AOI自動光學(xué)檢測

1、AOIAOI（AutomaticOpticInspection）的全稱是自動光學(xué)檢測，是基于光學(xué)原理來對焊接生產(chǎn)中遇到的常見缺陷進(jìn)行檢測的設(shè)備。AOI是近幾年才興起的一種新型測試技術(shù)，但發(fā)展迅速，目前很多廠家都推出了AOI測試設(shè)備。當(dāng)自動檢測時，機(jī)器通過攝像頭自動掃描PCB，采集圖像，測試的焊點與數(shù)據(jù)庫中的合格的參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過圖像處理，檢查出PCB上缺陷，并通過顯示器或自動標(biāo)志把缺陷顯示/標(biāo)示出來，供維修人員修整。放置位置雖然AOI可用于生產(chǎn)線上的多個位置，各個位置可檢測特殊缺陷，但AOI檢查設(shè)備應(yīng)放到一個可以盡早識別和改正最多缺陷的位置。有三個檢查位置是主要的：（1）錫膏印刷之后如果錫膏

2、印刷過程滿足要求，那么ICT發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量可大幅度的減少。典型的印刷缺陷包括以下幾點：A.焊盤上焊錫不足。B.焊盤上焊錫過多。C.焊錫對焊盤的重合不良。D.焊盤之間的焊錫橋。在ICT上，相對這些情況的缺陷概率直接與情況的嚴(yán)重性成比例。輕微的少錫很少導(dǎo)致缺陷，而嚴(yán)重的情況，如根本無錫，幾乎總是在ICT造成缺陷。焊錫不足可能是元件丟失或焊點開路的一個原因。盡管如此，決定哪里放置AOI需要認(rèn)識到元件丟失可能是其它原因下發(fā)生的，這些原因必須放在檢查計劃內(nèi)。這個位置的檢查最直接地支持過程跟蹤和特征化。這個階段的定量過程控制數(shù)據(jù)包括，印刷偏移和焊錫量信息，而有關(guān)印刷焊錫的定性信息也會產(chǎn)生。（2）回流焊前檢

3、查是在元件貼放在板上錫膏內(nèi)之后和PCB送入回流爐之前完成的。這是一個典型地放置檢查機(jī)器的位置，因為這里可發(fā)現(xiàn)來自錫膏印刷以及機(jī)器貼放的大多數(shù)缺陷。在這個位置產(chǎn)生的定量的過程控制信息，提供高速片機(jī)和密間距元件貼裝設(shè)備校準(zhǔn)的信息。這個信息可用來修改元件貼放或表明貼片機(jī)需要校準(zhǔn)。這個位置的檢查滿足過程跟蹤的目標(biāo)。（3）回流焊后在SMT工藝過程的最后步驟進(jìn)行檢查，這是目前AOI最流行的選擇，因為這個位置可發(fā)現(xiàn)全部的裝配錯誤?；亓骱负髾z查提供高度的安全性，因為它識別由錫膏印刷、元件貼裝和回流過程引起的錯誤?；緝?yōu)化每塊PCB可以采用光學(xué)或者X-ray技術(shù)并運用適當(dāng)?shù)倪\算法則來進(jìn)行檢查。基于圖像檢查的基本

4、原理是：每個具有明顯對比度的圖像都是可以被檢查的。在AOI中存在的主要問題是，當(dāng)一些檢查對象是不可見的，或是在PCB上存在一些干擾使得圖像變得模糊或隱藏起來了。然而，實際經(jīng)驗和系統(tǒng)化測試都表明，這些影響是可以通過PCB的設(shè)計來預(yù)防甚至減少的。為了推動這種優(yōu)化設(shè)計，可以運用一些看上去很古老的附加手段（這些方法仍在很多領(lǐng)域被推崇），它的優(yōu)點包括：減少編程時間最大限度地減少誤報fl-l；fl-l；V1fH.月皿隔1面用內(nèi)叁體畤共*4圖1改善失效檢查。制定設(shè)計方針，可以有效地簡化檢查和顯著地降低生產(chǎn)成本。ViscomAG和KIRRONGmbH&CoKG合作開發(fā)出一項特殊測試方案，目的是為了從根本上研究

