提升AOI檢測PCB效率的方法研究及應用

黃榮瓊

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518053）

1 前言

隨著PCB朝高多層發(fā)展，板件的面積越來越小，層數(shù)越來越高，而線條卻越來越細，孔環(huán)越來越小，圖形間距越來越密。這就要求圖形質(zhì)量越來越高。PCB行業(yè)在制程中廣泛應用AOI（Automatic Optic Inspection）設備進行檢測。AOI主要用于偵測PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）在各個生產(chǎn)工序中存在的缺陷，如缺口、突銅、短路、斷路、殘銅、針孔、線寬線距不足等問題，是保證PCB質(zhì)量及及時發(fā)現(xiàn)前制程存在問題的重要階段。但是產(chǎn)品種類變化和使用方法不同卻會產(chǎn)生很大的效率差異，主要表現(xiàn)為掃描產(chǎn)生大量假缺陷，尤其是經(jīng)過圖形電鍍、掩孔電鍍工藝加工后的PCB板或其他特殊材料板檢測產(chǎn)生成千上萬個假缺陷甚至更多，一個缺陷驗證時間大致耗時一秒鐘，一塊PCB板檢測耗時2～3小時或者更長時間，顯然不適合量產(chǎn)。國內(nèi)PCB行業(yè)長期依賴國外設備供應商進行調(diào)試設備以滿足產(chǎn)品變化的要求,但國外設備供應商未能及時響應客戶要求研究和開發(fā)設備以滿足客戶產(chǎn)品變化和快速交付的要求。高端PCB生產(chǎn)廠家自主研究和探索提升AOI檢測效率的方法顯得尤為重要和關鍵。

2 AOI與工作流程

2.1 AOI圖形檢測

AOI系統(tǒng)分析并處理PCB CAM 文件中的標準圖象信息，控制設備的光學成像部件將PCB板實物，通過光學掃描的方式在計算機內(nèi)部產(chǎn)生實物的掃描圖象，并將標準圖象與實物掃描圖象通過各種對比邏輯算法進行分析判斷分類和過濾，最終將實物PCB板的各種缺陷信息數(shù)據(jù)回饋給用戶。

2.2 AOI工作流程

料號資料傳送到AOI之后的工作流程都分成兩個階段——設定和使用，其中有五個步驟：

從流程很容易看到，料號選擇、板層設定、對位、掃描，一系列過程都在計算機里完成，不同品牌AOI設備計算機處理部分工作時間有些差異,但驗證階段則不同，設備必須逐一找到掃描出來的缺陷讓操作員工目檢判斷并確認缺陷為真還是假，假缺陷越多驗證時間就越多，可見提升AOI設備檢測效率關鍵在于減少假缺陷。下面以品牌CAMTEK AOI 為例 。

3 AOI檢測原理

CAM圖象和資料處理過程主要是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，全部由軟件按固定模式進行，不作介紹。

3.1 AOI掃描圖象及影象處理

3.1.1 掃描原理

被檢測物品固定在工作臺面上，光源照射物品表面產(chǎn)生光反射，移動工作臺面，光學部件接收不同位置的反射光，反射光的強弱由CCD感應出模擬電信號的變化，模擬電信號根據(jù)大小變化轉(zhuǎn)換出對應數(shù)字信號的“0和1”。見圖1。

（1）掃描圖像特點。

①象素的大小決定影像的質(zhì)量；

②銅為白色，在二進制中用1表示，基材為黑色，在二進制中用0表示；

③解析度（分辨率）：通常以一英吋有多少象素(點)來表示。單位為dpi：dots per inch。

（2）分辨率(解析度)大小設定特點。

分辨率與掃描時間關系：

式中：t——CCD掃描時間；

s——掃描物體面積；

a——掃描解析度；

f——CCD采樣頻率；

w——CCD像素。

可見，分辨率愈高，影像愈細致(準確),但同時，需要更多的處理時間，影響細微缺點的檢測，影響線寬及間距的測量精度，影響產(chǎn)出量

3.1.2 AOI圖象攝取原理示意圖（見圖2）

影象攝取組件介紹：

Illumination –光源系統(tǒng)（鹵素燈泡，光纖及反光鏡等） 、保證有足夠的光強從PCB反射到CCD；

表1

Lens——鏡頭、保證最佳的光學射到CCD；

Color Filter——過濾鏡、保證不同材質(zhì)的PCB反射到CCD的光對比最佳；

Video——攝像頭、顯示清晰的缺點實際圖像；

CCD & A2D——光電耦合器（Charge Couple Device）和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

