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SPI 观念原理培训

TR7006属于高速整块印刷板检测设备,是锡膏检测领域的最高档设备，能评估每块印刷板上的每个检测点。TR7006利用激光束进行逐条生产在线的整块印刷板的扫描，收集每个锡膏的所有测量资料，并将实际测量值与须置的合格极限值进行比较。可检验各种不同类型的印记，包括偶然出现的缺陷，如；由钢网开口堵塞引起的焊盘漏印。全扫描还可显示出焊膏沉积图形的印记，包括坍塌、凹陷和焊料隆起。

一 SPI的观念及其在SMT领域中的应用

实际上对锡膏进行3D检测就是三次元量测得一种。

三次元量测系于1968年由日本三丰公司推出二次元游标读取方式之A1形坐标测定仪，而接着于1974年英国Rolls‧Royce公司推出全方位接触式之探针，

而逐渐发展为数字式三次元坐标量测机，结合数控床台及其它量测方式(如光学)，以至今日三次元量测系统。

三次元量测仪即是坐标量测(Coordinate Measuring Machine，CMM)系三个方向同时可以测量，具有三次元测量功能，也就是长、宽、高，以图学来讲，即前视图(front view)、上视图(top view)、侧视图(side view)合起来为三视图变成一立体图，可制成品。

目前三次元量测仪之种类基本上分为接触式与非接触式两大类型，接触性主要以探针式为主，非接触式主要是立用光学与图像处理为主，详如图

图1.1 各类三次元量测之比较

接触式三次元量测仪在早期的商业应用上，都是使用手动或CNC利用一个可以做多方向感测指示的球形电子测头，沿着X、Y、Z，三轴移动以进行量测。量测时，测头与工件表面保持切线接触，达到特定压力时，即可触发信号，撷取测头的X、Y、Z方向相对基准点的坐标。经由计算机计算处理，可得测头与真实尺寸的关系，进而记录点数据并作为后续逆向工程或相关工作做用。

非接触式三次元量测仪是利用LED或雷射光源，经聚光透镜直射待测工件物体，反射之光线经由传感器可以侦测得到位置坐标值，由于传统的接触式量测测头较易变形、几何复杂、微小的工件有量测的困难，因此非接触式量测系统的使用亦逐渐增加。

SPI英文全称 Solder PastInspection System，其就是非接触式三次元量测原理的一种应用，TR7006使用激光光，应用三角量测原理来对锡膏进行检测。具体的检测原理会在下面的内容里做详细的介绍。

下面来分析一下SPI在SMT领域中的重要作用。

1 可从锡膏印刷来分析锡膏检测机的重要性

图1.2 影像锡膏印刷的因素

正常的锡膏印刷如上图左侧所示，钢板下面没有任何杂物，且下面的绿油漆很平，如果锡膏印刷机本身没有问题，那么这时候所印刷出来的锡膏高度就会与

钢板的厚度很接近。如果钢板与PCB板之间有杂物，或者是Pad 周围的绿油漆高低不平，如上图右侧所示，那么这时候所印刷出来的锡膏高度就会与钢板的厚度存在较大的差异。

而实际上SMT生产在线的PCB板是不会出现上面左图中所示的理想状况，所以实际上印刷出来的锡膏都会与理想状态的印刷值有一定的偏差，问题在于偏差是多少。

2 锡膏对制程的影响与锡量的控制

影响

少锡(Low solder V olume)

insufficient solder joint strength, reliability issue

多锡(excess solder V olume)

height possibility of solder bridge

⏹锡量的控制⏹V olume = Solder area * Height

⏹For stable printing process, solder area almost equal to aperture size which is fixed,⏹Volume control means height control which is fixed,

