Инспекция качества нанесения паяльной пасты: подходы и варианты реализации

Вместе с тем следует отметить, что, согласно различным исследованиям, от 50 до 80% дефектов готовой сборки закладываются на этапе, далеко отстоящем от места выполнения такой АОИ: на операции нанесения паяльной пасты трафаретной печатью. И это вполне объяснимо: процесс печати характеризуется параметрами, количество которых доходит до 35. Причем относятся они к различным группам — это и параметры трафарета (метод изготовления, толщина, геометрия и качество стенок апертур), и характеристики оборудования и оснащения (тип головки печати, ракеля, способы натяжения трафарета и фиксации платы), и параметры самого техпроцесса (скорость перемещения и усилие прижима ракеля, скорость отделения трафарета и пр.), и свойства пасты (состав, содержание металла, размер частиц, вязкость). Нельзя забывать и об ошибках, носящих случайный характер, среди которых, например, точность совмещения трафарета с платой, коробление самой платы, человеческий фактор и многое другое. Этим объясняется повышенная нестабильность данного процесса по сравнению с остальными операциями технологии поверхностного монтажа и, как следствие, — появление большого числа дефектов именно на этой стадии.

Второй немаловажный аспект — резкое возрастание «стоимости» дефекта на поздних стадиях техпроцесса. Если говорить о выявлении дефекта на этапе трафаретной печати, когда достаточно просто удалить с платы неправильно нанесенную пасту и нанести ее снова, то затраты на такую операцию могут оказаться на два порядка меньше, чем дорогостоящая операция перепайки собранного узла (рис. 1). Мы не говорим уже о случае, когда в сборке присутствуют такие миниатюрные компоненты, как 01005: ее ремонт на практике практически неосуществим.

Рис. 1. Относительные затраты на устранение дефекта сборки в зависимости от стадии его выявления [2]

Все эти аспекты побуждают производителей электроники располагать системы АОИ сразу за участком, где проводится операция трафаретной печати: они должны оценивать качество нанесения паяльной пасты. Производители оборудования в ответ на такой запрос предлагают установки, которые за примерно 15-летнюю историю своего развития прошли путь от простых систем 2D-инспекции до сложных комбинированных установок, совмещающих в себе как двух-, так и трехмерную инспекцию.

Исторически появившаяся первой 2D-инспекция в общем случае позволяет оценить площадь отпечатка пасты и точность его совмещения с контактной площадкой, а также проверить рисунок пасты на отсутствие перемычек.

Трехмерный подход, ставший естественным развитием двумерной инспекции, дает возможность оценить не только параметры отпечатка пасты в плоскости, но также и его объем. С помощью этой технологии становится возможным не только распознавать состояния недостатка или избытка припоя на площадке, но и в реальном масштабе времени выявлять тенденции, ведущие к выходу параметров техпроцесса из заданного поля допуска.

Казалось бы, это однозначно говорит о необходимости 3D-инспекции пасты. Тем не менее ответ на вопрос о необходимости проведения именно такой инспекции и вариантах ее реализации не так прост. Вот лишь ряд вопросов, которые неизбежно встанут при практическом ее внедрении:

• Необходима ли инспекция пасты в принципе или можно обойтись традиционной АОИ после пайки?
• Какую инспекцию внедрять — 2D или 3D? Можно ли совместить эти два вида инспекции и каким образом?
• Применять ли 100%-ную инспекцию посадочных мест на плате и плат в партии или ограничиться выборочной?
• Как реализовать инспекцию — в качестве встроенной в принтер трафаретной печати, в виде встраиваемой в линию установки АОИ после принтера либо в виде отдельно стоящей установки?

Далее мы рассмотрим эти вопросы в комплексе, так как они неразрывно связаны между собой.

Прежде всего, разумеется, необходимо обратиться к конструкции самой сборки с точки зрения состава компонентов. Если в ней присутствуют относительно простые и крупные компоненты на больших по площади контактных площадках, а плотность их компоновки невелика, то можно утверждать, что со всеми задачами здесь в состоянии справиться и 2D-инспекция пасты либо вообще можно будет ограничиться традиционной АОИ в конце технологической линии.

