Контроль бессвинцовой пайки: особенности отражения и контраста в AOI

Когда на линии появляется автоматическая оптическая инспекция печатных плат, большинство проблем с качеством бессвинцовой пайки сначала выглядят как «капризы оборудования». AOI то завышает процент брака, то перестает видеть дефекты, которые оператор различает без труда. На практике причина почти всегда одна: физика отражения бессвинцового припоя плохо сочетается с алгоритмами, изначально рассчитанными под свинцовые сплавы.

Чем бессвинцовая пайка принципиально отличается для AOI

Основная особенность бессвинцовых припоев (SAC305 и его вариаций) – характер поверхности после оплавления. Она менее зеркальная, чем у SnPb, но при этом не становится равномерно матовой. Поверхность получается «зернистой», с локальными микрофасетами, каждая из которых отражает свет по-своему.

Для AOI это означает следующее: один и тот же паяный шов может выглядеть контрастным под одним углом освещения и почти «плоским» под другим. Визуально оператор все равно распознает форму мениска, а алгоритм – нет, потому что он опирается не на форму, а на распределение яркости.

Проблема отражения: не блики, а нестабильность

Часто говорят, что AOI «слепнет из-за бликов». Это упрощение. Настоящая проблема – нестабильность отражения от платы к плате и даже от компонента к компоненту.

Причины:

• небольшие колебания температуры оплавления меняют кристаллическую структуру поверхности припоя;
• разная скорость охлаждения формирует разный микрорельеф;
• бессвинцовая пайка сильнее реагирует на загрязнение флюсом.

В результате две внешне одинаковые пайки дают разный оптический отклик. AOI воспринимает это как отклонение, хотя электрически соединение корректно.

Контраст: почему «холодная» пайка – худшее решение

С точки зрения AOI «холодная» пайка – один из самых сложных дефектов. Не потому что она редкая, а потому что контраст между нормальной и дефектной пайкой минимален.

У бессвинцового припоя:

• геометрия мениска меняется незначительно;
• цвет и яркость могут совпадать с эталоном;
• зернистость поверхности иногда маскирует отсутствие смачивания.

Алгоритм видит что-то похожее на норму и часто пропускает дефект. Именно поэтому AOI плохо работает как единственный инструмент контроля термопрофиля.

Освещение: заводские настройки почти всегда ошибочны

Большинство систем AOI поставляются с универсальными наборами освещения: кольцевой, боковой, коаксиальный свет. Для бессвинцовой пайки этого недостаточно без тонкой настройки.

Практическое наблюдение: слишком равномерное освещение сглаживает различия между хорошей и плохой пайкой. Напротив, асимметричный свет подчеркивает форму мениска и микрорельеф.

Поэтому:

• полезно снижать долю прямого фронтального света;
• увеличивать вклад бокового освещения с фиксированным углом;
• иногда сознательно допускать теневые зоны, чтобы усилить контраст.

Это противоречит интуиции, но работает лучше, чем залить плату светом.

2D против 3D инспекции: иллюзия решения проблемы

3D AOI часто преподносится как ответ на сложности бессвинцовой пайки. Частично это верно: измерение высоты действительно помогает. Но есть ограничения.

3D хорошо выявляет:

• недопай;
• избыточный объем припоя;
• сильную асимметрию мениска.

3D плохо справляется с:

• плохим смачиванием;
• микротрещинами;
• локальными зонами перегрева.

Причина простая: высота есть, а качество смачивания – нет. Поэтому переход на 3D AOI снижает количество ложных срабатываний, но не заменяет технологический контроль.

Паяльная ванна и финишное покрытие платы

Для бессвинцовой пайки AOI сильнее зависит от окружения паяного соединения. Черная или темно-зеленая маска резко снижает контраст. ENIG и OSP ведут себя по-разному при одном и том же освещении.

Практика показывает: алгоритмы, обученные на платах с HASL, начинают ошибаться при переходе на ENIG без перенастройки эталонов. Это не баг и не «глупость» AOI – это разные оптические условия.

Настройка эталона: главная ошибка инженеров

Распространенная ошибка – использовать «идеальную» плату как эталон. Для бессвинцовой пайки это плохо работает. Идеальный мениск часто оказывается оптически нестабильным.

Более надежный подход:

• брать несколько плат с допустимым разбросом пайки;
• формировать эталон по диапазону, а не по точке;
• вручную проверять, какие зоны изображения реально используются алгоритмом.

Это занимает время, но резко снижает количество ложных дефектов.

Что AOI не должна делать при бессвинцовой пайке

Важно принять ограничения:

• AOI не подтверждает качество смачивания;
• AOI не оценивает межкристаллическую структуру;
• AOI не заменяет контроль термопрофиля.

Попытка заставить систему видеть все обычно заканчивается завышенными порогами и потерей доверия к результатам.

Контроль бессвинцовой пайки – не является вопросом «лучшей камеры» или «умного алгоритма». Это вопрос понимания оптики припоя, управления освещением и корректной постановки задач для AOI. Система работает надежно только тогда, когда от нее требуют ровно то, что она физически способна увидеть, и не больше.

Именно с этого начинается стабильный контроль качества, а не с очередного обновления ПО или смены поставщика smd-оборудования.