Einführung in die SPI-Messung

Der Lotpastendruck gilt als der kritischste Schritt in der SMT‑Bestückung (Surface‑Mount‑Technologie). Branchenzahlen deuten darauf hin, dass über 60 % der Lötfehler bereits in der Druckstufe entstehen. Genau deshalb ist eine solide Einführung in die SPI‑Messung (SPI, Lötpasteninspektion) für jede Fertigung mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen unverzichtbar.

SPI bedeutet nicht „einfach Bilder machen“. Es ist ein messender Prozess: Volumen, Höhe und Fläche der Lotpasten‑Depots werden quantifiziert, um enge technische Grenzwerte sicher einzuhalten. Werden Abweichungen erkannt, bevor Bauteile bestückt werden, spart das Zeit und reduziert teure Nacharbeit.

Bei APTPCB (APTPCB PCB Factory) integrieren wir moderne 3D‑SPI‑Systeme in unsere Linien, um Ausbeute und Prozessstabilität abzusichern. Dieser Leitfaden richtet sich an Ingenieur‑Teams und Einkauf, die Mechanik, Kennzahlen und Einführungsstrategie der Lötpasteninspektion klar einordnen möchten.

Wichtige Erkenntnisse

Definition: SPI ist die automatisierte optische Prüfung von Lotpasten‑Depots – mit Fokus auf Volumen und Geometrie.
Kritische Kennzahlen: Volumen‑Prozent und Höhe sagen mehr über die spätere Lötstellenqualität aus als reine Flächenabdeckung.
Technologie: 3D‑Inspektion per Moiré‑Fransenprojektion liefert Daten, die 2D nicht erfassen kann.
Prozesskontrolle: SPI sollte als geschlossener Regelkreis mit dem Drucker arbeiten, um Ausricht‑Offsets automatisch zu korrigieren.
Validierung: Regelmäßige Kalibrierung mit Referenzplatten ist nötig, damit Messungen verlässlich bleiben.
Missverständnis: „Bestanden“ bei SPI garantiert keine perfekte Lötstelle bei falschem Reflow‑Profil, eliminiert aber die häufigste Fehlerquelle.
Kosten‑Nutzen: Ein Defekt bei SPI kostet Centbeträge – bei ICT oder Funktionstest kostet er Dollar.

Was die SPI-Messung wirklich bedeutet (Umfang & Grenzen)

Bevor Kennzahlen diskutiert werden, muss klar sein, was SPI überhaupt abdeckt – und wo die physikalischen Grenzen liegen. Eine saubere Einführung in die SPI‑Messung beginnt daher mit Umfang (Scope) und Grenzen (Boundaries) der Inspektion.

Der Umfang der Inspektion

SPI‑Systeme prüfen direkt nach dem Lotpastendruck und noch vor dem Bestückungsautomaten. Ziel ist zu bestätigen, dass die richtige Pastenmenge am richtigen Pad‑Ort liegt. Im Unterschied zu AOI‑Programmierungsgrundlagen, die nach dem Reflow Bauteilanwesenheit und Polarität bewerten, betrachtet SPI ausschließlich die „nasse“ Paste vor dem Löten.

Der Umfang umfasst:

Volumenanalyse: Berechnung des Gesamtvolumens des Pastenauftrags.
Topographie: Bewertung der Depotform (z. B. „Hundsohren“ oder Auskehlungen).
Positionierung: Überprüfung des X/Y‑Versatzes relativ zum Kupferpad.

Grenzen von 2D- und 3D-Inspektion

Frühe SPI‑Generationen arbeiteten mit 2D‑Bildern. Dabei entscheidet Kontrast, ob Paste „da ist“ – im Kern ein Leitfaden zur Maßprüfung nur für die Fläche.

2D‑Einschränkungen: Ein 2D‑System kann nicht zwischen einem dünnen Pastenfilm und einem korrekt „ziegelartigen“ Depot unterscheiden. Beides wirkt wie ein „bedecktes“ Pad.
3D‑Fähigkeiten: Moderne 3D‑SPI nutzt strukturiertes Licht (z. B. Lasertriangulation oder Phasenverschiebungs‑Profilometrie), um Höhe zu messen. Damit lässt sich Volumen berechnen – der entscheidende Faktor für die Zuverlässigkeit der Lötstelle.