2D-инспекция может оказать помощь в первичной наладке трафаретного принтера и проверке совмещения при запуске нового изделия в производство, а также ее можно использовать для отслеживания грубых ошибок или случайных дефектов печати (рис. 2).

Рис. 2. Дефекты печати, выявляемые 2D-инспекцией [2]

Проблемы, напрямую связанные с объемом пасты, начинают проявляться для высокотехнологичных компонентов — прежде всего, для компонентов с малым шагом выводов, компонентов с матричным их расположением (BGA, CSP, flip-chip и пр., для которых важен не только сам объем отпечатка, но и равномерность объемов по всей матрице выводов), дискретных чип-компонентов малых типоразмеров (0201, 01005) и пр. Ряд исследований показывает наличие корреляции между объемом наносимой пасты и долговременной надежностью сборки.

Рис. 3. Корреляция между площадью и объемом отпечатка паяльной пасты: а) для QFP, BGA, CSP и чип-компонентов; б) только для компонентов BGA и CSP

В таблице приведены методы обнаружения ряда распространенных дефектов сборок по технологии поверхностного монтажа, имеющих отношение к параметрам отпечатка паяльной пасты.

На объем и форму отпечатка оказывает влияние ряд параметров, среди которых конструкция трафарета (размеры апертур, соотношение площадей апертуры и стенок, обработка стенок апертур), наличие/отсутствие закупорки апертур, паяльная маска, параметры и качество пасты, режимы работы принтера, что в совокупности определяет эффективность заполнения апертуры и отделения пасты от трафарета.

В работе [2] были опубликованы результаты исследования зависимости между площадью и объемом отпечатков пасты для выборки в 5000 реальных плат с компонентами QFP, BGA, CSP и чип-компонентами. Эти данные показали, что объем отпечатка при одной и той же площади может варьироваться в пределах ±30%, а отдельно для компонентов CSP и BGA этот диапазон изменения достигает 50%, причем разброс возрастает с увеличением площади. Отмечается, что даже для хорошо отлаженных и управляемых процессов печати в пределах одной платы наблюдается вариативность до ±5%, а между платами в партии — до ±20%.

Таким образом, даже при допустимом отклонении объема отпечатка, составляющем ±40%, для ряда отпечатков возможен выход за его пределы. Согласно исследованию [1], типовая эффективность переноса материала (выраженное в процентах отношение измеренного объема отпечатка к теоретическому объему апертуры) для различных трафаретных принтеров колеблется в значительных пределах — от 20 до 130%. Следует отметить, что наиболее проблемные значения наблюдаются у компонентов CSP и QFP с малым шагом выводов. В таких условиях внедрение 3D-инспекции пасты может стать насущной необходимостью.

И еще один важный момент: если на производстве ставится задача комплексного статистического управления процессом, то здесь внедрение 3D-инспекции будет единственным возможным вариантом. 2D-система в силу ограниченности своих возможностей по проведению измерений не может дать достаточное количество информации для выявления тенденций ухудшения параметров процесса сборки: в плоскости отпечатки, например, с последовательно уменьшающимся объемом будут выглядеть абсолютно одинаково (рис. 4).

Рис. 4. 2D-инспекция не дает информации о реальном объеме отпечатков пасты

Ценность раннего обнаружения тенденций и установления обратной связи с этапом трафаретной печати весьма велика: оператор принтеров может быстро внести коррекцию, избежав появления большого объема трудно устранимого брака. Информацию для оператора важно представлять в наглядном и понятном виде, облегчающем принятие решений (рис. 5). Обратную связь можно получить быстро: бывает достаточно нескольких плат, чтобы уловить наметившуюся тенденцию.

Рис. 5. Примеры представления данных статистического управления процессом трафаретной печати [1, 5]

Следует также обеспечить связь с находящимися дальше по ходу техпроцесса установками АОИ и электрического контроля, передавая на них данные с отслеживанием. Это облегчит локализацию и прослеживание возможных дефектов на более поздних стадиях процесса.

