Introduction à la mesure SPI

L'impression de la pâte à braser est souvent considérée comme l'étape la plus critique de l'assemblage en technologie de montage en surface (SMT). Les chiffres du secteur indiquent que plus de 60 % des défauts de brasage prennent naissance à l'impression. Une bonne introduction à la mesure SPI (inspection de la pâte à braser) est donc incontournable pour toute fabrication à forte exigence de fiabilité.

La SPI ne se résume pas à « prendre des photos » d'une carte. C'est une démarche quantitative : la machine mesure le volume, la hauteur et la surface des dépôts de pâte afin de vérifier qu'ils respectent des tolérances d'ingénierie strictes. En détectant les écarts avant la pose des composants, on gagne du temps et on réduit les coûts de reprise.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous intégrons des systèmes SPI 3D avancés dans nos lignes pour sécuriser le rendement. Ce guide sert de ressource aux ingénieurs et aux responsables achats qui souhaitent comprendre les principes, les métriques et les stratégies de mise en œuvre de l'inspection de la pâte.

Points clés à retenir

Définition : la SPI est une évaluation optique automatisée des dépôts de pâte, centrée sur le volume et l'intégrité de la forme.
Métriques critiques : le pourcentage de volume et la hauteur sont plus fiables que la seule surface couverte.
Technologie : l'inspection 3D par projection de franges de Moiré fournit des données que la 2D ne voit pas.
Contrôle du procédé : la SPI doit fonctionner en boucle fermée avec l'imprimante pour corriger automatiquement les décalages.
Validation : une vérification régulière par carte étalon est nécessaire pour maintenir la précision des mesures.
Idée reçue : un résultat conforme en SPI ne garantit pas un joint parfait si le profil de refusion est incorrect, mais il élimine la cause la plus fréquente d'échec.
Coût / bénéfice : détecter un défaut en SPI coûte des centimes ; le détecter à l'ICT ou au test fonctionnel coûte bien plus cher.

Ce que signifie vraiment une introduction à la mesure SPI (portée & limites)

Comprendre la définition et les limites est indispensable avant d'analyser des métriques. Une introduction à la mesure SPI correcte consiste à définir la portée de l'inspection et les frontières de ce que la machine peut détecter physiquement.

La portée de l'inspection

Les systèmes SPI opèrent immédiatement après l'impression de pâte et avant la machine de placement. L'objectif principal est de vérifier que la bonne quantité de pâte a été déposée au bon endroit sur le pad. Contrairement aux bases de programmation AOI, centrées sur la présence et la polarité des composants après refusion, la SPI se concentre entièrement sur la pâte « humide ».

La portée inclut :

Analyse volumétrique : calcul du volume total du dépôt.
Topographie : cartographie de la forme du dépôt (par exemple « oreilles de chien » ou creusement).
Positionnement : vérification du décalage X/Y par rapport au pad cuivre.

Limites 2D vs 3D

Les premières SPI utilisaient l'imagerie 2D. Cette méthode s'appuie sur le contraste pour déterminer si la pâte existe sur le pad : c'est essentiellement un guide d'inspection dimensionnelle limité à la surface.

Limites de la 2D : une 2D ne distingue pas une fine couche de pâte d'un dépôt correct en « brique ». Dans les deux cas, le pad paraît « couvert ».
Atouts de la 3D : la SPI 3D moderne utilise une lumière structurée (souvent triangulation laser ou profilométrie à décalage de phase) pour mesurer la hauteur. Le volume peut alors être calculé, et c'est le facteur le plus déterminant pour la fiabilité du joint.

La boucle de rétroaction

Une mise en œuvre SPI robuste ne se limite pas au rejet. Elle communique avec l'imprimante. Si la SPI détecte une tendance stable — par exemple un décalage de pâte de 10 µm vers la droite — elle peut demander un ajustement automatique de l'alignement du pochoir. La SPI devient ainsi un outil de pilotage du procédé.