Der Feedback‑Loop

Eine gute SPI‑Einführung bedeutet nicht nur „OK/NOK“. SPI muss mit dem Drucker kommunizieren: Erkennt das System einen stabilen Trend – etwa eine Pastenverschiebung um 10 µm nach rechts – kann es den Drucker anweisen, die Schablone automatisch nachzujustieren. Damit wird SPI von einer reinen Prüfschranke zum Werkzeug der Prozessregelung.

Metriken, die zählen (wie man Qualität bewertet)

Ist der Umfang klar, müssen die Kennzahlen definiert werden, die „Bestanden“ oder „Nicht bestanden“ entscheiden. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Metriken in einem typischen SPI‑Einführungs‑Kontext.

Metrik	Warum es wichtig ist	Typischer Bereich oder Einflussfaktoren	Wie zu messen
Volumen %	Entscheidet, ob genug Lotlegierung vorhanden ist, um eine Lötkehle zu bilden.	75 % – 125 % des theoretischen Schablonen‑Aperturvolumens.	Aus Höhe über definierter Fläche integriert.
Höhe	Entscheidend für die Koplanarität, besonders bei BGAs.	60 µm – 150 µm (abhängig von der Schablonenfoliendicke).	Projektion strukturierten Lichts (Moiré‑Fransen).
Fläche %	Stellt ausreichende Pad‑Bedeckung gegen Oxidation sicher.	80 % – 120 % der Aperturöffnung.	2D‑Kontrastanalyse oder 3D‑Schnitt bei Schwelle.
Versatz (X/Y)	Verhindert Brückenbildung und Grabsteinbildung durch Unwucht.	< 25 % der Padbreite (oder IPC‑Klassengrenze).	Abstand Padzentrum → Pastenschwerpunkt.
Brückenbreite	Erkennt Kurzschlüsse zwischen Feinpitch‑Pads.	Muss 0 sein (keine Verbindung zwischen Netzen).	Algorithmus prüft Pastenkontinuität zwischen definierten ROIs.
Form/Neigung	Identifiziert Verlaufen (Slumping) oder schlechten Schablonenablös.	Qualitative Bewertung oder Gradientenanalyse.	Topographie‑/Höhenkartenanalyse.

Vertiefung: Volumen vs. Fläche

Volumen ist die überlegene Kennzahl. Ein Pad kann 100 % Flächenabdeckung haben, aber nur 50 % Höhe, wenn der Rakel Paste aus der Apertur „auslöffelt“. Das führt zu einer „ausgehungerten“ Lötstelle: elektrisch kann sie zunächst bestehen, mechanisch kann sie jedoch früh ausfallen. Umgekehrt kann ein Depot eine ideale Höhe haben, aber nur 50 % Fläche abdecken – dann wird das Benetzen schlechter.

Vertiefung: Versatz und Selbstausrichtung

Lötzinn kann sich beim Reflow durch Oberflächenspannung bis zu einem gewissen Grad selbst ausrichten. Kleine Versätze, die SPI erkennt, können sich im Ofen korrigieren. Zu großer Versatz führt jedoch zu Lotkugeln oder Brücken. Die richtige Toleranz in der SPI‑Software ist daher immer ein Balanceakt zwischen Fehlalarmen und echten Defekten.

Auswahl nach Szenario (Kompromisse)

Kennzahlen zu kennen reicht nicht – die Anwendung hängt stark von Layout, Pad‑Geometrie und Bestückdichte ab. Je nach Fertigungsszenario muss SPI anders konfiguriert werden.

Szenario 1: Feinpitch‑Bauteile (0,3 mm - 0,4 mm)

Herausforderung: Hohe Gefahr von Brückenbildung und zu geringem Volumen.
Kompromiss: Höhere Auflösung (kleinere Pixel) reduziert den Durchsatz.
Empfehlung: Auflösung vor Geschwindigkeit. Volumentoleranz enger wählen (z. B. 85 %–115 %).

