введение в измерение SPI: Практическое сквозное руководство (от основ до производства)

Нанесение паяльной пасты широко признано наиболее критическим этапом в сборке по технологии поверхностного монтажа (SMT). Данные отрасли показывают, что более 60% дефектов пайки возникают на этапе печати. Это делает надежное введение в измерение SPI (контроль паяльной пасты) незаменимым для любого производителя высоконадежной электроники.

SPI — это не просто фотографирование печатной платы. Это количественный процесс, который измеряет объем, высоту и площадь паяльных отложений, чтобы убедиться, что они соответствуют строгим инженерным спецификациям. Выявляя ошибки до установки компонентов, производители экономят время и сокращают затраты на доработку.

В APTPCB (Завод печатных плат APTPCB) мы интегрируем передовые 3D SPI системы в наши производственные линии для обеспечения качества выхода продукции. Это руководство служит всеобъемлющим ресурсом для инженеров и менеджеров по закупкам, желающих понять механику, метрики и стратегии внедрения контроля паяльной пасты.

Основные выводы

Определение: SPI — это автоматизированная оптическая оценка отложений паяльной пасты, сфокусированная на объеме и структурной целостности.
Критические метрики: Процент объема и высота являются более надежными показателями качества соединения, чем простое покрытие площади.
Технология: 3D-контроль с использованием проекции муаровых полос предоставляет данные, которые пропускает 2D-контроль.
Управление процессом: SPI должен образовывать замкнутый цикл с трафаретным принтером для автоматической коррекции смещений выравнивания.
Валидация: Регулярная калибровка с использованием эталонных плат необходима для поддержания точности измерений.
Заблуждение: "Проход" на SPI не гарантирует идеального соединения, если профиль оплавления некорректен, но он устраняет наиболее распространенную причину отказа.
Экономическая выгода: Обнаружение дефекта на SPI стоит копейки; обнаружение его на ICT или функциональном тесте стоит долларов.

Что на самом деле означает введение в измерение SPI (область применения и границы)

Понимание основного определения является первым шагом перед анализом конкретных метрик и точек данных. Правильное введение в измерение SPI включает определение области инспекции и границ того, что машина может физически обнаружить.

Область инспекции

Системы SPI работают сразу после процесса трафаретной печати паяльной пасты и перед установщиком компонентов. Основная цель — убедиться, что правильное количество пасты нанесено в правильном месте контактной площадки. В отличие от aoi programming basics, которые фокусируются на наличии и полярности компонентов после оплавления, SPI полностью сосредоточен на "мокрой" пасте.

Область применения включает:

Объемный анализ: Расчет общего объема нанесенной пасты.
Топография: Составление карты формы нанесенной пасты (например, "собачьи уши" или зачерпывание).
Позиционирование: Проверка смещения по X/Y относительно медной контактной площадки.

Границы 2D и 3D инспекции

Ранние итерации SPI использовали 2D-изображение. Этот метод основан на контрасте для определения наличия пасты на контактной площадке. По сути, это руководство по проверке размеров только для площади.

Ограничения 2D: 2D-система не может отличить тонкий мазок пасты от правильного кирпичеобразного отложения. Оба выглядят как «покрытые» контактные площадки.
Возможности 3D: Современные 3D SPI используют структурированный свет (часто лазерную триангуляцию или профилометрию со сдвигом фазы) для измерения высоты. Это позволяет системе рассчитывать объем, что является единственным наиболее важным фактором для надежности паяных соединений.

Петля обратной связи

Надежная реализация SPI не просто отбраковывает плохие платы. Она взаимодействует с трафаретным принтером. Если SPI обнаруживает постоянную тенденцию — например, смещение пасты на 10 микрон вправо — она сигнализирует принтеру о необходимости автоматической корректировки выравнивания трафарета. Эта возможность превращает SPI из привратника в инструмент управления процессом.

