探析基于圖像處理的PCB缺陷檢測(cè)技術(shù)及其重要性

摘要：PCB（印刷電路板）作為各類電子產(chǎn)品的重要組成部分，隨著電子產(chǎn)品生產(chǎn)、應(yīng)用數(shù)量及性能水平的不斷提高，PCB也逐漸向復(fù)雜、小巧、精密的方向發(fā)展，鑒于其質(zhì)量水平對(duì)于電子產(chǎn)品質(zhì)量的影響，有必要在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)PCB進(jìn)行缺陷檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)精度高、快速的PCB缺陷檢測(cè)，筆者對(duì)基于圖像處理的PCB缺陷檢測(cè)技術(shù)及其重要性進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：圖像處理 PCB板 缺陷檢測(cè) 重要性

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0064-02

前言

隨著手機(jī)、計(jì)算機(jī)等精密電子設(shè)備的普及，在人們的日常生活中，電子產(chǎn)品的種類及數(shù)量越來(lái)越多。印刷電路板（PCB）作為電子產(chǎn)品主要部件和集成各類電子元器件的重要載體，隨著應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，也逐漸向高精度、高性能、復(fù)雜度方向發(fā)展，PCB產(chǎn)品的體積也越來(lái)越小，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，PCB的制作工序非常繁瑣，每一道工序都可能造成PCB缺陷進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。這就對(duì)PCB缺陷檢測(cè)工作質(zhì)量提出了更高的要求，在傳統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程中，主要是依賴于人工目測(cè)等方法，效率低下、且檢測(cè)精確度低，在PCB復(fù)雜程度及數(shù)量提高的情況下，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法滿足日益提高的應(yīng)用需求。下面我們將對(duì)基于圖像處理的PCB缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)其重要性進(jìn)行探討。

1 基于圖像處理缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)PCB缺陷類型、特征，及缺陷檢測(cè)的相關(guān)要求，所設(shè)計(jì)的圖像處理缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1 硬件系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)圖1的分析，我們可以了解到硬件系統(tǒng)主要是由四部分組成：

（1）光照單元。主要任務(wù)是產(chǎn)生合適的照明及準(zhǔn)確的物象位置關(guān)系，使得采集到的圖像有足夠的對(duì)比度、清晰度；光照單元設(shè)計(jì)是否合理將直接影響圖像采集質(zhì)量及整個(gè)系統(tǒng)的精度水平，所以結(jié)合應(yīng)用需求及經(jīng)濟(jì)性等因素，目前光照單元主要是采用LED作為光源。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)于照明方式的設(shè)計(jì)要求，為了防止陰影的產(chǎn)生，并將光線最大限度地集中在中央位置，照明方式一般是選取環(huán)形照明。（2）圖像采集單元。它的任務(wù)是將需要檢測(cè)的PCB圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息并上傳到計(jì)算機(jī)。這一單元主要是由攝像機(jī)和圖像采集卡組成，其中攝像機(jī)作為圖像的直接采集設(shè)備，其性能直接影響采集到圖像的分辨率、精確度，同時(shí)也影響著最終的缺陷檢測(cè)結(jié)果。為此在選擇攝像機(jī)時(shí)要充分考慮檢測(cè)系統(tǒng)要求的精確度，在考慮性價(jià)比的同時(shí)選擇精度最高、最清晰的攝像機(jī)。圖像采集卡作為將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的重要設(shè)備，其轉(zhuǎn)化質(zhì)量直接影響數(shù)字信息的準(zhǔn)確與否，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要與選用的攝像機(jī)兼容，再結(jié)合圖像存儲(chǔ)等因素綜合的選擇滿足應(yīng)用需求的圖像采集卡。（3）運(yùn)動(dòng)控制單元。它的任務(wù)是移動(dòng)PCB，保證圖像能夠采集全面、完整。（4）計(jì)算機(jī)。它的任務(wù)是運(yùn)行圖像處理軟件，這些軟件是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，利用圖像處理算法對(duì)待測(cè)PCB圖像進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)存在缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

1.2 軟件系統(tǒng)

在缺陷檢測(cè)系統(tǒng)中，硬件只是將圖片信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，重要的圖像處理都需要軟件系統(tǒng)來(lái)完成。軟件系統(tǒng)根據(jù)其具體實(shí)現(xiàn)的功能可細(xì)分為系統(tǒng)自檢初始化、運(yùn)動(dòng)采集控制和待測(cè)圖采集、缺陷檢測(cè)、缺陷識(shí)別、標(biāo)記、分析等幾個(gè)模塊，其中缺陷檢測(cè)和缺陷分析最為關(guān)鍵。[1]

