PCB元器件自動光學(xué)檢測技術(shù)研究

文/黃璇

隨著電子設(shè)備的設(shè)計和制作技術(shù)的日益進步，印刷電路板（PCB）朝著高密度、多層數(shù)和高性能等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的PCB元器件的檢測主要通過人工目檢或功能測試來實現(xiàn)，但是這類方法已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)線上高速高精度的檢測要求。掌握電子產(chǎn)品信息，離不開對電子元器件的認識、檢查更新。怎樣認識和應(yīng)用電子元儀器，是一個需要了解的重要知識點。如果不了解直接集合在電路工作板上數(shù)量繁多的電子產(chǎn)品元器件設(shè)計，或者不熟悉電子技術(shù)道路中的各類集成化電路工作標準符號，就無法識圖與測試。掌握電子產(chǎn)品元器件設(shè)計結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)實際工作設(shè)計原理，以及了解電子產(chǎn)品元器件設(shè)計的主要特點，是分析集成化電路實際工作基礎(chǔ)原則的重要因素。

正確掌握電子產(chǎn)品元器件檢驗技術(shù)是電路故障檢測的關(guān)鍵要素，而電路故障檢測的最后一環(huán)就是確認元器件是否真的存在質(zhì)量，這就要求使用檢驗技術(shù)來實現(xiàn)。

一、PCB測試方法發(fā)展歷史

在PCB的制造過程中，蝕刻是最關(guān)鍵的一點，也就是用化學(xué)或藥物劑型侵蝕掉除設(shè)計電路之外剩余的銅。[1]該流程中，藥用量、環(huán)境條件氣溫、水流速和侵蝕時間因素威脅著生產(chǎn)的質(zhì)量，甚至造成諸如故障、開路、線寬缺損、殘余銅和針孔等問題。PCB一般用目視、電測量和AOI方式測量。

20世紀70年代之前，PCB測試大多通過對人眼加增強鏡，檢查運行速度慢，漏檢率高，同時會造成檢查人視力減退、危害健康等。[2]電測量的基本原理就是依據(jù)PCB線路圖的計算機數(shù)據(jù)，選擇一副針床裝夾和適當(dāng)?shù)木W(wǎng)點測量方式。測量時，工作人員將探頭壓到PCB表面的待測點，接著通電測量各個網(wǎng)點的開關(guān)通斷情況，并報告存在的短接與通斷缺陷。其局限性就是：這種方法只能檢出短接和通斷兩個缺陷，而缺口、針孔和殘余銅等其他缺陷都無法檢出；針床裝夾的生產(chǎn)成本過高，且小批量投產(chǎn)時不合格。電測量也受到了PCB向高密度、緊湊型化走向發(fā)展的影響。由于線路板的緊密程度日益提高，電力計量也要求進一步擴大檢測工作節(jié)點數(shù)，導(dǎo)致檢測程式和針床夾具生產(chǎn)的增加，而研制檢測程式和工裝夾具一般需數(shù)星期甚至一個多月時間，同時電計量出錯和重測頻次相應(yīng)增加。

二、PCB自動光學(xué)測試技術(shù)

（一)自動光學(xué)測試的工作原理

AOI是測量PCB表層圖像質(zhì)量（如表層瑕疵、斷線和短路現(xiàn)象)的設(shè)備，主要用于制造過程中成品質(zhì)量測量，是高精度單層打印板，特別是各種打印板工藝的關(guān)鍵技術(shù)。測試系統(tǒng)集光學(xué)感應(yīng)器、精準機械、識別測試算法與電子技術(shù)于一身，用功能或激光技術(shù)設(shè)備自動拍攝PCB，收集圖片后送與電腦處理，再與數(shù)據(jù)庫管理中的標準數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)PCB上的問題后，用自動顯示屏或自動標簽系統(tǒng)提示或標注問題，以供維護技師進行檢修。

