SMT質(zhì)量檢測中的AOI技術(shù)及應(yīng)用

王凡,姜建國,申潔琳

摘 要：隨著電子制造業(yè)中印刷電路板元器件安裝普遍采用表面貼片技術(shù)，產(chǎn)品的集成度更高，元器件體積更小，安裝密度更大，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)在技術(shù)和速度上都不能適應(yīng)新的電子檢測技術(shù)。而基于機器視覺的檢測技術(shù)(AOI)可以快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對貼片安裝產(chǎn)品缺陷的自動檢測，是提高電子制造業(yè)自動化水平和產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)。對AOI的技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，通過分析AOI在工藝中放置位置和最終需要實現(xiàn)目標(biāo)及其在SMT工序中的應(yīng)用，充分表明AOI在SMT工藝中的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：AOI； SMT； 印刷電路板; 質(zhì)量

中圖分類號：TN407-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0179-04

AOI Technology and Its Application in SMT Quality Inspection

WANG Fan1,JIANG Jian-guo2,SHEN Jie-lin2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China; 2.Computer Academy,Xidian University,Xian 710071,China)

Abstract： With wide application of surface mounted technology (SMT) in printed circuit board assembly，the electronic products have higher integration，smaller components and higher assembly density,the conventional inspection can′t fulfill the assembly automation in speed and reliability．The automated optical inspection (AOI) based on machine vision can detect the defects of SMT rapidly and accurately. The principles of AOI technology are introduced. The advantages of AOI in the SMT are proposed through an analysis on the positions which AOI should be set during the process of technology,final goals,and an example used during the working procedure of SMT.With wide application of surface mounted technology (SMT) in printed circuit board assembly，the electronic products have higher integration，smaller components and higher assembly density,the conventional inspection can′t fulfill the assembly automation in speed and reliability．The automated optical inspection (AOI) based on machine vision can detect the defects of SMT rapidly and accurately. The principles of AOI technology are introduced. The advantages of AOI in the SMT are proposed through an analysis on the positions which AOI should be set during the process of technology,final goals,and an example used during the working procedure of SMT.

Keywords： AOI； SMT； printed circuit board; quality

0 引 言

表面貼裝技術(shù)(Surface Mounting Technology，SMT)是一種將無引腳或者短引腳表面組裝元器件安放在印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)的表面或者其基板的表面上，通過再流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電子組裝技術(shù)［1］。作為新一代的電子組裝技術(shù)，SMT使電子產(chǎn)品更具有輕、薄、短、小、多功能、高可靠性、低成本等一系列優(yōu)點。經(jīng)過多年的發(fā)展,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于計算機、通信、消費電子、工業(yè)自動化等電子制造行業(yè)中，使電子產(chǎn)品進(jìn)一步向微型化、小型化、高可靠性方向發(fā)展［2］。據(jù)調(diào)查，國外發(fā)達(dá)國家電子產(chǎn)品SMT使用率大約在80％～90％之間，我國目前已經(jīng)達(dá)到了60％左右，而且中國的SMT產(chǎn)業(yè)還有進(jìn)一步發(fā)展的空間。

高性能、高復(fù)雜性、高質(zhì)量PCB的生產(chǎn)，除了應(yīng)保證優(yōu)良的原材料、具備先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、設(shè)備和先進(jìn)的管理模式之外，還必須具備完備的技術(shù)質(zhì)量,保證體系和先進(jìn)檢測設(shè)備。

1 SMT工藝流程

SMT的基本工藝流程如圖1所示。其中，檢測環(huán)節(jié)是SMT流程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，是SMT中質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

圖1 SMT工藝流程

隨著PCB貼片工藝向著更小和密度更高的方向發(fā)展，貼片產(chǎn)品的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制遇到新的問題。傳統(tǒng)的人工視覺目測由于效率低、工藝水平主觀性強，對于微小器件和集成芯片IC(Integrated Circuit)引腳無法進(jìn)行可靠檢測。IC芯片的最小引腳間距只有0.3 mm，即使借助光學(xué)放大設(shè)備幫助，人工目測效率非常低、易疲勞、主觀性強，根本無法適應(yīng)高效、自動化的貼片安裝生產(chǎn)［3］。AOI是對貼片產(chǎn)品的可見光圖像進(jìn)行光電傳感器變換、數(shù)字圖像采集處理，然后進(jìn)行模式識別，是結(jié)合人的視覺經(jīng)驗和計算智能的機器視覺的一種應(yīng)用。它具有非接觸、無損、快速、準(zhǔn)確、可靠的特點，目前在國外SMT生產(chǎn)線上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，成為電子制造自動化中的重要一環(huán)［4］。

2 AOI技術(shù)原理

AOI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，是近幾年才興起的一種新型測試技術(shù)，但發(fā)展較為迅速，目前很多廠家都推出了AOI測試設(shè)備。當(dāng)自動檢測時，機器通過攝像頭自動掃描PCB，采集圖像，將測試的焊點與數(shù)據(jù)庫中的合格參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過圖像處理，檢查出PCB上的缺陷，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。作為SMT生產(chǎn)線上一種重要的在線檢測設(shè)備，AOI目前已得到越來越廣泛的應(yīng)用［5］。