Szenario 2: Ball Grid Arrays (BGAs)

Herausforderung: Koplanarität ist kritisch. Hat ein Pad zu wenig Pastenhöhe, kann die Kugel den Bauteilkörper nicht sauber kontaktieren – es droht ein Head‑in‑Pillow‑Defekt.
Kompromiss: Höhenmessgenauigkeit ist wichtiger als X/Y‑Versatz.
Empfehlung: BGA‑Algorithmen aktivieren, die Pad‑Höhen relativ zur Gruppen‑Mittelhöhe vergleichen (statt nur absolute Grenzwerte).

Szenario 3: Große Steckverbinder und Abschirmungen

Herausforderung: Große Aperturen benötigen oft „Fensterung“ im Schablonendesign, damit der Rakel nicht auskehlt.
Kompromiss: SPI kann die Zwischenräume fälschlich als fehlende Paste deuten.
Empfehlung: Segmentierte Depots als eine logische Gruppe programmieren oder die ROI so anpassen, dass sie zur Schablonen‑Modifikation passt (nicht nur zum Kupferpad).

Szenario 4: Flexible Leiterplatten

Herausforderung: Flex‑Leiterplatten liegen nicht perfekt plan. Verzug verschiebt die Höhen‑Referenzebene.
Kompromiss: Standard‑Nullreferenz erzeugt viele falsche Höhenfehler.
Empfehlung: SPI mit „Verzugskompensation“ oder „lokaler Fiducial‑Referenz“ einsetzen. Dabei wird die Oberfläche dynamisch gemappt und die Pastenhöhe relativ zur lokalen Oberfläche gemessen – nicht zu einer idealen Ebene.

Szenario 5: High‑Mix, Low‑Volume‑Produktion

Herausforderung: Häufige Umrüstungen machen Programmierzeit zum Engpass.
Kompromiss: Stundenlang Schwellenwerte für 50 Leiterplatten zu tunen ist ineffizient.
Empfehlung: Selbstlern‑Algorithmen bzw. IPC‑basierte Bibliotheken nutzen und stärker auf Gerber‑Importdaten setzen statt auf manuelles Anlernen.

Szenario 6: LED‑Baugruppen (große Arrays)

Herausforderung: Weißer Lötstopplack reflektiert stark und stört die optische Messung.
Kompromiss: Hohe Reflexion führt zu Sättigung oder Rauschen.
Empfehlung: SPI‑Systeme mit Multi‑Frequenz‑Projektion oder angepassten Beleuchtungsfarben (z. B. Blau) wählen, die für hohe Kontraste ausgelegt sind.

Von der Entwicklung zur Fertigung (Umsetzungs-Checkpoints)

Die richtige Konfiguration bringt wenig ohne einen Prozessfluss, der Design‑Absicht in Maschinen‑Ausführung übersetzt. Die folgende Checkliste führt von der Datenvorbereitung bis zur finalen Validierung.

1. Datenaufbereitung (Gerber & Schablone)

Empfehlung: Für die SPI‑Programmierung die Schablonenlage (Pastenmaske) verwenden – nicht die Kupferlage.
Risiko: Bei Kupfer erwartet SPI Paste auf dem kompletten Pad. Hat die Schablone Reduktionen (z. B. 10 %), meldet SPI fälschlich „zu wenig Volumen“.
Akzeptanz: Overlay im SPI‑Programm muss zu den realen Schablonen‑Aperturen passen.

2. PCB‑Support einrichten

Empfehlung: Leiterplatte vollflächig von unten abstützen – besonders bei dünnen PCBs.
Risiko: Vibration oder Durchhang erzeugt Unschärfen und falsche Höhenwerte.
Akzeptanz: Beim Tischhub darf keine Z‑Achsen‑Bewegung messbar sein.

3. Nullreferenz kalibrieren

Empfehlung: Die Maschine muss „Nullhöhe“ korrekt festlegen (Lötstoppoberfläche oder Kupfer).
Risiko: Wird auf Siebdruck‑Legend referenziert, wird Pastenhöhe zu niedrig berechnet.
Akzeptanz: Z‑Referenz darf keine Siebdruckflächen einbeziehen.