（二)圖片采集獲取

圖片質(zhì)量是AOI的關(guān)鍵，所獲得圖片的品質(zhì)優(yōu)劣直接影響最后的測試效果。就所用的圖像采集元件分析來看，目前AOI主要包括：運用高精度線掃描CCD；采用激光技術(shù)做照明源，或應(yīng)用光電倍增管（PMT)當(dāng)作光電轉(zhuǎn)換器件以獲得圖像。信號的處理主要是把由光電設(shè)備（CCD或PMT)所發(fā)出的關(guān)于PCB數(shù)據(jù)的電信號，轉(zhuǎn)化為由電腦所能識別的二進制信息。先采用模/數(shù)變換法，將模擬信號轉(zhuǎn)化為灰階數(shù)字信號，再通過對PCB基材和銅的灰階數(shù)值差異的影響，產(chǎn)生二維灰度圖像；接著再采用閾值法，將超過規(guī)定灰度閾值的圖像轉(zhuǎn)化為灰（銅)圖像，等同或不足規(guī)定灰度閾值的圖像轉(zhuǎn)換成基材圖像。閾值按照材料的顏色選擇，通常為灰階值的60～110倍，最后得出基于PCB數(shù)據(jù)的二值化（0,1)結(jié)果。

（三)圖像處理方法

1.圖像特征提取

PCB對經(jīng)過變換后的二維圖像進行研究，以找到其中存在的問題。常用的分析方法有以下兩類。矢量分析法是一項圖像位置搜索技術(shù)，將八支射線沿著垂直、水平位置和對角線從中心向外計算，從影像圖上找到主要特征并將之分離，隨后再對它們做出測定，包括形狀、尺寸、視角和位置。但因為該方法方向性較大，且輻射之間的空隙往往是測量盲點，故遺漏未檢率較高，現(xiàn)已較少使用。[3]另一類是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分析法，其優(yōu)勢是：當(dāng)把圖形簡化至骨架形式時，可以大大減少圖形的信息量，對圖形特性的記錄更加穩(wěn)定安全且精確，使得新計算的發(fā)展也有了較大的彈性。

2.圖像處理算法

在PCB測試中，最常用的計算主要有以下四類。①數(shù)據(jù)分析類：對已錄入的數(shù)據(jù)分析信息經(jīng)過最終甄別，過濾較小的針孔和多余銅及不需要測量孔等。②特性測量類：對輸入數(shù)據(jù)信息實行特性抽取，錄入特性代號、長度和方位，并與規(guī)范數(shù)據(jù)信息相比對。③拓撲類：用來檢查添加或損失的特性。④孔和微小缺口類計算。

三、AOI測試系統(tǒng)

（一)常見的AOI測試系統(tǒng)

目前，AOI商品的重要供貨商有以色列的ORBOTECH公司和CAMTEK公司，日本的LIOYD DOYLE和SCREEN公司。下文將以O(shè)RBOTECH公司INSPIRE9060和V309 Blaser為例，闡述AOI控制系統(tǒng)的重要性能特征。INSPIRE9060是當(dāng)今世界上智能化程度較高的AOI系列，具有手動上板/下板的功能，通過彩色CCD像素，并利用形態(tài)學(xué)的計算方式來完成圖像解析數(shù)據(jù)處理，可測量很小路徑的長度/距離（約75納米)。

V309Blaser管理系統(tǒng)是利用激光技術(shù)來提取圖形的AOI管理系統(tǒng)，對大密度互連板HDI、細線路板和雷射鉆孔板等方面都具備了很大的測試能力，最小解析度為6.3納米，可測量的最小路徑長度/距離約為50納米。

