Introduction à la mesure SPI

L'impression de la pâte à souder est largement reconnue comme l'étape la plus critique dans l'assemblage de la technologie de montage en surface (SMT). Les données de l'industrie suggèrent que plus de 60 % des défauts de soudure proviennent de l'étape d'impression. Cela rend une solide introduction à la mesure SPI (Inspection de la Pâte à Souder) essentielle pour tout fabricant d'électronique de haute fiabilité.

L'SPI ne consiste pas simplement à prendre des photographies de la carte de circuit imprimé. C'est un processus quantitatif qui mesure le volume, la hauteur et la surface des dépôts de soudure pour s'assurer qu'ils respectent des spécifications techniques strictes. En détectant les erreurs avant le placement des composants, les fabricants économisent du temps et réduisent les coûts de reprise.

Chez APTPCB (Usine de PCB APTPCB), nous intégrons des systèmes SPI 3D avancés dans nos lignes de production pour garantir la qualité du rendement. Ce guide constitue une ressource complète pour les ingénieurs et les responsables des achats souhaitant comprendre la mécanique, les métriques et les stratégies de mise en œuvre de l'inspection de la pâte à souder.

Points Clés à Retenir

Définition : L'SPI est l'évaluation optique automatisée des dépôts de pâte à souder axée sur le volume et l'intégrité structurelle.
Métriques Critiques : Le pourcentage de volume et la hauteur sont des indicateurs plus fiables de la qualité du joint que la simple couverture de surface.
Technologie : L'inspection 3D utilisant la projection de franges de Moiré fournit des données que l'inspection 2D ne détecte pas.
Contrôle du Processus : L'SPI devrait former une boucle fermée avec la sérigraphie pour corriger automatiquement les décalages d'alignement.
Validation : Un étalonnage régulier à l'aide de cartes de référence est nécessaire pour maintenir la précision des mesures.
Idée fausse : Un "succès" au SPI ne garantit pas une soudure parfaite si le profil de refusion est incorrect, mais il élimine la cause la plus courante de défaillance.
Avantage économique : Détecter un défaut au SPI coûte des centimes ; le détecter au test ICT ou fonctionnel coûte des dollars.

Ce que signifie réellement l'introduction à la mesure SPI (portée et limites)

Comprendre la définition fondamentale est la première étape avant d'analyser des métriques et des points de données spécifiques. Une introduction à la mesure SPI appropriée implique de définir la portée de l'inspection et les limites de ce que la machine peut physiquement détecter.

La portée de l'inspection

Les systèmes SPI fonctionnent immédiatement après le processus d'impression de la pâte à souder et avant la machine de placement. L'objectif principal est de vérifier que la quantité correcte de pâte a été déposée à l'emplacement correct du pad. Contrairement à aoi programming basics qui se concentrent sur la présence et la polarité des composants après la refusion, le SPI se concentre entièrement sur la pâte "humide".

La portée inclut :

Analyse volumétrique : Calcul du volume total du dépôt de pâte.
Topographie : Cartographie de la forme du dépôt (par exemple, "oreilles de chien" ou creusement).
Posizionnement : Vérification du décalage X/Y par rapport au pad de cuivre.

Limites d'inspection 2D vs 3D

Les premières itérations de l'SPI utilisaient l'imagerie 2D. Cette méthode repose sur le contraste pour déterminer si de la pâte est présente sur le pad. C'est essentiellement un guide d'inspection dimensionnelle uniquement pour la surface.

Limitations 2D : Un système 2D ne peut pas distinguer une fine couche de pâte d'un dépôt en forme de brique approprié. Les deux apparaissent comme des pads « couverts ».
Capacités 3D : Le SPI 3D moderne utilise la lumière structurée (souvent la triangulation laser ou la profilométrie par décalage de phase) pour mesurer la hauteur. Cela permet au système de calculer le volume, qui est le facteur le plus critique pour la fiabilité des joints de soudure.

