AOI 設(shè)備檢驗原理與檢測技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展前景分析

樊成，朱忠發(fā)，王彬，黃助兵，李健，張登山

（合肥京東方顯示技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230012）

1 AOI 設(shè)備檢驗原理

主要利用線陣電荷耦合器件(通常以數(shù)碼相機的形式)快速獲取圖像，從線陣印制電路板表面高速捕捉圖像，同時進行對比分析，找出印制板生產(chǎn)過程中的缺陷，并針對這些缺陷及時進行處理，從而大大改善過去依靠人眼或靜態(tài)光學(xué)儀器進行質(zhì)量控制的方式；光學(xué)檢測的應(yīng)用范圍從高科技產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、制造質(zhì)量控制，到國防、民生、醫(yī)療、環(huán)保、電力，以及其他領(lǐng)域。自動光學(xué)檢測是工業(yè)過程中常用的質(zhì)量控制和監(jiān)測方法，利用光學(xué)儀器獲取成品表面狀態(tài)，然后通過計算機圖像處理技術(shù)檢測出5 種異物或設(shè)計異常等缺陷，由于是接觸式檢測，所以它處于半成品的工程檢查階段，為以后的層疊組裝質(zhì)量提供了保證，自動光學(xué)檢測可以應(yīng)用于各級電路板的檢測，為整體生產(chǎn)質(zhì)量的提高和最終合格率的控制提供了有力的保證，從而提高了電子產(chǎn)品和各種電子設(shè)備的成品率。

自動光學(xué)設(shè)備在印刷電路板行業(yè)中的應(yīng)用主要是使用光學(xué)線陣相機來快速獲取光學(xué)圖像。對比分析或相關(guān)的數(shù)字控制使報告獲得圖像和標準圖像樣本模型的故障缺點位置坐標，通過連接高倍率攝像機進行及時判斷，這種設(shè)備可以幫助廠家在生產(chǎn)過程中在很短的時間內(nèi)確定其坐標，以繼續(xù)使用高分辨率放大器儀表放大缺陷位置進行后續(xù)處理和判斷，因為目前電子產(chǎn)品整體向輕、小、薄的方向發(fā)展，擴大了人眼檢測或借助傳統(tǒng)儀器的檢測精度，所以這種設(shè)備的出現(xiàn)也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

自動化檢測對于目前人工成本的上升、批量生產(chǎn)的需求，以及客戶對產(chǎn)品質(zhì)量的高要求等因素促成了AOI行業(yè)的蓬勃發(fā)展，因為有巨大的潛在市場和未來的市場占有率是可以預(yù)期的，各高科技企業(yè)紛紛投入到這一設(shè)備的研發(fā)中，但如何設(shè)計產(chǎn)品，并明確客戶的需求呢？對于每個制造商來說，這都是一個需要考慮的問題。明確的客戶需求定義為每個制造商設(shè)計符合客戶需求的產(chǎn)品提供了依據(jù)。本文對AOT 的客戶需求管理進行了相關(guān)的分析和總結(jié)，包括移動分辨率高、檢測速度快、掃描時間短、圖像清晰、操作軟件方便、模塊化設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)方向、加工順序等方面。

2 檢測技術(shù)應(yīng)用

在檢測技術(shù)發(fā)展的早期，對于產(chǎn)品表面是否存在缺陷的檢測手段多通過人工肉眼觀測，在精度要求比較高的場合會采用顯微鏡檢測手段來對產(chǎn)品表面缺陷進行檢測。這種檢測技術(shù)存在較多缺點，如檢測精度范圍有限、檢測效率低下、對檢測人員的檢測能力和責(zé)任心等因素依賴較大。

隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，自動光學(xué)檢測設(shè)備AOI 逐漸在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時隨著AOI 技術(shù)從低端到高端的進一步成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于SMT、觸摸屏、TFT-LCD 和OLED 行業(yè)并取得了顯著效果，AOI 的廠商也較多，比較典型的有包括以色列奧博泰克、賽特克、志茂電子、韓國晶泰電子等。