4. Schwellenwerte setzen

Empfehlung: „Noise‑Filter“‑Schwelle korrekt setzen (typisch ca. 15–20 µm).
Risiko: Zu niedrig: Staub und Oberflächenstruktur werden als Paste gemessen. Zu hoch: dünne Depots werden ignoriert.
Akzeptanz: Blank‑Board (ohne Paste) scannen – Volumen muss 0 sein.

5. Beleuchtung und Projektion

Empfehlung: Projektorintensität an Oberflächenfinish anpassen (HASL vs. ENIG vs. OSP).
Risiko: HASL ist glänzend/uneinheitlich, OSP ist flach/kupferfarben. Falsches Licht verursacht Streuung.
Akzeptanz: Bildschärfe prüfen – Padkanten müssen klar, nicht „flauschig“ sein.

6. Verzug kompensieren

Empfehlung: Dynamisches Verzugsmapping aktivieren.
Risiko: Ohne Kompensation erscheint die Mitte eines gebogenen Boards fälschlich „zu hoch“ und die Kanten „zu niedrig“.
Akzeptanz: 3D‑Oberflächenkarte der Maschine prüfen.

7. Ergebnisse „nicht bestanden“ verifizieren

Empfehlung: Fehlermeldungen vor dem Waschen unter dem Mikroskop verifizieren.
Risiko: Blindes Akzeptieren erzeugt unnötigen Ausschuss; blindes Ignorieren lässt Defekte durch.
Akzeptanz: „Drei‑Schläge‑Regel“: Fallen 3 Boards in Folge durch, Linie stoppen.

8. Closed‑Loop‑Feedback

Empfehlung: SPI mit dem Drucker koppeln.
Risiko: Ohne Feedback druckt der Prozess weiter – trotz verstopfter Schablone oder Versatz.
Akzeptanz: Prüfen, ob Offsetdaten tatsächlich die X/Y/Theta‑Tabellen des Druckers aktualisieren.

9. Wartungsplan

Empfehlung: Kameralinsen reinigen und Höhen‑Targets wöchentlich kalibrieren.
Risiko: Flussmitteldämpfe beschichten Optiken, schwächen Licht und verfälschen Volumenberechnung.
Akzeptanz: Zertifiziertes Kalibrier‑Target (Referenzmuster) mit bekannten Höhen bestehen.

10. DFM‑Rückkopplung

Empfehlung: SPI‑Daten an das Designteam zurückspielen.
Risiko: Wenn ein bestimmter Footprint konstant Volumenanforderungen verfehlt, ist Footprint oder Schablonendesign wahrscheinlich falsch.
Akzeptanz: Monatliches Qualitätsreview mit den Top‑5‑SPI‑Defekten.

Mehr Kontext zur Verzahnung der Prozesse finden Sie in unserer Übersicht zur PCB‑Fertigung.

Häufige Fehler (und der bessere Ansatz)

Auch mit sauberem Prozess gibt es typische Fallstricke. Sie zu erkennen gehört zu einer reifen SPI‑Strategie.

Fehler 1: Nur auf Fläche setzen

Viele ältere Maschinen oder Low‑Cost‑Setups schauen primär auf Flächenabdeckung. Wie beschrieben kann ein Depot flach sein (zu wenig Volumen) und trotzdem das Pad abdecken.

Korrekte Vorgehensweise: Volumen und Höhe priorisieren. Falls 2D unvermeidlich ist, mit strikter Prozesskontrolle (z. B. Rakeldruck) kombinieren.

Fehler 2: Abschattung ignorieren

Hohe Bauteile oder Spannmittel nahe dem Prüfbereich können Abschattung erzeugen und die Projektion strukturierten Lichts blockieren. Das führt zu Fehlmeldungen wie „Paste fehlt“.

Korrekte Vorgehensweise: Multidirektionale Projektion (z. B. 4‑ oder 8‑fach) einsetzen, um Blindspots zu vermeiden.

Fehler 3: Falsche Schablonendicke hinterlegt

SPI berechnet Volumen‑Prozent aus dem theoretischen Volumen (Fläche × Schablonendicke). Glaubt die Maschine 120 µm, real sind es 100 µm, erscheinen alle Werte als 120 %.

