Introducción a la medición SPI

La impresión de pasta de soldadura es ampliamente reconocida como el paso más crítico en el ensamblaje de Tecnología de Montaje Superficial (SMT). Los datos de la industria sugieren que más del 60% de los defectos de soldadura se originan en la etapa de impresión. Esto hace que una sólida introducción a la medición SPI (Inspección de Pasta de Soldadura) sea esencial para cualquier fabricante de electrónica de alta fiabilidad.

SPI no se trata simplemente de tomar fotografías de la placa de circuito. Es un proceso cuantitativo que mide el volumen, la altura y el área de los depósitos de soldadura para asegurar que cumplen con estrictas especificaciones de ingeniería. Al detectar errores antes de que se coloquen los componentes, los fabricantes ahorran tiempo y reducen los costos de reelaboración.

En APTPCB (Fábrica de PCB APTPCB), integramos sistemas avanzados de SPI 3D en nuestras líneas de producción para garantizar la calidad del rendimiento. Esta guía sirve como un recurso completo para ingenieros y gerentes de compras que buscan comprender la mecánica, las métricas y las estrategias de implementación de la inspección de pasta de soldadura.

Puntos Clave

Definición: SPI es la evaluación óptica automatizada de los depósitos de pasta de soldadura, centrada en el volumen y la integridad estructural.
Métricas Críticas: El porcentaje de volumen y la altura son indicadores más fiables de la calidad de la unión que la simple cobertura de área.
Tecnología: La inspección 3D que utiliza la proyección de franjas de Moiré proporciona datos que la inspección 2D no detecta.
Control de Proceso: SPI debe formar un bucle cerrado con la impresora de serigrafía para corregir automáticamente los desajustes de alineación.
Validación: Es necesaria una calibración regular utilizando placas de oro para mantener la precisión de la medición.
Concepto erróneo: Un "aprobado" en SPI no garantiza una unión perfecta si el perfil de reflujo es incorrecto, pero elimina la causa más común de fallo.
Beneficio de costo: Detectar un defecto en SPI cuesta centavos; detectarlo en ICT o en la prueba funcional cuesta dólares.

Pequeñas desviaciones detectadas durante la inspección de pasta de soldadura (SPI) (alcance y límites)

Comprender la definición central es el primer paso antes de analizar métricas y puntos de datos específicos. Una introducción a la medición SPI adecuada implica definir el alcance de la inspección y los límites de lo que la máquina puede detectar físicamente.

El Alcance de la Inspección

Los sistemas SPI operan inmediatamente después del proceso de impresión de pasta de soldadura y antes de la máquina de pick-and-place. El objetivo principal es verificar que la cantidad correcta de pasta se haya depositado en la ubicación correcta de la almohadilla. A diferencia de aoi programming basics, que se centran en la presencia y polaridad de los componentes después del reflujo, SPI se centra completamente en la pasta "húmeda".

El alcance incluye:

Análisis Volumétrico: Cálculo del volumen total del depósito de pasta.
Topografía: Mapeo de la forma del depósito (por ejemplo, "orejas de perro" o ahuecamiento).
Posicionamiento: Verificación del desplazamiento X/Y en relación con la almohadilla de cobre.

Límites de Inspección 2D vs. 3D

Las primeras iteraciones de SPI utilizaban imágenes 2D. Este método se basa en el contraste para determinar si hay pasta en la almohadilla. Es esencialmente una dimensional inspection guide solo para el área.

Limitaciones 2D: Un sistema 2D no puede distinguir entre una fina mancha de pasta y un depósito adecuado en forma de ladrillo. Ambos aparecen como almohadillas "cubiertas".
Capacidades 3D: El SPI 3D moderno utiliza luz estructurada (a menudo triangulación láser o perfilometría de cambio de fase) para medir la altura. Esto permite al sistema calcular el volumen, que es el factor más crítico para la fiabilidad de las uniones de soldadura.

