AOI設備在PCB和SMT主要生產環節中的應用

孫明睿

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著當今電子產品地不斷發展，電路板的生產工藝也在不斷地發展，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。現在的PCB板已經可以做到10 μm線寬和線間距，即便是主流的50～150 μm的線寬和線間距，也已經不適用于傳統的人眼在顯微鏡和熒光燈下觀察檢查缺陷。而在SMT的生產組裝中，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量。隨著消費類電子產品的普及化，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設備的作用將會越來越重要。AOI即光學自動檢測設備，它以光學成像的方式獲取電路板的數字圖像，以高速圖像采集處理系統處理圖像，檢測出電路板上的各種缺陷，它有效地替代了人工檢測，并對生產工藝的完善具有指導意義，根據功能設計的不同，它可以用在電路板生產的很多環節。

電路板主要包括PCB裸板和貼裝元器件后的SMT板，它們其實是終端產品的前后道關系，其主要生產工序包括：電鍍覆銅→刷板→貼膜（或網印）→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現，帶到下一道工序，修正它所需的成本就會成倍增長，如果PCB板制成以后才發現錯誤，其修復成本將會是制成前的幾十倍，甚至報廢。AOI設備根據光學系統的架構和檢測算法的不同，可以應用在電路板生產的多道工序中，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一般采用膠片上面架設鏡頭和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。

圖1 PCB底片AOI光學系統示意圖

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，一般采用取像系統在龍門的導軌上作x方向運動，工作臺或龍門結構整體作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運動控制結構，z向的調焦取像用步進電機即可，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使用幾百次，因此，用于底片檢測的AOI系統的工作頻率不算高，而且后道裸板的檢測也可以及時發現底片中的錯誤并加以改正。

2 用于PCB裸板檢測的AOI設備

PCB板經蝕刻后，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，但也作為生產工藝控制的一個環節。該段工序PCB板生產工藝及環境的控制不易，使得發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，對品質要求高的廠商需要對該段流程的PCB產品全檢，所以AOI設備在該環節的使用是最普遍的。該處的AOI設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，經在某PCB生產線上一段時間監測的實時統計，出現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所示的設備結構工作。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，一般還需要側光配合進行補光照明，其原理圖如圖4所示。

圖3 PCB生產線上裸板缺陷比例統計

圖4 PCB裸板AOI光學系統示意圖

圖像處理技術是AOI設備的核心，算法的智能化和高速化是系統能在生產線上實用的切實保證。針對PCB底片和PCB內外層裸板的檢測算法相似，較為成熟的算法主要有DRC設計規則檢驗法、模板比較法和特征比較法。DRC算法是根據設備的精確取像，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，因為在設計規則檢驗法中為了提高檢測和比對速度，所設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所示為四十五所研制的PCB AOI設備根據以上算法檢測的幾種缺陷，左側圖為檢測的缺陷，右側為相應的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化。

圖5 PCB裸板的部分缺陷示例

3 用于SMT生產線的AOI設備

SMT生產線是在PCB板上貼裝各種電子元器件，AOI設備也可以應用在SMT生產線的多個環節中，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，因為焊膏缺陷會影響到后續的元器件貼裝效果。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光學系統示意圖

用于焊膏印刷后的AOI，主要用于檢測焊膏的飽滿程度，因為焊膏的缺失或過多會導致后續元器件貼裝出現問題，為成品板的質量埋下隱患。其算法主要是根據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量圖進行比較，不符合規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 結束語

以上分析了在電路板生產的多道工序中AOI設備的應用，隨著電腦、電視、手機等各種電子產品越來越輕薄化和小型化，功能卻越來越復雜的發展趨勢，PCB的線條越來越密，元器件貼裝密度越來越高，生產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，已經不再適應技術發展的要求。AOI作為近二十年來才逐步登上歷史舞臺的新興檢測技術，正在電路板生產的很多環節上發揮著越來越重要的作用，它有效地保障了生產的質量，節約了大量人力成本，并有效地幫助改善生產工藝中的問題。正因為該類設備潛在的市場需求會越來越重要，近年來國內已經有更多的廠家步入該領域的研發，相信隨著電路板生產工藝的發展，AOI設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。

[1] R.Cohen.and G.Dishon.A Dedicated Multichip Module Automatic Optical Inspection System.http://ieeexplore.ieee.org/xpl.IEEE/CHMT'90 IEMT Symposium[C].Washingtong，D.C.，USA:IEEExplore，1990，10:51-55

[2] Joao Francisco Borba and Jacques Facon.A Printed Circuit Board Automated Inspection System.Circuits and Systems，1995，Proceedings，Proceedings of the 38th Midwest Symposium on 69～72，Vol 1.

[3] Ji-Joong Hong，Kyung-ja Park，Kyung-gu Kim，.Parallel ProcessingMachineVisionSystemforBarePCBinspection.IndustrialElectronicssociety，1998，IECon'98Proceedings of the24th，AnnualConferenceoftheIEEE，1346～1350，Vol3

[4] 孫明睿 李雪.照明光源在AOI設計中的重要性及設計要素分析.電子工業專用設備，2009，12：30-32

[5] 馬吉權.基于圖像處理與圖像識別的SMT焊點質量檢測技術研究.哈爾濱工業大學碩士學位論文，2005.

[6] 胡水華.SMT生產線中AOI系統的研究.西安電子科技大學碩士學位論文，2005.

[7] 莊凱平.自動光學產業產業設備發展趨勢.臺灣工業技術研究院量測技術發展中心