Wyzwania inspekcji SPI małych depozytów pasty

Stosowanie coraz mniejszych i cieńszych obudów komponentów przekłada się na konieczność tworzenia coraz mniejszych depozytów pasty lutowniczej, często mających objętość poniżej 250 mil sześciennych (1 mil=1/1000 cala). Zmianę wielkości depozytu wraz zależności od wielkości padu ilustruje Tabela 1 (wartości poniżej 250 mil³ zostały zaznaczone na czerwono). 

Należy też zdać sobie sprawę, iż wraz ze spadkiem rozmiarów kulek lutowniczych komponentów BGA, wzrasta udział pasty lutowniczej w końcowej objętości połączenia lutowanego. Przykładowo, przy rastrze 1.0 mm udział pasty wynosi około 10%, ale już przy 0.4 mm, udział pasty wzrasta do około 28% całkowitej objętości złącza oraz zbliża się do 30% przy rastrze 0.3 mm. Ponadto, cieńsze obudowy są podatne na wypaczanie się i wymagają bardzo dokładnych depozytów pasty lutowniczej. 

Źródło: 'Advancement of Solder Paste Inspection (SPI) Tools to Support Industry 4.0 & Package Scaling' Abhishek Prasad, Larry Pymento, Srinivasa R Aravamudhan and Chandru Periasamy, © Intel Corporation

W przypadku montażu SMT, najczęściej stosowane progi tolerancji objętości mierzone narzędziami SPI są szerokie i wynoszą +/- 50%. Oznacza to przykładowo, że dla docelowej objętości pasty lutowniczej 50 mil³ SPI dolna i górna granica tolerancji +/- 50% będzie wynosić od 25 mil³ (LCL) do 75 mil³ (UCL).

Podstawy pomiaru SPI

Dokładny pomiar wysokości i objętości depozytu pasty lutowniczej zależy od kilku czynników, takich jak:

- rozdzielczość czujnika optycznego,

- nierówności powierzchni PCB (ang. undulation, dosłownie oznaczająca falistość),

- ustawienia progów tolerancji,

- właściwości optycznych PCB,

- algorytm przetwarzania końcowego, który oblicza wysokość i objętość.

Dokładny pomiar objętości depozytu pasty lutowniczej nie jest łatwym zadaniem. Po pierwsze, powierzchnia PCB nie jest idealnie gładka: może mieć lokalne wypaczenia, pofałdowania powierzchni itp. Po drugie, miejsce osadzenia pasty lutowniczej na padzie może mieć 3 powierzchnie odniesienia: pad, maska ​​lutownicza lub substrat PCB (np. FR4), co komplikuje identyfikację i konfigurację płaszczyzny odniesienia stosowanej przy pomiarze. Po trzecie, sam depozyt pasty lutowniczej nie jest idealnie zdefiniowanym walcem lub sześcianem.

Urządzenia SPI do jego pomiaru używają światła białego i/lub światła laserowego, stosując technikę przesunięcia fazowego interferometrii Moire'a. Białe światło przepuszczane jest z projektorów ustawionych w formie ‘kraty’, tworząc linie interferencyjne. Światło odbija się od nierównej powierzchni depozytu pasty lutowniczej, a odbicie uchwycone jest pod znanymi, z góry ustalonymi kątami przez matrycę CCD. Następnie, do obliczenia wysokości depozytu pasty lutowniczej wykorzystywane są podstawowe techniki matematyczne triangulacji. Powierzchnia padu z depozytem podzielona jest na piksele, następnie zostaje określona wysokość każdego piksela (rozmiar każdego piksela zależy z kolei od używanej rozdzielczości aparatu), tworząc obraz całego padu wraz z depozytem.  

Celem przezwyciężenia problemów z cieniem, niektórzy dostawcy sprzętu używają podwójnej lub nawet zwielokrotnionej projekcji, co umożliwia równomierne oświetlenie depozytu. Dokładna wysokość padu w odniesieniu do powierzchni substratu jest trudna do określenia. W efekcie, oprócz interferometrii Moire'a, do pomiaru wysokości depozytu względem padu PCB niektórzy producenci wykorzystują triangulację laserową. Większość dostawców SPI stosuje progi, poniżej których pomiar jest ignorowany – standardowa specyfikacja w tym zakresie to około 40 mikronów. Aby uzyskać dokładniejsze pomiary, najpierw przeprowadza się przez SPI nieobsadzoną płytkę, a urządzenie wyłapuje i zapisuje wszelkie nierówności PCB, morfologię powierzchni i wysokość padów. Następnie przeprowadzana jest obsadzona płytka, a wysokości zmierzone w poprzednim przejeździe odejmowane są z obliczeń  wysokości depozytu.