El Bucle de Retroalimentación

Una implementación robusta de SPI no solo rechaza las placas defectuosas. Se comunica con la impresora de serigrafía. Si el SPI detecta una tendencia consistente —por ejemplo, la pasta se desplaza 10 micras a la derecha—, le indica a la impresora que ajuste automáticamente la alineación de la plantilla. Esta capacidad transforma el SPI de un guardián a una herramienta de control de procesos.

Métricas importantes (cómo evaluar la calidad)

Una vez que comprenda el alcance de la tecnología, debe definir los puntos de datos específicos que determinan el estado de aprobación o falla. La siguiente tabla describe las métricas críticas utilizadas en un contexto estándar de introducción a la medición SPI.

Métrica	Por qué es importante	Rango típico o factores influyentes	Cómo medir
Volumen %	Determina si hay suficiente aleación para formar un filete.	75% – 125% del volumen teórico de la abertura de la plantilla.	Calculado integrando la altura sobre el área definida.
Altura	Crítico para la coplanaridad, especialmente para BGAs.	60um – 150um (depende del grosor de la lámina de la plantilla).	Proyección de luz estructurada (franja de Moiré).
Área %	Asegura que la almohadilla esté suficientemente cubierta para prevenir la oxidación.	80% – 120% de la abertura de la plantilla.	Análisis de contraste 2D o corte 3D en el umbral.
Desplazamiento (X/Y)	Previene puentes y efecto lápida debido al desequilibrio.	< 25% del ancho de la almohadilla (o límite específico de la clase IPC).	Distancia del centro de la almohadilla al centroide de la pasta.
Ancho del Puente	Detecta cortocircuitos entre almohadillas de paso fino.	Debe ser 0 (sin conexión entre redes separadas).	El algoritmo verifica la continuidad de la pasta entre ROIs definidos.
Forma/Pendiente	Identifica el hundimiento o la mala liberación de la plantilla.	Puntuación cualitativa o análisis de gradiente.	Análisis de mapeo topográfico.

Análisis Detallado: Volumen vs. Área

El volumen es la métrica superior. Una almohadilla podría tener una cobertura de área del 100% pero solo un 50% de altura debido a que la escobilla saca la pasta de la abertura. Esto resulta en una unión de soldadura "deficiente" que puede pasar las pruebas eléctricas pero fallar bajo estrés mecánico. Por el contrario, un depósito podría tener una altura perfecta pero cubrir solo el 50% del área, lo que lleva a una mala humectación.

Análisis Detallado: Desplazamiento y Autoalineación

La soldadura tiene una propiedad de autoalineación durante el reflujo debido a la tensión superficial. Pequeñas desviaciones detectadas durante la inspección de pasta de soldadura (SPI) podrían corregirse en el horno. Sin embargo, una desviación excesiva provoca bolas de soldadura o puentes. Establecer la tolerancia correcta en la máquina SPI requiere equilibrar el riesgo de falsas alarmas con el riesgo de defectos reales.

Guía de selección por escenario (compromisos)

Conocer las métricas ayuda, pero su aplicación depende en gran medida del diseño específico de la placa y la densidad de componentes. Diferentes escenarios de fabricación requieren diferentes configuraciones de su equipo SPI.

Escenario 1: Componentes de paso fino (0.3mm - 0.4mm)

Desafío: Alto riesgo de formación de puentes y volumen insuficiente.
Compromiso: Debe aumentar la resolución (tamaño de píxel más pequeño), lo que ralentiza la velocidad de inspección.
Orientación: Priorice la resolución sobre la velocidad. Utilice una tolerancia de volumen más estricta (por ejemplo, 85%-115%).

Escenario 2: Matrices de rejilla de bolas (BGAs)

Desafío: La coplanaridad es crítica. Si una bola tiene una altura de pasta baja, es posible que no toque el componente, causando un defecto de "cabeza en almohada".
Compromiso: La precisión de la medición de altura es más importante que la desviación X/Y.
Orientación: Habilite algoritmos BGA específicos que comparen la altura de cada pad con la altura promedio del grupo, en lugar de solo la altura absoluta.