線性CCD是由數(shù)千個發(fā)光二極管和MOS電容（金屬氧化物半導體電容）組合在一起的單元組成照射在CCD上的光強不同，發(fā)光二極管產(chǎn)生電勢變化，形成電流，完成光電轉(zhuǎn)換，完成模擬信號（Analog）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號（Digital）。

3.1.3 圖象二值化，又稱灰度(Grey Level)

光的強度用8位二進制數(shù)字表示，即反映光強弱的區(qū)分度為：28=256，反射光強最大為255，最弱為0。示意圖件圖3。

在實際生產(chǎn)中，銅面的反光并不是255，而是在某一區(qū)域內(nèi)（90-180），同時基材的反光也不是全為0，也是在某一區(qū)域內(nèi)（5-40）。

3.1.4 臨界值（Threshold），簡稱TH值

界于0～255之間的數(shù)值，并用此數(shù)值劃分銅與基材的影像，大于此臨界值即為銅，小于此臨界值即為基材。特點：

（1）低臨界值將使用的白色像素增加，從而導致線條加寬；

（2）高臨界值將使用的黑色像素增加，使線寬減少，間距加寬；

（3）影響臨界值的幾個因素：校正點的位置、光源強度、光的種類、CCD對焦的質(zhì)量及板面質(zhì)量。

3.1.5 ADC（Adaptive Dynamic Calibration PerLayer，Lot or Job）

（1）自動設定TH值，增強影象黑白對比度，更好地區(qū)分銅箔與基材；

（2）TH值實時更新。

3.2 AOI圖象變換

被測板通過CCD掃描圖像，鏡頭所拍攝到的灰度圖，經(jīng)過基材、臨界值、銅面三個灰界值判斷所得到的數(shù)字信息處理得到黑白圖像，最終生成清晰銅面與基材圖像。

3.3 AOI邏輯(Algorithms)

3.3.1 概念

在CAD影象與掃描影象比較的基礎上，采用邏輯分析及點陣比較的方法來偵測缺陷。AOI普遍應用三重偵測邏輯，即Feature.DRC.CMTS（MIC）三個群組；三重檢測邏輯特點：

（1）在檢查影像（256階的灰階影像）上使用不同的TH值，以強調(diào)不同類型的缺點。

（2）每一組包含數(shù)種算法，以對應偵查不同類型的缺點。

（3）每一種偵測邏輯，使用不同的TH值將灰階圖轉(zhuǎn)換為黑白圖。

3.3.2 特征點檢查 (Feature)

（1）用于偵測開路，短路，尺寸不符及其他缺陷；

（2）主要邏輯參數(shù)有： L、T、Y、H。

3.3.3 設計規(guī)范檢查(Design Rule Check)

（1）用于偵測最小線寬間距，微短和開路；

（2）其它缺陷：缺口，針孔，余銅，線邊粗糙度及凹痕。

3.3.4 MIC(Morphologic Image Compariso)

（1）偵測不規(guī)則形狀的缺陷，特別是比較大的缺陷；

（2）檢測SMT的完整性，完整的開短路；

（3）其它特殊缺陷的偵測及整板性位移與位偏。

4 提升AOI檢測效率的方法介紹

利用設備軟件調(diào)整和設置參數(shù)，減少AOI檢測假缺陷。

4.1 臨界線機理調(diào)整

任何缺陷的檢測，前提是得到缺陷的掃描圖象。在檢查影像（256階的灰階影像）上使用不同的TH值，以強調(diào)不同類型的缺點。臨界值的共同之處，降低臨界值，圖象白色象素（即銅）變多，黑色象素（即基材）變少；線寬變寬，線距變窄；升高臨界值，圖象黑色象素（即基材）變多，白色象素（即銅）變少；線寬變細，線距變寬。

臨界線的分類：

（1）Min Thresholds。

應為20至40之間用于調(diào)節(jié)基材的敏感度（即找基材上的缺陷，例：微短，銅渣，突銅），數(shù)值越小時，其對基材之敏感度越高。所以在可能的情況下，應把此值盡量降低。 可以增強對微短的檢測能力。

（2）Threshold。

一般在40 至 50 之間此值主要應用于檢測大缺陷。

（3）Max。

一般在40至70之間用于調(diào)節(jié)銅的敏感度（即找銅上的缺陷，例：缺口，針孔，微開路），降低此值可減低對氧化的敏感度。 但是亦影響對細小缺口之敏感度。因此，在可以的情況下應把此值盡量設大。