Korrekte Vorgehensweise: Foliendicke der verwendeten Schablone messen und exakt im Programm hinterlegen.

Fehler 4: Toleranzen zu eng setzen

Toleranzen werden oft zu eng gewählt (z. B. ±10 %), um „hochwertig“ zu sein. Ergebnis: Linienstopps trotz akzeptabler Streuung.

Korrekte Vorgehensweise: Mit IPC‑Klasse‑2/3‑Richtwerten starten (typisch ±50 % fürs Volumen) und nur bei nachgelagerten Defekten nachschärfen.

Fehler 5: PCB‑Support vernachlässigen

Vibriert die Leiterplatte bei schneller Portalbewegung, verwischt das Fransenmuster.

Korrekte Vorgehensweise: Hochwertige Support‑Blöcke oder Vakuum‑Support nutzen, um die PCB steif zu halten.

Fehler 6: SPI mit AOI verwechseln

Manche Teams übertragen AOI‑Denke auf SPI. AOI‑Programmierungsgrundlagen arbeiten mit Farbalgorithmen (Rot/Grün/Blau‑Reflexion) für Bauteilkörper und Polarität; SPI basiert auf Höhen‑Topographie.

Korrekte Vorgehensweise: Als getrennte Disziplinen behandeln. Bauteil‑Inspektionslogik nicht auf Paste anwenden.

Fehler 7: Schablonenunterseitenreinigung auslassen

SPI erkennt „Verschmieren“ oder Brücken. Ursache ist oft weniger ein Druckparameter als eine verschmutzte Schablonenunterseite.

Korrekte Vorgehensweise: Bei Brückenbildung zuerst die Frequenz der automatischen Unterseitenreinigung erhöhen.

FAQ

Zur Klärung offener Punkte zur SPI‑Messung folgen die häufigsten Fragen.

F1: Ist SPI für alle PCB‑Bestückungen obligatorisch? Rechtlich ist es meist nicht vorgeschrieben, praktisch aber unverzichtbar für Designs mit Feinpitch‑Bauteilen (<0,5 mm), BGAs oder 0201/01005‑Passiven. Bei einfachen THT‑Boards kann es optional sein.

F2: Kann SPI oxidierte Pads erkennen? Indirekt. Oxidation kann dazu führen, dass Paste schlechter aus der Schablone freigibt oder anders verläuft. SPI ist jedoch nicht dafür da, das Oberflächenfinish selbst zu prüfen – das gehört zur Wareneingangs‑/Eingangskontrolle.

F3: Wie lange dauert die SPI‑Programmierung? Mit moderner Software, die Gerberdaten (insbesondere die Pastenmaskenlage) importiert, entsteht ein Basisprogramm in 10–15 Minuten. Die Feinabstimmung komplexer Boards kann etwa eine Stunde dauern.

F4: Was ist der Unterschied zwischen SPI und AOI? SPI prüft Lotpaste vor der Bestückung. AOI (Automatisierte Optische Inspektion) prüft die Leiterplatte nach dem Reflow (oder manchmal vor Reflow), um Bestückung und Lötstellenbildung zu bewerten.

F5: Verlangsamt SPI die Produktionslinie? Das kann passieren, wenn schlecht optimiert. Moderne SPI‑Systeme sind jedoch häufig schneller als der Druckzyklus. Meist ist der Drucker der Engpass – SPI läuft daher in der „überdeckten Zeit“ des Reinigungszyklus.

F6: Was bedeutet „Fehlalarm“ im Vergleich zu „Durchschlupf“? Ein Fehlalarm bedeutet: Eine gute Leiterplatte wird fälschlich abgelehnt (Operator‑Zeit geht verloren). Ein Durchschlupf bedeutet: Eine fehlerhafte Leiterplatte wird fälschlich freigegeben (Defekte entstehen). Ziel ist, Durchschlüpfe zu minimieren, ohne Fehlalarme unbeherrschbar zu machen.

F7: Kann SPI Klebepunkt‑Dosierung messen? Ja, die meisten 3D‑SPI‑Maschinen lassen sich so konfigurieren, dass SMT‑Klebepunkte in Höhe und Volumen geprüft werden – analog zur Lotpaste.

F8: Wie oft sollte die SPI‑Maschine kalibriert werden? Typischerweise wird eine Kalibrierprüfung mit zertifizierter Target‑Platte wöchentlich oder zweiwöchentlich empfohlen – abhängig von Nutzung und Herstellervorgaben.

F9: Was passiert, wenn die Leiterplatte verzogen ist? Überschreitet der Verzug den Kompensationsbereich der Maschine (typisch wenige Millimeter), werden Messungen ungenau. Starker Verzug sollte bereits in der Bare‑Board‑Fertigung adressiert werden.

F10: Nutzt APTPCB 3D‑SPI? Ja, APTPCB setzt fortschrittliche 3D‑SPI‑Systeme in unseren Montagelinien ein, um unseren Kunden hohe Ausbeute und Zuverlässigkeit zu liefern.

Glossar (Schlüsselbegriffe)

Technische Begriffe können verwirrend sein. Diese Tabelle definiert das wesentliche Vokabular, das in der SPI‑Messung und im täglichen Betrieb verwendet wird.

Begriff	Definition
Apertur	Öffnung in der Schablone, durch die Paste gedruckt wird.
Aspektverhältnis	Verhältnis Aperturbreite zu Schablonenfoliendicke (sollte > 1,5 sein).
Flächenverhältnis	Verhältnis Aperturöffnungsfläche zu Aperturwandfläche (sollte > 0,66 sein).
Brückenbildung	Ungewollte Verbindung von Lotpaste zwischen zwei benachbarten Pads.
Koplanarität	Maximaler Höhenunterschied zwischen höchstem und niedrigstem Pastendepot in einem Footprint (kritisch für BGAs).
FOV (Sichtfeld)	Bereich, den die Kamera in einer Aufnahme erfasst. Größeres FOV bedeutet höhere Geschwindigkeit, aber potenziell geringere Auflösung.
Gerber-Datei	Standardformat zur Übermittlung von PCB‑Designdaten, inkl. Pastenlage.
Referenzplatte	Nachweislich gute Leiterplatte zum Anlernen oder zur Kalibrierprüfung.
Moiré‑Fransen	Muster aus projiziertem strukturiertem Licht zur Höhenmessung per Triangulation.
Versatz	Fehlanpassung zwischen Pastenschwerpunkt und Padzentrum.
Verlaufen (Slumping)	Paste verliert nach dem Druck ihre Form und fließt auseinander: Höhe sinkt, Fläche steigt.
Volumen	Gesamtmenge Lotpaste (Fläche × Höhe).
Nullreferenz	Basishöhe (meist Lötstopplackoberfläche), relativ zu der Pastenhöhe gemessen wird.

Fazit (nächste Schritte)

Wer die Konzepte dieser Einführung in die SPI‑Messung beherrscht, schafft die Grundlage für hohe Ausbeuten in der Elektronikfertigung. Wenn Sie den Fokus von reiner Flächenbetrachtung auf Volumenanalyse verlagern und geschlossene Regelkreise integrieren, lassen sich druckbedingte Defekte nahezu eliminieren.

Denken Sie daran: Die Qualität der Lötstelle wird in dem Moment entschieden, in dem der Rakel über die Schablone läuft. Kein Reflow‑Profil kann eine Leiterplatte „reparieren“, der das notwendige Pastenvolumen fehlt.

Wenn Sie Ihr Design in die Produktion überführen, stellen Sie Ihrem Fertigungspartner bitte Folgendes bereit:

Vollständige Gerberdaten: inklusive Pastenmaskenlage.
Stackup‑Details: zur Abschätzung von Dicke und möglichem Verzug.
IPC‑Klassenanforderungen: ob Klasse 2 oder Klasse 3 gefordert ist.
Schablonen‑Vorgaben: z. B. gewünschte Aperturreduktion oder -vergrößerung.

Bei APTPCB gehen wir diese Punkte konsequent an. Wenn Ihr Projekt zur Prüfung bereit ist, besuchen Sie unsere Angebotsseite, um mit einem Partner zu starten, der die Physik hinter Qualität versteht.