Máy SPI là gì? Nguyên lý kiểm tra kem hàn trong SMT

Trong dây chuyền SMT, trước khi linh kiện được đặt lên PCB, kem hàn phải được in chính xác lên từng pad theo thiết kế. Nếu lượng kem hàn thiếu, dư hoặc lệch vị trí, lỗi có thể tiếp tục xuất hiện ở công đoạn đặt linh kiện và hàn reflow. Vì vậy, kiểm tra ngay sau khi in kem hàn giúp phát hiện sai lệch trước khi chúng trở thành lỗi trên bo mạch hoàn chỉnh. SPI (Solder Paste Inspection) được sử dụng cho mục đích này. Thay vì kiểm tra linh kiện như AOI, SPI tập trung vào chính lớp kem hàn vừa được in trên PCB, đo các đặc điểm hình học của lớp kem và so sánh với tiêu chuẩn đã thiết lập.

Máy SPI là gì?

SPI là viết tắt của Solder Paste Inspection, nghĩa là kiểm tra kem hàn. Máy SPI là hệ thống tự động kiểm tra lớp kem hàn sau công đoạn in và trước khi PCB chuyển sang bước đặt linh kiện.

Hệ thống sử dụng camera, nguồn sáng và công nghệ đo hình ảnh 2D hoặc 3D tùy thiết bị để xác định đặc điểm của từng vùng kem hàn trên pad. Kết quả được so sánh với giới hạn cho phép để xác định vị trí đạt hoặc có dấu hiệu bất thường. Khác với AOI, đối tượng chính của SPI không phải là linh kiện hay mối hàn sau reflow mà là lớp kem hàn trước khi lắp linh kiện.

SPI kiểm tra kem hàn dựa trên nguyên lý nào?

Nguyên lý hoạt động của SPI bắt đầu sau khi PCB hoàn thành công đoạn in kem hàn. Bo mạch được đưa vào vùng kiểm tra, tại đó hệ thống thu nhận hình ảnh của các pad có kem hàn. Với hệ thống 2D, máy chủ yếu phân tích hình dạng và diện tích vùng kem hàn trên hình ảnh. Với hệ thống 3D, thiết bị có thể tái tạo thông tin về độ cao và thể tích của lớp kem hàn, từ đó đánh giá đầy đủ hơn hình dạng thực tế.

Sau khi thu thập dữ liệu, phần mềm phân tích từng vị trí và đối chiếu với dữ liệu thiết kế hoặc giới hạn kiểm tra. Nếu thông số nằm ngoài phạm vi cho phép, hệ thống tạo cảnh báo để PCB được kiểm tra hoặc xử lý trước khi chuyển sang công đoạn tiếp theo. Có thể hình dung SPI theo chuỗi: In kem hàn → thu nhận dữ liệu → đo lớp kem hàn → so sánh tiêu chuẩn → phát hiện sai lệch → xử lý PCB.

SPI kiểm tra những thông số nào?

Thể tích kem hàn

Thể tích cho biết lượng kem hàn thực tế được in lên một pad. Đây là thông số quan trọng vì lượng vật liệu hàn cuối cùng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hình thành mối hàn. Nếu thể tích quá thấp, mối hàn có thể không đủ vật liệu. Ngược lại, lượng kem hàn quá lớn có thể làm tăng nguy cơ cầu hàn hoặc các lỗi liên quan sau reflow.

Chiều cao lớp kem hàn

SPI có thể đo chiều cao của lớp kem hàn trên từng vùng kiểm tra. Thông số này giúp nhận diện trường hợp kem hàn được phân bố không đồng đều hoặc có sự sai lệch so với giá trị mục tiêu. Đối với các pad có kích thước nhỏ, chênh lệch chiều cao có thể ảnh hưởng đến lượng vật liệu thực tế được cung cấp cho quá trình tạo mối hàn.

Diện tích phủ kem hàn

Diện tích cho biết phần bề mặt pad thực sự được phủ kem hàn. Nếu kem hàn bị thiếu, tràn hoặc lệch, diện tích có thể thay đổi so với thiết kế. Kết hợp diện tích với chiều cao và thể tích giúp hệ thống đánh giá lớp kem hàn theo nhiều chiều thay vì chỉ nhìn vào hình ảnh phẳng.

