【干货】SPI在SMT领域中的应用以及检测原理解析（推荐收藏，超详细）

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(topview)、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

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 Volume)

insufficient solder jointstrength, reliability issue

多锡(excess solder Volume)

height possibility ofsolder bridge

n锡量的控制

nVolume = Solder area * Height

nFor stable printing process, solder area almost equal to aperture sizewhich is fixed,

nVolume 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。

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：

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。

而条纹光的成像原理如下图：

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。

三 TR7006检测原理

TR7006基本检测模块包含一个CCD及一颗雷射头, 两者之间的夹角是30度。检测过程中,基本检测模块以扫描的方式运行，激光束投射在PCB板, 系统透过雷射光线在CCD上的成像,利用三角原理可计算出整个印刷电路板的高度变化,  此时系统配合CAD数据后, 即可进一步计算每个锡点位置之体积, 面积和高度。同时藉由量测出之高度分布情形的加以分析后, 可了解锡点的偏移以及是否桥接 (Bridge).

1  数位图处理

      CCD(Charge Coupled Device)是一种数组式的光电偶合检像器，称为『电荷耦合组件』，在撷取影像时，有类似传统相机底片的感光作用。当我们评估扫描仪的分辨率(Scanning Resolution)时，其实就是评价CCD的解析能力。

       图像处理乃是利用摄影机(CCDcamera)将任何视讯源转换成模拟的RS-170讯号，如图3.3所示，经过讯号线的传输送到插在计算机上的图像处理卡上，影像卡会把模拟讯号转成数字式的讯号，并储存于影像卡上的内存。同时影像卡也会在输出模拟的讯号到监视器 ( monitor)上，将摄影机所撷取的影像像素作图像处理，便可以将影像像素转换成所需要的部份来做三维轮廓影像。整个数位元元元图像处理 (Digital Image Processing)的简图，如图3.4所示。

图3.3图像处理乃是利用摄影机，将任何视讯源转换成模拟的RS-170讯号

影像数字元元元化之后，我们从PC上所得到的影像数据乃是由一个一个所谓的像素(pixel)所组成的，每个像素都有其特定的坐标且相对于物体的一个点，如图 3.5所示。每个像素的值，一般称为灰度值 (gray level)，则由其所对应物体的亮度来决定，灰度值越大表示其亮度越亮。如果每个像素的灰度值由8个位来表示，亮度的变化即可从0变化到255;10个位来表示，亮度的变化即可从0变化到1023；12个位来表示，亮度的变化即可从0变化到4095。

      一张经过数字元元化后的影像其质量的好坏和其分辨率有密切的关系，分辨率越高影像的质量越好。分辨率可分成空间的鉴别率 (space resolution)和亮度的鉴别率(brightness resolution)两种，空间鉴别率越高表示这一张影像被分割成越多的像素，影像的质量自然越好；亮度鉴别率表示一个像素所能表示亮度变化的范围。

      影像被分割的越细，每个像素所能表示的明暗范围越大，影像的质量自然越好，但是所付出的代价则是大量的记忆空间和处理时间。举例来说：一张长宽各为512乘512个像素，每个像素由8个位元来表示的影像其所占的空间为512乘512乘8个位，相当于256K的内存空间。

2  三角量测法定位原理(Triangulation Measurement)

三角法基本量测原理是利用雷射光投射一亮点或直线条纹于待测物表面，由于表面起伏及曲度变化，投射条纹依此轮廓位置起伏而扭曲变形，藉由CCD相机撷取激光束影像，即可由CCD内成像位置及激光束的角度等，以三角几何关系判读出待测点的距离或位置坐标等数据，原理如图3.6所示，其中P点为待测物上某一点(x , y , z)，P'为P在CCD相机中之成像点，其以镜头为中心的坐标为 (u , v)，f为相机之焦距，b是光源中心与相机中心之距离，而Θ角则是待测点与光源中心形成的直线和x轴所夹的角度。

  一般而言，b、f与θ为系统的参数值，必须经过详细校正的程序得到，u与v则为透过CCD相机撷取成像点的像素坐标值，如此即可据以计算出(x , y , z)的坐标，公式概略推导如下：

(1)     在X, Z平面上

u/f=x/z,  (b+x)/z=cotθ

        推导得：x=b*u/(f*cotθ-u)

(2)    在Y , Z平面上   

f/v=z/y,x/y=u/v

推导得:y=b*v/(f*cotθ-u)

推导得:z=b*f/(f*cotθ-u)

        如此即可得P点之坐标值 (x , y , z)分别为

目前三角量测法是一般应用得最广而且为普遍的量测技术之一，主要原因为使用上的方便性以及指令周期上较为快速等。

3 TR7006检测原理分析

TR7006在扫描过程中，会将PCB板分成若干个Pixel(如下),且每一个Pixel都会在CCD上成像，得到自己在CCD中的坐标，然后依据前面介绍到的三角量测法定位原理来计算出每一个点的坐标（x、y、z）。通过其中的坐标值z，可以知道每一个点之间的相对高度。

软件会将有检测框的位置，把该检测框的搜索范围以内的所有像素点（Pixel）整理起来形成Histogram分布图。该分部图是在该搜索范围内的象素点点（Pixel）形成的，TR7006在该搜索范围内锡膏点的分析计算就是依据该图完成的。如下图3.8和3.9。

TR7006是采用8个位，亮度识别率的变化范围是0~255，这样每一个像素点都会对应相应的灰阶,所以由以上的分布图内各Pixel的灰阶分布（0~255），可以得到Histogram图（图3.9）。