4.2 運用重新定義對位區(qū)塊及CMTS參數(shù)設定

AOI設備普遍采用單分界值，即銅面與基材的灰度分界值只有一個，對位區(qū)塊的板面灰度信息能否較好代表整個板件的灰度分界值，將直接影響到掃描假缺陷點數(shù)。具體方法如下：Redefine（重新定義）點擊后，將打開“數(shù)據(jù)重新定義”屏幕，包含兩個標簽頁--“定位”和“前置處理”（如圖1和2所示），同時，顯示區(qū)域切換到板層視圖。

（1）Registration（定位）：

定義、修改及刪除對位區(qū)塊一般選取4～5個對位區(qū)塊，對位區(qū)塊的選取有兩個要求：第一，需選取半銅半基材、線路特征較明顯的框格；第二，對位區(qū)塊要盡量在四個角，范圍大一點對板偏較敏感。

Add——增加，使用光標選中某框格，再單擊此按鈕，可添加一個對位區(qū)塊。

Auto——自動，點擊此按鈕，系統(tǒng)自動生成四個對位區(qū)塊。

Delete——刪除，使用光標選中某對位區(qū)塊，再單擊此按鈕，可刪除該對位區(qū)塊。

Delete All——刪除全部，點擊此按鈕，刪除所有已定義的對位區(qū)塊。

（2）Pre-Processing（前置處理）：

設定形態(tài)演算法的敏感度，常用CMTS，一種通過依圖形的輪廓在銅和基材上分別產(chǎn)生的感應器來感應缺陷的方法

①MIC（形態(tài)演算法），選中此多選框，表示啟用MIC進行邏輯比較。MIC邏輯對于一些大缺陷（如整條線路漏失）的偵測具有一定的保障，因此，請務必勾選此多選框。

Type（類型）——選擇MIC的類型，包含CMTSLOW、CMTS-HIGH、CMTS-DRC等。一般情況請選CMTS-HIGH。

Sensitivity（敏感度）——設定掃描圖像與參考圖像比較可容許的偏差像素個數(shù)，此值越大，敏感度越低，偵測能力越弱，通常值在2～5之間。

②Data Processor（數(shù)據(jù)處理器）

Auto（自動）——用于內(nèi)層板或沒有偏孔的外層板。

Ignore drill's annular rill（忽略偏孔）——用于有大量偏孔的外層板，減少偏孔報點數(shù)。

Auto Find Cross Shield（自動查找十字屏蔽）——CMTS不作用于網(wǎng)格區(qū)，此選項現(xiàn)已不用。

Auto Find P&G Area（自動查找P&G區(qū)域）——CMTS不作用于地電層區(qū)域，此選項現(xiàn)已不用。

Corners Sensitivity（尖角敏感度）——控制長尖角區(qū)域CMTS敏感度，白色代表銅的尖角，黑色代表基材的尖角。“0”最敏感，如長尖角報假點，可把值調(diào)高。

Edge Sensitivity White（銅面邊緣敏感度）——控制銅面上感應器到圖形邊緣的距離，此值越大，敏感度越低，偵測能力越弱。一般選建議值，內(nèi)層用標有“Inner Layers”的值，外層用標有“Outer Layers”的值。