La boucle de rétroaction

Une implémentation SPI robuste ne se contente pas de rejeter les cartes défectueuses. Elle communique avec la sérigraphie. Si le SPI détecte une tendance constante — par exemple, un décalage de la pâte de 10 microns vers la droite — il signale à l'imprimante d'ajuster automatiquement l'alignement du pochoir. Cette capacité transforme le SPI d'un gardien en un outil de contrôle de processus.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Une fois que vous comprenez la portée de la technologie, vous devez définir les points de données spécifiques qui déterminent le statut de réussite ou d'échec. Le tableau suivant présente les métriques critiques utilisées dans un contexte standard d'introduction à la mesure SPI.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs influents	Comment mesurer
Volume %	Détermine s'il y a suffisamment d'alliage pour former un congé.	75% – 125% du volume théorique de l'ouverture du pochoir.	Calculé en intégrant la hauteur sur la zone définie.
Hauteur	Critique pour la coplanarité, en particulier pour les BGA.	60um – 150um (dépend de l'épaisseur de la feuille du pochoir).	Projection de lumière structurée (frange de Moiré).
Pourcentage de surface	Assure que le plot est suffisamment couvert pour prévenir l'oxydation.	80% – 120% de l'ouverture de l'ouverture.	Analyse de contraste 2D ou tranche 3D au seuil.
Décalage (X/Y)	Prévient le pontage et l'effet "tombstone" dû à un déséquilibre.	< 25% de la largeur du plot (ou limite spécifique de la classe IPC).	Distance du centre du plot au centroïde de la pâte.
Largeur du pont	Détecte les courts-circuits entre les plots à pas fin.	Doit être 0 (aucune connexion entre des réseaux séparés).	L'algorithme vérifie la continuité de la pâte entre les ROI définies.
Forme/Pente	Identifie l'affaissement ou le mauvais démoulage du pochoir.	Score qualitatif ou analyse de gradient.	Analyse de cartographie topographique.

Approfondissement : Volume vs. Surface

Le volume est la métrique supérieure. Un plot pourrait avoir une couverture de surface de 100% mais seulement 50% de hauteur en raison de la raclette qui retire la pâte de l'ouverture. Cela se traduit par une jointure de soudure "sous-alimentée" qui peut réussir les tests électriques mais échouer sous contrainte mécanique. Inversement, un dépôt pourrait avoir une hauteur parfaite mais ne couvrir que 50% de la surface, entraînant une mauvaise mouillabilité.

Approfondissement : Décalage et Auto-alignement

La soudure possède une propriété d'auto-alignement pendant la refusion grâce à la tension superficielle. De petits décalages détectés lors de l'inspection SPI pourraient se corriger d'eux-mêmes dans le four. Cependant, un décalage excessif entraîne des billes de soudure ou des ponts. Définir la tolérance correcte dans la machine SPI nécessite d'équilibrer le risque de fausses alertes avec le risque de défauts réels.

Guide de sélection par scénario (compromis)

Connaître les métriques est utile, mais leur application dépend fortement de la conception spécifique de la carte et de la densité des composants. Différents scénarios de fabrication nécessitent différentes configurations de votre équipement SPI.

Scénario 1 : Composants à pas fin (0.3mm - 0.4mm)

Défi : Risque élevé de pontage et de volume insuffisant.
Compromis : Vous devez augmenter la résolution (taille de pixel plus petite), ce qui ralentit la vitesse d'inspection.
Conseil : Privilégiez la résolution à la vitesse. Utilisez une tolérance de volume plus stricte (par exemple, 85%-115%).

Scénario 2 : Ball Grid Arrays (BGA)

Défi : La coplanarité est critique. Si une bille a une faible hauteur de pâte, elle pourrait ne pas toucher le composant, provoquant un défaut "head-in-pillow".
Compromis : La précision de la mesure de la hauteur est plus importante que le décalage X/Y.
Conseil : Activez des algorithmes BGA spécifiques qui comparent la hauteur de chaque pad à la hauteur moyenne du groupe, plutôt qu'à la seule hauteur absolue.