2.1 AOI 技術(shù)的應(yīng)用分析

AOI 檢測原理是利用光學(xué)原理，將被檢測對象采用不同的光色和亮度進行照明后再采用攝像頭進行采集圖像并進行比對、分析，然后根據(jù)比對和分析結(jié)果進行產(chǎn)品缺陷判別。到現(xiàn)階段，AOI 檢測技術(shù)的應(yīng)用大致經(jīng)歷了如下4 個階段，分析如下。

2.1.1 AOI 在SMT 焊接質(zhì)量中的應(yīng)用

AOI 技術(shù)較早地應(yīng)用在SMT(表面貼裝技術(shù)/領(lǐng)域)中，其檢測精度相對較低，缺陷尺寸大約在100um 的檢測場合，主要應(yīng)用于包括貼片、錫膏印刷等方面的缺陷檢測。在這一領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，該技術(shù)的優(yōu)點顯著：通過實時在線檢測能夠及時發(fā)現(xiàn)缺陷并及時對問題進行處理，大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本；同時具有其他檢測手段如采用顯微鏡不能替代的檢測優(yōu)點。

2.1.2 AOI 在觸摸屏上的應(yīng)用

觸摸屏在當(dāng)前生活中應(yīng)用廣泛，如日常使用的智能手機、電腦、銀行系統(tǒng)、汽車顯示屏等，它是通過手指直接觸摸屏幕表面達到信息獲取和輸入。觸摸屏在生產(chǎn)過程中，對工藝精度要求高，同時也就對AOI 的檢測精度要求比較高，通常要求缺陷尺寸在約20um 左右。在觸摸屏的生產(chǎn)過程中，由于需要較多的功能層來構(gòu)建整個觸摸屏，因此在多層結(jié)構(gòu)之間進行各工序生產(chǎn)如濺射、刻蝕等都會存在出現(xiàn)缺陷的可能和風(fēng)險，因此每道工序均需要進行AOI 檢測，檢測缺陷的范圍也較為廣泛，包括殘留物、涂層是否均勻等，通常這些缺陷無法通過肉眼或者顯微鏡進行直觀且實時的檢測。

2.1.3 AOI 在TFT-LCD 中的應(yīng)用

TFT-LCD 是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中典型的高精度產(chǎn)品之一，由驅(qū)動與控制電路、背光源等在內(nèi)的諸多元器件組成的復(fù)雜器件，隨著技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)將基板尺寸由G2 代線發(fā)展至G11 代線，基板尺寸為低代線的TFT-LCD 存在生產(chǎn)成本高等問題，在市場競爭中處于劣勢。在高代線TFT-LCD 的生產(chǎn)過程中，由于基板尺寸大、生產(chǎn)精度要求高，其檢測精度需達到3um 左右，同時對單個基板的檢測時間也有明確要求，通常需要在100s 內(nèi)完成檢測，在這類高精度、檢測時間要求高的場合就需要高精度的AOI，通過提高硬件系統(tǒng)如增加高精度攝像頭等措施以及軟件算法實現(xiàn)高精度、短時間的檢測。

2.1.4 AOI 在OLED 中的應(yīng)用

AOI 在OLED 中的應(yīng)用中，為了進一步提高精度通常會采用光學(xué)補償技術(shù)，這本身也是對AOI 技術(shù)應(yīng)用的提高。OLED 是一種有機發(fā)光二極管器件，具有諸多優(yōu)點，但生產(chǎn)過程中由于容易產(chǎn)生混色等缺陷從而導(dǎo)致產(chǎn)品的合格率較低。在OLED 的生產(chǎn)過程中，其缺陷的檢測目前基本上采用AOI 技術(shù)手段，同時還需要采用光學(xué)補償?shù)容o助手段以提高整個AOI 技術(shù)在OLED 中的檢測應(yīng)用。