2 系統(tǒng)工作流程及相關(guān)檢測(cè)原理

通過(guò)結(jié)合缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)及其可實(shí)現(xiàn)功能，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程大體可以概括為：首先是攝像機(jī)在可靠光照條件下拍攝待測(cè)PCB板面圖像；然后由圖像采集卡將板面圖像模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至計(jì)算機(jī)圖像處理單元；圖像處理單元對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和二值化后發(fā)送至缺陷檢測(cè)識(shí)別模塊，利用系統(tǒng)內(nèi)設(shè)算法對(duì)缺陷特征進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合系統(tǒng)預(yù)設(shè)的容許度、限制條件輸出檢測(cè)結(jié)果，最后將缺陷位置及相關(guān)的分析情況反饋給檢測(cè)系統(tǒng)操作人員。

在整個(gè)缺陷檢測(cè)過(guò)程中，最重要的工作都是依賴軟件系統(tǒng)來(lái)完成的，圖像預(yù)處理、缺陷檢測(cè)、缺陷分析這三個(gè)環(huán)節(jié)直接影響著檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與否，下面對(duì)這三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析：

2.1 圖像預(yù)處理

圖像采集單元采集到的PCB圖像數(shù)據(jù)由于分辨率高、精確度高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)非常大，當(dāng)需要檢測(cè)的PCB數(shù)量大時(shí)，大量的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的圖像處理效率，同時(shí)在缺陷檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)際只需要應(yīng)用到一部分有用信息。為了提高處理效率就有必要對(duì)原始圖像信息進(jìn)行預(yù)處理，主要是對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)、去噪、分割、邊緣提取等操作，通過(guò)這些處理能夠最大限度的減少圖像信息中的無(wú)用信息，增強(qiáng)有用信息的特征辨識(shí)度，進(jìn)而提高缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確度。[2]

2.2 缺陷檢測(cè)

目前對(duì)PCB進(jìn)行缺陷檢測(cè)的方法主要有參考法和非參考法兩種，其中參考法是將標(biāo)準(zhǔn)圖像與待測(cè)圖像進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)缺陷，這種方法效率高，但是對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件配置要求較高；非參考法則是根據(jù)PCB板的設(shè)計(jì)要求，直接對(duì)其是否存在缺陷進(jìn)行檢測(cè)，這種方法對(duì)于軟件系統(tǒng)的要求較高。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，兩種方法能夠滿足不同的應(yīng)用需求，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在PCB缺陷檢測(cè)過(guò)程中，具體的檢測(cè)內(nèi)容包括影響線路導(dǎo)通性能的短路、斷路、毛刺、缺損、空洞以及元器件貼錯(cuò)、缺件、引腳脫焊等。

2.2.1 影響線路導(dǎo)通性能的缺陷檢測(cè)原理

對(duì)于影響線路導(dǎo)通性能的幾個(gè)缺陷類型，在對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可采用形態(tài)學(xué)和圖像比較相結(jié)合的方法進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于短路、斷路、毛刺、缺損、空洞缺陷，都可以通過(guò)基于對(duì)象本身光滑性的局部幾何圖像來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.2 引腳脫焊的檢測(cè)原理

雖然芯片引腳的大小、形狀基本一致，但是當(dāng)引腳脫焊時(shí)，其顏色與正常情況下的引腳顏色必然存在差異，根據(jù)這一特點(diǎn)，在缺陷檢測(cè)時(shí)我們以待測(cè)芯片引腳顏色為特征對(duì)其是否存在缺陷進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，為了便于缺陷特征的辨識(shí)，可選用HIS顏色模型提取引腳顏色特征，正常的引腳為白色，脫焊引腳為金黃色。

2.2.3 芯片極性錯(cuò)誤的檢測(cè)原理

由于很多芯片兩邊的引腳數(shù)量、形狀一致，當(dāng)在PCB貼反時(shí)難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為了更好的區(qū)分極性，芯片生產(chǎn)廠商在芯片的一個(gè)直角邊打小圓孔來(lái)區(qū)分極性?；趫D像處理的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)芯片極性錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就是對(duì)這一小圓孔位置是否與標(biāo)準(zhǔn)圖像一致來(lái)進(jìn)行比較。目前檢測(cè)算法主要是基于快速Hough變換檢測(cè)圓算法，計(jì)算出待測(cè)芯片極性圓的圓心坐標(biāo)，再與標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行比較，如果差別較大，則代表芯片極性存在錯(cuò)誤。

