SMT質量檢測中的AOI技術及應用

王凡,姜建國,申潔琳

摘 要：隨著電子制造業中印刷電路板元器件安裝普遍采用表面貼片技術，產品的集成度更高，元器件體積更小，安裝密度更大，傳統的檢測技術在技術和速度上都不能適應新的電子檢測技術。而基于機器視覺的檢測技術(AOI)可以快速、準確地實現對貼片安裝產品缺陷的自動檢測，是提高電子制造業自動化水平和產品質量的重要技術。對AOI的技術原理進行了闡述，通過分析AOI在工藝中放置位置和最終需要實現目標及其在SMT工序中的應用，充分表明AOI在SMT工藝中的優點。

關鍵詞：AOI； SMT； 印刷電路板; 質量

中圖分類號：TN407-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0179-04

AOI Technology and Its Application in SMT Quality Inspection

WANG Fan1,JIANG Jian-guo2,SHEN Jie-lin2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China; 2.Computer Academy,Xidian University,Xian 710071,China)

Abstract： With wide application of surface mounted technology (SMT) in printed circuit board assembly，the electronic products have higher integration，smaller components and higher assembly density,the conventional inspection can′t fulfill the assembly automation in speed and reliability．The automated optical inspection (AOI) based on machine vision can detect the defects of SMT rapidly and accurately. The principles of AOI technology are introduced. The advantages of AOI in the SMT are proposed through an analysis on the positions which AOI should be set during the process of technology,final goals,and an example used during the working procedure of SMT.With wide application of surface mounted technology (SMT) in printed circuit board assembly，the electronic products have higher integration，smaller components and higher assembly density,the conventional inspection can′t fulfill the assembly automation in speed and reliability．The automated optical inspection (AOI) based on machine vision can detect the defects of SMT rapidly and accurately. The principles of AOI technology are introduced. The advantages of AOI in the SMT are proposed through an analysis on the positions which AOI should be set during the process of technology,final goals,and an example used during the working procedure of SMT.

Keywords： AOI； SMT； printed circuit board; quality

0 引 言

表面貼裝技術(Surface Mounting Technology，SMT)是一種將無引腳或者短引腳表面組裝元器件安放在印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)的表面或者其基板的表面上，通過再流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電子組裝技術［1］。作為新一代的電子組裝技術，SMT使電子產品更具有輕、薄、短、小、多功能、高可靠性、低成本等一系列優點。經過多年的發展,該技術廣泛應用于計算機、通信、消費電子、工業自動化等電子制造行業中，使電子產品進一步向微型化、小型化、高可靠性方向發展［2］。據調查，國外發達國家電子產品SMT使用率大約在80％～90％之間，我國目前已經達到了60％左右，而且中國的SMT產業還有進一步發展的空間。

高性能、高復雜性、高質量PCB的生產，除了應保證優良的原材料、具備先進的生產工藝、設備和先進的管理模式之外，還必須具備完備的技術質量,保證體系和先進檢測設備。

1 SMT工藝流程

SMT的基本工藝流程如圖1所示。其中，檢測環節是SMT流程中非常重要的一個環節，是SMT中質量控制的關鍵。

圖1 SMT工藝流程

隨著PCB貼片工藝向著更小和密度更高的方向發展，貼片產品的質量檢測和質量控制遇到新的問題。傳統的人工視覺目測由于效率低、工藝水平主觀性強，對于微小器件和集成芯片IC(Integrated Circuit)引腳無法進行可靠檢測。IC芯片的最小引腳間距只有0.3 mm，即使借助光學放大設備幫助，人工目測效率非常低、易疲勞、主觀性強，根本無法適應高效、自動化的貼片安裝生產［3］。AOI是對貼片產品的可見光圖像進行光電傳感器變換、數字圖像采集處理，然后進行模式識別，是結合人的視覺經驗和計算智能的機器視覺的一種應用。它具有非接觸、無損、快速、準確、可靠的特點，目前在國外SMT生產線上已經得到了廣泛應用，成為電子制造自動化中的重要一環［4］。

2 AOI技術原理

AOI是基于光學原理來對焊接生產中遇到的常見缺陷進行檢測的設備，是近幾年才興起的一種新型測試技術，但發展較為迅速，目前很多廠家都推出了AOI測試設備。當自動檢測時，機器通過攝像頭自動掃描PCB，采集圖像，將測試的焊點與數據庫中的合格參數進行比較，經過圖像處理，檢查出PCB上的缺陷，并通過顯示器或自動標志把缺陷顯示/標示出來，供維修人員修整。作為SMT生產線上一種重要的在線檢測設備，AOI目前已得到越來越廣泛的應用［5］。