2.2 印刷OLED 開發(fā)中的AOI 檢測技術(shù)分析

印刷OLED 工藝較為普遍地采用噴墨印刷技術(shù)來完成功能層的構(gòu)建，這些功能層包括空穴注入層(HIL，英文全稱為Hole Injection Layer)，空穴傳輸層(HTL，英文全稱為Hole Tranport Layer)等。在這些功能層中，及時并準確地檢測打印缺陷對印刷OLED 工藝及整個質(zhì)量的保證非常重要，下面從2 個方面對AOI 檢測在噴墨打印干膜和濕膜的檢測應(yīng)用中展開分析。

2.2.1 AOI 在噴墨打印干膜檢測中的應(yīng)用

OLED 打印過程中的干膜是一種化合物，該化合物在紫外線的照射后能夠產(chǎn)生一種穩(wěn)定的物質(zhì)，它的呈現(xiàn)狀態(tài)是薄膜狀態(tài)，其形成方式是在OLED 打印過程中將油墨及其他材料用溶液狀態(tài)噴射到基板上并通過一定的工藝（如VCD、BAKE 等）將溶液揮發(fā)后形成。在整個打印和干膜的形成過程中，以像素為單位對干膜進行工藝形成，每像素的噴墨量等工藝參數(shù)直接決定了干膜的質(zhì)量和效果，進而會影響整個產(chǎn)品的發(fā)光等質(zhì)量和性能。

為準確地確定每像素單位上的噴墨和打印的準確性及效果，需要采用AOI 設(shè)備對其功能層進行精確、實時檢測每像素的情況。在這一領(lǐng)域的應(yīng)用中，為了更準確地檢測每一像素點的情況，消除像素邊緣的不均勻等現(xiàn)象，我們可以采用檢測像素的中間區(qū)域作為檢測采集點，同時調(diào)整發(fā)射光源并根據(jù)情況適當(dāng)補充強光。然后對像素點檢測的灰度值進行比較：當(dāng)噴墨出現(xiàn)不均勻的情況，若噴墨較多，AOI 在進行檢測對比時則該像素點的灰度值會偏大；若噴墨較少，則會出現(xiàn)灰度值偏小的情況，通常偏離值大約在10 ～20 之間。同時，還可以進一步對出現(xiàn)偏離正常值的噴嘴進行定位和監(jiān)控，獲取并鎖定存在不均勻噴嘴的位置和坐標，進而對整個打印質(zhì)量進行把控。AOI 在噴墨打印干膜檢測中成效高，優(yōu)勢顯著，通常僅需要增加相應(yīng)AOI 檢測設(shè)備就可以完成準確、實時的在線檢測。

2.2.2 AOI 在噴墨打印濕膜檢測中的應(yīng)用

OLED 打印過程中的濕膜與干膜不同，濕膜是一種感光油墨，在整個噴墨生產(chǎn)過程中的檢測原理與干膜類似，同樣是采用像素區(qū)域的灰度值進行對比。不同之處在于，濕膜在整個加工過程中油墨為溶液狀態(tài)，AOI 檢測設(shè)備會對像素點邊緣與像素點中間點的光源會有傾斜影響，這種影響會帶來較大的灰度差異。因此整個檢測包括像素點的邊緣和像素點的中間位置，與干膜檢測同樣的情況是當(dāng)噴墨較多時會出現(xiàn)灰度值偏高的情況，不過灰度值的偏高具體數(shù)值則需要通過AOI 設(shè)備的多次測試后確定。為解決在濕膜檢測過程中的由于濕膜像素點光線傾斜，可以采用調(diào)整AOI 以適應(yīng)光源和補充的強光。

在實際噴墨打印濕膜和干膜檢測應(yīng)用過程中，AOI 設(shè)備需要進行多次測試和調(diào)整以確保檢測的準確性。特別是灰度值的比對，需要進行多次的訓(xùn)練和測試，以獲取準確的灰度值范圍，這樣才能對噴墨打印的整個過程進行監(jiān)控，獲得更好的干膜或者濕膜質(zhì)量。當(dāng)然在這一領(lǐng)域的應(yīng)用中，還有大量的研究工作需要開展。