Độ lệch vị trí

Kem hàn cần nằm đúng vị trí pad trên PCB. Nếu stencil hoặc quá trình in bị lệch, toàn bộ vùng kem hàn có thể dịch chuyển so với tâm pad. SPI có thể xác định mức độ lệch và đưa ra cảnh báo khi sai số vượt giới hạn đã thiết lập.

Hình dạng và độ phủ

Ngoài các thông số định lượng, hệ thống còn có thể đánh giá hình dạng của vùng kem hàn để phát hiện những bất thường như thiếu một phần, tràn sang khu vực lân cận hoặc hình dạng không đúng với mẫu mong muốn.

Vì sao cần kiểm tra kem hàn trước khi đặt linh kiện?

Kem hàn là một trong những yếu tố đầu tiên quyết định chất lượng mối hàn sau reflow. Nếu sai lệch đã xuất hiện ngay từ bước in mà không được phát hiện, lỗi có thể tiếp tục đi qua nhiều công đoạn.

Ví dụ, một pad nhận quá ít kem hàn có thể dẫn đến mối hàn không đủ vật liệu. Nếu lượng kem hàn quá lớn hoặc bị lệch sang pad bên cạnh, nguy cơ cầu hàn sau reflow có thể tăng.

SPI tạo ra một điểm kiểm soát sớm trong dây chuyền. Thay vì chờ đến sau khi đặt linh kiện và hàn mới phát hiện vấn đề, nhà sản xuất có thể nhận diện sai lệch ngay sau quá trình in và điều chỉnh máy in, stencil hoặc vật liệu khi cần.

Trong các dây chuyền sản xuất điện tử quy mô lớn như Luxshare ICT, việc phát hiện sai lệch sớm có ý nghĩa đặc biệt khi một lỗi trong công đoạn in có thể lặp lại trên nhiều PCB liên tiếp.

SPI được đặt ở đâu trong quy trình SMT?

SPI thường nằm ngay sau máy in kem hàn và trước máy gắp đặt linh kiện.

Một chuỗi công đoạn điển hình có thể được mô tả như sau: PCB → in kem hàn → SPI → đặt linh kiện → hàn reflow → AOI → kiểm tra tiếp theo.

Vị trí này không phải ngẫu nhiên. SPI cần kiểm tra lớp kem hàn khi PCB vẫn chưa được đặt linh kiện, bởi sau khi linh kiện đã nằm trên pad, camera không còn quan sát trực tiếp toàn bộ lớp kem hàn bên dưới. Nhờ đặt SPI sớm, dữ liệu kiểm tra có thể được sử dụng để điều chỉnh công đoạn in trước khi PCB tiếp tục đi vào các bước có giá trị gia tăng cao hơn.

Những nguyên nhân khiến kem hàn bị sai lệch

Stencil không phù hợp hoặc bị ảnh hưởng trong quá trình sử dụng

Stencil quyết định vị trí và hình dạng các vùng kem hàn được đưa lên PCB. Nếu khẩu độ, độ chính xác hoặc tình trạng stencil không phù hợp, lượng kem hàn in ra có thể sai lệch.

Thông số máy in

Áp lực gạt, tốc độ gạt, khoảng cách và các thông số liên quan đến quá trình in đều có thể ảnh hưởng đến kết quả. Chỉ cần một thông số thay đổi, thể tích hoặc hình dạng kem hàn trên nhiều pad có thể thay đổi theo.

Kem hàn

Đặc tính của kem hàn, điều kiện bảo quản và trạng thái vật liệu trong quá trình sử dụng cũng ảnh hưởng đến khả năng in. Vì vậy, kiểm soát vật liệu là một phần quan trọng bên cạnh việc kiểm soát thiết bị.

PCB và bề mặt pad

Độ phẳng, tình trạng bề mặt và thiết kế pad cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền kem hàn từ stencil xuống PCB. Khi SPI phát hiện sai lệch lặp lại trên nhiều vị trí, việc phân tích dữ liệu theo khu vực và theo xu hướng có thể giúp xác định nguyên nhân nằm ở vật liệu, stencil hay thông số máy in.