Edge Sensitivity Black（基材邊緣敏感度）——控制基材上感應器到圖形邊緣的距離，用法同上。

Big Areas(大區(qū)域)——控制大區(qū)域的檢測，選項如下。

Ignore（忽略）：忽略大區(qū)域，只檢測銅和基材上的邊緣缺陷。

Find All on Copper（銅上所有缺陷）：檢測銅上所有缺陷和基材上的邊緣缺陷。

Find All on Laminate（基材上所有缺陷）：檢測銅上邊緣和基材上的所有缺陷。

Find All Defect（所有缺陷）：檢測銅和基材上所有缺陷。

一般選Ignore（忽略），只用CMTS檢邊緣缺陷，已可足夠檢測開路及短路，大區(qū)域缺陷由其他邏輯檢測，否則，過于敏感會造成假點的困擾。

Final Inspection（最終檢測）——此選項已不用。

如您是管理者用戶，了解CMTS工作原理，可對外層板鉆孔區(qū)域檢測作高級設置，點擊 “Advanced（高級）”按鈕，出現(xiàn)圖8 所示界面。

Drill（鉆孔）

Missing Drill Only（只檢測漏鉆）——只啟用鉆孔內(nèi)的感應器，只找漏鉆，孔環(huán)不檢測，很少使用。

Scan Center（掃描中心）——鉆孔內(nèi)啟用環(huán)形感應器，可檢測漏鉆、孔變小及孔內(nèi)凸銅，但對偏孔比較敏感。

Center Dot（中心點）——鉆孔內(nèi)啟用點感應器，只檢查鉆孔中心點是否存在，只找漏鉆，是常用方式。

Ignore（忽略）——鉆孔內(nèi)不啟用CMTS 。

Annual Ring（鉆孔環(huán)）。

Find All（找出全部）——鉆孔環(huán)內(nèi)啟用環(huán)形感應器，可找環(huán)上開路，比較敏感。

Neck Only（只檢查頸部）——只在鉆孔環(huán)的頸部啟用感應器，可降低偏孔的敏感度，常用方式。

Ignore（忽略）——鉆孔環(huán)內(nèi)不啟用CMTS，常用方式 。

其他參數(shù)幾乎不用，不作贅述。

4.3 板材和板面反光強度分類設置參數(shù)文件

4.3.1 光學反射基本理論

（1）麥克斯韋電磁理論

式中，V——電磁波在固體中的傳播速度；

er——材料極化特性的相對介電常數(shù)；

mr——磁化特性相對磁導率；

C——真空中的光速。

該式中反映了材料的性質(zhì)對光傳播的影響，對于非磁性材料，mr=1。

（2）折射率定義：光在真空中的相速度與光在介質(zhì)中的相速度之比值。即n=c/v。

（3）由折射率定義得出麥克斯韋關系式：

式中，n——折射率。

該式中反映了光的折射率和材料的介電常數(shù)的關系。

（4）反射率定義：單位時間內(nèi)從界面單位面積上反射光所帶走的能量與入射光入射的能量之比。能量之比等于光強之比，R稱為光反射率。

（5）光透射率定義：用入射光通量與透過后的光通量之比，通常τ來表征物體的透光性質(zhì)，t稱為光透射率

（6）反射率和透射率的變化規(guī)律，當光束正入射時，由克勞修斯-莫索蒂方程推論簡化關系式：

可見，反射率和透射率是由兩種介質(zhì)的折射率決定的，如果n1和n2相差很大，那么界面反射損失就嚴重。這意味著在光學系統(tǒng)中，當折射率增大時，反射損失增大。

（7）亮度和照度之間的關系,其關系為：

式中，L為亮度，即從一個表面反射出來的光通量，指一個表面的明亮程度；

R——反射率；

E——照度，照在平面上的光的總量來度量光的強度；

特點：①不同物體對光有不同的反射率，單位面積上所能反射的光的多寡與分布形式，則取決于該材料表面的性質(zhì)；②相同物體,提升照度也可以提升亮度。

4.3.2 光學文件設置

每個材料都有自己的反光特性，材料選擇實質(zhì)上是光的選擇，直接關系到掃描結(jié)果，包含“檢測材料”和“反射率”兩個參數(shù)。兩個參數(shù)是對光的強度、焦距、光圈過濾的設置，具體如何組合選取，則須根據(jù)客戶板材分類調(diào)試并驗證為最佳參數(shù)。

（1） nspected Material（檢測材料）：根據(jù)客戶待測板材質(zhì)預先定義的。

常設的選項有：

Copper Epoxy Inner——適用于掃描內(nèi)層銅面板

Copper Epoxy Outer——適用于掃描外層銅面板

Artwork——適用于掃描底片

Photo-resist——適用于掃描干膜板

（2）Reflectance（反射率）：是對客戶所用板料進行校正時所設置的參數(shù)。

常設的選項有：

Low——板面反射光較弱

Normal——板面反射光正常

High——板面反射光較強

Extra High——板面反射光非常高

（3）特殊板件單獨建立光學文件以提高檢測效率。

5 改善光學系統(tǒng)來提升檢測效率

從以上方法分析可見，提升效率的前提是獲得高清晰的掃描影像（Imagine），只有高清晰影象才有灰度調(diào)整和檢測參數(shù)配合減少假缺陷的可能；材料變化直接影響掃描影象質(zhì)量，PCB線路進一步向更細更密、更低對比度發(fā)展，對AOI設備光學系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。世界AOI品牌廠家如Orbotech、 Camtek,不斷改進的光學和先進的檢測組件，符合業(yè)界的最高標準，但是高產(chǎn)能情況下對低對比度比材料與光亮材料的檢測難于滿足生產(chǎn)要求。圖形電鍍亮板和全板電鍍暗板掃描產(chǎn)生大量假缺陷。