（二)AOI的發(fā)展趨勢

1.在線測試

PCB制造商希望AOI可以直接和蝕刻版畫線連接，而無須人員上下板，因為AOI在線測試既可減少人力成本，也能提高質(zhì)量。

2.HDI板/激光鉆孔板測試

由于HDI板連線很細，而缺點則較為細微，因此AOI需要提高對微小瑕疵的測試能力。

3.超大板檢測

通信背板的設(shè)計要求向高、大板體（大于1270mm×762mm)方面進一步發(fā)展。雖然AOI能夠?qū)崿F(xiàn)目視檢查所無法完成的操作，但可靠性上仍有改進之處。該技術(shù)高度依靠電腦及圖像處理技術(shù)，若原始光學(xué)影像所提供的信號缺失，或是圖像處理算法缺乏有效運用，將造成錯誤。因此，高分辨率集成電路板的AOI工藝也將繼續(xù)開發(fā)。

四、AOI自動光學(xué)檢查在PCB電路板生產(chǎn)中的作用

AOI自動光學(xué)檢查可以使用相機和圖像處理軟件來工作并識別裝配錯誤，例如焊接短路、部件缺失或錯位以及部件斷開，都是用來為客戶提供高質(zhì)量電路板的工具。[4]

AOI自動光學(xué)檢查通過更復(fù)雜的PCB和更大的生產(chǎn)量，通過目測可以改善錯誤檢測。[5]AOI自動光學(xué)檢測機已被廣泛用于PCB制造中，其表面貼裝組件已小型化，能夠在PCB生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

（1)定位精度高。AOI自動光學(xué)檢測系統(tǒng)必須具有高亞像素精度，以保證系統(tǒng)具有足夠的準確度，從而測量能夠引發(fā)PCB缺陷的微小定位誤差。

（2)改善PCB質(zhì)量，降低成本。AOI自動化光學(xué)檢驗測試能夠大大提高PCB電路板的合格率，進而減少PCB成本。

（3)多個檢測對象。AOI自動化光學(xué)檢驗系統(tǒng)不但能夠很好地應(yīng)用PCB，而且能夠進行PCB裝配。針對PCB，它檢測短路、開路和焊料不足等問題。但是，針對PCB組裝過程，它也會檢測組件焊接質(zhì)量、極性和值等問題。

（4)可編程照明。在所有計算機視覺領(lǐng)域中，光照都需要達到完美的結(jié)果，這一步非常關(guān)鍵。考慮到材料加工條件的日益改變，很可能有一種能夠探測各種缺陷現(xiàn)象的光源。所以，確保動態(tài)光源設(shè)計對組件和PCB配置有最高的缺陷涵蓋率至關(guān)重要。因為減少了發(fā)光二極管的生產(chǎn)成本，AOI測試也能夠選擇在檢測程序中高度可自定義的發(fā)光陣列。同時，AOI測試能夠更加靈巧地提高像素的收縮率，也因此能夠更輕松地確定有多個角度的各種顏色的多種缺陷情況。因此，編程照明是最大程度地探測與檢測的重要軟件。

（5)具備網(wǎng)絡(luò)功能的軟件。任何AOI系統(tǒng)的關(guān)鍵功能就是數(shù)據(jù)獲取與搜索。數(shù)據(jù)可以是文字輸出、圖形集合、數(shù)據(jù)庫或多種格式的復(fù)合形式。收集信息是大多數(shù)AOI設(shè)備的基本功能。不過，檢索信息過程往往比較煩瑣，而且受制于設(shè)備生產(chǎn)線的設(shè)置。

（6)完善的彈性?；谛枨蠛蜕a(chǎn)成本能力，AOI能夠執(zhí)行整個生產(chǎn)流程的所有步驟。最好在回流焊后開展AOI測試的主要理由是，這些缺點都是焊縫工藝中錯誤的必然結(jié)果，也因此降低了相應(yīng)投入并提高了測試效率，并能夠及時調(diào)整生產(chǎn)或組裝參數(shù)，以便更好地生產(chǎn)后續(xù)產(chǎn)品。

五、結(jié)語

綜上所述，對于如何正確合理地測試元器件的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，就需要針對不同的元器件選擇不同的方式。因此，熟悉并掌握正確使用元器件的測試方式與經(jīng)驗是非常有必要的。