Escenario 3: Conectores grandes y blindajes

Desafío: Las grandes aberturas a menudo requieren diseños de plantillas de "panel de ventana" para evitar el arrastre.
Compensación: El SPI podría interpretar los huecos en el panel de la ventana como pasta faltante.
Orientación: Programe el SPI para tratar los depósitos segmentados como un único grupo lógico o ajuste la Región de Interés (ROI) para que coincida con la modificación de la plantilla, no con la almohadilla de cobre.

Escenario 4: PCBs Flexibles

Desafío: Las placas flexibles no quedan perfectamente planas. La deformación distorsiona el plano de referencia de altura.
Compensación: Los planos de referencia cero estándar generarán fallas de altura falsas.
Orientación: Utilice sistemas SPI con "compensación de deformación" o "referencia fiducial local". Esta tecnología mapea la superficie de la placa dinámicamente y mide la altura de la pasta en relación con la superficie local, no con un plano plano teórico.

Escenario 5: Producción de Alta Mezcla y Bajo Volumen

Desafío: Los cambios frecuentes significan que el tiempo de programación es un cuello de botella.
Compensación: Dedicar horas a ajustar umbrales para un lote de 50 placas es ineficiente.
Orientación: Utilice algoritmos de autoaprendizaje o bibliotecas basadas en estándares IPC. Confíe en los datos de importación de Gerber en lugar de la enseñanza manual.

Escenario 6: Ensamblajes de LED (Grandes Matrices)

Desafío: La máscara de soldadura blanca refleja la luz, interfiriendo con la medición óptica.
Compensación: La alta reflexión provoca saturación o ruido del sensor.
Orientación: Seleccione equipos SPI con proyección multifrecuencia o colores de iluminación específicos (p. ej., luz azul) diseñados para manejar fondos de alto contraste.

Del diseño a la fabricación (puntos de control de implementación)

Seleccionar el enfoque correcto es inútil sin un flujo de proceso sólido que conecte la intención del diseño con la ejecución de la máquina. La siguiente lista de verificación describe el recorrido desde la preparación de datos hasta la validación final.

1. Preparación de datos (Gerber y plantilla)

Recomendación: Utilice la capa de plantilla (máscara de pasta) para la programación SPI, no la capa de cobre.
Riesgo: Si utiliza la capa de cobre, el SPI espera pasta en toda la almohadilla. Si el diseño de la plantilla incluye reducciones (por ejemplo, una reducción del 10%), el SPI marcará erróneamente "volumen insuficiente".
Aceptación: Verifique que la superposición del programa SPI coincida con las aberturas físicas de la plantilla.

2. Configuración del soporte de la PCB

Recomendación: Asegúrese de que la placa esté completamente apoyada por debajo, especialmente en el caso de PCB delgadas.
Riesgo: La vibración o el hundimiento de la placa durante el escaneo resultan en imágenes borrosas y lecturas de altura imprecisas.
Aceptación: Verifique que no haya movimiento en el eje Z cuando la mesa se mueve.

3. Calibración de referencia cero

Recomendación: La máquina debe establecer dónde está la "altura cero" (la superficie de la máscara de soldadura o del cobre).
Riesgo: Si la referencia se toma sobre una leyenda de serigrafía, la altura de la pasta se calculará por debajo de la realidad.
Aceptación: Verifique que la estrategia de medición excluya las áreas de serigrafía para la referencia Z.

4. Configuración de umbrales

Recomendación: Configure correctamente el umbral del "filtro de ruido" (normalmente alrededor de 15-20um).
Riesgo: Ajustarlo demasiado bajo mide el polvo y la textura de la placa como pasta. Ajustarlo demasiado alto ignora los depósitos delgados.
Aceptación: Pase una placa desnuda (sin pasta) por la máquina; la lectura de volumen debería ser cero.