Volume control means height control

而在实际的生产中，人是没有办法对锡量的多少进行判定和控制的，只有通过设备对锡膏进行量测，才能真正做到对锡膏量的控制。

3印刷后检查的成本调整

不管是目视检查，还是在线测试，缺陷通常认为是“坏事”，因为必须修理，板要重新检查和测试。缺陷发现越晚，修理的成本越高。因此，在过程的早期发现缺陷，自然地比在线后返工便宜。如果缺陷在回流前发现，就没有焊接点可靠性的代价。因此，如果脱机检查或自动在线监测防止了印刷差的板进一步流入下线，这是一个省钱和提高可靠性的机会。应该这样看，过程中早期发现缺陷不是一个惩罚，而是一个节约的机会。例如，在ICT发现的缺陷必须经过可能15个步骤，从发现到拿去返工/修理到管理上的审批到工作停止到重测，等等。“十倍原则”是接受的快速公式，用来估计在每个阶段的一个缺陷或失效的成本，戏剧性的展示了在第一阶段发现缺陷可以怎样容易地调整程控设备的成本：

印刷失效$ 0.50

回流焊后$ 5.00

在线测试(ICT) $ 50.00

现场失效$ 500.00

以上分析可以很明确的表示出在SMT的源头解决制程问题对质量的提升及成本控制的重要性。

4手工检查比较自动检查

许多用户还依靠手工(目视)检查来作基本的通过/不通过的筛选。使用环形灯光或显微镜，操作员检查样板(或有些情况，全部的板)，必要时作改正行动。这是过程监视最廉价的方法，但提供的回馈的数据最不可靠，实际效用罪低。且人的检查是主观的，不同人员的判定方式差别也及大，测试表明只有80%的可靠性。增加一个手工台面仪器来测量锡膏的高度和计算体积，改进了可重复性，但不可

能完全消除人类的不一致性。比较来说，TR7006可实现各个级别的检查，从抽样到100%检查。

人工检测还存在一个很大的弊端，就是人会疲惫。当眼睛使用过度后，在对锡膏的判定存在的差异就会更大，甚至会将很多真正的严重不良流到下一工站，带来成本浪费。而且人工也不能将实际印刷的状况量化，并回馈给印刷机从而提升制程能力。SPI就不会存在上述的问题，并且可以通过强大的SPC系统进行数据整理统计、报表输出等，以此来提供非常有用、宝贵的咨询给工程人员，让其可以分析到问题产生的原因并加以改善，提升制程的能力，这对SMT生产是不容忽视的，因为其可以带来长期效益。

而且随着电子元气件的越来越小的趋势，例如0201组件、01005组件已经不再是人工可以判定出结果的了，这就更需要高分辨率的SPI来进行。所以SPI 必将在以后的SMT领域中取得广泛的应用。

二目前SPI领域中应用到的检测原理介绍

目前SPI领域中主要的检测方法有激光光检测和条纹光检测两种。

图2.1 激光检测方法图2.2条纹光检测方法以上两图分别是激光检测和条纹光检测的原理图。其中激光方法的图示是用点激光表示的。由于点雷射加CCD取像须有X、Y逐点扫瞄的机构，并未明显增加量测速度，为了增加量测速度故将点雷射改成扫描式线雷射光线，此为现今最流行且应用最广的量测方法。如下图：

图2.3 非接触式三角法探头原理：单点雷射，单线条纹雷射，多线条纹激光

TR7006是使用单线条纹激光进行检测的，其检测方法的图示同点激光是相同的。下面的图片是表示线激光实际扫描到有高度落差的物体上时，其激光光的形状及CCD的取像方式。

图2.4 激光检测方法及CCD的取像方式

而条纹光的成像原理如下图：

图2.5 条纹光的成像原理

如上图所示可知，条纹光的周期越小、既分辨率越高，其成像就会越清晰，但是相对的其可测高度的范围就会变小。所以条纹光很难像激光一样可以在分辨率和高的条件下进。如图2.6。

图2.6 条纹光测试的限制

条纹光在遇到有高度的地方，光线就会像上图一样产生错位，并已错位的间距来计算改点的高度，但是当错位的光线与后一条光线重合的话，该点的值就会被归零，所以其高度上限是会受到限制的。而激光的原理就不会受到上述条件的干扰。

以上是最常用到的两种方法，除此外还有360度轮廓量测理论、对映函数法量测原理(Coordinate Mapping)、结构光法(Structure Lighting)、双镜头立体视觉法。但这些方法会受到速度的限制而无法被应用到在线测试上，只适合单点的3D量测。