5、和證明這些設(shè)計在檢查中產(chǎn)生的效果?；贗PC-7350標(biāo)準(zhǔn)的PCB布局被推薦為針對這些測試的基準(zhǔn)。首先，為了探究每一種布局的檢查效果，建議在大量PCB布局上采用這種基準(zhǔn)；之后，再有意地利用PCB錯誤布局，使得它產(chǎn)生一些工藝中的缺陷，如立碑和引腳懸空等。（圖1）針對AOI檢查的布局建議針對AOI檢查的PCB整體布局器件到PCB的邊緣應(yīng)該至少留有3mm（012）的工藝邊。片式器件必須優(yōu)先于圓柱形器件。布局上建議考慮傳感器技術(shù)，因為有時檢查只能通過垂直（正交）角度，而其他時候又需要一個輔助的角度來進(jìn)行。元器件對一個穩(wěn)定的工藝過程來說，一個重要的因素是元器件，這不僅與PCB上直接的器件布局有關(guān)，而且或

6、多或少也與工藝流程設(shè)計有關(guān)。目前元器件的采購趨勢是盡可能地便宜，而不管它在顏色、尺寸等參數(shù)上的不同。不幸的是，這些選擇在日后對AOI或AXI檢查過程中造成的影響往往被忽二三三三二三三三二三三三二三三三略了。始終采用同樣的材料和產(chǎn)品能夠顯著地減少檢查時間和誤報，而這些問題主要是通過元器件以及PCB的突然變化而出現(xiàn)的。元器件尺寸IPC-7350標(biāo)準(zhǔn)描述了器件的尺寸，并對某些焊盤的尺寸提出了建議。根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，器件的長度和引腳的寬度可以有一個較大變化范圍，相反，焊盤的尺寸卻是相對固定的。此外，PCB制造公差的影響相對于這些器件的變化來說也是是很小的。PCB的顏色和阻焊通常，設(shè)備能夠檢查出所有不同單

7、板的顏色，盡管檢查中的某些細(xì)節(jié)處理是不倚賴于顏色的。例如，一塊白色和一塊綠色的PCB有著不同的對比度，因此設(shè)備需要一些特定的補(bǔ)償。在一種極端情況下，橋接在亮背景下呈現(xiàn)黑色，而在另一種極端情況下，橋接在黑背景下卻是呈現(xiàn)出亮色。這里我們建議使用無光澤的阻焊層。在我們的實踐中，焊盤間（甚至是細(xì)間距引腳）的區(qū)域也應(yīng)該覆蓋著阻焊層，這個建議也已經(jīng)被焊料供應(yīng)商所響應(yīng)。（圖2）印刷圖案所有印有圖案的PCB也是能夠被檢查的，例如，當(dāng)元器件的邊框或元器圖3件本體上的字母單獨出現(xiàn)在組件的某個區(qū)域從而干擾對其他部分的檢查時，可以手工調(diào)整檢查程序。盡管如此，在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，圖案的印刷范圍仍然有一個較大的選擇，因此

8、，減少非反射性標(biāo)識印刷（黑或暗黃）值得加以考慮。另外一個可能出現(xiàn)的情況是需要有選擇地印刷標(biāo)識：例如，當(dāng)某些特定的器件（如霍爾傳感器）正面向下時就必須印刷成白色；而另一種情況是印有極性標(biāo)志的有傾斜角的鉭電容器件；這樣能使標(biāo)識和背景形成鮮明的對比，使得檢查的圖像更加清晰。（圖3）基準(zhǔn)點設(shè)備可以檢查所有類型的基準(zhǔn)點，而且任何構(gòu)件都可以被定義成一個基準(zhǔn)點。明4：十字彩偉為基淮點圖4雖然三個基準(zhǔn)點可以補(bǔ)償一塊單板的變形，但通常情況下只需要確定兩個基準(zhǔn)點就可以了。每個基準(zhǔn)點至少離單板邊緣5mm（02）。十字形、菱形、星形等比較適用，并建議使用統(tǒng)一的黑背景。此外，十字形的基準(zhǔn)點特別有優(yōu)勢，他們在檢測光下的圖

