PCB元器件自動光學檢測技術研究

文/黃璇

隨著電子設備的設計和制作技術的日益進步，印刷電路板（PCB）朝著高密度、多層數和高性能等方向發展。傳統的PCB元器件的檢測主要通過人工目檢或功能測試來實現，但是這類方法已經無法滿足生產線上高速高精度的檢測要求。掌握電子產品信息，離不開對電子元器件的認識、檢查更新。怎樣認識和應用電子元儀器，是一個需要了解的重要知識點。如果不了解直接集合在電路工作板上數量繁多的電子產品元器件設計，或者不熟悉電子技術道路中的各類集成化電路工作標準符號，就無法識圖與測試。掌握電子產品元器件設計結構與基礎實際工作設計原理，以及了解電子產品元器件設計的主要特點，是分析集成化電路實際工作基礎原則的重要因素。

正確掌握電子產品元器件檢驗技術是電路故障檢測的關鍵要素，而電路故障檢測的最后一環就是確認元器件是否真的存在質量，這就要求使用檢驗技術來實現。

一、PCB測試方法發展歷史

在PCB的制造過程中，蝕刻是最關鍵的一點，也就是用化學或藥物劑型侵蝕掉除設計電路之外剩余的銅。[1]該流程中，藥用量、環境條件氣溫、水流速和侵蝕時間因素威脅著生產的質量，甚至造成諸如故障、開路、線寬缺損、殘余銅和針孔等問題。PCB一般用目視、電測量和AOI方式測量。

20世紀70年代之前，PCB測試大多通過對人眼加增強鏡，檢查運行速度慢，漏檢率高，同時會造成檢查人視力減退、危害健康等。[2]電測量的基本原理就是依據PCB線路圖的計算機數據，選擇一副針床裝夾和適當的網點測量方式。測量時，工作人員將探頭壓到PCB表面的待測點，接著通電測量各個網點的開關通斷情況，并報告存在的短接與通斷缺陷。其局限性就是：這種方法只能檢出短接和通斷兩個缺陷，而缺口、針孔和殘余銅等其他缺陷都無法檢出；針床裝夾的生產成本過高，且小批量投產時不合格。電測量也受到了PCB向高密度、緊湊型化走向發展的影響。由于線路板的緊密程度日益提高，電力計量也要求進一步擴大檢測工作節點數，導致檢測程式和針床夾具生產的增加，而研制檢測程式和工裝夾具一般需數星期甚至一個多月時間，同時電計量出錯和重測頻次相應增加。

二、PCB自動光學測試技術

（一)自動光學測試的工作原理

AOI是測量PCB表層圖像質量（如表層瑕疵、斷線和短路現象)的設備，主要用于制造過程中成品質量測量，是高精度單層打印板，特別是各種打印板工藝的關鍵技術。測試系統集光學感應器、精準機械、識別測試算法與電子技術于一身，用功能或激光技術設備自動拍攝PCB，收集圖片后送與電腦處理，再與數據庫管理中的標準數據對比，發現PCB上的問題后，用自動顯示屏或自動標簽系統提示或標注問題，以供維護技師進行檢修。

（二)圖片采集獲取

圖片質量是AOI的關鍵，所獲得圖片的品質優劣直接影響最后的測試效果。就所用的圖像采集元件分析來看，目前AOI主要包括：運用高精度線掃描CCD；采用激光技術做照明源，或應用光電倍增管（PMT)當作光電轉換器件以獲得圖像。信號的處理主要是把由光電設備（CCD或PMT)所發出的關于PCB數據的電信號，轉化為由電腦所能識別的二進制信息。先采用模/數變換法，將模擬信號轉化為灰階數字信號，再通過對PCB基材和銅的灰階數值差異的影響，產生二維灰度圖像；接著再采用閾值法，將超過規定灰度閾值的圖像轉化為灰（銅)圖像，等同或不足規定灰度閾值的圖像轉換成基材圖像。閾值按照材料的顏色選擇，通常為灰階值的60～110倍，最后得出基于PCB數據的二值化（0,1)結果。

（三)圖像處理方法

1.圖像特征提取

PCB對經過變換后的二維圖像進行研究，以找到其中存在的問題。常用的分析方法有以下兩類。矢量分析法是一項圖像位置搜索技術，將八支射線沿著垂直、水平位置和對角線從中心向外計算，從影像圖上找到主要特征并將之分離，隨后再對它們做出測定，包括形狀、尺寸、視角和位置。但因為該方法方向性較大，且輻射之間的空隙往往是測量盲點，故遺漏未檢率較高，現已較少使用。[3]另一類是數學形態學分析法，其優勢是：當把圖形簡化至骨架形式時，可以大大減少圖形的信息量，對圖形特性的記錄更加穩定安全且精確，使得新計算的發展也有了較大的彈性。