Les métriques qui comptent (comment évaluer la qualité)

Une fois la portée comprise, il faut définir les points de données qui déterminent un statut conforme ou non conforme. Le tableau ci‑dessous résume les métriques critiques dans un contexte d'introduction à la mesure SPI.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs influents	Comment mesurer
Volume %	Indique si l'alliage est suffisant pour former un congé.	75 % – 125 % du volume théorique de l'ouverture du pochoir.	Intégration de la hauteur sur la surface définie.
Hauteur	Cruciale pour la coplanarité, surtout pour les BGA.	60 µm – 150 µm (selon l'épaisseur de feuille du pochoir).	Projection de lumière structurée (franges de Moiré).
Surface %	Vérifie une couverture suffisante pour limiter l'oxydation.	80 % – 120 % de l'ouverture.	Analyse de contraste 2D ou coupe 3D à seuil.
Décalage (X/Y)	Évite ponts et l’effet « pierre tombale » dus à un déséquilibre.	< 25 % de la largeur du pad (ou limite IPC).	Distance centre du pad → centre de gravité du dépôt.
Largeur de pont	Détecte les courts‑circuits entre pads à pas fin.	Doit être 0 (aucune continuité entre deux nets).	Vérification de continuité entre ROIs définies.
Forme/Pente	Met en évidence affaissement ou mauvais démoulage du pochoir.	Score qualitatif ou analyse de gradient.	Analyse de cartographie topographique.

Approfondissement : volume vs surface

Le volume est la meilleure métrique. Un pad peut être couvert à 100 % mais n'avoir que 50 % de hauteur si la racle « creuse » la pâte hors de l'ouverture. On obtient alors un joint « affamé » : il peut passer un test électrique mais échouer sous contrainte mécanique. À l'inverse, un dépôt peut avoir une hauteur correcte tout en couvrant seulement 50 % de surface, ce qui dégrade le mouillage.

Approfondissement : décalage et auto‑alignement

Lors de la refusion, la soudure peut s'auto‑aligner grâce à la tension de surface. De petits décalages vus en SPI peuvent se corriger au four. En revanche, un décalage trop important entraîne billes de soudure ou ponts. Régler la bonne tolérance revient à équilibrer rejets injustifiés et défauts réels.

Recommandations de sélection selon les scénarios (compromis)

Les métriques sont indispensables, mais leur application dépend du design de la carte et de la densité de composants. Chaque scénario de fabrication impose des réglages SPI différents.

Scénario 1 : composants à pas fin (0,3 mm - 0,4 mm)

Défi : risque élevé de pontage et de volume insuffisant.
Compromis : augmenter la résolution (pixels plus petits) réduit la vitesse d'inspection.
Conseil : privilégier la résolution à la cadence. Utiliser une tolérance de volume plus serrée (par exemple 85 %–115 %).

Scénario 2 : Ball Grid Arrays (BGA)

Défi : la coplanarité est critique. Si une bille a une hauteur de pâte trop faible, elle peut ne pas toucher le composant et provoquer un défaut de type « tête dans l'oreiller ».
Compromis : la précision de hauteur est plus importante que le décalage X/Y.
Conseil : activer des algorithmes BGA qui comparent la hauteur de chaque pad à la hauteur moyenne du groupe, plutôt qu'à une valeur absolue seule.

Scénario 3 : gros connecteurs et blindages

Défi : les grandes ouvertures nécessitent souvent un pochoir « fenêtré » pour éviter le creusement.
Compromis : la SPI peut interpréter les interstices comme de la pâte manquante.
Conseil : traiter les dépôts segmentés comme un groupe logique unique, ou ajuster la région d'intérêt (ROI) selon la modification du pochoir plutôt que selon le pad cuivre.

Scénario 4 : PCB flex

Défi : les cartes flex ne sont pas parfaitement planes. Le gauchissement perturbe le plan de référence.
Compromis : une référence zéro standard génère des faux défauts de hauteur.
Conseil : utiliser une SPI avec compensation de gauchissement ou référencement local par fiducials. La surface est cartographiée et la hauteur est mesurée par rapport au plan local, pas à un plan idéal.

Scénario 5 : forte diversité, faibles volumes

Défi : les changements de série fréquents font de la programmation un goulot.
Compromis : passer des heures à régler des seuils pour 50 cartes est peu rentable.
Conseil : utiliser l'auto‑apprentissage et des bibliothèques basées sur l'IPC. S'appuyer sur l'import Gerber plutôt que sur un apprentissage manuel.