9、像十分穩(wěn)定且可以被快速和容易地判定。（圖4）。AOI確認(rèn)壞板設(shè)備有能力檢查所有已知類型的壞板標(biāo)識。板上的任何構(gòu)件都可以被定義為壞板標(biāo)識。這里建議采用與上述基準(zhǔn)點的判定相類似的方法，即在可能的情況下，首先通過檢查整板或已完成組裝的單板上的單個壞板標(biāo)識來進(jìn)行確認(rèn)。板上每個單獨的壞板標(biāo)識只有在整板的壞板標(biāo)識檢查失敗后才會被逐一檢查；整板的壞板標(biāo)識應(yīng)該定位于PCB的邊上。避免焊點反射焊點的形狀和接觸角是焊點反射的根源。焊點的形成依賴于焊盤的尺寸、器件的高度、焊錫的數(shù)量和回流工藝參數(shù)。為了防止焊接反射，應(yīng)當(dāng)避免器件對稱排列。波峰焊經(jīng)過波峰焊后，焊點所有的參數(shù)會有很大的變化，這主要是由于焊爐內(nèi)錫的老化導(dǎo)致

10、焊盤反射特性從光亮到灰暗，因此，在檢查時算法上必須要包含這些變化。在波峰焊中，典型的缺國船劉佳件也的呈壯網(wǎng)肝.圖5陷是短路和焊珠。當(dāng)檢測到短路時，假如印刷的圖案或者無反射印刷這兩種情況的減少以及應(yīng)用阻焊層，就可以消除這些誤報。如果基準(zhǔn)點沒有被阻焊膜蓋住而過波峰焊，可能會導(dǎo)致一個圓形基準(zhǔn)點上錫成了一個半球，其內(nèi)在的反射特性將會發(fā)生改變；應(yīng)用十字型作為基準(zhǔn)點或者用阻焊層覆蓋基準(zhǔn)點，可以防止這種情況的發(fā)生。片式元件、MELF器件和C-leads器件在片式元件和MELF器件上，彎月狀的焊點必須被正確地識別出來；而在器件本體兩側(cè)下方的焊點由于焊錫無爬升，很難檢查。另外，焊盤邊緣到焊端的間距Xc也需要注意

11、（圖5）。Xc（焊盤的外側(cè)間距）對Xi（焊盤的內(nèi)側(cè)間距）的比率應(yīng)選擇1。同樣的規(guī)則也適用于C-leads器件的彎月型和器件本體兩側(cè)的焊盤設(shè)計。這里，我們建議Xc對Xi的比率稍微大于1.5。值得注意的是：任何元器件的長度變化也必須計算在內(nèi)。鷗翼型引腳器件通常，這類器件的判定標(biāo)準(zhǔn)可以通過對毛細(xì)效應(yīng)在垂直方向的作用的分析中找到。由于毛細(xì)力，焊錫從焊盤末端爬到引腳上形成焊點。由于工藝波動和器件邊緣的阻擋作用，導(dǎo)致不能完全形成一個完整的上半月型焊點。盡管沒有形成一個上半月型的焊點，但也可以被認(rèn)為焊接得很好。鷗翼型引腳焊錫的側(cè)面爬升情況由于器件變化或焊盤設(shè)計的原因，并不是經(jīng)常能夠被檢查出來，這是由于焊錫的

12、爬升方向必須用同引腳方向垂直的角度去檢查。假如爬升很小，必須從其他角度來檢查，而只有通過這樣的輔助檢查，才能提供豐富的圖像信息去評估焊點的好壞。圖6斜角檢測：PLCCs型器件PLCCs器件的引腳的焊盤有著不同設(shè)計。如果是一個長焊盤設(shè)計，在PLCC引腳上焊錫的爬升效果是可以檢查的。如果焊盤保持明亮，那么焊錫已經(jīng)爬升到了引腳端，所以認(rèn)為器件是焊上了。假如遵循這個設(shè)計原則，可以通過垂直檢測來檢查出缺陷。（圖6）對于PLCC焊點，有時會出現(xiàn)少錫的情況。由于引腳少錫的爬升情況和沒有焊錫時圖7是一樣的，所以對PLCC焊點不能通過垂直檢測，而要通過斜角檢測的方式來檢查少錫缺陷（圖7）。AOIAXI檢測的PC

