孫明睿

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著當(dāng)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。現(xiàn)在的PCB板已經(jīng)可以做到10 μm線寬和線間距，即便是主流的50～150 μm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(fèi)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AOI設(shè)備的作用將會越來越重要。AOI即光學(xué)自動(dòng)檢測設(shè)備，它以光學(xué)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(dǎo)意義，根據(jù)功能設(shè)計(jì)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SMT板，它們其實(shí)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)?。毓怙@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(cuò)誤沒有發(fā)現(xiàn)，帶到下一道工序，修正它所需的成本就會成倍增長，如果PCB板制成以后才發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，其修復(fù)成本將會是制成前的幾十倍，甚至報(bào)廢。AOI設(shè)備根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)和檢測算法的不同，可以應(yīng)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(fù)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(cuò)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(cuò)誤、污染等問題。底片AOI一般采用膠片上面架設(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(jìn)行檢測，其示意圖如圖1所示。

圖1 PCB底片AOI光學(xué)系統(tǒng)示意圖

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(dǎo)軌上作x方向運(yùn)動(dòng)，工作臺或龍門結(jié)構(gòu)整體作y向運(yùn)動(dòng)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(jī)加光柵尺的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，z向的調(diào)焦取像用步進(jìn)電機(jī)即可，如圖2所示。

圖2 底片檢測的掃描方式

一張底片一般可重復(fù)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(shí)發(fā)現(xiàn)底片中的錯(cuò)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(jìn)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(gè)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(jī)錯(cuò)誤的機(jī)率大大增加，因此PCB裸板上的缺陷種類和復(fù)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(cuò)誤、特征多出或遺漏等，經(jīng)在某PCB生產(chǎn)線上一段時(shí)間監(jiān)測的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)缺陷的比例大略如圖3所示。

該道工序的PCB板幅面與底片一樣大，一般也采用圖2所示的設(shè)備結(jié)構(gòu)工作。因?yàn)镻CB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(jìn)行補(bǔ)光照明，其原理圖如圖4所示。

圖3 PCB生產(chǎn)線上裸板缺陷比例統(tǒng)計(jì)

圖4 PCB裸板AOI光學(xué)系統(tǒng)示意圖

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(shí)用的切實(shí)保證。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(jì)規(guī)則檢驗(yàn)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?yàn)樵谠O(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)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(gè)限制，缺陷就無法被識別。為了提高計(jì)算速度，模板要進(jìn)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(jìn)行同樣比例的抽樣，再設(shè)定一定尺寸的窗口進(jìn)行比對，確定的缺陷要還原回抽樣之前的坐標(biāo)系中去。特征比較法主要用來檢測PCB板上的通斷性錯(cuò)誤，一般要將獲取的圖像和模板都進(jìn)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(shí)際圖像抽取的特征進(jìn)行比對，不一致就表示該點(diǎn)存在缺陷，圖5所示為四十五所研制的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(yīng)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(jìn)行優(yōu)化。

圖5 PCB裸板的部分缺陷示例

3 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(yīng)用在SMT生產(chǎn)線的多個(gè)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?yàn)楹父嗳毕輹绊懙胶罄m(xù)的元器件貼裝效果?；亓骱负蟮臋z測可以檢測到器件貼放的偏移、缺失、錯(cuò)誤以及方向顛倒等問題。用于SMT的檢測因?yàn)椴煌骷暮穸炔顒e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(jìn)行圖形匹配時(shí)也提高了準(zhǔn)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(shí)，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。

圖6 SMT AOI光學(xué)系統(tǒng)示意圖

用于焊膏印刷后的AOI，主要用于檢測焊膏的飽滿程度，因?yàn)楹父嗟娜笔Щ蜻^多會導(dǎo)致后續(xù)元器件貼裝出現(xiàn)問題，為成品板的質(zhì)量埋下隱患。其算法主要是根據(jù)各個(gè)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(jìn)行比較，不符合規(guī)定的就需要重新補(bǔ)焊膏。還有一種方式是采用一個(gè)垂直取像的相機(jī)和一個(gè)以上的斜照射相機(jī)，獲取各個(gè)角度的焊膏圖像，合成焊膏的三維圖像進(jìn)行分析，該方式算法復(fù)雜，但檢測結(jié)果更為準(zhǔn)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(cuò)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?yàn)樵骷附雍笥幸欢ǖ母叨?，而且不同器件高度可能不同，在獲取圖像時(shí)可能會存在一定程度的模糊，有時(shí)候還需要將圖像做一定的濾波處理。

4 結(jié)束語

以上分析了在電路板生產(chǎn)的多道工序中AOI設(shè)備的應(yīng)用，隨著電腦、電視、手機(jī)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(fù)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(jìn)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(yīng)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?yàn)樵擃愒O(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)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。

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