以上直方图的形成必须是在3D灰阶图下，并且检测框是在Refres状态下点选（如图3.10）。在其他状况下点选后形成的直方图并没有分析价值。

Histogram直方图解析

Histogram直方图X方向代表0~255的灰阶值，Y方向代表该灰阶值所拥有的象素点的个数。(其实灰阶和高度相对应的，灰阶差就可以代表高度差。)

但形成Histogram直方图后，软件会按照一定的算法去区分Base和锡膏，并且以红线分开，左边的叫做Base，右边的叫做锡膏。直方图右边的P0，P1分别代表Base和锡膏所占的比例。在直方图的最下面，是该图内象素点的个数以及所有点中的最大灰阶值，最小灰阶值和所有点的平均灰阶值。

在正常情况下，搜索范围框内的像素点通常为与两个主平面，一个是锡膏的平面，一个是Base的平面。假设Base的平面和锡膏的平面都是水平的话，如图3.11，则其对应得Histogram直方图就应该是对应图3.12。

如果板子由于变形有倾斜的话（如图3.13），则有可能Base平面较高的一端的高度要比锡膏较低的一端的高度还要高，则其形成的Histogram直方图就应该是对应图3.14。

但实际上的锡膏印刷电路板，Base平面是高低不平的，上面有绿油层，Mask，线路，甚至有的绿油层还会分为上下两成等等原因，都会影响到Histogram直方图的形成。所以在很多的时候 Histogram直方图并不是像上面那样很规则而是千变万化的。这是后就需要对各个功能参数的设定很了解，然后应用这些功能来处理Histogram直方图，从而正常的进行测试。

    由于就算出了每一个像素点的高度，这样就可以确认出在搜索范围内哪些点是锡膏，哪些点是Base，那么该范围内的锡膏的高度、体积、面积就都可以计算出来，并通过计算后锡膏的位置与之前检测框的位置进行比较，以此求得锡膏的偏位值。由于锡膏短路的话，会在正常的锡膏外侧有延伸出去，检测框在判定是否有锡膏向外延伸，就可以判定锡膏是否短路。

四 SPC功能在SPI领域中的应用

    SPI是可以在SMT制程中对锡膏印刷不良进行准确的拦截，避免不良品流入下一工站，降低产品的质量。但是只是单纯的检测出不良并不SMT产线对SPI需求的全部，因为如果生产中的不良太多，就算可以将所有的不良全部检出，这只能保证最后产品的质量，但是由于不良品太多，可能会大幅度提升产品的成本，这是工厂所不能接受的，切如果不能收集到足够的有效数据对印刷不良的原因进行分析，那么印刷不良品多的现象可能还会持续发生下去。在这种状况下，就必须要有一个强大且有效的SPC系统来配合SPI进行使用。下面阐述几个SPC的功能来配合SPI ，了解其在SMT中的效益来了解SPC的重要性。

1 测试资料的收集及保存

在生产的同时将数据收集备份起来是每一个生产线都需要的功能，如果是SPI机台本身配合Barcode扫描系统，那么以后就可以在任何时间查询到保存备份的所有实际生产时候的测试数据。

如图4.1 所示，可以通过对旧数据的查询了解到当时生产该产品的情况，以及发生不良的状况和图示。同时通过对SPC的查询，也可以了解到当时发生不良状况后，现场的作业员是否有进行有效的措施。

另外由于有数据的收集备份，可以配合客户端生产线做各种咨询的整和，如SFC、YMS等。目前在很多大型的生产工厂都引进了类似的产线管理模式，在日本更有无人车间的生产模式，这些都必须要有SPC的功能进行支持。

2 对时间段内测试状况的掌握了解

    为了确保质量，通常都会在生产的过程中或在换班的时候对前一段时间内的测试数据进行实际了解。这个时候就可以通过SPC对收集数据的整理并通过柏拉图、方块图等各种工程分析图清楚明了的显示给相关人员，方便品保工程人员快速、准确的掌握实际的生产状况，并即使做出对策。

通过图4.2可以清楚地了解到生产阶段的不良主要是什么原因，然后工程技术人员就可以先解决比重较大的不良类型，这样就可以在短时间内大幅度的提升产品质量。

通过柏拉图可以明确地了解掌握主要问题出现在哪个类型的哪个组件上面，然后重点先解决不良发生多的问题，这样就可以做到花最少的时间就可以大幅度提升产品质量。

3在线实时监控，及时掌控生产制程

    通过X-Bar，R-Chart对生产中的重要点进行实时监控，及时掌握发现问题并进行及时处理。

图4.4X-Bar，R-Chart即时监控图示

                              

实时监控最大的作用在于可以在生产线制程出现问题的时候及时发现，避免不良状况持续发生下去。同时也可以在当不良想象将要发生的时候发现，避免不良出现。

也可以通过X-Bar，R-Chart了解制程的状况，便于工程技术人员根据显示的数据及图标对制程的能力进行改进，使制程的能力不断提高。

以上其实只是SPC功能中的一部份。总之SPC的导入对SPI的使用可以起到很大的作用。SPI只是能够检测出生产中的不良，但却不能改善制程。而SPC的作用就在于通过收集整理SPI测试出的数据进行分析，而使制程的能力得到提升，因为就算SPI检测出了不良或制程能力不好的时候，就必须要改进，否则就没有办法真正做到提升产品的质量，甚至会反而增加成本。所以SPC功能的导入可以让SPI发挥出更大的作用。