5. Iluminación y Proyección

Recomendación: Ajuste la intensidad del proyector según el acabado de la superficie de la PCB (HASL vs. ENIG vs. OSP).
Riesgo: HASL es brillante y desigual; OSP es plano y de color cobre. Una iluminación incorrecta provoca dispersión.
Aceptación: Verificación de la claridad de la imagen: los bordes de las almohadillas deben ser nítidos, no borrosos.

6. Compensación de Alabeo

Recomendación: Habilitar el mapeo dinámico de alabeo.
Riesgo: Sin esto, una placa combada mostrará una pasta "alta" falsa en el centro y una pasta "baja" en los bordes.
Aceptación: Revise el mapa 3D de la superficie de la placa generado por la máquina.

7. Verificación de Resultados de "Fallo"

Recomendación: Los operadores deben verificar los fallos bajo un microscopio antes de lavar la placa.
Riesgo: Aceptar ciegamente las indicaciones de la máquina conduce a un exceso de desechos. Ignorarlas ciegamente conduce a defectos.
Aceptación: Implemente una regla de "3 fallos". Si 3 placas fallan consecutivamente, detenga la línea.

8. Retroalimentación de Bucle Cerrado

Recomendación: Vincular el SPI a la impresora.
Riesgo: Sin retroalimentación, la impresora continúa imprimiendo con una plantilla obstruida o desalineada.
Aceptación: Verifique que los datos de desplazamiento estén actualizando realmente las tablas X/Y/Theta de la impresora.

9. Programa de Mantenimiento

Recomendación: Limpie las lentes de la cámara y calibre los objetivos de altura semanalmente.
Riesgo: Los humos de fundente pueden cubrir la óptica, atenuando la luz y alterando los cálculos de volumen.
Aceptación: Pase un objetivo de calibración certificado (Muestra Dorada) con alturas conocidas.

10. Bucle de Retroalimentación DFM

Recomendación: Envíe los datos de SPI al equipo de diseño.
Riesgo: Si una huella específica siempre falla los requisitos de volumen, es probable que el diseño de la huella o de la plantilla sea incorrecto.
Aceptación: Reuniones mensuales de revisión de calidad para analizar los 5 principales defectos de SPI.

Para más detalles sobre cómo se integran los procesos de fabricación, puede revisar nuestra descripción general de la fabricación de PCB.

Errores comunes (y el enfoque correcto)

Incluso con un proceso riguroso, los fabricantes a menudo caen en trampas específicas. Reconocer estos errores es parte de una estrategia madura de introducción a la medición SPI.

Error 1: Confiar únicamente en el área

Muchas máquinas antiguas o configuraciones económicas se centran en la cobertura del área. Como se discutió, un depósito puede ser plano (volumen insuficiente) pero aún así cubrir la almohadilla.

Enfoque Correcto: Siempre priorice el volumen y la altura. Si debe usar 2D, combínelo con controles de proceso estrictos sobre la presión de la escobilla.

Error 2: Ignorar el efecto "sombreado"

Los componentes altos o las abrazaderas cerca del área de inspección pueden proyectar sombras, bloqueando la proyección de luz estructurada. Esto resulta en errores de "pasta faltante".

Enfoque Correcto: Utilice sistemas de proyección multidireccionales (por ejemplo, proyectores de 4 u 8 vías) para eliminar los puntos ciegos.

Error 3: Datos Incorrectos del Grosor de la Plantilla

La máquina SPI calcula el porcentaje de volumen basándose en el volumen teórico (Área × Grosor de la Plantilla). Si la máquina cree que la plantilla es de 120um pero en realidad es de 100um, todas las lecturas aparecerán como un 120% de volumen.

Enfoque Correcto: Verifique que el grosor de la lámina de la plantilla en uso coincida exactamente con los parámetros del programa.

Error 4: Tolerancias Demasiado Estrictas

Los ingenieros a menudo establecen tolerancias demasiado estrictas (por ejemplo, +/- 10%) en un intento de ser de "alta calidad". Esto provoca paradas frecuentes de la línea por variaciones aceptables.