Именно задача управления процессом заставляет производителей все чаще обращаться к АОИ после нанесения пасты. АОИ после пайки можно скорее рассматривать в качестве средства обнаружения дефектов, а не управления процессом: отследить вклад каждой операции на завершающем этапе будет трудно. В качестве побудительных мотивов внедрения АОИ пасты следует отметить и тот факт, что на зарубежном рынке многие контрактные производители обязаны проводить 100%-ную инспекцию отпечатков пасты и передавать данные своим заказчикам.

Однако при всех очевидных достоинствах 3D-инспекция обладает и весьма существенным недостатком — это малая производительность процесса. Несмотря на достигнутый в последние годы значительный прогресс в скорости работы систем 3D-инспекции пасты, их типичная производительность составляет в настоящее время от нескольких десятков до сотни-полутора кв. см в секунду. При этом скорость работы системы АОИ зависит от разрешающей способности и величины поля обзора: в наиболее точных режимах производительность будет в несколько раз меньше. Таким образом, 100%-ная инспекция всех паяных соединений на большой плате или групповой панели может занять несколько десятков секунд. Соответственно, в ряде случаев стратегия 100%-ной 3D-инспекции может существенно увеличить время цикла и стать «узким местом» производственного процесса.

Если 2D-инспекция недостаточна по своим возможностям, а 100%-ная 3D-инспекция не обеспечивает желаемой производительности, то можно воспользоваться следующим решением: проводить 100%-ную 2D-инспекцию и выборочный 3D-контроль высоты отпечатка для отдельных плат и посадочных мест критичных компонентов (flip-chip, BGA, CSP, QFP с малым шагом), насколько это позволяет требуемая производительность технологической линии. В этом случае 2D- и 3D-инспекция проводится на одной и той же установке, сочетающей эти возможности, и в рамках одной и той же программы инспекции.

Для проведения реальных объемных измерений на выбранных контактных площадках система инспекции останавливает одну из N плат на дополнительные 30-90 с по сравнению с временем 2D-инспекции, при этом программируется как количество плат в выборке, так и выбираемые посадочные места. Выборка площадок может меняться от платы к плате, при этом расширяется охват и улучшается сбор данных. В данном случае нужно уделить особое внимание правильному составлению стратегии инспекции, чтобы объем и частота выборки давали возможность вовремя отслеживать возникающие негативные тенденции.

Существует и несколько иной, упрощенный подход — подвергать 2D-инспекции крупные отпечатки и выдавать по ним решение вида «годен/не годен», а остальные отпечатки контролировать с помощью 3D.

Ряд компаний, в особенности в условиях крупносерийного и массового производства, применяет 3D-инспекцию исключительно на стадиях отладки техпроцесса и наращивания производства нового изделия — в особенности для сложных сборок с высокой плотностью монтажа, содержащих компоненты BGA и/или компоненты с малым шагом выводов. При этом звучит много голосов в поддержку тезиса, что во время установившегося выпуска в 3D-инспекции паяльной пасты нет необходимости.

Реализация 3D-инспекции с точки зрения применяемого оборудования также предусматривает несколько решений. Модельный ряд большинства производителей ориентирован на высокопроизводительные, встраиваемые в линию системы (рис. 6).

Рис. 6. Примеры встраиваемых в линию систем 3D-инспекции нанесения паяльной пасты: а) Koh Young Aspire [7]; б) Mirtec MS-15 [11]

Многие производители оборудования выпускают системы 3D-инспекции качества нанесения пасты в отдельно стоящем (настольном) исполнении (рис. 7). Их можно с успехом применять для отладки техпроцесса, а также выборочного контроля плат в случае, когда приобретение встраиваемой в линию системы нерентабельно либо сильно замедляет процесс сборки. Если необходимо статистическое управление процессом, следует выбирать оборудование с развитыми соответствующими возможностями.

