Introduzione alla misurazione SPI: Una Guida Pratica Completa (dalle basi alla produzione)

La stampa della pasta saldante è ampiamente riconosciuta come la fase più critica nell'assemblaggio di tecnologia a montaggio superficiale (SMT). I dati del settore suggeriscono che oltre il 60% dei difetti di saldatura ha origine nella fase di stampa. Questo rende una solida introduzione alla misurazione SPI (Ispezione della Pasta Saldante) essenziale per qualsiasi produttore di elettronica ad alta affidabilità.

L'SPI non consiste semplicemente nello scattare fotografie del circuito stampato. È un processo quantitativo che misura il volume, l'altezza e l'area dei depositi di saldatura per garantire che soddisfino rigorose specifiche ingegneristiche. Rilevando gli errori prima che i componenti vengano posizionati, i produttori risparmiano tempo e riducono i costi di rilavorazione.

Presso APTPCB (Fabbrica di PCB APTPCB), integriamo sistemi SPI 3D avanzati nelle nostre linee di produzione per garantire la qualità della resa. Questa guida serve come risorsa completa per ingegneri e responsabili degli acquisti che desiderano comprendere la meccanica, le metriche e le strategie di implementazione dell'ispezione della pasta saldante.

Punti Chiave

Definizione: L'SPI è la valutazione ottica automatizzata dei depositi di pasta saldante focalizzata sul volume e sull'integrità strutturale.
Metriche Critiche: La percentuale di volume e l'altezza sono indicatori più affidabili della qualità del giunto rispetto alla semplice copertura dell'area.
Tecnologia: L'ispezione 3D che utilizza la proiezione di frange di Moiré fornisce dati che l'ispezione 2D non rileva.
Controllo del Processo: L'SPI dovrebbe formare un ciclo chiuso con la stampante serigrafica per correggere automaticamente gli offset di allineamento.
Validazione: La calibrazione regolare utilizzando schede "golden" è necessaria per mantenere l'accuratezza della misurazione.
Fraintendimento: Un "pass" su SPI non garantisce una giunzione perfetta se il profilo di rifusione è errato, ma elimina la causa più comune di fallimento.
Vantaggio economico: Rilevare un difetto con SPI costa pochi centesimi; rilevarlo con ICT o test funzionale costa dollari.

Cosa significa realmente l'introduzione alla misurazione SPI (ambito e limiti)

Comprendere la definizione fondamentale è il primo passo prima di analizzare metriche e punti dati specifici. Una corretta introduzione alla misurazione SPI implica la definizione dell'ambito dell'ispezione e dei limiti di ciò che la macchina può fisicamente rilevare.

L'ambito dell'ispezione

I sistemi SPI operano immediatamente dopo il processo di stampa della pasta saldante e prima della macchina pick-and-place. L'obiettivo primario è verificare che la quantità corretta di pasta sia stata depositata nella posizione corretta del pad. A differenza di aoi programming basics che si concentra sulla presenza e polarità dei componenti dopo la rifusione, SPI si concentra interamente sulla pasta "bagnata".

L'ambito include:

Analisi volumetrica: Calcolo del volume totale del deposito di pasta.
Topografia: Mappatura della forma del deposito (es. "orecchie di cane" o scavo).
Posizionamento: Verifica dell'offset X/Y rispetto al pad di rame.

Limiti di ispezione 2D vs. 3D

Le prime iterazioni di SPI utilizzavano l'imaging 2D. Questo metodo si basa sul contrasto per determinare se la pasta è presente sul pad. È essenzialmente una guida all'ispezione dimensionale solo per l'area.

Limitazioni 2D: Un sistema 2D non può distinguere tra una sottile sbavatura di pasta e un deposito a forma di mattone adeguato. Entrambi appaiono come pad "coperti".
Capacità 3D: L'SPI 3D moderno utilizza luce strutturata (spesso triangolazione laser o profilometria a spostamento di fase) per misurare l'altezza. Ciò consente al sistema di calcolare il volume, che è il fattore più critico per l'affidabilità della saldatura.