Enfoque Correcto: Comience con las tolerancias estándar IPC Clase 2 o 3 (típicamente +/- 50% para el volumen) y ajústelas solo si ocurren defectos posteriores.

Error 5: Descuidar el Soporte de la Placa

Si la placa vibra durante el movimiento de alta velocidad del pórtico de la cámara, el patrón de franjas se difumina.

Enfoque Correcto: Utilice bloques de soporte de alta calidad o sistemas de soporte por vacío para mantener la PCB rígida.

Error 6: Confundir SPI con AOI

Algunos equipos intentan usar la lógica de AOI para SPI. Sin embargo, los aoi programming basics se basan en algoritmos de color (reflexión de luz roja/verde/azul) para detectar cuerpos de componentes y polaridad. SPI se basa en la topología de altura.

Enfoque Correcto: Trátelos como disciplinas separadas. No aplique la lógica de inspección de componentes a la inspección de pasta.

Error 7: No limpiar la parte inferior de la plantilla

El SPI detecta "manchas" o puentes. A menudo, esto no es un problema de parámetros de impresión, sino de una plantilla sucia por debajo.

Enfoque Correcto: Si el SPI detecta puentes, la primera acción correctiva debe ser aumentar la frecuencia del ciclo de limpieza automática de la parte inferior de la plantilla.

Preguntas Frecuentes

Para aclarar las dudas restantes sobre la introducción a la medición SPI, aquí están las respuestas a las preguntas más frecuentes.

P1: ¿Es el SPI obligatorio para todo el ensamblaje de PCB? Aunque no es legalmente obligatorio, es prácticamente esencial para cualquier placa con componentes de paso fino (<0,5 mm), BGAs o pasivos 0201/01005. Para placas simples de orificio pasante, puede ser opcional.

P2: ¿Puede el SPI detectar almohadillas oxidadas? Indirectamente. Si la almohadilla está oxidada, la pasta puede no desprenderse bien de la plantilla o puede asentarse de manera diferente. Sin embargo, el SPI no está diseñado para inspeccionar el acabado de la PCB en sí; ese es un trabajo para la inspección de entrada.

P3: ¿Cuánto tiempo lleva la programación del SPI? Con software moderno que importa archivos Gerber (específicamente la capa de máscara de pasta), se puede generar un programa básico en 10-15 minutos. El ajuste fino para placas complejas puede llevar una hora.

P4: ¿Cuál es la diferencia entre SPI y AOI? El SPI inspecciona la pasta de soldadura antes de la colocación de componentes. El AOI (Inspección Óptica Automatizada) inspecciona la placa después del reflujo (o a veces antes del reflujo) para verificar la colocación de componentes y la formación de las uniones de soldadura.

P5: ¿Ralentiza el SPI la línea de producción? Puede hacerlo si no está optimizado. Sin embargo, las máquinas modernas son más rápidas que el tiempo del ciclo de impresión. La impresora suele ser el cuello de botella, por lo que el SPI opera dentro del "tiempo enmascarado" del ciclo de limpieza de la impresora.

P6: ¿Qué es una "Falsa Alarma" (False Call) frente a un "Escape"? Una "Falsa Alarma" (False Call) ocurre cuando la máquina rechaza una placa buena (lo que desperdicia tiempo del operador). Un "Escape" ocurre cuando la máquina aprueba una placa defectuosa (lo que lleva a defectos). El objetivo es minimizar los escapes manteniendo las falsas alarmas manejables.

P7: ¿Puede el SPI medir la dispensación de pegamento? Sí, la mayoría de las máquinas SPI 3D pueden configurarse para inspeccionar los puntos de adhesivo SMT en cuanto a altura y volumen, de forma similar a la pasta de soldadura.

P8: ¿Con qué frecuencia debe calibrarse la máquina SPI? Normalmente, se recomienda una verificación de calibración utilizando una placa de referencia certificada semanal o quincenalmente, dependiendo del uso de la máquina y las directrices del fabricante.

P9: ¿Qué sucede si la placa está deformada? Si la deformación excede el rango de compensación de la máquina (generalmente unos pocos milímetros), la medición será imprecisa. La deformación severa debe abordarse a nivel de fabricación de la placa desnuda.

P10: ¿Utiliza APTPCB el SPI 3D? Sí, APTPCB utiliza sistemas SPI 3D avanzados en nuestras líneas de montaje para garantizar un alto rendimiento y fiabilidad para nuestros clientes.

Páginas y herramientas relacionadas

Para un contexto de fabricación más amplio y herramientas que le ayuden en su proceso de diseño, considere estos recursos:

Pautas DFM: Aprenda a diseñar sus pads y stencils para maximizar las tasas de aprobación de SPI.
Visor Gerber: Verifique sus capas de máscara de pasta antes de enviar los datos a producción.
Materiales de PCB: Comprenda cómo la selección de materiales (como FR4 vs. Rogers) afecta la deformación y la inspección de la placa.

Glosario (términos clave)

Los términos técnicos pueden ser confusos. Esta tabla define el vocabulario esencial utilizado en introducción a la medición spi y en las operaciones diarias.

Término	Definición
Apertura	La abertura en el stencil a través de la cual se imprime la pasta.
Relación de Aspecto	La relación entre el ancho de la abertura y el grosor de la lámina del stencil (debe ser > 1.5).
Relación de Área	La relación entre el área de la abertura y el área de las paredes de la abertura (debe ser > 0.66).
Puenteo	Conexión no deseada de pasta de soldadura entre dos pads adyacentes.
Coplanaridad	La máxima diferencia de altura entre los depósitos de soldadura más altos y más bajos en la huella de un componente (crítico para BGAs).
FOV (Campo de Visión)	El área que la cámara puede ver en una sola captura. Un FOV más grande significa mayor velocidad pero potencialmente menor resolución.
Archivo Gerber	El formato de archivo estándar utilizado para transmitir datos de diseño de PCB, incluida la capa de pasta.
Placa Dorada	Una placa conocida como buena utilizada para enseñar a la máquina o verificar la calibración.
Franja de Moire	Un patrón creado al proyectar luz estructurada (líneas) sobre un objeto para medir la altura mediante triangulación.
Desplazamiento	La distancia de desalineación entre el centro del depósito de pasta y el centro de la almohadilla.
Colapso	Cuando la pasta de soldadura pierde su forma y se extiende después de la impresión, reduciendo la altura y aumentando el área.
Volumen	La cantidad total de pasta de soldadura en medida cúbica (Área × Altura).
Referencia Cero	El nivel de altura de referencia (generalmente la superficie de la máscara de soldadura) desde el cual se mide la altura de la pasta.

Conclusión (próximos pasos)

Dominar los conceptos de esta introducción a la medición SPI es fundamental para lograr una fabricación de productos electrónicos de alto rendimiento. Al cambiar el enfoque de la simple inspección de área al análisis volumétrico e integrar la retroalimentación de circuito cerrado, los fabricantes pueden eliminar virtualmente los defectos relacionados con la impresión.

Recuerde, la calidad de la unión de soldadura se determina en el momento en que la escobilla pasa sobre la plantilla. Ninguna cantidad de perfilado de reflujo puede arreglar una placa que carece de suficiente volumen de pasta.

Cuando esté listo para llevar su diseño a producción, asegúrese de proporcionar a su socio de fabricación:

Archivos Gerber Completos: Incluyendo la capa de Máscara de Pasta.
Detalles de Apilamiento: Para anticipar el grosor de la placa y la posible deformación.
Requisitos de Clase IPC: Especifique si necesita criterios de inspección de Clase 2 o Clase 3.
Modificaciones de la Plantilla: Cualquier solicitud específica para la reducción o ampliación de la apertura.

En APTPCB, manejamos estos detalles rigurosamente. Si tiene un proyecto listo para revisión, visite nuestra página de cotización para empezar con un socio que entiende la ciencia de la calidad.