Scénario 3 : Grands connecteurs et blindages

Défi : Les grandes ouvertures nécessitent souvent des conceptions de pochoirs de type "vitre" pour éviter l'excès de pâte.
Compromis: Le SPI pourrait interpréter les espaces dans la vitre comme de la pâte manquante.
Conseil: Programmez le SPI pour traiter les dépôts segmentés comme un groupe logique unique ou ajustez la Région d'Intérêt (ROI) pour qu'elle corresponde à la modification du pochoir, et non au pad de cuivre.

Scénario 4 : PCB Flexibles

Défi: Les cartes flexibles ne sont pas parfaitement plates. Le gauchissement déforme le plan de référence de la hauteur.
Compromis: Les plans de référence zéro standard généreront de fausses défaillances de hauteur.
Conseil: Utilisez des systèmes SPI avec "compensation de gauchissement" ou "référencement fiduciel local". Cette technologie cartographie dynamiquement la surface de la carte et mesure la hauteur de la pâte par rapport à la surface locale, et non à un plan plat théorique.

Scénario 5 : Production à fort mix, faible volume

Défi: Les changements fréquents signifient que le temps de programmation est un goulot d'étranglement.
Compromis: Passer des heures à ajuster les seuils pour un lot de 50 cartes est inefficace.
Conseil: Utilisez des algorithmes d'auto-apprentissage ou des bibliothèques basées sur les normes IPC. Fiez-vous aux données d'importation Gerber plutôt qu'à l'apprentissage manuel.

Scénario 6 : Assemblages LED (Grands réseaux)

Défi: Le masque de soudure blanc réfléchit la lumière, interférant avec la mesure optique.
Compromis: Une forte réflexion provoque la saturation du capteur ou du bruit.
Conseil: Sélectionnez un équipement SPI avec projection multifréquence ou des couleurs d'éclairage spécifiques (par exemple, lumière bleue) conçues pour gérer les arrière-plans à contraste élevé.

Du design à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

Choisir la bonne approche est inutile sans un flux de processus solide qui relie l'intention de conception à l'exécution de la machine. La liste de contrôle suivante décrit le parcours de la préparation des données à la validation finale.

1. Préparation des données (Gerber et Pochoir)

Recommandation : Utilisez la couche du pochoir (masque de pâte) pour la programmation SPI, et non la couche de cuivre.
Risque : Si vous utilisez la couche de cuivre, le SPI s'attend à de la pâte sur l'ensemble du pad. Si la conception du pochoir inclut des réductions (par exemple, une réduction de 10 %), le SPI signalera à tort un "volume insuffisant".
Acceptation : Vérifiez que la superposition du programme SPI correspond aux ouvertures physiques du pochoir.

2. Configuration du support de PCB

Recommandation : Assurez-vous que la carte est entièrement supportée par le dessous, en particulier pour les PCB minces.
Risque : Les vibrations ou l'affaissement de la carte pendant le balayage entraînent des images floues et des lectures de hauteur imprécises.
Acceptation : Vérifiez l'absence de mouvement de l'axe Z lorsque la table se déplace.

3. Calibrage du point de référence zéro

Recommandation : La machine doit établir où se trouve la "hauteur zéro" (la surface du masque de soudure ou du cuivre).
Risque : Si la référence est prise sur une légende sérigraphiée, la hauteur de la pâte sera calculée comme étant inférieure à la réalité.
Acceptation : Vérifiez que la stratégie de mesure exclut les zones sérigraphiées pour la référence Z.

4. Paramètres de seuil

Recommandation : Réglez correctement le seuil du "filtre de bruit" (généralement autour de 15-20 µm).
Risque : Le régler trop bas mesure la poussière et la texture de la carte comme de la pâte. Le régler trop haut ignore les dépôts minces.
Acceptation : Faire passer une carte nue (sans pâte) dans la machine ; la lecture du volume doit être zéro.

5. Éclairage et Projection

Recommandation : Ajuster l'intensité du projecteur en fonction de la finition de surface du PCB (HASL vs. ENIG vs. OSP).
Risque : Le HASL est brillant et irrégulier ; l'OSP est plat et de couleur cuivre. Un mauvais éclairage provoque de la diffusion.
Acceptation : Vérification de la clarté de l'image — les bords des pastilles doivent être nets, pas flous.

