▶ SPECIALE - TEST AOI, AXI ED SPI
Ispezione congiunta
2D e 3D
L’ispezione post-print aiuta a eliminare fin dall’origine le difettosità e ad
abbattere i costi di rilavorazione; è lo strumento che meglio di altri assicura il
controllo di un processo che richiede accuratezza e ripetibilità
di Dario Gozzi
I
l processo di stesura serigrafica
della pasta saldante è universalmente riconosciuto come il più
critico dell’intero ciclo di assemblaggio. L’introduzione di package con
elevato numero di terminali (high
pin count) o con terminali particolari quali i QFP o bump dei BGA, ha
ulteriormente spinto la richiesta per
una elevata qualità e ripetibilità di
deposizione.
L’ispezione visiva dei depositi eseguita in macchina serigrafica non
sempre risulta esaustiva ai fini del ri-
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sultato desiderato. La limitazione è
data dall’esiguo numero delle zone
campionate sulle schede e dall’essere un controllo bidimensionale, che
valuta l’area coperta dalla crema e la
centratura del deposito. Informazioni
relative all’altezza del deposito e soprattutto al suo volume non sono disponibili con questa tecnica, mentre l’area di copertura da sola non è
un indicatore di processo sufficientemente affidabile del corretto quantitativo di crema presente. Il volume del
deposito è quindi il parametro criti-
co da monitorare nella formazione del
giunto di saldatura.
Il giunto di saldatura presenta, per
sua stessa natura, una variabilità piuttosto alta. Si passa da differenze di cosmesi alla presenza di più o meno elevate quantità di residui di flussante,
a differenze geometriche dovute alla presenza di una quantità variabile
di saldante, che nell’insieme richiedono l’impostazione di soglie d’accettazione. Una analisi a questo livello, sui
comuni sistemi richiede un contributo di tempo in programmazione spesso lungo e noioso, spesso disincentivante per piccoli lotti produttivi che
porta all’abbandono del controllo automatico a favore dell’ispezione visiva
condotta dall’operatore.
Il problema si acutizza in presenza
del montaggio dei componenti QFN
o provvisti di bump.
In questi casi i giunti formati da
queste particolari connessioni sono
ispezionabili solo con tecniche a raggi
X. Si utilizzano comunemente sistemi di ispezione fuori linea e che non
mettono al riparo, come del resto i sistemi di ispezione visiva o gli AOI,
dai costi di rilavorazione. I potenziali
difetti dei giunti di saldatura devono
Fig. 1 - Teoria di funzionamento della misura 3D mediante l’abbinamento dei metodi gray coding e phase shift (0, π/2, π,
3π/2) (cortesia opticalengineering.spiedigitallibrary.org)
perciò essere prevenuti, intercettando la difformità rispetto a quanto previsto prima dell’ingresso della scheda
nella pich & place. In particolare per
assicurare la formazione di un giunto affidabile, vanno controllati il volume, l’altezza e l’uniformità del deposito serigrafato.
La tecnologia di misura 3D
col sistema SPI
3D SPI (Solder Paste Inspection)
è il sistema per ispezionare il volume
di crema depositata sulle singole piazzole. Sotto il profilo puramente ottico, è un sistema di ispezione dedicato al processo SMT capace di profilare in altezza ogni singolo deposito
col metodo della triangolazione, per
poi estrapolare il volume del deposito,
analizzandone la qualità e prevenendo
per tempo l’insorgere ogni eventuale
difetto. I siatemi SPI per la misurazione 3D utilizzano principalmente la
triangolazione laser e il metodo PMP
(Phase Measuring Profilometry) comunemente conosciuto come metodo
dello sfasamento.
Per molti anni la misura del volume
di crema saldante è stato fatto utilizzando la triangolazione laser. Questo
tipo di sensore è costituito da una sorgente laser di bassa o bassissima po-
tenza che attraverso l’ottica produce
una lama di luce coerente e monocromatica rilevata dal CCD e successivamente elaborata dal computer mediante il metodo della triangolazione.
La scelta del raggio laser ha il vantaggio di generare lame di spessore molto limitato e costante su grandi profondità di proiezione. Inoltre essendo
la luce laser monocromatica, è possibile montare davanti al CCD un filtro
passa-banda centrato sulla frequenza
di emissione del laser, fatto che rende
il sensore immune dall’interferenza di
sorgenti di luce parassite. Per velocizzare il processo si è passati dalla testa laser a singola traccia alle teste laser multi-line.
Nell’ispezione dei depositi di crema
saldante la tecnologia della triangolazione laser accusa alcuni punti di debolezza, ragion per cui si è passati alla
tecnologia a luce strutturata PMP, più
accurata e più veloce.
Il sistema di misura a luce strutturata combina il metodo di gray coding
con la tecnica PMP più nota col nome di metodo phase shift. Il primo
con pochi e semplici calcoli permette di ottenere velocemente una misura di bassa accuratezza, che poi viene
raffinata dal secondo (Fig. 1).
Col metodo gray coding si proietta una sequenza di immagini a fran-
ge bianche e nere (il cui periodo viene via via dimezzato), simultaneamente acquisite dalla telecamera e memorizzate. Ogni pixel apparirà sul CCD
illuminato o meno a seconda che cada
in una frangia bianca o nera.