SPI khác AOI như thế nào?

SPI và AOI đều sử dụng hệ thống quang học để kiểm tra PCB nhưng chúng hoạt động ở hai thời điểm và hai đối tượng khác nhau.

Tiêu chí	SPI	AOI
Tên đầy đủ	Solder Paste Inspection	Automated Optical Inspection
Đối tượng chính	Kem hàn	Linh kiện, vị trí lắp và một số đặc điểm mối hàn
Thời điểm thường dùng	Sau in kem hàn	Thường sau lắp ráp/hàn
Thông số tiêu biểu	Thể tích, chiều cao, diện tích, độ lệch kem hàn	Vị trí, hướng, sự hiện diện linh kiện, một số lỗi hàn
Mục tiêu	Kiểm soát chất lượng in kem hàn	Kiểm tra trạng thái lắp ráp

Nói ngắn gọn, SPI kiểm tra điều kiện tạo mối hàn trước khi đặt linh kiện, còn AOI kiểm tra kết quả lắp ráp ở giai đoạn sau.

Hai hệ thống vì vậy bổ sung cho nhau thay vì thay thế lẫn nhau.

SPI 2D và SPI 3D khác nhau thế nào?

SPI có thể sử dụng công nghệ kiểm tra 2D hoặc 3D tùy hệ thống.

• SPI 2D chủ yếu phân tích hình ảnh trên mặt phẳng, phù hợp để đánh giá những đặc điểm như diện tích, hình dạng và vị trí của vùng kem hàn.
• SPI 3D bổ sung thông tin về chiều cao, từ đó có thể tính toán thể tích và phân tích hình dạng lớp kem hàn theo không gian. Điều này đặc biệt hữu ích khi cần kiểm soát chính xác lượng kem hàn trên các pad nhỏ hoặc thiết kế có mật độ cao.

Việc lựa chọn hệ thống không chỉ dựa trên độ phân giải mà còn phụ thuộc vào loại PCB, kích thước pad, yêu cầu chất lượng và mức độ kiểm soát cần thiết của dây chuyền.

Vai trò của SPI trong kiểm soát chất lượng SMT

SPI giúp chuyển việc kiểm soát kem hàn từ kiểm tra bằng mắt sang đo lường bằng dữ liệu. Thay vì chỉ xác định lớp kem hàn có vẻ bình thường hay không, hệ thống có thể cung cấp các thông số cụ thể cho từng vị trí.

Dữ liệu này còn có giá trị trong việc theo dõi xu hướng. Nếu thể tích kem hàn ở nhiều pad giảm dần theo thời gian, kỹ thuật viên có thể nhận ra dấu hiệu bất thường trước khi tỷ lệ lỗi tăng đáng kể.

Trong tổng thể công nghệ SMT, SPI vì vậy nằm ở một vị trí đầu nhưng có ảnh hưởng đến nhiều công đoạn phía sau. Kiểm soát tốt lớp kem hàn giúp giảm nguy cơ đưa sai lệch tiếp tục đi qua đặt linh kiện và reflow.

Kết luận

Máy SPI (Solder Paste Inspection) là hệ thống tự động kiểm tra lớp kem hàn trên PCB sau công đoạn in và trước khi đặt linh kiện. Tùy công nghệ sử dụng, SPI có thể đo và phân tích các thông số như thể tích, chiều cao, diện tích, vị trí và hình dạng của kem hàn. Vai trò quan trọng nhất của SPI là phát hiện sai lệch ngay tại công đoạn in kem hàn, giúp doanh nghiệp xử lý vấn đề trước khi PCB tiếp tục đi vào các bước lắp ráp có giá trị cao hơn. SPI và AOI có mối quan hệ bổ trợ: SPI kiểm soát đầu vào của quá trình tạo mối hàn, còn AOI kiểm tra trạng thái PCB sau lắp ráp. Khi được kết hợp trong dây chuyền SMT, hai phương pháp giúp tạo ra các điểm kiểm soát chất lượng ở những giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất.