AOI設(shè)備在PCB和SMT主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應用

1、(總第204期Jan .2012收稿日期:2011-12-20AOI 設(shè)備在PCB 和SMT 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應用孫明睿(中國電子科技集團公司第四十五研究所,北京101601摘要:總結(jié)了用在PCB 和SMT 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的AOI 設(shè)備,分析了幾種AOI 的結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)要素,以及AOI 設(shè)備的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:光學自動檢測(AOI ;光路系統(tǒng);檢測算法;圖像處理中圖分類號:TN705文獻標識碼:B文章編號:1004-4507(201201-0042-05The application of AOI equipments in the main processes ofPCB and SMT m

2、anufacturingSUN Mingrui(The 45th Research Institute of CETC ,Beijing 101601,ChinaAbstract:In this article AOI equipments used in many processes of PCB and SMT manufacturing ,several AOI configurations and technical elements are anylyzed ,and also the development prospect of AOI equipments is present

3、ed.Keywords:AOI ;Optical system ;Inspection algorithm ;Image processing隨著當今電子產(chǎn)品地不斷發(fā)展,電路板的生產(chǎn)工藝也在不斷地發(fā)展,其中PCB 板的線寬越來越小,布線密度越來越高,焊盤、過孔都在不斷減小?，F(xiàn)在的PCB 板已經(jīng)可以做到10m 線寬和線間距,即便是主流的50150m 的線寬和線間距,也已經(jīng)不適用于傳統(tǒng)的人眼在顯微鏡和熒光燈下觀察檢查缺陷。而在SMT 的生產(chǎn)組裝中,元器件的尺寸也越來越小,人眼的效率很難保證電路板的質(zhì)量。隨著消費類電子產(chǎn)品的普及化,使得電路板的批量越來越大,但近年來人工成本卻呈快速上漲趨勢,因此AO

4、I 設(shè)備的作用將會越來越重要。AOI 即光學自動檢測設(shè)備,它以光學成像的方式獲取電路板的數(shù)字圖像,以高速圖像采集處理系統(tǒng)處理圖像,檢測出電路板上的各種缺陷,它有效地替代了人工檢測,并對生產(chǎn)工藝的完善具有指導意義,根據(jù)功能設(shè)計的不同,它可以用在電路板生產(chǎn)的很多環(huán)節(jié)。電路板主要包括PCB 裸板和貼裝元器件后的42(總第204期Jan .2012SMT 板,它們其實是終端產(chǎn)品的前后道關(guān)系,其主要生產(chǎn)工序包括:電鍍覆銅刷板貼膜(或網(wǎng)印曝光顯影(用光繪底片修板蝕刻接頭鍍金鍍鎳清洗電氣通斷檢測SMT 生產(chǎn)線元器件貼片等,在電路板的制造流程中,如果上一道工序的錯誤沒有發(fā)現(xiàn),帶到下一道工序,修正它所需的成本就

5、會成倍增長,如果PCB 板制成以后才發(fā)現(xiàn)錯誤,其修復成本將會是制成前的幾十倍,甚至報廢。AOI 設(shè)備根據(jù)光學系統(tǒng)的架構(gòu)和檢測算法的不同,可以應用在電路板生產(chǎn)的多道工序中,如在PCB 的底片、PCB 裸板及貼裝元器件后等工序中。1用于底片檢測的AOI 設(shè)備底片一般是負片,將它覆蓋在涂膠的覆銅板上曝光顯影后,底片上透明的部分透過光線,使該部分膠變硬,不溶于溶劑,清洗后其下面的覆銅就保留了下來,形成了PCB 板上的線條。因此,底片上如果有錯誤,就會帶到下道工序中,反映在PCB 板的線路中。底片上的主要加工缺陷包括:線條過寬/過窄、間距尺寸違反、斷路、短路、缺口、尺寸錯誤、污染等問題。底片AOI 一般

6、采用膠片上面架設(shè)鏡頭和CCD ,膠片放于高精度的玻璃承片臺上,底部用均勻背光照明的方式進行檢測,其示意圖如圖1所示。底片尺寸較大,包括很多PCB 子模塊陣列,一般采用線掃描CCD 、鏡頭和線照明光源系統(tǒng)獲取圖像,可以提高取像精度和速度,為了縮小占地面積,一般采用取像系統(tǒng)在龍門的導軌上作x 方向運動,工作臺或龍門結(jié)構(gòu)整體作y 向運動的方式工作,為了保證取像和圖像拼接的精度,x 向和y 向一般都采用伺服電機加光柵尺的閉環(huán)運動控制結(jié)構(gòu),z 向的調(diào)焦取像用步進電機即可,如圖2所示。一張底片一般可重復使用幾百次,因此,用于底片檢測的AOI 系統(tǒng)的工作頻率不算高,而且后道裸板的檢測也可以及時發(fā)現(xiàn)底片中的錯

7、誤并加以改正。2用于PCB 裸板檢測的AOI 設(shè)備PCB 板經(jīng)蝕刻后,在有干膜的情況下和揭除干膜后都可以進行檢測,一般揭除干膜前的檢測用的較少,但也作為生產(chǎn)工藝控制的一個環(huán)節(jié)。該段工序PCB 板生產(chǎn)工藝及環(huán)境的控制不易,使得發(fā)生隨機錯誤的機率大大增加,因此PCB 裸板上的缺陷種類和復雜度最高,對品質(zhì)要求高的廠商需要對該段流程的PCB 產(chǎn)品全檢,所以AOI 設(shè)備在該環(huán)節(jié)的使用是最普遍的。該處的AOI 設(shè)備主要針對的檢測缺陷包括:短路、斷路、缺口、針孔、銅渣、毛刺、線寬及線距錯誤、特征多出或遺漏等,經(jīng)在某PCB 生產(chǎn)線上一段時間監(jiān)測的實時統(tǒng)計,出現(xiàn)缺陷的比例大略如圖3所示。該道工序的PCB 板幅面

8、與底片一樣大,一般也采用圖2所示的設(shè)備結(jié)構(gòu)工作。因為PCB 板的基材有一定的紋理和凹凸不平,在照明上除了同軸光照明之外,一般還需要側(cè)光配合進行補光照 明,其原理圖如圖4所示。圖像處理技術(shù)是AOI 設(shè)備的核心,算法的智能化和高速化是系統(tǒng)能在生產(chǎn)線上實用的切實保圖1PCB 底片AOI 光學系統(tǒng)示意圖圖2底片檢測的掃描方式取像系統(tǒng)x 向v 向43(總第204期Jan .2012圖4PCB 裸板AOI 光學系統(tǒng)示意 圖證。針對PCB 底片和PCB 內(nèi)外層裸板的檢測算法相似,較為成熟的算法主要有DRC 設(shè)計規(guī)則檢驗法、模板比較法和特征比較法。DRC 算法是根據(jù)設(shè)備的精確取像,檢測PCB 板上的銅渣、焊盤

9、尺寸違反、線條過寬/過窄、針孔、缺口、間距尺寸違反等缺陷。模板比較法主要用于檢測如焊盤缺失、大銅渣、大缺口等較大的缺陷,因為在設(shè)計規(guī)則檢驗法中為了提高檢測和比對速度,所設(shè)的取像窗口有一定尺寸限制,如果超出了這個限制,缺陷就無法被識別。為了提高計算速度,模板要進行一定比例的抽樣,獲取的圖像也按取像倍率縮放到原模板大小,進行同樣比例的抽樣,再設(shè)定一定尺寸的窗口進行比對,確定的缺陷要還原回抽樣之前的坐標系中去。特征比較法主要用來檢測PCB 板上的通斷性錯誤,一般要將獲取的圖像和模板都進行一定的骨架化處理以提高處理速度,然后根據(jù)抽取的模板與實際圖像抽取的特征進行比對,不一致就表示該點存在缺陷,圖5所示

10、為四十五所研制的PCB AOI 設(shè)備根據(jù)以上算法檢測的幾種缺陷,左側(cè)圖為檢測的缺陷,右側(cè)為相應的CAM 圖像,為提高速度,要用專門的FPGA 模塊對圖像的采集與處理流程進行優(yōu)化。圖5PCB 裸板的部分缺陷示 例(a 短路及殘銅(b 斷路圖3PCB 生產(chǎn)線上裸板缺陷比例統(tǒng)計銅渣毛刺缺口針孔開路短路開環(huán)堵孔漏基材殘膜殘膠板上壓痕線路劃傷44(總第204期Jan .20123用于SMT 生產(chǎn)線的AOI 設(shè)備SMT 生產(chǎn)線是在PCB 板上貼裝各種電子元器件,AOI 設(shè)備也可以應用在SMT 生產(chǎn)線的多個環(huán)節(jié)中,如錫膏印刷后和回流焊后。在焊膏印刷后的檢測主要是檢測焊膏的偏移、焊膏不足以及濺錫和短路,因為焊

11、膏缺陷會影響到后續(xù)的元器件貼裝效果。回流焊后的檢測可以檢測到器件貼放的偏移、缺失、錯誤以及方向顛倒等問題。用于SMT 的檢測因為不同器件的厚度差別較大,為了提高成像精度,一般采用面陣CCD 和成像鏡頭完成取像,比起線掃描,該方式視場小,但景深大,器件上表面的文字和管腳的焊接狀況都能清晰成像,在進行圖形匹配時也提高了準確度和速度。用于SMT 的AOI 設(shè)備的光源一般要做到各角度均勻照明,尤其針對焊膏檢測時,不同角度用不同顏色光照明,根據(jù)反射回來色光的比例幫助判斷焊膏的飽滿程度,如圖6所示。用于焊膏印刷后的AOI ,主要用于檢測焊膏的飽滿程度,因為焊膏的缺失或過多會導致后續(xù)元器件貼裝出現(xiàn)問題,為成

12、品板的質(zhì)量埋下隱患。其算法主要是根據(jù)各個角度反射回來的光線顏色不同來與模板庫中存儲的的焊膏質(zhì)量圖進行比較,不符合規(guī)定的就需要重新補焊膏。還有一種方式是采用一個垂直取像的相機和一個以上的斜照射相機,獲取各個角度的焊膏圖像,合成焊膏的三維圖像進行分析,該方式算法復雜,但檢測結(jié)果更為準確。用于回流焊后的AOI ,主要用來檢測貼裝元器件的缺失、偏移、顛倒、錯誤等缺陷,該處流程的算法主要是先建立相關(guān)元器件的模板庫,將獲取的元器件圖像與元件庫中的一一比較,因為元器件焊接后有一定的高度,而且不同器件高度可能不同,在獲取圖像時可能會存在一定程度的模糊,有時候還需要將圖像做一定的濾波處理。4結(jié)束語以上分析了在電

13、路板生產(chǎn)的多道工序中AOI 設(shè)備的應用,隨著電腦、電視、手機等各種電子產(chǎn)品越來越輕薄化和小型化,功能卻越來越復雜的發(fā)展趨勢,PCB 的線條越來越密,元器件貼裝密度越來越高,生產(chǎn)工藝也在不斷地探索和進步,以前以人工檢測為主流的檢測方式受生理極限和人工成本的治約,已經(jīng)不再適應技術(shù)發(fā)展的要求。AOI 作為近二十年來才逐步登上歷史舞臺的新興檢測技術(shù),正在電路板生產(chǎn)的很多環(huán)節(jié)上發(fā)揮著越來越重要的作用,它有效地保障了生產(chǎn)的質(zhì)量,節(jié)約了大量人力成本,并有效地幫助改善生產(chǎn)工藝中的問題。正因為該類設(shè)備潛在的市場需求會越來越重要,近年來國內(nèi)已經(jīng)有更多的廠家步入該領(lǐng)域的研發(fā),相信隨著電路板生產(chǎn)工藝的發(fā)展,AOI 設(shè)

14、備還要不斷地提高檢測分辨率和檢測速度,以獲得更長久的生命力。圖6SMT AOI 光學系統(tǒng)示意圖紅光綠光藍光45(總第204期Jan .20125結(jié)束語射頻等離子清洗是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗,其最大優(yōu)勢在于清洗后無廢液,最大特點是對金屬、半導體、氧化物和大多數(shù)高分子材料等原基材料都能很好地處理,可實現(xiàn)整體和局部以及復雜結(jié)構(gòu)的清洗。隨著LED 產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,射頻等離子清洗憑借其經(jīng)濟有效且無環(huán)境污染的特性必將推動LED 行業(yè)更加快速的發(fā)展。參考文獻:1陳元燈.LED 制造技術(shù)與應用M.北京:電子工業(yè)出版社,2007.2楊麗敏.如何有效的提高功率型LED 封裝工藝J .現(xiàn)代顯示,2007,0

15、4(74:63-66.3張國柱,杜海文.等離子清洗技術(shù)J .機電元件2001,(12:31-34.作者簡介:馬斌(1982-,男,畢業(yè)于中北大學,助理工程師,主要從事電子專用設(shè)備的設(shè)計及研發(fā)工作。圖8未用等離子清洗時接觸角測試圖9化學反應機制射頻等離子體清洗后接觸角測試圖10物理反應機制射頻等離子體清洗后接觸角測試:Tilt:0.7degTilt:0.0degTilt:0.0deg參考文獻:1D.C.,USA:IEEExplore ,1990,10:51-552Joao Francisco Borba and Jacques Facon.A Printed Circuit Board Automated Inspection System.Circuits and Systems ,1995,Proceedings ,Proceedings of the 38th Midwest Symposium on 6972,Vol 1.3Ji-Joong Hong ,Kyung-ja Park ,Kyung-gu Kim ,.Parallel ProcessingMachineVisionSystemforBarePCBinspection.Industrial Electronics soci