6. Compensation du Voile

Recommandation : Activer la cartographie dynamique du voile.
Risque : Sans cela, une carte voilée affichera une pâte faussement "haute" au centre et "basse" sur les bords.
Acceptation : Examiner la carte 3D de la surface de la carte générée par la machine.

7. Vérification des Résultats "Échec"

Recommandation : Les opérateurs doivent vérifier les échecs au microscope avant de laver la carte.
Risque : Accepter aveuglément les appels de la machine entraîne un gaspillage excessif. Les ignorer aveuglément entraîne des défauts.
Acceptation : Mettre en œuvre une règle des "3 échecs". Si 3 cartes échouent consécutivement, arrêter la ligne.

8. Rétroaction en Boucle Fermée

Recommandation : Lier le SPI à l'imprimante.
Risque : Sans rétroaction, l'imprimante continue d'imprimer avec un pochoir bouché ou un décalage.
Acceptation : Vérifier que les données de décalage mettent réellement à jour les tables X/Y/Theta de l'imprimante.

9. Calendrier de Maintenance

Recommandation : Nettoyer les lentilles de la caméra et calibrer les cibles de hauteur chaque semaine.
Risque : Les fumées de flux peuvent recouvrir les optiques, atténuant la lumière et altérant les calculs de volume.
Acceptation : Réussir un test avec une cible de calibration certifiée (Échantillon d'Or) avec des hauteurs connues.

10. Boucle de rétroaction DFM

Recommandation : Transmettre les données SPI à l'équipe de conception.
Risque : Si un empreinte spécifique échoue toujours aux exigences de volume, l'empreinte ou la conception du pochoir est probablement erronée.
Acceptation : Réunions mensuelles d'examen de la qualité passant en revue les 5 principaux défauts SPI.

Pour plus de détails sur l'intégration des processus de fabrication, vous pouvez consulter notre aperçu de la fabrication de PCB.

Erreurs courantes (et la bonne approche)

Même avec un processus rigoureux, les fabricants tombent souvent dans des pièges spécifiques. Reconnaître ces erreurs fait partie d'une stratégie mature d'introduction à la mesure SPI.

Erreur 1 : Se fier uniquement à la surface

De nombreuses machines plus anciennes ou configurations économiques se concentrent sur la couverture de la surface. Comme discuté, un dépôt peut être plat (volume insuffisant) mais couvrir quand même le pad.

Approche correcte : Toujours privilégier le volume et la hauteur. Si vous devez utiliser la 2D, combinez-la avec des contrôles de processus stricts sur la pression de la raclette.

Erreur 2 : Ignorer l'effet "d'ombrage"

Des composants hauts ou des pinces près de la zone d'inspection peuvent projeter des ombres, bloquant la projection de lumière structurée. Cela entraîne des erreurs de "pâte manquante".

Approche Correcte : Utilisez des systèmes de projection multidirectionnels (par exemple, des projecteurs à 4 ou 8 voies) pour éliminer les angles morts.

Erreur 3 : Données d'épaisseur de pochoir incorrectes

La machine SPI calcule le pourcentage de volume en se basant sur le volume théorique (Surface × Épaisseur du pochoir). Si la machine pense que le pochoir fait 120 µm alors qu'il fait en réalité 100 µm, toutes les lectures apparaîtront comme 120 % du volume.

Approche Correcte : Vérifiez que l'épaisseur de la feuille du pochoir utilisé correspond exactement aux paramètres du programme.

Erreur 4 : Tolérances trop strictes

Les ingénieurs définissent souvent des tolérances trop strictes (par exemple, +/- 10 %) dans le but d'atteindre une « haute qualité ». Cela entraîne des arrêts fréquents de la ligne pour des variations acceptables.

Approche Correcte : Commencez avec les tolérances standard IPC Classe 2 ou 3 (généralement +/- 50 % pour le volume) et ne les resserrez que si des défauts en aval se produisent.