2.1 AOI的優(yōu)點

AOI被用作SMT的過程監(jiān)測工具，其優(yōu)點包括：

(1) 檢查和糾正PCB缺陷，過程中的監(jiān)測成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在最終測試和檢查之后進(jìn)行的成本。

(2) 能盡早發(fā)現(xiàn)重復(fù)性錯誤，如貼裝位移或空焊等。

(3) 為工藝技術(shù)人員提供統(tǒng)計過程控制(Statistics Process Control，SPC)資料。AOI技術(shù)的統(tǒng)計分析功能與SPC工藝管理技術(shù)的結(jié)合為SMT生產(chǎn)工藝的適時完善提供了有效工具，使得PCB裝配的次品率得到了明顯的降低［6］。

2.2 AOI的實施目標(biāo)

實施AOI有以下兩類主要的目標(biāo)：

(1) 最終品質(zhì)(End Quality)。對產(chǎn)品走下生產(chǎn)線時的最終狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)生產(chǎn)問題非常清楚、產(chǎn)品混合度高、數(shù)量和速度為關(guān)鍵因素的時候，優(yōu)先采用這個目標(biāo)。AOI通常放置在生產(chǎn)線最末端。在這個位置，設(shè)備可以產(chǎn)生范圍廣泛的過程控制信息。

(2) 過程跟蹤(Process Tracking)。使用檢查設(shè)備來監(jiān)視生產(chǎn)過程。典型地包括詳細(xì)的缺陷分類和元件貼放偏移信息。當(dāng)要求產(chǎn)品可靠性很重要，是低混合度的大批量制造并且是在元件供應(yīng)穩(wěn)定時，制造商優(yōu)先采用這個目標(biāo)。這經(jīng)常要求把檢查設(shè)備放置到生產(chǎn)線上的幾個位置，在線地監(jiān)控具體生產(chǎn)狀況，并為生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供必要的依據(jù)。

3 AOI在各個工序中的應(yīng)用

在SMT中，AOI技術(shù)具有PCB空板檢測、焊錫膏印刷檢測、元器件檢測、焊接后組件檢測等功能，在不同環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測時，其側(cè)重點也會所不同［7］。

3.1 PCB檢測

PCB缺陷可大致分為短路(包括基銅板短路、細(xì)的走線短路、電鍍短路、塵埃短路、凹坑短路、重復(fù)性短路、污漬短路、干膜短路、蝕刻力度不夠短路、鍍層太厚短路、刮擦短路、褶皺短路等)，開路(包括重復(fù)性的開路、刮擦開路、真空開路、缺口開路等)和其他一些可能導(dǎo)致PCB報廢的缺陷(包括蝕刻過度、電鍍燒焦針孔)［8］。在PCB生產(chǎn)流程中，基板的制作、覆銅的過程都有可能產(chǎn)生一些缺陷，但大部分缺陷是在蝕刻之后產(chǎn)生，AOI一般安排在蝕刻工序之后進(jìn)行檢測，主要用來發(fā)現(xiàn)其上缺少的部分和多余的部分。

在PCB檢測中，圖像對比算法應(yīng)用比較多，且以平面檢測為主，主要包括數(shù)據(jù)分析類(對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，過濾過小的針孔和殘留銅及不需檢查的孔等)，測量類(對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征獲取，記錄的具有特征代碼、尺寸和方位并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來比對)和拓?fù)漕?用于分析增加或丟失的特征)。

3.2 焊膏印刷檢測

焊膏印刷是SMT加工過程的初始環(huán)節(jié)，也是大部分缺陷的根源所在，有資料分析大約60％～70％的缺陷會出現(xiàn)在印刷階段，如果在生產(chǎn)線的初始階段排除缺陷，能夠最大限度地減少損失，降低成本，因此，大部分SMT生產(chǎn)線會在印刷環(huán)節(jié)配備AOI檢測系統(tǒng)。

使用立體檢測，可以對焊膏形態(tài)、厚度進(jìn)行分析，檢查焊膏用量是否合理、是否有刮擦和拉尖等缺陷，這些缺陷在使用絲網(wǎng)和橡皮刮刀的場合出現(xiàn)的較多，現(xiàn)在普遍使用不銹鋼網(wǎng)板和金屬刮刀，焊膏厚度相對穩(wěn)定，一般不會過多，刮擦現(xiàn)象也很輕微，重點要關(guān)注的是空焊、偏移、沾污和橋連等缺陷。采用平面檢測可以有效地檢測這些缺陷，圖像對比方法和設(shè)計規(guī)則檢驗法都可以使用，檢測時間短，設(shè)備價格也比立體檢測低，而且在貼片、回流等后續(xù)的工序中如果采用AOI系統(tǒng)，印刷環(huán)節(jié)考慮到成本問題也可采用平面檢測［9］。