Il ciclo di feedback

Un'implementazione SPI robusta non si limita a rifiutare schede difettose. Comunica con la serigrafia. Se l'SPI rileva una tendenza costante—ad esempio, la pasta si sposta di 10 micron a destra—segnala alla stampante di regolare automaticamente l'allineamento dello stencil. Questa capacità trasforma l'SPI da guardiano a strumento di controllo del processo.

Metriche importanti (come valutare la qualità)

Una volta compreso l'ambito della tecnologia, è necessario definire i punti dati specifici che determinano lo stato di superamento o fallimento. La seguente tabella illustra le metriche critiche utilizzate in un contesto standard di introduzione alla misurazione SPI.

Metrica	Perché è importante	Intervallo tipico o fattori influenzanti	Come misurare
Volume %	Determina se c'è abbastanza lega per formare un raccordo.	75% – 125% del volume teorico dell'apertura dello stencil.	Calcolato integrando l'altezza sull'area definita.
Altezza	Critico per la coplanarità, specialmente per i BGA.	60um – 150um (dipende dallo spessore della lamina dello stencil).	Proiezione di luce strutturata (frangia di Moiré).
Area %	Assicura che il pad sia sufficientemente coperto per prevenire l'ossidazione.	80% – 120% dell'apertura.	Analisi del contrasto 2D o sezione 3D a soglia.
Offset (X/Y)	Previene il bridging e il tombstoning a causa dello squilibrio.	< 25% della larghezza del pad (o limite specifico della classe IPC).	Distanza dal centro del pad al baricentro della pasta.
Larghezza del ponte	Rileva cortocircuiti tra pad a passo fine.	Deve essere 0 (nessuna connessione tra reti separate).	L'algoritmo controlla la continuità della pasta tra le ROI definite.
Forma/Pendenza	Identifica l'afflosciamento o il cattivo rilascio dallo stencil.	Punteggio qualitativo o analisi del gradiente.	Analisi della mappatura topografica.

Approfondimento: Volume vs. Area

Il volume è la metrica superiore. Un pad potrebbe avere una copertura dell'area del 100% ma solo il 50% dell'altezza a causa della spatola che rimuove la pasta dall'apertura. Ciò si traduce in una giunzione di saldatura "affamata" che potrebbe superare i test elettrici ma fallire sotto stress meccanico. Al contrario, un deposito potrebbe avere un'altezza perfetta ma coprire solo il 50% dell'area, portando a una scarsa bagnatura.

Approfondimento: Offset e Autoallineamento

La saldatura ha una proprietà di autoallineamento durante la rifusione a causa della tensione superficiale. Piccoli disallineamenti rilevati durante l'SPI potrebbero correggersi nel forno. Tuttavia, un disallineamento eccessivo porta a palline di saldatura o a ponti. Impostare la tolleranza corretta nella macchina SPI richiede di bilanciare il rischio di falsi allarmi con il rischio di difetti reali.

Guida alla selezione per scenario (compromessi)

Conoscere le metriche aiuta, ma la loro applicazione dipende fortemente dal design specifico della scheda e dalla densità dei componenti. Diversi scenari di produzione richiedono diverse configurazioni della vostra attrezzatura SPI.

Scenario 1: Componenti a passo fine (0.3mm - 0.4mm)

Sfida: Alto rischio di ponti e volume insufficiente.
Compromesso: È necessario aumentare la risoluzione (dimensioni dei pixel più piccole), il che rallenta la velocità di ispezione.
Guida: Dare priorità alla risoluzione rispetto alla velocità. Utilizzare una tolleranza di volume più stretta (es. 85%-115%).

Scenario 2: Ball Grid Array (BGA)

Sfida: La coplanarità è critica. Se una sfera ha un'altezza di pasta bassa, potrebbe non toccare il componente, causando un difetto "head-in-pillow".
Compromesso: L'accuratezza della misurazione dell'altezza è più importante del disallineamento X/Y.
Guida: Abilitare algoritmi BGA specifici che confrontano l'altezza di ogni pad con l'altezza media del gruppo, piuttosto che solo l'altezza assoluta.