Erreur 5 : Négligence du support de la carte

Si la carte vibre pendant le mouvement à grande vitesse du portique de la caméra, le motif de franges devient flou.

Approche Correcte : Utilisez des blocs de support de haute qualité ou des systèmes de support par aspiration pour maintenir le PCB rigide.

Erreur 6 : Confusion entre SPI et AOI

Certaines équipes essaient d'utiliser la logique AOI pour le SPI. Cependant, les principes de programmation AOI reposent sur des algorithmes de couleur (réflexion de la lumière rouge/verte/bleue) pour détecter les corps des composants et la polarité. Le SPI repose sur la topologie de la hauteur.

Approche Correcte : Traitez-les comme des disciplines distinctes. N'appliquez pas la logique d'inspection des composants à l'inspection de la pâte.

Erreur 7 : Ne pas nettoyer le dessous du pochoir

Le SPI détecte les "maculages" ou les ponts. Souvent, il ne s'agit pas d'un problème de paramètre d'impression mais d'un dessous de pochoir sale.

Approche Correcte : Si le SPI détecte des ponts, la première action corrective devrait être d'augmenter la fréquence du cycle de nettoyage automatique du dessous du pochoir.

FAQ

Pour clarifier les doutes restants concernant l'introduction à la mesure SPI, voici les réponses aux questions les plus fréquemment posées.

Q1 : Le SPI est-il obligatoire pour tous les assemblages de PCB ? Bien que non légalement obligatoire, il est pratiquement essentiel pour toute carte comportant des composants à pas fin (<0,5 mm), des BGA ou des passifs 0201/01005. Pour les cartes simples à trous traversants, il peut être facultatif.

Q2 : Le SPI peut-il détecter les pastilles oxydées ? Indirectement. Si la pastille est oxydée, la pâte peut ne pas se libérer correctement du pochoir ou peut s'affaisser différemment. Cependant, le SPI n'est pas conçu pour inspecter la finition du PCB elle-même ; c'est le travail de l'inspection à la réception.

Q3 : Combien de temps prend la programmation SPI ? Avec un logiciel moderne qui importe les fichiers Gerber (spécifiquement la couche de masque de pâte), un programme de base peut être généré en 10-15 minutes. L'ajustement fin pour les cartes complexes peut prendre une heure.

Q4 : Quelle est la différence entre SPI et AOI ? Le SPI inspecte la pâte à souder avant le placement des composants. L'AOI (Inspection Optique Automatisée) inspecte la carte après la refusion (ou parfois avant la refusion) pour vérifier le placement des composants et la formation des joints de soudure.

Q5 : Le SPI ralentit-il la ligne de production ? Oui, si elle n'est pas optimisée. Cependant, les machines modernes sont plus rapides que le temps de cycle d'impression. L'imprimante est généralement le goulot d'étranglement, donc le SPI fonctionne pendant le "temps masqué" du cycle de nettoyage de l'imprimante.

Q6: Qu'est-ce qu'un "Faux Positif" par rapport à une "Échappée"? Un "Faux Positif" se produit lorsque la machine rejette une bonne carte (gaspille le temps de l'opérateur). Une "Échappée" se produit lorsque la machine laisse passer une mauvaise carte (entraîne des défauts). L'objectif est de minimiser les échappées tout en maintenant les faux positifs gérables.

Q7: Le SPI peut-il mesurer la dépose de colle? Oui, la plupart des machines SPI 3D peuvent être configurées pour inspecter les points de colle SMT en termes de hauteur et de volume, de manière similaire à la pâte à souder.

Q8: À quelle fréquence la machine SPI doit-elle être calibrée? Généralement, une vérification de l'étalonnage à l'aide d'une plaque cible certifiée est recommandée chaque semaine ou toutes les deux semaines, en fonction de l'utilisation de la machine et des directives du fabricant.

Q9: Que se passe-t-il si la carte est déformée? Si la déformation dépasse la plage de compensation de la machine (généralement quelques millimètres), la mesure sera imprécise. Une déformation sévère doit être traitée au niveau de la fabrication de la carte nue.

