* SPI – Solder Paste Inspection – Контроль паяльної пасти
Використання все менших і менших корпусів для компонентів призводить до необхідності створення все менших і менших дозувань пасти, які часто мають об’єм менше 250 кубічних міл. Як можна ефективно перевірити такий невеликий об’єм пасти?
Використання дедалі менших і тонших корпусів компонентів призводить до необхідності використовувати все менші й менші дозування паяльної пасти, які часто мають об’єм менше 250 кубічних міл (1 міл = 1/1000 дюйма). Зміна об’єму паяльної пасти в залежності від розміру контактної площадки показано в табл. 1 (значення нижче 250 міл3 видылены жирним шрифтом).
Слід також усвідомлювати, що зі зменшенням розміру кульок припою компонентів BGA частка паяльної пасти в кінцевому обсязі паяного з’єднання збільшується. Наприклад, при кроці 1,0 мм частка пасти становить близько 10%, але вже при 0,4 мм частка пасти зростає приблизно до 28% від загального об’єму з’єднання і наближається до 30% при кроці 0,3. мм. Крім того, більш тонкі корпуси схильні до деформації та потребують дуже ретельного нанесення паяльної пасти.
Таблиця 1. Обсяги паяльної пасти для корпусів з дрібним кроком
| Крок, мм | Розмір контактної площадки, мкм/міл | Обєм пасти в залежності від товщини шаблону, міл3 | |||
| 2 міл/50 мкм | 3 міл/75 мкм | 4 міл/100 мкм | 5 міл/125 мкм | ||
| 0.5 | 300/11.8 | 218 | 327 | 436 | 545 |
| 0.5 | 275/10.8 | 184 | 276 | 368 | 460 |
| 0.4 | 250/9.8 | 150 | 225 | 300 | 350 |
| 0.35 | 200/7.8 | 96 | 144 | 192 | 288 |
| 0.3 | 188/7.5 | 89 | 133 | 178 | 222 |
| 0.25 | 150/5.9 | 55 | 82 | 109 | 137 |
Типові верхні та нижні порогові значення для промисловості SMT для об’єму паяльної пасти, виміряні інструментами SPI, становлять ±50%. Це означає, наприклад, що для цільового об’єму паяльної пасти 50 міл3 нижня та верхня межі допуску SPI ± 50% становитимуть від 25 міл3 (LCL) до 75 міл3 (UCL).
Основи вимірювання SPI
Точне вимірювання висоти та об’єму нанесення паяльної пасти залежить від кількох факторів, таких як:
- роздільна здатність оптичного датчика
- нерівності поверхні друкованої плати (хвилястість)
- налаштування порогу висоти
- оптичні властивості друкованих плат
- алгоритм постобробки, що обчислює висоту та об’єм.
Точне вимірювання об’єму нанесення паяльної пасти – завдання не з легких. По-перше, поверхня друкованої плати не є ідеально гладкою: вона може мати локальні викривлення, хвилястість на поверхні тощо. По-друге, місце нанесення паяльної пасти на металеву контактну площадку може мати 3 контрольні поверхні: металева контактна площадка, паяльна маска та підкладка друкованої плати (наприклад, FR4), що ускладнює ідентифікацію та конфігурацію базової площини, що використовується для вимірювання. По-третє, сам об’єм паяльної пасти не є ідеально визначеним циліндром чи кубом.
Інструменти SPI використовують для вимірювання об’єму паяльної пасти біле світло та/або лазерне світло за допомогою методу фазової інтерферометрії Муара. Біле світло передається від проекторів, розташованих у формі «сітки», створюючи інтерференційні лінії. Світло відбивається від нерівної поверхні шару паяльної пасти, і це відображення вловлюється матрицею ПЗС під відомими, заздалегідь визначеними кутами. Потім для розрахунку висоти нанесеної паяльної пасти використовуються основні методи математичної тріангуляції. Поверхня контактної площадки з нанесеною пастою ділиться на пікселі, потім визначається висота кожного пікселя (розмір кожного пікселя залежить від роздільної здатності камери, яка використовується), створюючи зображення всієї контактної площадки з нанесеною пастою.
