6，将所述样品工装台重新置于所述加热装置上，设定重融温度，所述样品工装台上的LTCC基板表面焊锡料加热重融后，去除焊盘表面的焊料，关闭加热装置，取下所述样品工装台，待冷却后，取出其中的LTCC基板，清洗LTCC基板表面并晾干。
3.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述样品工装台为铝或铜材质的平板件，所述样品工装台上设置有深度为0.5mm～1mm的盲腔，所述盲腔一侧有弹簧压紧装置用于放入LTCC基板后夹紧LTCC基板。
4.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述焊锡丝的线径为1mm，长度为1±0.1mm。
5.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述LTCC基板的焊盘的长和宽均设置为1.5mm～2mm；焊盘的金属成分为锡铅焊接用金属。
6.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述步骤S1中的Z向扫描范围-100μm～100μm；所述步骤S4中的Z向扫描范围-800μ m～800μm。
7.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述步骤S2中所述加热装置的设定温度为190℃～210℃。
8.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述焊锡丝的成分为Sn63Pb37。
9.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述步骤S5中的所述润湿覆盖率α的下限阈值设定为0.95，所述厚度最大值δ的上限阈值设定为0.5mm。
10.如权利要求2所述的LTCC基板可焊性测试方法，其特征在于，所述步骤S6中加热重融的温度设定为220℃～250℃。
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CN117232792A (zh) * 2023-11-14 2023-12-15 南京木木西里科技有限公司 基于图像信息的显微镜缺陷检测系统
CN117232792B (zh) * 2023-11-14 2024-01-30 南京木木西里科技有限公司 基于图像信息的显微镜缺陷检测系统

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