2.2.4 電阻標(biāo)稱值缺陷的檢測(cè)原理

電路板裝設(shè)的電阻，在正面印有其標(biāo)稱值，在裝設(shè)過(guò)程中，如果電阻大小、形狀一致很容易出現(xiàn)裝設(shè)錯(cuò)誤，而基于圖像處理的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)這類缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)待測(cè)PCB上電阻正面印刷的標(biāo)稱值進(jìn)行采集，與正確的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，來(lái)確定是否存在缺陷。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)標(biāo)稱值的識(shí)別主要是基于模板匹配法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法，后者的容錯(cuò)率、魯棒性更高，實(shí)用性更強(qiáng)，能夠滿足未來(lái)不斷提高的應(yīng)用需求。[3]

2.3 缺陷分析

在完成缺陷檢測(cè)后，為了便于對(duì)PCB存在缺陷進(jìn)一步處理及質(zhì)量評(píng)估，有必要對(duì)缺陷進(jìn)行標(biāo)記和特征統(tǒng)計(jì)。利用標(biāo)記法獲得缺陷的面積、周長(zhǎng)、數(shù)量等信息，再綜合多個(gè)缺陷特征，采用不同標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)各缺陷目標(biāo)的種類、面積、周長(zhǎng)等特征，進(jìn)而對(duì)PCB質(zhì)量進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

3 缺陷檢測(cè)的重要性

目前我國(guó)已成為全球最大的PCB生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)于電子產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量的需求也非常巨大，鑒于PCB質(zhì)量對(duì)于電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要意義，在PCB生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行基于圖形技術(shù)的缺陷檢測(cè)其重要性主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

3.1 提高合格率，提高盈利水平

由于PCB層數(shù)及復(fù)雜程度的提升，如果在最后的檢測(cè)過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)中間環(huán)節(jié)造成的缺陷，將會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，而通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中密切結(jié)合基于圖形技術(shù)的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，保證整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量合格。這樣能夠有效的提高產(chǎn)品合格率，減少返修量，進(jìn)而提高盈利水平。

3.2 提高PCB質(zhì)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

精確可靠的檢測(cè)技術(shù)，將會(huì)推動(dòng)PCB向更精密、更復(fù)雜、更小巧這一方向發(fā)展，這將縮小國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品間的差距，在不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，也將提高其在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3 提高工作效率，降低檢測(cè)成本

在傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)工作中，需要大量依賴人工操作，效率低下的同時(shí)，也需要消耗大量的人工，而通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用基于圖形技術(shù)的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，就只需要一個(gè)人在計(jì)算機(jī)操作、控制就能完成一個(gè)工序的缺陷檢測(cè)，大大的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了人力成本。

3.4 推動(dòng)國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高整體生產(chǎn)水平

PCB作為電子產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)，其檢測(cè)技術(shù)的提高，將會(huì)使電子產(chǎn)品的性能得到更好的保證，進(jìn)而使國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電子產(chǎn)品在質(zhì)量、性能上得到有效的提高，在推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)積極發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)創(chuàng)造更大的社會(huì)價(jià)值。在汽車、軍事、航天等領(lǐng)域，對(duì)于PCB的要求更高，通過(guò)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，能夠使國(guó)內(nèi)產(chǎn)品滿足應(yīng)用需求，擺脫對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴。[4]

4 結(jié)語(yǔ)

我們只是對(duì)當(dāng)前PCB生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用到的基于圖像處理的缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，了解其工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并探討其重要性。由于國(guó)內(nèi)關(guān)于這項(xiàng)缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究相對(duì)較晚，技術(shù)水平與進(jìn)口產(chǎn)品還存在一定的差距，而進(jìn)口產(chǎn)品高昂的價(jià)格又限制了這項(xiàng)技術(shù)的大范圍推廣，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)PCB生產(chǎn)及電子產(chǎn)業(yè)的做大做強(qiáng)，所以在以后的學(xué)習(xí)工作中，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基于圖像處理缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究力度，最終研發(fā)出成本低廉、精確度高的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李正明，黎宏，孫俊.基于數(shù)字圖像處理的印刷電板缺陷檢測(cè)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，（08）：87.

[2]呂文杰.基于機(jī)器視覺(jué)的PCB缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[C].浙江理工大學(xué)：2016-7-16.

[3]朱萍.基于AOI技術(shù)的PCB常見(jiàn)質(zhì)量缺陷檢測(cè)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2016，（16）：114.

[4]謝煜.PCB光學(xué)特性對(duì)PCB光電外觀檢查機(jī)性能的影響機(jī)理[C].電子科技大學(xué).2014-5-13.

收稿日期：2016-09-06

作者簡(jiǎn)介：陳殊（1973—），男，漢，廣東龍川人，本科，研究方向：電子技術(shù)。