Scenario 3: Connettori e schermature di grandi dimensioni

Sfida: Le grandi aperture spesso richiedono design di stencil a "finestra" per prevenire l'eccessivo prelievo di pasta.
Compromesso: L'SPI potrebbe interpretare gli spazi nel pannello della finestra come pasta mancante.
Guida: Programmare l'SPI per trattare i depositi segmentati come un singolo gruppo logico o regolare la Regione di Interesse (ROI) in modo che corrisponda alla modifica dello stencil, non al pad di rame.

Scenario 4: PCB Flessibili

Sfida: Le schede flessibili non sono perfettamente piatte. La deformazione distorce il piano di riferimento dell'altezza.
Compromesso: I piani di riferimento zero standard genereranno falsi errori di altezza.
Guida: Utilizzare sistemi SPI con "compensazione della deformazione" o "riferimento fiduciale locale". Questa tecnologia mappa dinamicamente la superficie della scheda e misura l'altezza della pasta rispetto alla superficie locale, non a un piano piatto teorico.

Scenario 5: Produzione ad alto mix, basso volume

Sfida: I frequenti cambi di produzione rendono il tempo di programmazione un collo di bottiglia.
Compromesso: Dedicare ore alla regolazione delle soglie per un lotto di 50 schede è inefficiente.
Guida: Utilizzare algoritmi di autoapprendimento o librerie basate sugli standard IPC. Affidarsi ai dati di importazione Gerber piuttosto che all'insegnamento manuale.

Scenario 6: Assemblaggi LED (Grandi Array)

Sfida: La maschera di saldatura bianca riflette la luce, interferendo con la misurazione ottica.
Compromesso: L'alta riflessione causa saturazione del sensore o rumore.
Guida: Selezionare apparecchiature SPI con proiezione multifrequenza o colori di illuminazione specifici (es. luce blu) progettati per gestire sfondi ad alto contrasto.

Dalla progettazione alla produzione (punti di controllo dell'implementazione)

Selezionare l'approccio giusto è inutile senza un solido flusso di processo che colleghi l'intento progettuale all'esecuzione della macchina. La seguente checklist delinea il percorso dalla preparazione dei dati alla convalida finale.

1. Preparazione dei dati (Gerber e Stencil)

Raccomandazione: Utilizzare il layer dello stencil (maschera pasta) per la programmazione SPI, non il layer di rame.
Rischio: Se si utilizza il layer di rame, l'SPI si aspetta pasta sull'intero pad. Se il design dello stencil include riduzioni (es. riduzione del 10%), l'SPI segnalerà erroneamente "volume insufficiente".
Accettazione: Verificare che la sovrapposizione del programma SPI corrisponda alle aperture fisiche dello stencil.

2. Configurazione del supporto PCB

Raccomandazione: Assicurarsi che la scheda sia completamente supportata al di sotto, specialmente per i PCB sottili.
Rischio: Vibrazioni o cedimenti della scheda durante la scansione comportano immagini sfocate e letture di altezza imprecise.
Accettazione: Verificare l'assenza di movimento sull'asse Z quando il tavolo si muove.

3. Calibrazione del riferimento zero

Raccomandazione: La macchina deve stabilire dove si trova l'"altezza zero" (la superficie della maschera di saldatura o del rame).
Rischio: Se il riferimento viene preso su una serigrafia, l'altezza della pasta risulterà calcolata inferiore alla realtà.
Accettazione: Verificare che la strategia di misurazione escluda le aree serigrafate per il riferimento Z.

4. Impostazioni della soglia

Raccomandazione: Impostare correttamente la soglia del "filtro rumore" (solitamente intorno a 15-20um).
Rischio: Impostarlo troppo basso misura polvere e la texture della scheda come pasta. Impostarlo troppo alto ignora depositi sottili.
Accettazione: Far passare una scheda nuda (senza pasta) attraverso la macchina; la lettura del volume dovrebbe essere zero.

