Преимущества 3D-измерения в системах контроля нанесения паяльной пасты

Людмила Бойкова, специалист направления контрольного оборудования, boykova@dipaul.ru


Контроль качества нанесения паяльной пасты (SPI) в прошлом имел более низкий приоритет по сравнению с системами автоматической инспекции (АОИ) паяных соединений. В то время как система АОИ паяных соединений обнаруживает дефекты только в конце технологической линии, инспекция паяльной пасты сразу после ее нанесения привносит значительный вклад в улучшение технологического процесса. Несмотря на то, что инспекция готовых изделий в любом случае неизбежна, главной целью каждого производителя является выпуск качественного продукта без затрат на его ремонт. Для достижения такого результата необходим контроль и управление каждым этапом производственного процесса.Некачественное нанесение паяльной пасты часто является первопричиной дефектов, которые проявятся на последующих этапах производства. На рис. 1 показан процесс формирования дефекта «надгробный камень». Сам процесс пайки не становится причиной возникновения этого дефекта, а лишь его проявляет.


Рис. 1. Процесс формирования дефекта «надгробный камень»

Преимущества 3D-измерения в системах контроля нанесения 

Является ли выборочный контроль нанесения паяльной пасты достаточным?

На сегодня существуют производственные линии, включающие в себя принтер с встроенной 2D-инспекцией паяльной пасты и автономный SPI. Однако для сохранения скорости работы принтера встроенная система инспекции проверяет только несколько участков с нанесением паяльной пасты; автономный участок контроля осуществляет лишь выборочную проверку, что не может гарантировать отсутствие дефекта на каждой плате.

Только проверка всей поверхности платы позволит обнаружить случайно возникающие дефекты, и только инспекция всей серии (каждой платы) позволит выявить отклонения в работе принтера. Например, тенденция к уменьшению количества нанесенной паяльной пасты у всей серии свидетельствует о загрязнении апертур.

Влияние размера апертур на эффективность отпечатка

С уменьшением размеров электронных сборок и уплотнением монтажа размер апертур трафаретов уменьшается, а их количество неуклонно возрастает. Различные размеры апертур трафарета влияют на так называемый коэффициент передачи. Чем меньше размер отверстия, тем меньшее количество паяльной пасты передается от апертур трафарета на печатную плату. 

Сравним два круглых отверстия одного трафарета диаметром 700 и 270 мкм при одинаковой толщине трафарета 100 мкм и оценим эффективность отпечатка.

Рис. 2а. Область печати: для апертуры Ø700 мкм




Рис. 2б. Область печати для апертуры Ø270 мкм

На рис. 2а показана область печати для апертуры диаметром 700 мкм. Нетрудно заметить, что площадь нанесения изменяется от 75 до 100%, а объем во всех случаях больше 90%, что является вполне удовлетворительным результатом. Для апертуры диаметром 270 мкм картина несколько иная (рис. 2б). Площадь нанесения колеблется от 60 до 120%, а объем — от 50 до 100%. Следствием этих измерений априорно является то, что на мелких апертурах контроль качества нанесения пасты становится ключевым фактором для обеспечения качества паяного соединения.

2D- или 3D-инспекция?

Поставщики SPI предлагают 2D- и 3D-системы контроля нанесения паяльной пасты. Работа 2D-инспекций основана на сравнении различных оттенков серого цвета. Это требует продолжительной настройки, в зависимости от цвета печатных плат, и не несет точной информации об объеме.

3D-системы основаны на функции измерения высоты печатной платы и паяльной пасты. В системах 3D-инспекции сегодня применяются две технологии — это метод лазерного измерения и метод многочастотного муара. Лазерное измерение выявляет многие дефекты, которые могут быть пропущены в ходе обычной двумерной инспекции. Но эта методика имеет ряд ограничений, например, отсутствие возможности измерить объем указанной области, погрешность измерений из-за большой толщины лазерного пучка (рис. 3), а также чувствительность лазера к цвету печатных плат (рис. 4). (При создании рабочей программы требуется дополнительная настройка в зависимости от цвета текстолита.)