5.1 圖形電鍍板和全板電鍍板特點

（1）圖形電鍍亮板和掩孔暗板材料如圖9、圖10：

（2）圖電亮板和掩孔暗板影象如圖11、圖12。

（3）圖形電鍍亮板金相分析，如圖13。

從以上兩種材料特點可見：圖形電鍍板面極其光亮，從金相顯微鏡下觀察到銅面表面很多突起銅晶粒；而全板電鍍板則銅面昏暗和基材區(qū)分度不明顯。AOI掃描報大量假缺陷，無法應用量產(chǎn)。

5.2 光學效果與影象關系

板件的差異決定了這種類型板無法直接掃描，光學調(diào)試成為解決問題的關鍵。

光學特點介紹：

（1）直射光：由于受光面與陰影面之間有一定的明暗反差，比較容易表現(xiàn)出被攝者的立體形態(tài)。

（2）散射光：不會形成明顯的受光面和陰影面，也沒有明顯的投影，光線效果比較平淡柔和。

（3）影象質(zhì)量的好壞決定于對焦、光學強度和光圈。

5.3 光學系統(tǒng)改善

5.3.1 加裝濾光膜

光學系統(tǒng)出射部位加裝濾光膜（透光率90%以上），目的是將直射光經(jīng)過薄膜產(chǎn)生散射，散射光照到圖電板上減少銅晶粒強反射光干擾，光學示意圖如14所示。

5.3.2 直射光與斜射光特點比較（見表2）

5.3.3 調(diào)整燈光位置

加濾光膜后因膜本身對直射光變成散射光的同時也吸收部分光強，因此調(diào)整燈光位置,增強光源入射強度，以補償部分損失光強，示意圖如圖15：

5.4 分類設置圖形電鍍板和全板電鍍板光學參數(shù)文件

5.4.1 光學參數(shù)文件Light調(diào)試和參數(shù)設置

（1）文件主要包含：掃描控制信息、解析度、光學鏡頭位置運動以及燈光照射強度控制參數(shù)。

（2）照射光強和鏡頭通光大小是影響獲取圖像質(zhì)量的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應用效果。由于測量對象的差異性，針對每個特定的應用實例，要選擇相應的參數(shù)，以達到最佳效果。全板電鍍暗板采用加強光強照射以激發(fā)表面反射光強度,促使銅面和基材對比度放大。

表2

（3）根據(jù)板件差異，在設備上調(diào)試和探索，以文件方式儲存，使用時按照參數(shù)名稱選擇對應，參數(shù)名稱如下。

光源參數(shù)：WHITE (白光)，反射光參數(shù)：BRIGHT（圖形電鍍亮板），NORMAL（普通板），DARK（全板電鍍暗板）。

5.4.2 光學參數(shù)文件（見圖16）

5.5 光學系統(tǒng)改善后效果

5.5.1 取消磨板流程

圖形電鍍亮板和全板電鍍暗板可以直接在改造后設備上檢測。

5.5.2 設備改造前后檢測效果數(shù)據(jù)比較

（1）圖形電鍍板檢測改善后比改善前效率提升200%；

（2）全板電鍍暗板改善后比改善前檢測效率提升100%；

（3）普通板改善后比改善前檢測效率提升50%；

（4）特殊材料板件適應種類提升3種。

6 結(jié)語

（1）分析AOI檢測原理，從影象質(zhì)量影響灰度臨界值入手，研究提升檢測效率的有效方法和應用該方法進行技術改進設備，以滿足客戶產(chǎn)品種類變化和快速交付的檢測要求，對圖形電鍍亮板和全板電鍍暗板檢測取得顯著效果。

（2）各種材料的光學性質(zhì)差異很大,隨著半導體科技的發(fā)展，人類對于材料的需求，也愈來愈嚴苛，掌握和開發(fā)AOI應用技術不斷滿足新產(chǎn)品的檢測要求。

（3）探索和調(diào)試實踐過程加深了AOI設備應用深度，為國內(nèi)應用高端AOI提供幫助，擺脫國外設備廠商的技術保護壁壘；也為開發(fā)民族AOI設備提供指導方向。

參考資料

[1]Discovery Basic Training. Orbotech,co.ltd.

[2]AOI系統(tǒng)操作手冊. Camtek,co.ltd.

[3]Dragon AOI Advance Training. Camtek,co.ltd.

[4]梁柱. 光學原理教程[M]. 北京航空航天大學出版社.

[5]姚啟鈞. 光學教程(第4版)[M]. 高等教育出版社.