13、B布局建議PCB的整體布局對于普通的AXI測試PCB布局，所有的焊盤都必須進(jìn)行阻焊處理。這是因為阻焊層和實際的焊盤并沒有真正地接觸到，在阻焊層和焊盤之間存在著一定的間隙。這樣做的好處是：焊錫受熱后就可以聚集在焊盤內(nèi)，這也使得在XRAY影像中很容易再現(xiàn)焊料的爬升情況。2Dx-ray當(dāng)應(yīng)用2Dx-ray技術(shù)時，所有的器件都需要被布置在PCB的正面。而用2Dx-ray去檢測這些器件時，還必須再定義出一塊沒有器件的地方為禁區(qū)。對于有些BGAs，會推薦使.Aft：QFMfiiatf-圖8用一種淚滴型的不對稱焊盤設(shè)計，這使得焊錫的成型性質(zhì)被系統(tǒng)錯誤的判斷為一種幾何的連接形態(tài)；止匕外，一些特殊的QFN向內(nèi)或

14、向外的彎月型焊盤設(shè)計也同樣有這種情況。QFN焊盤設(shè)計QFN器件的焊盤尺寸、焊膏印刷面積與它的引腳尺寸是同樣大小的，而且器件的引腳是交錯排列在封裝體底部的（圖8）。因此，QFN的焊盤設(shè)計建議為：焊盤伸出于器件引腳的外端，而圖白;C1FN憚盤跳副亞節(jié)圖9縮進(jìn)于器件的內(nèi)端，這樣使得在器件引腳的內(nèi)外形成彎月型焊盤。在這里很重要的一點是,在進(jìn)行設(shè)計計算時必須考慮器件的公差范圍。（圖9）BGA設(shè)計在BGA設(shè)計時，焊點的形狀（如淚滴型）可以通過特別的布局使其成為可見的；就是說，淚滴型的焊點除了具有奇怪的形狀外，它的方向也是很隨意的?？偠灾?，在器件面的焊盤和在PCB上的焊盤正好和BGA焊球的大小是一樣的（圖

15、Rlfii圖1010）。在德國Erlangen大學(xué)，學(xué)者做了大量的研究去評價單個焊盤形狀的模型；他們發(fā)現(xiàn),無論焊盤是圓形還是非圓形的，焊膏印刷圖形要保持為圓形不變。結(jié)論作為慣例，在生產(chǎn)中，測試系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)批量的要求建立并優(yōu)化。實際運作中無數(shù)次地證明，僅這樣做是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果在兩周的生產(chǎn)時間內(nèi)要測試一個新批次的PCB，有可能會發(fā)生這樣的情況：ELKO的顏色突然由黑色變?yōu)榱它S色，或者晶體管的引腳變短了、是彎的；或是電阻的顏色由黃色變成了藍(lán)色的，等等。AOI檢查程序必須而且能夠處理這些不同的變化所帶來的問題。但是，其中的一些變化需要花費時間進(jìn)行處理，因為我們不能預(yù)先知道是否有一種新的元器件被使

16、用，或是存在一個錯誤的元器件布局。同時，面對質(zhì)量方面的困難，大量允許的可能出現(xiàn)的情況也需要一個一致的，確實可行的說明。始終采用同樣的材料和產(chǎn)品，再加上優(yōu)化的PCB設(shè)計，正如上面所描述的那樣，可以減小由于產(chǎn)品的變更對AOI/AXI測試所造成的影響。在這里必須指出，比照所有用于AOI和AXI檢查的標(biāo)準(zhǔn)，PCB布局的建議可使檢查工藝適當(dāng)簡化并更有效率。DFT可以提高缺陷的檢查率，減少誤報，縮短編程時間和降低編程的難度，從而最終達(dá)到有效降低產(chǎn)品制造成本的目的。實際應(yīng)用對無缺陷生產(chǎn)來講，自動光學(xué)檢查（AOI）是必不可少的。在轉(zhuǎn)到使用無鉛工藝時，制造商將面臨新的挑戰(zhàn)，在生產(chǎn)中會出現(xiàn)其他的問題，引起了人們的