Scénario 6 : assemblages LED (grands arrays)

Défi : le vernis épargne blanc réfléchit fortement la lumière et perturbe la mesure.
Compromis : la réflexion provoque saturation ou bruit.
Conseil : choisir une SPI avec projection multi‑fréquences ou des couleurs d'éclairage dédiées (par exemple lumière bleue) pour gérer les arrière‑plans à fort contraste.

Du design à la fabrication (points de contrôle de mise en œuvre)

Choisir la bonne approche ne sert à rien sans un flux de processus qui relie l'intention de conception à l'exécution machine. La checklist suivante décrit le chemin, de la préparation des données à la validation finale.

1. Préparation des données (Gerber & pochoir)

Recommandation : utiliser la couche pochoir (masque pâte) pour programmer la SPI, pas la couche cuivre.
Risque : avec le cuivre, la SPI attend de la pâte sur tout le pad. Si le pochoir a des réductions (par ex. 10 %), la SPI signalera à tort un « volume insuffisant ».
Acceptation : vérifier que l'overlay du programme SPI correspond aux ouvertures physiques du pochoir.

2. Mise en place du support PCB

Recommandation : soutenir complètement la carte par dessous, surtout pour les PCB fins.
Risque : vibration ou affaissement pendant le scan → images floues et hauteurs fausses.
Acceptation : contrôler l'absence de mouvement sur l'axe Z lors des déplacements de table.

3. Calibrage de la référence zéro

Recommandation : la machine doit définir correctement la « hauteur zéro » (surface du vernis ou du cuivre).
Risque : si la référence est prise sur une sérigraphie, la hauteur calculée sera plus faible que la réalité.
Acceptation : vérifier que la stratégie de mesure exclut les zones de sérigraphie pour la référence Z.

4. Réglage des seuils

Recommandation : régler correctement le seuil de filtre de bruit (souvent autour de 15–20 µm).
Risque : trop bas : poussière et texture sont mesurées comme pâte. Trop haut : dépôts fins ignorés.
Acceptation : passer une carte nue (sans pâte) ; le volume doit être nul.

5. Éclairage et projection

Recommandation : ajuster l'intensité du projecteur selon la finition (HASL vs ENIG vs OSP).
Risque : HASL est brillant et irrégulier ; OSP est plat et cuivré. Un mauvais éclairage crée de la diffusion.
Acceptation : vérifier la netteté : les bords de pads doivent être nets, pas flous.

6. Compensation du gauchissement

Recommandation : activer la cartographie dynamique du gauchissement.
Risque : sinon, une carte bombée semblera avoir trop de pâte au centre et pas assez sur les bords.
Acceptation : examiner la carte 3D de surface générée par la machine.

7. Vérification des résultats « non conformes »

Recommandation : vérifier les rejets au microscope avant lavage.
Risque : accepter aveuglément → rebut excessif ; ignorer aveuglément → défauts en aval.
Acceptation : appliquer une règle « 3 fois » : si 3 cartes consécutives échouent, arrêter la ligne.

8. Boucle fermée

Recommandation : relier la SPI à l'imprimante.
Risque : sans feedback, l'imprimante continue malgré un pochoir bouché ou un décalage.
Acceptation : vérifier que les offsets mettent bien à jour les tables X/Y/Theta de l'imprimante.

9. Plan de maintenance

Recommandation : nettoyer les optiques et calibrer les cibles de hauteur chaque semaine.
Risque : les fumées de flux encrassent l'optique, diminuent la lumière et biaisent le calcul de volume.
Acceptation : valider une cible de calibration certifiée (carte étalon) avec des hauteurs connues.

10. Boucle DFM

Recommandation : renvoyer les données SPI à l'équipe design.
Risque : si une empreinte échoue systématiquement, l'empreinte ou le pochoir est probablement inadapté.
Acceptation : revue qualité mensuelle sur les 5 principaux défauts SPI.

Pour plus de détails sur l'intégration des procédés, consultez notre aperçu de la fabrication de PCB.