Рис. 3. Лазерное измерение


Рис. 4. Изменение интенсивности лазера в зависимости от цвета

Суть метода многочастотного муара заключается в измерениях высоты каждого пикселя инспектируемого объекта на поверхности платы. Принцип измерений заключается в следующем: свет под углом направляется на объект с нескольких проекций (4,8 - в зависимости от системы), которые напоминают собой дифракционную решетку. Благодаря смещению каждой решетки мы получаем линии, проецируемые на нашем изделии. Если поверхность имеет какую-либо неровность или рельеф, то произойдет смещение линий проецируемой решетки (т.е. отражение полос от объекта дает контур объекта по сравнению с ровной поверхностью). Технология многочастотного муара позволяет по смещению полос измерить высоту объекта в каждой точке (или в каждом пикселе) с точностью до 1 мкм. Зная высоту в каждой точке области инспекции, мы можем определить площадь объекта, а зная высоту и площадь мы можем получить объем инспектируемого объекта. Из всего этого следует, что в отличие от классических систем, 3D измерение с помощью метода многочастотного муара позволяет не просто различать объем (определять наличие или отсутствие объекта), а получать математически-точные измеренные данные по объему в цифрах.(рис.)

рис.

Система обладает функцией обратной связи с трафаретным принтером, являясь управляющим звеном в связке Принтер- SPI. Это опция позволяет анализировать тенденцию отклонения измеренных значений по различным параметрам (объем, смещение, компланарность и тд.) и отправляет сигнал на принтер о необходимости прочистки, корректировки положения или перезагрузки трафарета. Еще одной отличительной особенностью системы является функция BBT (Bare Board Teaching — обучение пустой плате). Функция BBT измеряет поверхности пустой платы и контактных площадок, что позволяет получать точное значение объема нанесенной пасты с учетом компенсированного объема стравленной маски. Абсолютно все измеренные данные попадают на общий сервер под руководство инструмента статистического анализа SPC+. Данный программный продукт позволяет проводить анализ произведенных изделий, готовить отчеты, смотреть статистику по любым интересующим дефектам за любой период производства.(рис)

рис

Главные преимущества муарового метода — это высокая разрешающая способность, математически точное измерение объема, нечувствительность к цвету текстолита.
Таким образом, 3D-измерение методом многочастотного муара позволяет не просто различать объем каждого участка нанесенной паяльной пасты, а получать данные по объему в цифрах.

Рис. 5. Метод многочастотного муара


Рис. 6. Цифровая камера делает несколько снимков с каждой проекции

Чтобы иметь возможность контролировать процесс нанесения паяльной пасты в реальном времени и оперативно реагировать на отклонения в процессе, необходимо осуществлять непрерывное измерение объема пасты на всех участках. Выбирая систему контроля, следует учитывать ключевые факторы с точки зрения эффективности проведения измерений: это точность, скорость и повторяемость результатов. Только система контроля, основанная на функции измерения, способна представить отчет, который можно использовать для управления технологическим процессом.

Система контроля качества нанесения паяльной пасты 3D SPI KY-8030-3 компании Koh Young Technology (Корея)

Новое поколение систем контроля качества нанесения паяльной пасты серии KY-8030 представлено высокоточными и производительными SPI.
Новая модель KY-8030-3 (рис. 7) обеспечивает в три раза более высокую скорость инспекции без ущерба для производительности и точности. Используя запатентованную двойную проекцию света, система устраняет проблему «теневого эффекта», которой подвержено большинство систем 3D SPI. Кроме того, KY-8030-3 позволяет решить проблему деформации печатной платы, которая серьезно влияет на точность проверки и достоверность результатов.

Новый, простой в использовании графический интерфейс с сенсорным экраном максимизирует удобства оператора. Оптимизированное меню и революционно новый интерфейс делают работу легче и проще. 3D-обзор позволяет оператору мгновенно оценить результаты испытаний. Модель KY-8030-3 не требует длительного программирования и отладки.

Рис. 7. Система контроля качества нанесения паяльной пасты 3D SPI KY-8030-3

Таблица. Технические характеристики 3D SPI KY-8030-3