17、關(guān)注。本文分析轉(zhuǎn)到無鉛工藝的整個過程，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)中引進(jìn)了0402無鉛元件。由于缺乏無鉛元件，轉(zhuǎn)到使用無鉛元件是分階段進(jìn)行的。在2004年，由于要求電子產(chǎn)品的體積越來越小，迫使制造商廣泛地用0402元件來取代0603元件和0805元件。工藝條件除了普遍使用的0402元件，印刷電路板的第一次合格率（FPY）必須達(dá)到95%，而且必須根據(jù)印刷電路協(xié)會（IPC）的2級標(biāo)準(zhǔn)來檢測缺陷。例如，在有608個焊點的168元件的情況下，相當(dāng)于要求誤報率是百萬分之65。為了達(dá)到FPY的要求，在檢測缺陷時必須考慮以下條件：元件長度的公差、元件供應(yīng)商、貼片公差、在25個AOI系統(tǒng)上的全球檢測數(shù)據(jù)庫、有80個獨特

18、產(chǎn)品的全球檢測數(shù)據(jù)庫、無鉛焊料、不同的電路板供應(yīng)商以及檢測質(zhì)量要達(dá)到IPC的2級標(biāo)準(zhǔn)。無鉛焊接帶來的變化可以從三個方面看到無鉛的影響：灰度值提高、流程的改變和有效的助焊劑。無鉛焊點的亮度平均值高了2.5%。這相當(dāng)于亮度提高了五級。焊點看上去粗糙，而且表面呈粗大的顆粒狀。這可以利用特性萃取方法來消除或者過濾掉。流動性稍微差一些，特別是對于那些較輕的元件，會防礙元件在熔化焊膏中浸沒或者浮起。這表示元件自動對正的程度較差。由于效果差，意味著輕輕的0402元件沿著縱向翹起的傾向會增強(qiáng)，結(jié)果是不能完全看到元件的頂部。在回熔溫度較高以及使用侵蝕性更強(qiáng)的助焊劑時，也會導(dǎo)致與助焊劑直接接觸的較薄的元件受到侵蝕

19、,元件頂部不能夠反射光線。流動性的改變和侵蝕性助焊劑,對R0402型元件的影響比C0402型元件大，因為R0402型元件更輕也更薄。在使用R0603元件時，這也不常見。檢查庫圍繞工藝的環(huán)境產(chǎn)生消極影響，必須通過幾個途徑降低到最小，以滿足頭工作的要求。AOI全球檢查庫對部分AOI制造商的標(biāo)定工具進(jìn)行調(diào)整是極為重要的，所以，這些變化能夠傳遞到照相機(jī)和照明模塊上。對于不同產(chǎn)品的AOI全球檢查庫，有可能在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整這是AOI軟件必備的特性。貼片公差進(jìn)料器常規(guī)的維護(hù)和校準(zhǔn)。確定檢查質(zhì)量：IPC標(biāo)準(zhǔn)2級必須允許使用朝下的電阻器。組件翹起和共面性的檢測必須可靠。關(guān)于元件長度公差，不同的組件供應(yīng)商、電路板和

20、無鉛焊料的供應(yīng)商都不可能沒有任何直接的影響。優(yōu)良的AOI程序應(yīng)該能夠應(yīng)付這些這影響。如果這些個別點的變化可以保持不變，那么就能夠相當(dāng)大地簡化AOI編程。經(jīng)研究得到的結(jié)論是，由于無鉛產(chǎn)生的影響，圖形對照系統(tǒng)無法得到適合的檢查結(jié)果，這是因為合格的樣品變化太大。更加可行的方法是，取出確定每道工藝和元件變化的特性。這些變化可以分成不同的等級。如果在現(xiàn)在使用的工藝中，出現(xiàn)了一個新的變化，就要增加一個級別，來保證檢查的精確性。所有認(rèn)識到的和已知的缺陷都儲存起來，他們的類型和圖片可以用于AOI系統(tǒng)和全球數(shù)據(jù)庫里的檢查程序。我們沒有必要把一塊不同缺陷的電路板保存起來用于詳細(xì)的檢查。用AOI軟件核實真正的缺陷A