Erreurs fréquentes (et la bonne approche)

Même avec un processus rigoureux, certains pièges reviennent souvent. Les éviter fait partie d'une démarche SPI mature.

Erreur 1 : se baser uniquement sur la surface

Des machines plus anciennes (ou des configurations économiques) se focalisent sur la surface couverte. Or un dépôt peut être plat (volume insuffisant) tout en couvrant le pad.

Bonne approche : privilégier volume et hauteur. Si la 2D est imposée, la combiner avec un contrôle strict (pression de racle, etc.).

Erreur 2 : ignorer l'effet d'ombre

Des composants hauts ou des brides proches peuvent faire de l'ombre et bloquer la projection de lumière structurée, ce qui crée des erreurs « pâte manquante ».

Bonne approche : utiliser une projection multi‑directionnelle (par ex. 4 voies ou 8 voies) pour éliminer les angles morts.

Erreur 3 : mauvaise épaisseur de pochoir

La SPI calcule le pourcentage de volume à partir d'un volume théorique (surface × épaisseur du pochoir). Si la machine croit 120 µm alors que le pochoir fait en réalité 100 µm, toutes les mesures apparaîtront comme 120 %.

Bonne approche : vérifier que l'épaisseur réelle du pochoir correspond exactement aux paramètres du programme.

Erreur 4 : tolérances trop serrées

On serre parfois les tolérances (par ex. ±10 %) pour viser une « haute qualité », ce qui provoque des arrêts fréquents de ligne pour des variations acceptables.

Bonne approche : démarrer avec des tolérances IPC classe 2 ou 3 (souvent ±50 % sur le volume), puis resserrer seulement si des défauts apparaissent en aval.

Erreur 5 : support PCB insuffisant

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

Bonne approche : utiliser des supports de qualité (plots) ou un support par aspiration pour rigidifier le PCB.

Erreur 6 : confondre SPI et AOI

Certaines équipes appliquent une logique AOI à la SPI. Or les bases de programmation AOI reposent sur des algorithmes de couleur (réflexion rouge/vert/bleu) pour détecter corps et polarité, tandis que la SPI s'appuie sur la topologie en hauteur.

Bonne approche : traiter ces disciplines séparément et ne pas appliquer une logique d'inspection composants à l'inspection de pâte.

Erreur 7 : négliger l'essuyage sous pochoir

La SPI détecte maculages et ponts. Souvent, ce n'est pas un réglage d'impression, mais un dessous de pochoir sale.

Bonne approche : si des ponts apparaissent en SPI, augmenter d'abord la fréquence du cycle automatique d'essuyage sous pochoir.

FAQ

Pour lever les derniers doutes sur la mesure SPI, voici les réponses aux questions les plus courantes.

Q1 : La SPI est‑elle obligatoire pour tous les assemblages PCB ? Même si elle n'est pas légalement obligatoire, elle est pratiquement indispensable pour les composants à pas fin (<0,5 mm), les BGA et les passifs 0201/01005. Pour des cartes simples à traversants, elle peut être optionnelle.

Q2 : La SPI peut‑elle détecter des pads oxydés ? Indirectement. Un pad oxydé peut modifier le relargage de pâte ou la forme du dépôt. Mais la SPI n'est pas conçue pour inspecter la finition du PCB : cela relève du contrôle d'entrée.

Q3 : Combien de temps prend la programmation SPI ? Avec des logiciels modernes qui importent les fichiers Gerber (en particulier la couche masque pâte), un programme de base peut être généré en 10–15 minutes. Le réglage fin sur des cartes complexes peut prendre une heure.

Q4 : Quelle est la différence entre SPI et AOI ? La SPI inspecte la pâte à braser avant la pose des composants. L'AOI (inspection optique automatisée) inspecte la carte après refusion (ou parfois avant) pour vérifier la pose et la formation des joints.

Q5 : La SPI ralentit‑elle la production ? Cela peut arriver si l'inspection n'est pas optimisée. Mais les machines modernes sont souvent plus rapides que le cycle d'impression. L'imprimante est généralement le goulot, et la SPI fonctionne pendant le « temps masqué » du nettoyage de l'imprimante.