3.3 貼裝檢測

元件貼裝環(huán)節(jié)對設(shè)備精確度要求比較高，常出現(xiàn)漏貼、偏移、歪斜、極性相反等缺陷。AOI系統(tǒng)檢測可以檢測出上述缺陷，同時還可以在此檢測橋連問題和BGA元件焊盤上的焊膏。

由于貼片環(huán)節(jié)之后緊接著就是回流焊接環(huán)節(jié)，因此貼裝之后的檢測有時被稱為回流焊的前端檢測，回流焊的前端檢測從質(zhì)量保證的觀點來看，由于在回流焊爐內(nèi)發(fā)生的問題無法檢測出而顯得沒有太大意義。在回流焊爐內(nèi)，焊錫熔化后具有自糾正位移的能力，所以焊后在基板上無法檢查出貼裝位移和焊錫印刷狀態(tài)，然而實際上，回流焊前端的檢測是品質(zhì)保障的重點，因為回流焊前各個部位的元器件貼裝狀況等一目了然，而這些信息在回流焊后無法獲取。此時基板上沒有不定型的東西，最適合進(jìn)行圖像分析，并且通過率非常高，這樣，由檢測過分僵硬而導(dǎo)致的誤判的可能也大大減少。

3.4 回流檢測

可以將AOI系統(tǒng)的作用分為預(yù)防問題和發(fā)現(xiàn)問題兩種，印刷、貼片之后的檢查歸為預(yù)防問題，回流焊后的檢測屬于發(fā)現(xiàn)問題，在回流焊后端檢測過程中，檢測系統(tǒng)能夠檢測出元器件的缺失、偏移和極性相反等情況，還一定要對焊點的正確性以及焊膏是否充分、焊接短路和元器件翹腳等缺陷進(jìn)行檢測，回流焊后端檢測是當(dāng)前AOI系統(tǒng)最流行的選擇，此位置能夠檢測出全部的裝配錯誤，提供高度的安全性。

3.5 AOI的放置位置

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［10］。有三個檢查位置是主要的：

(1) 錫膏印刷之后。據(jù)分析SMT中60%～70%的焊點缺陷是印刷時造成的，如果焊膏印刷過程能夠滿足要求，就可以大幅度地減少后期出現(xiàn)的缺陷。

(2) 回流焊前。檢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。這是一個典型的放置檢查機器的位置，因為這里可發(fā)現(xiàn)來自錫膏印刷以及機器貼放的大多數(shù)缺陷。在這個位置產(chǎn)生定量的過程控制信息，提供高速片機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［11］。

4 AOI的應(yīng)用

SMT中應(yīng)用AOI技術(shù)的形式多種多樣，但其基本原理是相同的，即用光學(xué)手段獲取被測物圖形，一般通過傳感器(攝像機)獲得檢測物的照明圖像并數(shù)字化，然后以某種方法進(jìn)行比較、分析、檢驗和判斷，相當(dāng)于將人工目視檢測自動化、智能化。例如對一批PCB產(chǎn)品進(jìn)行AOI檢測，并運用相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，可將PCB的明細(xì)數(shù)據(jù)輸出，其記錄結(jié)果如圖2所示。

圖2 PCB明細(xì)數(shù)據(jù)

從結(jié)果文件可以看出，通過對PCB進(jìn)行檢測的AOI機器編號、產(chǎn)品的相關(guān)情況和工藝人員等生產(chǎn)線狀況，可直觀明了地了解該產(chǎn)品的測試結(jié)果。但圖2中沒有顯示出該產(chǎn)品出錯的原因，可以從NG明細(xì)數(shù)據(jù)表格中查出，如圖3所示。

圖3 NG明細(xì)數(shù)據(jù)表

通過該結(jié)果表格，可以一目了然地查出PCB產(chǎn)品的出錯原因，即可對檢測到的多件、少件、錯件等具體問題進(jìn)行查看［12］。

同時，通過PCB統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格，可以統(tǒng)計出此類PCB產(chǎn)品的合格率、缺陷NG總數(shù)等情況，該表格對PCB產(chǎn)品的AOI檢測進(jìn)行了統(tǒng)計，可清晰明了地獲得PCB產(chǎn)品的檢測通過率等情況。數(shù)據(jù)的輸出如圖4所示。

圖4 PCB統(tǒng)計數(shù)據(jù)

通過查看分析這些檢測數(shù)據(jù)，可以在生產(chǎn)過程中及時發(fā)現(xiàn)錯誤并進(jìn)行糾正，避免人力和資源的浪費，可大大地提高生產(chǎn)效率，同時也可以對一批產(chǎn)品的質(zhì)量情況有直觀的了解和總體的把握，進(jìn)而指導(dǎo)下一次的生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

本文主要介紹了AOI的原理，優(yōu)點以及在SMT中的重要地位和各個工序中的應(yīng)用。但是AOI的研究是一個跨學(xué)科，富有挑戰(zhàn)性的綜合性課題，目前國內(nèi)的AOI識別理論還不完善，隨著SMT不斷向輕型化、微型化、微小化發(fā)展，AOI大規(guī)模使用已成必然趨勢，伴著市場規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)廠商的不斷增加，AOI技術(shù)將不斷發(fā)展和完善［13］。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文