2.圖像處理算法

在PCB測試中，最常用的計算主要有以下四類。①數據分析類：對已錄入的數據分析信息經過最終甄別，過濾較小的針孔和多余銅及不需要測量孔等。②特性測量類：對輸入數據信息實行特性抽取，錄入特性代號、長度和方位，并與規范數據信息相比對。③拓撲類：用來檢查添加或損失的特性。④孔和微小缺口類計算。

三、AOI測試系統

（一)常見的AOI測試系統

目前，AOI商品的重要供貨商有以色列的ORBOTECH公司和CAMTEK公司，日本的LIOYD DOYLE和SCREEN公司。下文將以ORBOTECH公司INSPIRE9060和V309 Blaser為例，闡述AOI控制系統的重要性能特征。INSPIRE9060是當今世界上智能化程度較高的AOI系列，具有手動上板/下板的功能，通過彩色CCD像素，并利用形態學的計算方式來完成圖像解析數據處理，可測量很小路徑的長度/距離（約75納米)。

V309Blaser管理系統是利用激光技術來提取圖形的AOI管理系統，對大密度互連板HDI、細線路板和雷射鉆孔板等方面都具備了很大的測試能力，最小解析度為6.3納米，可測量的最小路徑長度/距離約為50納米。

（二)AOI的發展趨勢

1.在線測試

PCB制造商希望AOI可以直接和蝕刻版畫線連接，而無須人員上下板，因為AOI在線測試既可減少人力成本，也能提高質量。

2.HDI板/激光鉆孔板測試

由于HDI板連線很細，而缺點則較為細微，因此AOI需要提高對微小瑕疵的測試能力。

3.超大板檢測

通信背板的設計要求向高、大板體（大于1270mm×762mm)方面進一步發展。雖然AOI能夠實現目視檢查所無法完成的操作，但可靠性上仍有改進之處。該技術高度依靠電腦及圖像處理技術，若原始光學影像所提供的信號缺失，或是圖像處理算法缺乏有效運用，將造成錯誤。因此，高分辨率集成電路板的AOI工藝也將繼續開發。

四、AOI自動光學檢查在PCB電路板生產中的作用

AOI自動光學檢查可以使用相機和圖像處理軟件來工作并識別裝配錯誤，例如焊接短路、部件缺失或錯位以及部件斷開，都是用來為客戶提供高質量電路板的工具。[4]

AOI自動光學檢查通過更復雜的PCB和更大的生產量，通過目測可以改善錯誤檢測。[5]AOI自動光學檢測機已被廣泛用于PCB制造中，其表面貼裝組件已小型化，能夠在PCB生產中發揮重要作用。

（1)定位精度高。AOI自動光學檢測系統必須具有高亞像素精度，以保證系統具有足夠的準確度，從而測量能夠引發PCB缺陷的微小定位誤差。

（2)改善PCB質量，降低成本。AOI自動化光學檢驗測試能夠大大提高PCB電路板的合格率，進而減少PCB成本。

（3)多個檢測對象。AOI自動化光學檢驗系統不但能夠很好地應用PCB，而且能夠進行PCB裝配。針對PCB，它檢測短路、開路和焊料不足等問題。但是，針對PCB組裝過程，它也會檢測組件焊接質量、極性和值等問題。

（4)可編程照明。在所有計算機視覺領域中，光照都需要達到完美的結果，這一步非常關鍵。考慮到材料加工條件的日益改變，很可能有一種能夠探測各種缺陷現象的光源。所以，確保動態光源設計對組件和PCB配置有最高的缺陷涵蓋率至關重要。因為減少了發光二極管的生產成本，AOI測試也能夠選擇在檢測程序中高度可自定義的發光陣列。同時，AOI測試能夠更加靈巧地提高像素的收縮率，也因此能夠更輕松地確定有多個角度的各種顏色的多種缺陷情況。因此，編程照明是最大程度地探測與檢測的重要軟件。

（5)具備網絡功能的軟件。任何AOI系統的關鍵功能就是數據獲取與搜索。數據可以是文字輸出、圖形集合、數據庫或多種格式的復合形式。收集信息是大多數AOI設備的基本功能。不過，檢索信息過程往往比較煩瑣，而且受制于設備生產線的設置。

（6)完善的彈性。基于需求和生產成本能力，AOI能夠執行整個生產流程的所有步驟。最好在回流焊后開展AOI測試的主要理由是，這些缺點都是焊縫工藝中錯誤的必然結果，也因此降低了相應投入并提高了測試效率，并能夠及時調整生產或組裝參數，以便更好地生產后續產品。

五、結語

綜上所述，對于如何正確合理地測試元器件的有關技術參數，就需要針對不同的元器件選擇不同的方式。因此，熟悉并掌握正確使用元器件的測試方式與經驗是非常有必要的。