Важные метрики (как оценивать качество)

Как только вы поймете область применения технологии, вы должны определить конкретные точки данных, которые определяют статус прохождения или отказа. В следующей таблице приведены критические метрики, используемые в стандартном контексте введения в измерение SPI.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон или влияющие факторы	Как измерять
Объем %	Определяет, достаточно ли сплава для формирования галтели.	75% – 125% от теоретического объема апертуры трафарета.	Рассчитывается путем интегрирования высоты по заданной площади.
Высота	Критично для копланарности, особенно для BGA.	60мкм – 150мкм (зависит от толщины фольги трафарета).	Проекция структурированного света (муаровая полоса).
Площадь %	Гарантирует достаточное покрытие контактной площадки для предотвращения окисления.	80% – 120% от площади апертуры.	2D-анализ контраста или 3D-срез по пороговому значению.
Смещение (X/Y)	Предотвращает образование перемычек и эффект "надгробного камня" из-за дисбаланса.	< 25% ширины контактной площадки (или специфического предела класса IPC).	Расстояние от центра контактной площадки до центра тяжести пасты.
Ширина перемычки	Обнаруживает короткие замыкания между контактными площадками с малым шагом.	Должно быть 0 (отсутствие соединения между отдельными цепями).	Алгоритм проверяет непрерывность пасты между определенными областями интереса (ROI).
Форма/Наклон	Идентифицирует проседание или плохое отделение от трафарета.	Качественная оценка или градиентный анализ.	Анализ топографического картирования.

Подробный анализ: Объем против Площади

Объем является превосходной метрикой. Контактная площадка может иметь 100% покрытие площади, но только 50% высоты из-за того, что ракель вычерпывает пасту из апертуры. Это приводит к "голодному" паяному соединению, которое может пройти электрические испытания, но выйти из строя под механическим напряжением. И наоборот, отложение может иметь идеальную высоту, но покрывать только 50% площади, что приводит к плохому смачиванию.

Подробный анализ: Смещение и Самовыравнивание

Припой обладает свойством самовыравнивания во время оплавления благодаря поверхностному натяжению. Небольшие смещения, обнаруженные во время SPI, могут самокорректироваться в печи. Однако чрезмерное смещение приводит к образованию шариков припоя или перемычек. Установка правильного допуска в машине SPI требует балансировки риска ложных срабатываний с риском фактических дефектов.

Руководство по выбору по сценарию (компромиссы)

Знание метрик помогает, но их применение сильно зависит от конкретного дизайна платы и плотности компонентов. Различные производственные сценарии требуют различных конфигураций вашего оборудования SPI.

Сценарий 1: Компоненты с малым шагом (0.3мм - 0.4мм)

Задача: Высокий риск образования перемычек и недостаточного объема.
Компромисс: Необходимо увеличить разрешение (меньший размер пикселя), что замедляет скорость инспекции.
Рекомендация: Приоритет разрешения над скоростью. Используйте более жесткий допуск по объему (например, 85%-115%).

Сценарий 2: Массивы шариковых выводов (BGA)

Задача: Критична копланарность. Если один шарик имеет низкую высоту пасты, он может не коснуться компонента, вызывая дефект "голова в подушке".
Компромисс: Точность измерения высоты важнее, чем смещение по X/Y.
Рекомендация: Включите специальные алгоритмы BGA, которые сравнивают высоту каждой контактной площадки со средней высотой группы, а не только абсолютную высоту.

Сценарий 3: Крупные разъемы и экраны

Задача: Большие апертуры часто требуют трафаретов типа "оконное стекло" для предотвращения избыточного забора пасты.
Компромисс: SPI может интерпретировать зазоры в оконном стекле как отсутствующую пасту.
Руководство: Запрограммируйте SPI так, чтобы он рассматривал сегментированные отложения как единую логическую группу, или отрегулируйте Область Интереса (ROI) в соответствии с модификацией трафарета, а не с медной площадкой.

Сценарий 4: Гибкие печатные платы

Проблема: Гибкие платы не лежат идеально ровно. Деформация искажает опорную плоскость высоты.
Компромисс: Стандартные нулевые опорные плоскости будут генерировать ложные ошибки по высоте.
Руководство: Используйте системы SPI с "компенсацией деформации" или "локальной реперной привязкой". Эта технология динамически отображает поверхность платы и измеряет высоту пасты относительно локальной поверхности, а не теоретической плоской плоскости.

Сценарий 5: Мелкосерийное производство с широкой номенклатурой

Проблема: Частые переналадки означают, что время программирования является узким местом.
Компромисс: Тратить часы на настройку порогов для партии из 50 плат неэффективно.
Руководство: Используйте алгоритмы самообучения или библиотеки, основанные на стандартах IPC. Полагайтесь на данные импорта Gerber, а не на ручное обучение.