Proiettando differenti immagini si
attribuisce a ciascun pixel acquisito un
codice binario in cui a ciascun bit corrisponde una diversa immagine proiettata al cui valore (0 o 1) è associato il
fatto che quel pixel corrisponda o meno a un’area illuminata della superficie.
Un algoritmo di calcolo trasforma poi i
codici binari in posizioni tridimensionali. Attraverso il metodo phase shift
si può migliorare e affinare il risultato precedentemente ottenuto. Si creata
un’immagine con frange parallele, profilo sinusoidale e passo di circa la metà di quello adottato nell’ultima proiezione del gray coding; questa immagine
viene poi proiettata variando l’angolo
di fase delle frange in modo che queste apparentemente sembrino scorrere
sulla superficie misurata. In modo sincrono coi tempi di proiezione la telecamera acquisisce una sequenza di immagini in cui il tono di grigio per ciascun pixel varia con andamento sinusoidale ad una frequenza pari a quella
delle frange proiettate e con un angolo di fase dipendente dalla altezza della zona inquadrata.
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Fig. 2 - Interfaccia semplice e intuitiva, con immediate
segnalazioni delle informazioni indirizzate agli operatori
della linea di produzione
Aleader ALD5D SPI
Nelle attuali produzioni trovano
sempre maggior impiego componenti quali i chip 0201 e 0402, i componenti attivi come QFN e BGA, i fine-pitch e gli ultra-fine-pitch. La loro presenza, per via delle dimensioni e
della complessità dei terminali, richiede un accurato controllo del processo.
La tecnologia 5DSPI di Aleader, distribuita da DPI (www.elettronicadpi.
it), integrando la tecnologia Moiré col
gruppo ottico di proprietà (brevettato), consente di intercettare precocemente i difetti e prevenire il loro
avanzamento lungo il processo produttivo. Proiettando un pattern sinusoidale mediante LED a luce bianca
può individuare un ampia gamma di
difetti, quali: assenza o insufficienza
del deposito serigrafico, sconfinamento del deposito rispetto alla piazzola o
problemi di centratura, corti e contaminazioni.
La tecnologia Phase Measuring
Profilometry adottata da Aleader facilità l’analisi della morfologia anche dei depositi di crema sulle piccole
piazzole dei BGA, intercettando anche quelle piccole variazioni indesiderate che danno luogo ad esempio alla
formazione di coni.
ALD5D consente di eseguire ispezioni 2D e 3D utilizzando una dop-
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Fig. 3 - Rappresentazione e rilevazione reale di un pad
ottenuto dalla deposizione di più gocce di 30 micron/cad
dispensate da My 500
pia sorgente di illuminazione, così da
evitare sia problemi di zone d’ombra
che interferenze dovute a riflessioni
irregolari. La telecamera coi suoi 15
µm di risoluzione dispone di un FOV
di 30 x 30 mm, con una complessivamente elevata velocità di ispezione.
Mediamente il range di misura dei sistemi SPI spazia da un minimo di 80 µm a un massimo di 200
µm. Aleader ha esteso questi limiti misurando da un minimo di 30 µm
a un massimo di 700 µm, aggiungendo la capacità di riprodurre in 3D anche geometrie molto particolari, come ad esempio quelle ottenute con la
dispensazione di crema (in cui la semisfera presenta protuberanze sulla
sommità) o quelli correttivi realizzati con i sistemi a getto, che geometricamente si presentano come una sovrapposizione di semisfere.
Ai fini del test e del relativo giudizio,
il sistema è insensibile al colore del circuito stampato. La tecnologia impiegata non solo evita che i difetti sfuggano
all’ispezione, ma parimenti ha un numero decisamente ridotto di falsi errori
e quelli reali sono tracciati. Dispone infatti di un software SPC (incluso) che
aiuta l’operatore nel tenere sotto controllo il processo in tempo reale. Anche
il barcode 1 e 2D è di serie.
Applicando la funzione Z-Traking consente di compensare in
tempo reale gli errori di planarità
del circuito stampato.
L’interfaccia operatore è semplice da utilizzare e di immediata comprensione; anche nell’ipotesi di difetti,
per la loro conferma (No Good) non
è necessario disporre di un confronto con una scheda correttamente prodotta. La programmazione, attraverso il file Gerber, e il debug richiedono
tempi brevi; la semplicità strutturale
del software Aleader garantisce che
possano essere raggiunti gli stessi risultati indipendentemente dalla capacità dell’operatore che si cimenta nella programmazione o nell’ispezione.
Durante l’importazione dei dati Gerber avviene il riconoscimento automatico delle diverse aperture
a cui vengono di volta in volta assegnati standard di riconoscimento preventivamente decisi dall’operatore.
Automatico è anche il riconoscimento delle aree dove svolgere la ricerca di
eventuali cortocircuiti.
La famiglia è composta da due modelli, egualmente compatti seppur di
linea, il modello 5DSPI che ispeziona
con tecnologia 3D schede da 50 x 50
mm fino a 400 x 450 mm e il modello
iSPI che ispeziona con tecnologia 2D
(più AOI pre-reflow) schede che da
60 x 60 mm arrivano a 300 x 330 mm.
Per entrambi lo spessore del pcb varia
da 0,3 mm a 5 mm.