Q10: APTPCB utilise-t-il le SPI 3D? Oui, APTPCB utilise des systèmes SPI 3D avancés dans nos lignes d'assemblage pour garantir un rendement et une fiabilité élevés à nos clients.

Pages et outils connexes

Pour un contexte de fabrication plus large et des outils pour vous aider dans votre processus de conception, considérez ces ressources :

Directives DFM: Apprenez à concevoir vos pastilles et pochoirs pour maximiser les taux de réussite SPI.
Visionneuse Gerber: Vérifiez vos couches de masque de pâte avant d'envoyer les données en production.
Matériaux de PCB: Comprenez comment le choix des matériaux (comme FR4 vs. Rogers) affecte le gauchissement et l'inspection de la carte.

Glossaire (termes clés)

Les termes techniques peuvent être déroutants. Ce tableau définit le vocabulaire essentiel utilisé dans l'introduction à la mesure SPI et les opérations quotidiennes.

Terme	Définition
Ouverture	L'ouverture dans le pochoir à travers laquelle la pâte est imprimée.
Rapport d'aspect	Le rapport entre la largeur de l'ouverture et l'épaisseur de la feuille du pochoir (devrait être > 1,5).
Rapport de surface	Le rapport entre la surface de l'ouverture de l'ouverture et la surface des parois de l'ouverture (devrait être > 0,66).
Pontage	Connexion indésirable de pâte à souder entre deux pastilles adjacentes.
Coplanarité	La différence de hauteur maximale entre les dépôts de soudure les plus hauts et les plus bas sur une empreinte de composant (critique pour les BGA).
FOV (Champ de vision)	La zone que la caméra peut voir en une seule capture. Un FOV plus grand signifie une vitesse plus élevée mais potentiellement une résolution plus faible.
Fichier Gerber	Le format de fichier standard utilisé pour transmettre les données de conception de PCB, y compris la couche de pâte.
Carte dorée	Une carte connue et fonctionnelle utilisée pour enseigner à la machine ou vérifier l'étalonnage.
Frange de Moiré	Un motif créé en projetant une lumière structurée (lignes) sur un objet pour mesurer la hauteur par triangulation.
Décalage	La distance de désalignement entre le centre du dépôt de pâte et le centre du pad.
Affaissement	Lorsque la pâte à souder perd sa forme et s'étale après l'impression, réduisant la hauteur et augmentant la surface.
Volume	La quantité totale de pâte à souder en mesure cubique (Surface × Hauteur).
Référence Zéro	Le niveau de hauteur de base (généralement la surface du masque de soudure) à partir duquel la hauteur de la pâte est mesurée.

Conclusion (prochaines étapes)

Maîtriser les concepts de cette introduction à la mesure SPI est essentiel pour atteindre une fabrication électronique à haut rendement. En passant de la simple inspection de surface à l'analyse volumétrique et en intégrant une rétroaction en boucle fermée, les fabricants peuvent pratiquement éliminer les défauts liés à l'impression.

N'oubliez pas que la qualité du joint de soudure est déterminée au moment où la raclette passe sur le pochoir. Aucune quantité de profilage de refusion ne peut réparer une carte qui manque d'un volume de pâte suffisant.

Lorsque vous êtes prêt à passer votre conception en production, assurez-vous de fournir à votre partenaire de fabrication :

Fichiers Gerber Complets : Y compris la couche de masque de pâte.
Détails de l'Empilement : Pour anticiper l'épaisseur de la carte et le gauchissement potentiel.
Exigences de Classe IPC : Spécifiez si vous avez besoin de critères d'inspection de Classe 2 ou de Classe 3.
Modifications du pochoir : Toute demande spécifique de réduction ou d'agrandissement de l'ouverture.

Chez APTPCB, nous traitons ces détails avec rigueur. Si vous avez un projet prêt à être examiné, visitez notre page de devis pour commencer avec un partenaire qui comprend la science de la qualité.