Сценарий 6: Светодиодные сборки (большие массивы)

Проблема: Белая паяльная маска отражает свет, мешая оптическим измерениям.
Компромисс: Высокое отражение вызывает насыщение датчика или шум.
Руководство: Выбирайте оборудование SPI с многочастотной проекцией или специфическими цветами освещения (например, синим светом), предназначенными для работы с высококонтрастными фонами.

От проектирования до производства (контрольные точки реализации)

Выбор правильного подхода бесполезен без надежного технологического процесса, который связывает замысел проекта с выполнением на машине. Следующий контрольный список описывает путь от подготовки данных до окончательной проверки.

1. Подготовка данных (Gerber и трафарет)

Рекомендация: Используйте слой трафарета (паяльной маски) для программирования SPI, а не медный слой.
Риск: Если вы используете медный слой, SPI ожидает пасту на всей контактной площадке. Если дизайн трафарета включает уменьшения (например, 10% уменьшение), SPI ложно пометит "недостаточный объем".
Приемка: Убедитесь, что наложение программы SPI соответствует физическим апертурам трафарета.

2. Настройка поддержки печатной платы

Рекомендация: Убедитесь, что плата полностью поддерживается снизу, особенно для тонких печатных плат.
Риск: Вибрация или провисание платы во время сканирования приводит к размытым изображениям и неточным показаниям высоты.
Приемка: Проверьте отсутствие движения по оси Z при перемещении стола.

3. Калибровка нулевой точки отсчета

Рекомендация: Машина должна определить, где находится "нулевая высота" (поверхность паяльной маски или меди).
Риск: Если опорная точка взята на шелкографии, высота пасты будет рассчитана ниже реальной.
Приемка: Убедитесь, что стратегия измерения исключает области шелкографии для Z-опорной точки.

4. Настройки порогов

Рекомендация: Правильно установите порог "фильтра шума" (обычно около 15-20 мкм).
Риск: Слишком низкая настройка измеряет пыль и текстуру платы как пасту. Слишком высокая настройка игнорирует тонкие отложения.
Приемлемость: Пропустите голую плату (без пасты) через машину; показания объема должны быть нулевыми.

5. Освещение и Проекция

Рекомендация: Отрегулируйте интенсивность проектора в зависимости от финишного покрытия печатной платы (HASL против ENIG против OSP).
Риск: HASL блестящий и неровный; OSP плоский и медного цвета. Неправильное освещение вызывает рассеяние.
Приемлемость: Проверка четкости изображения — края контактных площадок должны быть резкими, а не размытыми.

6. Компенсация Деформации

Рекомендация: Включите динамическое отображение деформации.
Риск: Без этого изогнутая плата будет показывать ложно "высокую" пасту в центре и "низкую" пасту по краям.
Приемлемость: Просмотрите 3D-карту поверхности платы, сгенерированную машиной.

7. Проверка Результатов "Сбоя"

Рекомендация: Операторы должны проверять сбои под микроскопом перед промывкой платы.
Риск: Слепое принятие показаний машины приводит к чрезмерному браку. Слепое игнорирование приводит к дефектам.
Приемлемость: Внедрите правило "3 ошибок". Если 3 платы выходят из строя подряд, остановите линию.

8. Обратная Связь с Замкнутым Контуром

Рекомендация: Свяжите SPI с принтером.
Риск: Без обратной связи принтер продолжает печатать с забитым трафаретом или смещением.
Приемлемость: Убедитесь, что данные смещения фактически обновляют таблицы X/Y/Theta принтера.

9. График Технического Обслуживания

Рекомендация: Еженедельно чистить линзы камеры и калибровать целевые высоты.
Риск: Пары флюса могут покрывать оптику, затемняя свет и изменяя расчеты объема.
Приемлемость: Прохождение сертифицированного калибровочного образца (Золотой Образец) с известными высотами.

10. Петля обратной связи DFM

Рекомендация: Передавать данные SPI обратно команде разработчиков.
Риск: Если конкретный посадочный размер всегда не соответствует требованиям по объему, то посадочный размер или дизайн трафарета, вероятно, неверен.
Приемлемость: Ежемесячные совещания по обзору качества, рассматривающие 5 основных дефектов SPI.

Для получения более подробной информации о том, как интегрируются производственные процессы, вы можете ознакомиться с нашим обзором производства печатных плат.