5. Illuminazione e Proiezione

Raccomandazione: Regolare l'intensità del proiettore in base alla finitura superficiale del PCB (HASL vs. ENIG vs. OSP).
Rischio: HASL è lucido e irregolare; OSP è piatto e color rame. Un'illuminazione errata causa dispersione.
Accettazione: Controllo della chiarezza dell'immagine—i bordi dei pad dovrebbero essere nitidi, non sfocati.

6. Compensazione della Deformazione

Raccomandazione: Abilitare la mappatura dinamica della deformazione.
Rischio: Senza di essa, una scheda incurvata mostrerà una pasta falsamente "alta" al centro e "bassa" ai bordi.
Accettazione: Esaminare la mappa 3D della superficie della scheda generata dalla macchina.

7. Verifica dei Risultati "Falliti"

Raccomandazione: Gli operatori devono verificare i fallimenti al microscopio prima di lavare la scheda.
Rischio: Accettare ciecamente le segnalazioni della macchina porta a scarti eccessivi. Ignorarle ciecamente porta a difetti.
Accettazione: Implementare una regola dei "3 errori". Se 3 schede falliscono consecutivamente, fermare la linea.

8. Feedback a Ciclo Chiuso

Raccomandazione: Collegare l'SPI alla stampante.
Rischio: Senza feedback, la stampante continua a stampare con uno stencil intasato o un offset.
Accettazione: Verificare che i dati di offset stiano effettivamente aggiornando le tabelle X/Y/Theta della stampante.

9. Programma di Manutenzione

Raccomandazione: Pulire le lenti della fotocamera e calibrare i target di altezza settimanalmente.
Rischio: I fumi del flussante possono rivestire le ottiche, attenuando la luce e alterando i calcoli del volume.
Accettazione: Superare un target di calibrazione certificato (Campione d'Oro) con altezze note.

10. Ciclo di Feedback DFM

Raccomandazione: Fornire i dati SPI al team di progettazione.
Rischio: Se un footprint specifico fallisce sempre i requisiti di volume, il footprint o il design dello stencil è probabilmente sbagliato.
Accettazione: Riunioni mensili di revisione della qualità che esaminano i 5 principali difetti SPI.

Per maggiori dettagli su come si integrano i processi di produzione, puoi consultare la nostra panoramica sulla produzione di PCB.

Errori comuni (e l'approccio corretto)

Anche con un processo rigoroso, i produttori spesso cadono in trappole specifiche. Riconoscere questi errori fa parte di una strategia matura di introduzione alla misurazione SPI.

Errore 1: Affidarsi esclusivamente all'area

Molte macchine più vecchie o configurazioni economiche si concentrano sulla copertura dell'area. Come discusso, un deposito può essere piatto (volume insufficiente) ma coprire comunque il pad.

Approccio Corretto: Dare sempre priorità a volume e altezza. Se si deve usare il 2D, combinarlo con rigorosi controlli di processo sulla pressione del racla.

Errore 2: Ignorare l'effetto "ombreggiatura"

Componenti alti o morsetti vicino all'area di ispezione possono proiettare ombre, bloccando la proiezione di luce strutturata. Ciò si traduce in errori di "pasta mancante".

Approccio Corretto: Utilizzare sistemi di proiezione multidirezionali (ad esempio, proiettori a 4 o 8 vie) per eliminare i punti ciechi.

Errore 3: Dati errati sullo spessore dello stencil

La macchina SPI calcola la percentuale di volume basandosi sul volume teorico (Area × Spessore dello Stencil). Se la macchina pensa che lo stencil sia di 120um ma in realtà è di 100um, tutte le letture appariranno come 120% del volume.

Approccio Corretto: Verificare che lo spessore della lamina dello stencil in uso corrisponda esattamente ai parametri del programma.

Errore 4: Tolleranze eccessivamente strette

Gli ingegneri spesso impostano tolleranze troppo strette (ad esempio, +/- 10%) nel tentativo di ottenere una "alta qualità". Ciò causa frequenti interruzioni della linea per variazioni accettabili.