21、OI軟件中有一個綜合性的驗證功能，它能減少檢查的誤報，保證檢測程序無缺陷。它可以檢查儲存起來的有缺陷的樣品，例如，修理站存放的樣品，以及印刷了焊膏的空白印刷電路板。在優(yōu)化階段，在這方面花時間的原因是為了不讓任何缺陷溜過去。所有已知的缺陷都必須檢查，同時要把允許出現(xiàn)的誤報數(shù)量做到最小。在針對減少誤報而對任何程序進(jìn)行調(diào)整時，要檢查一下，看看以前檢查出來的直正缺陷，是否得到維修站的證實。通過綜合的核實，保證檢查程序的質(zhì)量，用于專門的制造和核查，同時對誤報進(jìn)行追蹤。無鉛和檢測工藝適應(yīng)性程序沒有發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)到無鉛會對焊點質(zhì)量的檢查帶來什么影響。缺陷看上去還是一樣的。毫無疑問，只需要稍微修改一下數(shù)據(jù)庫，就足以排

22、除其他誤報可能會帶來的影響。在元件頂上的內(nèi)容改變時，就需要大量的工作，確定門限值。這些可以納入到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中。在元件的一端立起來時，激活其他環(huán)節(jié)的檢測，便可以進(jìn)行可靠的分析。對于橋接的形成或者元件一端立起來的普遍看法，證明常常不是那樣。經(jīng)驗表明，橋接的形成沒有改變，元件一端立起來的現(xiàn)像就會有所減少。轉(zhuǎn)到使用無鉛焊膏并不需要投資新的系統(tǒng)或者設(shè)備，只要使用的AOI系統(tǒng)配備了靈活的傳感器模塊、照明和軟件，就足以適應(yīng)這些變化了。編輯本段內(nèi)嵌技術(shù)一些評估顯示全世界只有20%-30%的SMT生產(chǎn)線裝配了AOI系統(tǒng)。這表明，雖然器件的尺寸近年來已經(jīng)縮小到人眼可以觀察的范圍之外，AOI顯示出某些誘人的性能，但

23、是市場對其價值仍持有疑慮。EPV是一項新興技術(shù)，它將檢驗技術(shù)植入設(shè)備的運行程序中，能回答裝配者所關(guān)心的外圍成本，占地面積和投資回報率等問題。嵌入生產(chǎn)過程中的驗證對于AOI的應(yīng)用，業(yè)界很明白每條生產(chǎn)線需要配置多個線上檢測系統(tǒng)（如果對印刷、器件貼裝和回流之后作100%的檢測）。很多裝配者很勉強(qiáng)才能接受AOI所需的額外的資本投入、較大的生產(chǎn)線占地面積。止匕外，其生產(chǎn)周期、人員培訓(xùn)和設(shè)備編程的工作量也很大。但是裝配者還是希望限制焊膏印刷錯誤和不正確的器件貼裝這是回流前引起電路板報廢的最主要的兩個原因。CyberOptics開發(fā)了嵌入生產(chǎn)過程中的驗證（EPVTM）解決方案。新型EPV傳感器技術(shù)在貼裝機(jī)內(nèi)部加入視覺驗證能力，工作于設(shè)備正在進(jìn)行貼裝的時候。這樣，系統(tǒng)就可以達(dá)到較低的價格，增加很少或不增加額外循環(huán)時間，并且不增加生產(chǎn)線占地面積。但是這些都需要得到設(shè)備制造商的支持。環(huán)球儀器是第一個關(guān)注EPV潛能并且在此技術(shù)上投入研究精力的設(shè)備制造商。目前，環(huán)球儀器把這項技術(shù)作為Genesis和AdVantis平臺的可選項，與環(huán)球的閃電頭一并提供給客戶。環(huán)球儀器總裁IandeSouza認(rèn)為在未來的十幾年中，這都將是業(yè)界最令人興奮的革新之一。因為EPV直接置于設(shè)備內(nèi)部，所以它能夠在不增加循環(huán)時間和額外編程開銷的情況下持續(xù)提供即時的程序數(shù)據(jù)。當(dāng)它植入帶有閃電頭的Genesi