Распространенные ошибки (и правильный подход)

Даже при строгом процессе производители часто попадают в определенные ловушки. Распознавание этих ошибок является частью зрелой стратегии введения в измерение SPI.

Ошибка 1: Полагаться исключительно на площадь

Многие старые машины или бюджетные установки фокусируются на покрытии площади. Как обсуждалось, отложение может быть плоским (недостаточный объем), но при этом покрывать контактную площадку.

Правильный подход: Всегда отдавайте приоритет объему и высоте. Если вы должны использовать 2D, сочетайте это со строгим контролем процесса давления ракеля.

Ошибка 2: Игнорирование эффекта "затенения"

Высокие компоненты или зажимы рядом с зоной контроля могут отбрасывать тени, блокируя проекцию структурированного света. Это приводит к ошибкам "отсутствие пасты".

Правильный подход: Используйте многонаправленные проекционные системы (например, 4- или 8-сторонние проекторы) для устранения слепых зон.

Ошибка 3: Неверные данные о толщине трафарета

Машина SPI рассчитывает процент объема на основе теоретического объема (Площадь × Толщина трафарета). Если машина считает, что трафарет имеет толщину 120 мкм, а на самом деле он 100 мкм, все показания будут отображаться как 120% объема.

Правильный подход: Убедитесь, что толщина фольги используемого трафарета точно соответствует параметрам программы.

Ошибка 4: Чрезмерное затягивание допусков

Инженеры часто устанавливают слишком жесткие допуски (например, +/- 10%) в попытке достичь «высокого качества». Это приводит к частым остановкам линии из-за допустимых отклонений.

Правильный подход: Начните со стандартных допусков IPC Класса 2 или 3 (обычно +/- 50% для объема) и ужесточайте их только в случае возникновения дефектов на последующих этапах.

Ошибка 5: Пренебрежение поддержкой платы

Если плата вибрирует во время высокоскоростного движения портала камеры, интерференционная картина размывается.

Правильный подход: Используйте высококачественные опорные блоки или вакуумные системы поддержки для обеспечения жесткости печатной платы.

Ошибка 6: Путаница SPI с AOI

Некоторые команды пытаются использовать логику AOI для SPI. Однако основы программирования AOI полагаются на цветовые алгоритмы (отражение красного/зеленого/синего света) для обнаружения корпусов компонентов и полярности. SPI полагается на топологию высоты.

Правильный подход: Рассматривайте их как отдельные дисциплины. Не применяйте логику контроля компонентов к контролю пасты.

Ошибка 7: Отсутствие очистки нижней стороны трафарета

SPI обнаруживает "размазывание" или перемычки. Часто это не проблема параметров печати, а грязная нижняя сторона трафарета.

Правильный подход: Если SPI обнаруживает перемычки, первым корректирующим действием должно быть увеличение частоты цикла автоматической очистки нижней стороны трафарета.

Часто задаваемые вопросы

Чтобы прояснить оставшиеся сомнения относительно введения в измерение SPI, вот ответы на наиболее часто задаваемые вопросы.

В1: Является ли SPI обязательным для всех сборок печатных плат? Хотя это не является юридически обязательным, это практически необходимо для любой платы с компонентами с малым шагом (<0,5 мм), BGA или пассивными компонентами 0201/01005. Для простых плат со сквозными отверстиями это может быть необязательно.

В2: Может ли SPI обнаружить окисленные контактные площадки? Косвенно. Если контактная площадка окислена, паста может плохо отделяться от трафарета или по-другому растекаться. Однако SPI не предназначен для проверки самой поверхности печатной платы; это задача входного контроля.

В3: Сколько времени занимает программирование SPI? С помощью современного программного обеспечения, которое импортирует файлы Gerber (в частности, слой паяльной маски), базовая программа может быть сгенерирована за 10-15 минут. Тонкая настройка для сложных плат может занять час.

В4: В чем разница между SPI и AOI? SPI проверяет паяльную пасту до установки компонентов. AOI (Автоматическая оптическая инспекция) проверяет плату после оплавления (или иногда до оплавления) для проверки установки компонентов и формирования паяных соединений.

В5: Замедляет ли SPI производственную линию? Может, если не оптимизировано. Однако современные машины быстрее времени цикла печати. Принтер обычно является узким местом, поэтому SPI работает в "маскированное время" цикла очистки принтера.