Approccio Corretto: Iniziare con le tolleranze standard IPC Classe 2 o 3 (tipicamente +/- 50% per il volume) e stringerle solo se si verificano difetti a valle.

Errore 5: Trascurare il supporto della scheda

Se la scheda vibra durante il movimento ad alta velocità del portale della telecamera, il pattern di frange si sfoca.

Approccio Corretto: Utilizzare blocchi di supporto di alta qualità o sistemi di supporto a vuoto per mantenere rigido il PCB.

Errore 6: Confondere SPI con AOI

Alcuni team cercano di utilizzare la logica AOI per SPI. Tuttavia, i principi di programmazione AOI si basano su algoritmi di colore (riflessione della luce rossa/verde/blu) per rilevare i corpi dei componenti e la polarità. SPI si basa sulla topologia dell'altezza.

Approccio Corretto: Trattarli come discipline separate. Non applicare la logica di ispezione dei componenti all'ispezione della pasta.

Errore 7: Non Pulire la Pulizia Sotto Stencil

L'SPI rileva "sbavature" o ponticelli. Spesso, questo non è un problema di parametri di stampa ma di una parte inferiore dello stencil sporca.

Approccio Corretto: Se l'SPI rileva ponticelli, la prima azione correttiva dovrebbe essere quella di aumentare la frequenza del ciclo di pulizia automatica sotto lo stencil.

Domande Frequenti

Per chiarire i dubbi rimanenti riguardo all'introduzione alla misurazione SPI, ecco le risposte alle domande più frequenti.

D1: L'SPI è obbligatorio per tutti gli assemblaggi di PCB? Sebbene non sia legalmente obbligatorio, è praticamente essenziale per qualsiasi scheda con componenti a passo fine (<0,5 mm), BGA o passivi 0201/01005. Per schede semplici a foro passante, può essere opzionale.

D2: L'SPI può rilevare pad ossidati? Indirettamente. Se il pad è ossidato, la pasta potrebbe non rilasciarsi bene dallo stencil o potrebbe afflosciarsi in modo diverso. Tuttavia, l'SPI non è progettato per ispezionare la finitura del PCB stessa; questo è un compito per l'ispezione in ingresso.

D3: Quanto tempo richiede la programmazione SPI? Con software moderni che importano file Gerber (in particolare il livello Paste Mask), un programma di base può essere generato in 10-15 minuti. La messa a punto per schede complesse può richiedere un'ora.

D4: Qual è la differenza tra SPI e AOI? L'SPI ispeziona la pasta saldante prima del posizionamento dei componenti. L'AOI (Ispezione Ottica Automatica) ispeziona la scheda dopo la rifusione (o talvolta pre-rifusione) per verificare il posizionamento dei componenti e la formazione dei giunti di saldatura.

D5: L'SPI rallenta la linea di produzione? Può, se non ottimizzato. Tuttavia, le macchine moderne sono più veloci del tempo del ciclo di stampa. La stampante è solitamente il collo di bottiglia, quindi l'SPI opera all'interno del "tempo mascherato" del ciclo di pulizia della stampante.

D6: Cos'è una "Falsa Chiamata" rispetto a una "Fuga"? Una "Falsa Chiamata" si verifica quando la macchina rifiuta una scheda buona (sprecando tempo dell'operatore). Una "Fuga" si verifica quando la macchina lascia passare una scheda difettosa (portando a difetti). L'obiettivo è minimizzare le fughe mantenendo le false chiamate gestibili.

D7: L'SPI può misurare l'erogazione della colla? Sì, la maggior parte delle macchine SPI 3D può essere configurata per ispezionare i punti adesivi SMT per altezza e volume, in modo simile alla pasta saldante.

D8: Con quale frequenza dovrebbe essere calibrata la macchina SPI? Tipicamente, una verifica della calibrazione utilizzando una piastra target certificata è raccomandata settimanalmente o bisettimanalmente, a seconda dell'utilizzo della macchina e delle linee guida del produttore.