2.1 AOI的優點

AOI被用作SMT的過程監測工具，其優點包括：

(1) 檢查和糾正PCB缺陷，過程中的監測成本遠遠低于在最終測試和檢查之后進行的成本。

(2) 能盡早發現重復性錯誤，如貼裝位移或空焊等。

(3) 為工藝技術人員提供統計過程控制(Statistics Process Control，SPC)資料。AOI技術的統計分析功能與SPC工藝管理技術的結合為SMT生產工藝的適時完善提供了有效工具，使得PCB裝配的次品率得到了明顯的降低［6］。

2.2 AOI的實施目標

實施AOI有以下兩類主要的目標：

(1) 最終品質(End Quality)。對產品走下生產線時的最終狀態進行監控。當生產問題非常清楚、產品混合度高、數量和速度為關鍵因素的時候，優先采用這個目標。AOI通常放置在生產線最末端。在這個位置，設備可以產生范圍廣泛的過程控制信息。

(2) 過程跟蹤(Process Tracking)。使用檢查設備來監視生產過程。典型地包括詳細的缺陷分類和元件貼放偏移信息。當要求產品可靠性很重要，是低混合度的大批量制造并且是在元件供應穩定時，制造商優先采用這個目標。這經常要求把檢查設備放置到生產線上的幾個位置，在線地監控具體生產狀況，并為生產工藝的調整提供必要的依據。

3 AOI在各個工序中的應用

在SMT中，AOI技術具有PCB空板檢測、焊錫膏印刷檢測、元器件檢測、焊接后組件檢測等功能，在不同環節進行檢測時，其側重點也會所不同［7］。

3.1 PCB檢測

PCB缺陷可大致分為短路(包括基銅板短路、細的走線短路、電鍍短路、塵埃短路、凹坑短路、重復性短路、污漬短路、干膜短路、蝕刻力度不夠短路、鍍層太厚短路、刮擦短路、褶皺短路等)，開路(包括重復性的開路、刮擦開路、真空開路、缺口開路等)和其他一些可能導致PCB報廢的缺陷(包括蝕刻過度、電鍍燒焦針孔)［8］。在PCB生產流程中，基板的制作、覆銅的過程都有可能產生一些缺陷，但大部分缺陷是在蝕刻之后產生，AOI一般安排在蝕刻工序之后進行檢測，主要用來發現其上缺少的部分和多余的部分。

在PCB檢測中，圖像對比算法應用比較多，且以平面檢測為主，主要包括數據分析類(對輸入的數據進行初步分析，過濾過小的針孔和殘留銅及不需檢查的孔等)，測量類(對輸入的數據進行特征獲取，記錄的具有特征代碼、尺寸和方位并與標準數據來比對)和拓撲類(用于分析增加或丟失的特征)。

3.2 焊膏印刷檢測

焊膏印刷是SMT加工過程的初始環節，也是大部分缺陷的根源所在，有資料分析大約60％～70％的缺陷會出現在印刷階段，如果在生產線的初始階段排除缺陷，能夠最大限度地減少損失，降低成本，因此，大部分SMT生產線會在印刷環節配備AOI檢測系統。

使用立體檢測，可以對焊膏形態、厚度進行分析，檢查焊膏用量是否合理、是否有刮擦和拉尖等缺陷，這些缺陷在使用絲網和橡皮刮刀的場合出現的較多，現在普遍使用不銹鋼網板和金屬刮刀，焊膏厚度相對穩定，一般不會過多，刮擦現象也很輕微，重點要關注的是空焊、偏移、沾污和橋連等缺陷。采用平面檢測可以有效地檢測這些缺陷，圖像對比方法和設計規則檢驗法都可以使用，檢測時間短，設備價格也比立體檢測低，而且在貼片、回流等后續的工序中如果采用AOI系統，印刷環節考慮到成本問題也可采用平面檢測［9］。

3.3 貼裝檢測

元件貼裝環節對設備精確度要求比較高，常出現漏貼、偏移、歪斜、極性相反等缺陷。AOI系統檢測可以檢測出上述缺陷，同時還可以在此檢測橋連問題和BGA元件焊盤上的焊膏。