В6: Что такое "ложный вызов" против "пропуска"? "Ложный вызов" – это когда машина отклоняет хорошую плату (тратит время оператора). "Пропуск" – это когда машина пропускает плохую плату (приводит к дефектам). Цель состоит в минимизации пропусков при сохранении ложных вызовов управляемыми.

В7: Может ли SPI измерять дозирование клея? Да, большинство 3D SPI машин могут быть настроены для проверки клеевых точек SMT на высоту и объем, аналогично паяльной пасте.

В8: Как часто следует калибровать машину SPI? Как правило, проверка калибровки с использованием сертифицированной эталонной пластины рекомендуется еженедельно или раз в две недели, в зависимости от использования машины и рекомендаций производителя.

В9: Что произойдет, если плата деформирована? Если деформация превышает диапазон компенсации машины (обычно несколько миллиметров), измерение будет неточным. Сильная деформация должна быть устранена на уровне изготовления голой платы.

В10: Использует ли APTPCB 3D SPI? Да, APTPCB использует передовые 3D SPI системы в наших сборочных линиях для обеспечения высокой производительности и надежности для наших клиентов.

Для более широкого производственного контекста и инструментов, которые помогут в процессе проектирования, рассмотрите эти ресурсы:

Руководство по DFM: Узнайте, как проектировать контактные площадки и трафареты для максимизации показателей прохождения SPI.
Просмотрщик Gerber: Проверьте слои паяльной маски перед отправкой данных в производство.
Материалы для печатных плат: Поймите, как выбор материала (например, FR4 против Rogers) влияет на коробление платы и инспекцию.

Глоссарий (ключевые термины)

Технические термины могут сбивать с толку. Эта таблица определяет основной словарный запас, используемый в введении к измерению SPI и повседневных операциях.

Термин	Определение
Апертура	Отверстие в трафарете, через которое наносится паста.
Соотношение сторон	Отношение ширины апертуры к толщине фольги трафарета (должно быть > 1.5).
Соотношение площади	Отношение площади отверстия апертуры к площади стенок апертуры (должно быть > 0.66).
Перемычка	Нежелательное соединение паяльной пасты между двумя соседними контактными площадками.
Компланарность	Максимальная разница высот между самым высоким и самым низким отложениями припоя на посадочном месте компонента (критично для BGA).
FOV (Поле зрения)	Область, которую камера может видеть за один снимок. Больший FOV означает более высокую скорость, но потенциально более низкое разрешение.
Файл Gerber	Стандартный формат файлов, используемый для передачи данных проектирования печатных плат, включая слой пасты.
Эталонная плата	Известная исправная плата, используемая для обучения машины или проверки калибровки.
Муаровый узор	Узор, создаваемый путем проецирования структурированного света (линий) на объект для измерения высоты методом триангуляции.
Смещение	Расстояние несоосности между центром нанесения пасты и центром контактной площадки.
Оседание	Когда паяльная паста теряет форму и растекается после печати, уменьшая высоту и увеличивая площадь.
Объем	Общее количество паяльной пасты в кубических измерениях (Площадь × Высота).
Нулевой уровень отсчета	Базовый уровень высоты (обычно поверхность паяльной маски), от которого измеряется высота пасты.

Заключение (дальнейшие шаги)

Освоение концепций, представленных в этом введении в измерения SPI, имеет решающее значение для достижения высокопроизводительного производства электроники. Переключив внимание с простой проверки площади на объемный анализ и интегрировав обратную связь с замкнутым контуром, производители могут практически исключить дефекты, связанные с печатью.

Помните, качество паяного соединения определяется в тот момент, когда ракель проходит по трафарету. Никакая профилировка оплавления не сможет исправить плату, которой не хватает достаточного объема паяльной пасты.

Когда вы будете готовы запустить свой дизайн в производство, убедитесь, что вы предоставили своему производственному партнеру:

Полные файлы Gerber: Включая слой паяльной маски.
Детали стека: Чтобы предвидеть толщину платы и потенциальное коробление.
Требования класса IPC: Укажите, нужны ли вам критерии контроля класса 2 или класса 3.
Модификации трафарета: Любые конкретные запросы на уменьшение или увеличение апертуры.

В APTPCB мы тщательно обрабатываем эти детали. Если у вас есть проект, готовый к рассмотрению, посетите нашу страницу котировок, чтобы начать работу с партнером, который понимает науку качества.