D9: Cosa succede se la scheda è deformata? Se la deformazione supera il raggio di compensazione della macchina (solitamente pochi millimetri), la misurazione sarà imprecisa. La deformazione grave dovrebbe essere affrontata a livello di fabbricazione della scheda nuda.

D10: APTPCB utilizza l'SPI 3D? Sì, APTPCB utilizza sistemi SPI 3D avanzati nelle nostre linee di assemblaggio per garantire alta resa e affidabilità ai nostri clienti.

Pagine e strumenti correlati

Per un contesto di produzione più ampio e strumenti per assistere il vostro processo di progettazione, considerate queste risorse:

Linee guida DFM: Scopri come progettare i tuoi pad e stencil per massimizzare i tassi di successo SPI.
Visualizzatore Gerber: Verifica i tuoi strati di maschera pasta prima di inviare i dati in produzione.
Materiali PCB: Comprendi come la selezione del materiale (come FR4 vs. Rogers) influisce sulla deformazione e sull'ispezione della scheda.

Glossario (termini chiave)

I termini tecnici possono essere confusi. Questa tabella definisce il vocabolario essenziale utilizzato nell'introduzione alla misurazione spi e nelle operazioni quotidiane.

Termine	Definizione
Apertura	L'apertura nello stencil attraverso la quale viene stampata la pasta.
Rapporto d'aspetto	Il rapporto tra la larghezza dell'apertura e lo spessore della lamina dello stencil (dovrebbe essere > 1.5).
Rapporto di area	Il rapporto tra l'area dell'apertura e l'area delle pareti dell'apertura (dovrebbe essere > 0.66).
Bridging (Cortocircuito)	Connessione indesiderata di pasta saldante tra due pad adiacenti.
Coplanarità	La massima differenza di altezza tra i depositi di saldatura più alti e più bassi su un'impronta di componente (critico per i BGA).
FOV (Campo Visivo)	L'area che la telecamera può vedere in una singola acquisizione. Un FOV più grande significa maggiore velocità ma potenzialmente minore risoluzione.
File Gerber	Il formato di file standard utilizzato per trasmettere i dati di progettazione PCB, incluso lo strato di pasta.
Scheda Golden	Una scheda nota e funzionante utilizzata per insegnare alla macchina o verificare la calibrazione.
Frangia di Moiré	Un modello creato proiettando luce strutturata (linee) su un oggetto per misurare l'altezza tramite triangolazione.
Offset	La distanza di disallineamento tra il centro del deposito di pasta e il centro del pad.
Cedimento	Quando la pasta saldante perde la sua forma e si espande dopo la stampa, riducendo l'altezza e aumentando l'area.
Volume	La quantità totale di pasta saldante in misurazione cubica (Area × Altezza).
Riferimento Zero	Il livello di altezza di base (solitamente la superficie della maschera di saldatura) da cui viene misurata l'altezza della pasta.

Conclusione (prossimi passi)

Padroneggiare i concetti di questa introduzione alla misurazione SPI è fondamentale per ottenere una produzione elettronica ad alto rendimento. Spostando l'attenzione dalla semplice ispezione dell'area all'analisi volumetrica e integrando un feedback a ciclo chiuso, i produttori possono eliminare virtualmente i difetti legati alla stampa.

Ricorda, la qualità del giunto di saldatura è determinata nel momento in cui la racla passa sullo stencil. Nessuna quantità di profilazione del reflow può correggere una scheda che manca di un volume di pasta sufficiente.

Quando sei pronto a portare il tuo progetto in produzione, assicurati di fornire al tuo partner di produzione:

File Gerber Completi: Inclusivo del livello Paste Mask.
Dettagli dello Stackup: Per prevedere lo spessore della scheda e l'eventuale deformazione.
Requisiti di Classe IPC: Specifica se sono necessari criteri di ispezione di Classe 2 o Classe 3.
Modifiche allo Stencil: Eventuali richieste specifiche per la riduzione o l'ingrandimento dell'apertura.

In APTPCB, gestiamo questi dettagli con rigore. Se hai un progetto pronto per la revisione, visita la nostra pagina di preventivo per iniziare con un partner che comprende la scienza della qualità.