3 發(fā)展前景分析

隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動化程度進一步加深，視覺檢測的發(fā)展水平得到突飛猛進的增長，其技術(shù)手段也日新月異。隨著時代和市場產(chǎn)品需求的發(fā)展，AOI 將在短時間內(nèi)提升到一個新的技術(shù)水平。

3.1 算法逐步精確化

檢測的最終目的都是排除不良件，同時需要減少誤判提高檢測的準確性。在這一過程中，對算法的依賴非常大，算法的精確程度直接決定了檢測結(jié)果的準確性。檢測結(jié)果的精確要求促使和推動了算法的發(fā)展和提高，同時AOI 檢測算法也會逐漸從平面檢測走向高精度攝像頭的立體成像并形成“立體算法”。

3.2 真彩色圖像處理技術(shù)

雖然目前的AOI 已經(jīng)逐漸采用3CCD 相機來獲取彩色圖像，但大多數(shù)算法只提取顏色中的部分信息，如灰度級，來識別圖像，或者對RGB 顏色空間的3 個通道分別進行處理然后進行合成?；蛘邔GB 空間轉(zhuǎn)換為HSI 空間或其他顏色空間，然后轉(zhuǎn)換為RGB 顏色空間。該方法對彩色圖像的處理效果不明顯，因為RGB 顏色空間中3 個通道之間的相關(guān)性很高。遺憾的是，到目前為止，人們對大腦的顏色處理機制仍未完全了解這仍然是一種實驗和探索。目前，已成為圖像處理技術(shù)一個難題。因此，如何充分利用RGB 三色通道信息，它是彩色圖像處理的關(guān)鍵，是AOI 技術(shù)的一次飛躍。

3.3 AOI 技術(shù)向3D、智能化方向發(fā)展

目前，我們使用的AOI 是2D 系統(tǒng)。根據(jù)市場需求，3D AOI 系統(tǒng)將在未來出現(xiàn)。所謂3D AOI，并不是相機拍攝的真實3D 圖形。未來的3D AOI 將只使用2D 圖像來計算Z 軸的高度，多了1 個照明側(cè)面的燈光來計算Z 軸的高度，與現(xiàn)在的2D AOI 相比。使用3D 技術(shù)可以覆蓋2D以外的范圍，因為2D 只有X/Y，檢測平面信息，而3D 有X/Y/Z 3 個空間軸，可以實現(xiàn)三維檢測，即使2D AOI 平臺可以通過其他技術(shù)手段實現(xiàn)檢測。然而，要么誤判很高，要么漏測飆升，這是有一定局限性的。3D AOI 技術(shù)可以更好地平衡誤判和漏檢的中間值，達到更好的檢測效果。

3D AOI 的實現(xiàn)方法不同，通常有激光三角法、雙目視覺技術(shù)、移相法、光度立體法等方法。此外，3D AOI的軟件算法將不同于目前的2D AOI 系統(tǒng)?？傊?，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D AOI 將是未來必然的發(fā)展趨勢，相信不會太久。根據(jù)一些客戶的特殊要求，開發(fā)化學(xué)AOI 將是可能的。由于各種化學(xué)物質(zhì)的光譜水平不同，在光照射下反射的光的顏色不同，通過接收到的反射光可以確定化學(xué)成分及其在元件和焊料中的位置?；瘜W(xué)AOI 由普通AOI 檢測設(shè)備+光譜顯微鏡+普通顯微鏡組成，只適用于有這種特殊要求的客戶，應(yīng)用范圍不會很廣。

4 展開應(yīng)用

目前，市場上看到的AOI 基本上只適用于SMT/SMD。例如，ALEADER AOI 由于其獨特的計算方法，可以應(yīng)用于其他外觀檢測，如鍵盤字符檢測、鉚釘檢測、銷釘檢測等。未來，AOI 技術(shù)智能化、多樣化將成為其發(fā)展趨勢。