Рис. 7. Примеры настольных систем 3D-инспекции нанесения паяльной пасты: а) ASC International VisionPro SP3D [10]; б) Mek iSpector HML350/650 [9]

Следует отметить, что многие модели трафаретных принтеров оснащены в настоящее время возможностями по 2D-инспекции пасты, а некоторые модели реализуют и 3D-инспекцию (рис. 8). Необходимо при этом помнить, что в то время, когда принтер будет занят 2D-инспекцией, он не сможет обрабатывать другую плату, что может негативно сказаться на производительности линии в целом.

Рис. 8. Примеры трафаретных принтеров с возможностью: а) 2D-инспекции (Speedline Technologies MPM Momentum [12]); б) 3D-инспекции (SJ INNOTECH HP-520SPI [13])

Что касается вариантов расположения системы инспекции пасты в линии, то здесь можно выделить ее размещение после чип-шутера, но перед автоматом установки компонентов с малым шагом выводов. В этом случае система должна объединять в себе возможности инспекции как пасты, так и установленных компонентов. Это позволяет проверить правильность установки всех чип-компонентов, микросхем SOIC и пр. и одновременно проинспектировать качество нанесения пасты под дорогостоящие компоненты с малым шагом выводов до их установки. Если обнаружены дефекты, плату можно вывести из линии, используя, например, T-образный конвейер.

В заключение нужно отметить, что системы 3D-инспекции качества пасты прошли большой путь своего развития и продолжают совершенствоваться. Одно из самых многообещающих направлений — реализация автоматического управления процессом, что позволит, например, в автоматическом режиме управлять трафаретным принтером и корректировать его параметры, например, таким образом, чтобы высота отпечатков была одинакова при любом направлении прохода ракеля (рис. 9).

Рис. 9. Применение замкнутой обратной связи для коррекции параметров трафаретного принтера по данным системы инспекции паяльной пасты [2]:
а) без замкнутой обратной связи; б) с замкнутой обратной связью

Тема инспекции качества нанесения паяльной пасты весьма обширна, и в этой статье мы лишь коснулись вопросов ее реализации. Количество моделей и функциональные возможности предлагаемого на рынке оборудования и решений продолжает расти, и нет сомнений, что каждый заказчик, тщательно проанализировав свои задачи, изделия и желаемые результаты, сможет найти подходящее как с экономической, так и с технологической точки зрения решение.

Литература

1. Wyllie G., Norris M. 2D or Not 2D, That is the Question! / ViTechnology, LLC — http://www.vitechnology.com/fichiers/files/2d_or_not_2d_219472.pdf
2. Trybula M. E. SMT inspection strategies — 3D solder paste inspection yields the biggest gain/Cyberoptics — http://www.smta.org/files/ohio_meeting_presentation_file0505.pdf
3. Combet C., Chang M.-M. 01005 Assembly, the AOI route to optimizing yield/ViTechnology — http://www.vitechnology.com/rep-white_papers/ido-2/01005_assembly_the_aoi_ route_to_optimizing_yield.html
4. Gunn R. (XeTel Corp.), Ries B. (CyberOptics). Corporation Selecting and Implementing Solder Paste Inspection for SMT Process Control — http://www.mantech-sj.com/technical_papers/SelectingSolderPaste.pdf
5. Molamphy T., Niermeyer T. Solder paste inspection for the SMT line: 3D In-line systems come of age // Electronic production & test. May 2003 — http://www.home.agilent.com/upload/cmc_upload/All/SPI_for_SMT_Line.pdf
6. Peallat J.-M. New Opportunities for 3D SPI/ ViTechnology — http://www.nbsdesign.com/downloads/New%20Opportunities%20for%203D%20SPI.pdf
7. www.kohyoung.com
8. www.cyberoptics.com
9. www.mek-europe.com
10. www.ascinternational.com
11. www.mirteceurope.com
12. www.speedlinetech.com
13. www.apexfa.com
14. Материалы форума SMTnet «Printed Circuit Board Assembly & PCB Design Forum» — http://www.smtnet.com/Forums/