Щоб подолати проблеми з тінню, деякі постачальники обладнання використовують подвійну або навіть багаторазову проекцію, що дозволяє рівномірно висвітлювати об’єм паяльної пасти. Важко визначити точну висоту контактної площадки відносно поверхні підкладки. У результаті, на додаток до муарової інтерферометрії, деякі виробники використовують лазерну тріангуляцію для вимірювання висоти нанесеної пасти відносно контактної площадки друкованої плати. Більшість постачальників SPI мають порогові значення, нижче яких вимірювання ігноруються – стандартна специфікація в цьому діапазоні становить близько 40 мікрон. Щоб отримати більш точні вимірювання, SPI спочатку пропускають через порожню плату, і пристрій фіксує та записує будь-які нерівності друкованої плати, морфологію поверхні та висоту контактних площадок. Потім запускається плати з нанесеною паяльною пастою і висоти, виміряні під час попереднього проходу, віднімають із розрахунку висоти нанесення.
Тест
У 2018 році інженери Intel протестували 6 машин SPI на точність вимірювання невеликих об’ємів пасти (детальні умови тестування описані в [1]).
Спочатку було виміряно об’єм нанесеної пасти високоточним лабораторним методом GT (Golden Reference tool), а потім тестову плату та готовий шаблон відправили для вимірювання різним постачальникам SPI. Обсяг нанесеної паяльної пасти на тестовій платі коливався від 0 до 900 міл3. Об’єм паяльної пасти було розділено на 3 діапазони: від 0 до 100 міл3 (діапазон 1), від 101 до 250 міл3 (діапазон 2) і від 251 до 900 міл3 (діапазон 3). Критерії допустимих відхилень точності були збережені на рівні ±20%.
Щоб краще описати результати тесту, перелічені вище діапазони були розділені на ще менші. Таким чином, для найменших дозувань, з об’ємом від 0 до 50 міл3, лише одна машина могла відповідати критеріям (тобто 20% відхиленню). У тексті він описується як найсучасніша модель даного виробника, оснащена камерою найвищої роздільної здатності та останньою версією програмного забезпечення. У наступному діапазоні, тобто до 100 міл3, впоралися лише дві моделі.
Як правило, чим більшими ставали перевірені об’єми нанесеної пасти, тим більше моделей потрапляло в 20-відсотковий діапазон допустимих відхилень. У випадку найбільших об’ємів пасти, у діапазоні від 251 до 900 міл3, усі моделі впоралися, за одним винятком, який лише трохи перевищував встановлені значення.
Коли ви переходите від невеликих до більших об’ємів паяльної пасти, більше моделей SPI здатні підтримувати бажаний допуск. Огляд ринкової пропозиції SPI, проведений авторами дослідження, показав, що у випадках, коли ці інструменти відкалібровані за стандартами NIST (американський еквівалент Управління мір і ваг), виробники обирають мінімальний об’єм 500 міл3. Це пояснює велику похибку точності, що спостерігається для невеликих об’ємів паяльної пасти (менше 250 міл3).
Ще один момент, на який слід звернути увагу, полягає в тому, що більшість моделей використовують порогове значення висоти Z >10 мікрометрів. Тому вони ігнорують висоту та об’єм контактної площадки при розрахунку об’єму пасти. У випадку великих обсягів нанесеної пасти об’ємна частка контактної площадки невелика і може не сильно впливати на точність вимірювання, але у випадку невеликих обсягів пасти це може бути важливим.
Висновки
Результати дослідження показали, що апаратне забезпечення SPI, яке використовує порогові значення алгоритму >10 мкм і просторову роздільну здатність ≥7 мкм, погано працює на об’ємах паяльної пасти розміром менше 250 міл3. Лише одна модель із системою з роздільною здатністю 5 мкм відповідала вимозі підтримувати прийнятну точність менше ±20%. Щоб підвищити точність SPI для невеликих об’ємів нанесеної пасти, виробники SPI повинні розглянути можливість калібрування обладнання на менше ніж 200 міл3.
Джерело:
[1]: «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
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнути
Твітнути