Q6 : Quelle différence entre rejet injustifié et défaut échappé ? Un rejet injustifié survient quand la machine rejette une carte bonne (perte de temps opérateur). Un défaut échappé survient quand la machine laisse passer une carte mauvaise (défauts en aval). L'objectif est de minimiser les échappées tout en gardant les rejets à un niveau maîtrisable.

Q7 : La SPI peut‑elle mesurer des points de colle ? Oui, la plupart des SPI 3D peuvent être configurées pour vérifier des points d'adhésif SMT en hauteur et volume, comme pour la pâte à braser.

Q8 : À quelle fréquence faut‑il calibrer la SPI ? En général, une vérification de calibration avec une plaque cible certifiée est recommandée chaque semaine ou toutes les deux semaines, selon l'usage et les recommandations du fabricant.

Q9 : Que se passe‑t‑il si la carte est gauchie ? Si le gauchissement dépasse la plage de compensation de la machine (souvent quelques millimètres), la mesure devient inexacte. Un gauchissement sévère doit être traité au niveau de la fabrication de la carte nue.

Q10 : APTPCB utilise‑t‑il la SPI 3D ? Oui, APTPCB utilise des systèmes SPI 3D avancés sur ses lignes d'assemblage pour garantir un haut rendement et une fiabilité élevée.

Pages et outils associés

Pour un contexte plus large et quelques outils utiles, voici des ressources recommandées :

Directives DFM: concevoir pads et pochoirs pour maximiser les taux de conformité SPI.
Visionneuse Gerber: vérifier les couches de masque pâte avant envoi en production.
Matériaux PCB: comprendre l'impact de matériaux (ex. FR4 vs Rogers) sur le gauchissement et l'inspection.

Glossaire (termes clés)

Les termes techniques peuvent prêter à confusion. Ce tableau définit le vocabulaire essentiel utilisé en SPI et au quotidien.

Terme	Définition
Ouverture	Ouverture du pochoir par laquelle la pâte est déposée.
Rapport d'aspect	Rapport largeur d'ouverture / épaisseur de feuille du pochoir (doit être > 1,5).
Rapport de surface	Rapport surface de l'ouverture / surface des parois (doit être > 0,66).
Pontage	Connexion indésirable de pâte entre deux pads adjacents.
Coplanarité	Écart max de hauteur entre le dépôt le plus haut et le plus bas d'une empreinte (critique pour BGA).
FOV (champ de vision)	Zone vue par la caméra en une capture. Plus grand = plus rapide, mais potentiellement moins résolu.
Fichier Gerber	Format standard des données PCB, incluant la couche pâte.
Carte étalon	Carte connue comme bonne pour apprendre ou vérifier la calibration.
Frange de Moiré	Motif de lumière structurée projeté pour mesurer la hauteur par triangulation.
Décalage	Distance d'alignement entre le centre du dépôt et le centre du pad.
Affaissement	La pâte perd sa forme après impression et s'étale : hauteur en baisse, surface en hausse.
Volume	Quantité totale de pâte (surface × hauteur).
Référence zéro	Niveau de base (souvent le vernis épargne) depuis lequel la hauteur est mesurée.

Conclusion et prochaines étapes

Maîtriser les concepts de cette introduction à la mesure SPI est déterminant pour une fabrication électronique à haut rendement. En passant d'une simple inspection de surface à une analyse volumétrique et en mettant en place une boucle fermée, on peut quasiment éliminer les défauts liés à l'impression.

Rappelez‑vous : la qualité du joint se joue au moment où la racle passe sur le pochoir. Aucun profil de refusion ne peut corriger une carte qui manque de volume de pâte.

Lorsque vous êtes prêt à lancer la production, fournissez à votre partenaire :

Des fichiers Gerber complets : incluant la couche masque pâte.
Les détails de stack‑up : pour anticiper l'épaisseur et le gauchissement.
La classe IPC requise : classe 2 ou classe 3.
Les demandes pochoir : réduction/agrandissement d'ouvertures, si nécessaire.

Chez APTPCB, nous traitons ces points avec rigueur. Si votre projet est prêt à être revu, consultez notre page de devis pour démarrer avec un partenaire qui comprend la science du rendement.