由于貼片環節之后緊接著就是回流焊接環節，因此貼裝之后的檢測有時被稱為回流焊的前端檢測，回流焊的前端檢測從質量保證的觀點來看，由于在回流焊爐內發生的問題無法檢測出而顯得沒有太大意義。在回流焊爐內，焊錫熔化后具有自糾正位移的能力，所以焊后在基板上無法檢查出貼裝位移和焊錫印刷狀態，然而實際上，回流焊前端的檢測是品質保障的重點，因為回流焊前各個部位的元器件貼裝狀況等一目了然，而這些信息在回流焊后無法獲取。此時基板上沒有不定型的東西，最適合進行圖像分析，并且通過率非常高，這樣，由檢測過分僵硬而導致的誤判的可能也大大減少。

3.4 回流檢測

可以將AOI系統的作用分為預防問題和發現問題兩種，印刷、貼片之后的檢查歸為預防問題，回流焊后的檢測屬于發現問題，在回流焊后端檢測過程中，檢測系統能夠檢測出元器件的缺失、偏移和極性相反等情況，還一定要對焊點的正確性以及焊膏是否充分、焊接短路和元器件翹腳等缺陷進行檢測，回流焊后端檢測是當前AOI系統最流行的選擇，此位置能夠檢測出全部的裝配錯誤，提供高度的安全性。

3.5 AOI的放置位置

雖然AOI可用于生產線上的多個位置，各個位置可檢測特殊缺陷，但AOI檢查設備應放到一個可以盡早識別和改正最多缺陷的位置［10］。有三個檢查位置是主要的：

(1) 錫膏印刷之后。據分析SMT中60%～70%的焊點缺陷是印刷時造成的，如果焊膏印刷過程能夠滿足要求，就可以大幅度地減少后期出現的缺陷。

(2) 回流焊前。檢查是在元件貼放在板上錫膏內之后和PCB送入回流爐之前完成的。這是一個典型的放置檢查機器的位置，因為這里可發現來自錫膏印刷以及機器貼放的大多數缺陷。在這個位置產生定量的過程控制信息，提供高速片機和密間距元件貼裝設備校準的信息。這個信息可用來修改元件貼放或表明貼片機需要校準。這個位置的檢查滿足過程跟蹤的目標。

(3) 回流焊后。在SMT工藝過程的最后步驟進行檢查，這是目前AOI最流行的選擇，因為這個位置可發現全部的裝配錯誤。回流焊后檢查提供高度的安全性，因為它識別由錫膏印刷、元件貼裝和回流過程引起的錯誤［11］。

4 AOI的應用

SMT中應用AOI技術的形式多種多樣，但其基本原理是相同的，即用光學手段獲取被測物圖形，一般通過傳感器(攝像機)獲得檢測物的照明圖像并數字化，然后以某種方法進行比較、分析、檢驗和判斷，相當于將人工目視檢測自動化、智能化。例如對一批PCB產品進行AOI檢測，并運用相應的軟件進行處理，可將PCB的明細數據輸出，其記錄結果如圖2所示。

圖2 PCB明細數據

從結果文件可以看出，通過對PCB進行檢測的AOI機器編號、產品的相關情況和工藝人員等生產線狀況，可直觀明了地了解該產品的測試結果。但圖2中沒有顯示出該產品出錯的原因，可以從NG明細數據表格中查出，如圖3所示。

圖3 NG明細數據表

通過該結果表格，可以一目了然地查出PCB產品的出錯原因，即可對檢測到的多件、少件、錯件等具體問題進行查看［12］。

同時，通過PCB統計數據表格，可以統計出此類PCB產品的合格率、缺陷NG總數等情況，該表格對PCB產品的AOI檢測進行了統計，可清晰明了地獲得PCB產品的檢測通過率等情況。數據的輸出如圖4所示。

圖4 PCB統計數據

通過查看分析這些檢測數據，可以在生產過程中及時發現錯誤并進行糾正，避免人力和資源的浪費，可大大地提高生產效率，同時也可以對一批產品的質量情況有直觀的了解和總體的把握，進而指導下一次的生產。

5 結 語

本文主要介紹了AOI的原理，優點以及在SMT中的重要地位和各個工序中的應用。但是AOI的研究是一個跨學科，富有挑戰性的綜合性課題，目前國內的AOI識別理論還不完善，隨著SMT不斷向輕型化、微型化、微小化發展，AOI大規模使用已成必然趨勢，伴著市場規模的不斷擴大，生產廠商的不斷增加，AOI技術將不斷發展和完善［13］。

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