38.AOI技術(shù)在PCB制造領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展.doc

AOI技術(shù)在PCB制造領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展姚立新 孫明睿（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第45研究所，北京東燕郊 101601）摘要：本文總結(jié)了用在各類PCB生產(chǎn)環(huán)節(jié)檢測(cè)的AOI系統(tǒng)，分析了各類AOI的結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)要素，以及將來(lái)AOI的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：AOI，光路系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制，圖像處理The application and development of AOI technique in PCB manufacturingYAO Lixin, Sun Mingrui（The 45th Institute of CETC, Beijing East Yanjiao,101601 China）Abstract：In this article AOI systems used in many links of PCB production chain are introduced, many sorts of AOI configuration and technical element are anylyzed,and also the development prospect of AOI is presented.KeyWords: AOI, Optical System, Motion Control, Image Processing隨著當(dāng)今電子技術(shù)的發(fā)展以及各類電子產(chǎn)品等低能耗和小型化要求，PCB的生產(chǎn)工藝技術(shù)也在不斷地發(fā)展，PCB線條的尺寸和元器件的尺寸也在不斷地減小。以前，產(chǎn)品生產(chǎn)后都要經(jīng)過(guò)人眼在顯微鏡及熒光燈下檢查，隨著線條尺寸減小和排布密集程度提高以及元器件尺寸減小和貼裝密度的提高，人工檢查不堪重負(fù)，而且檢查效率和速度也大大低于要求，這在很大程度上制約了PCB的質(zhì)量和產(chǎn)量提高，成為PCB生產(chǎn)的一個(gè)瓶頸。AOI即是光學(xué)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，它以光學(xué)成像的方式獲取PCB板的數(shù)字圖像，以高速圖像采集處理卡處理圖像，檢測(cè)出PCB板上的各種缺陷，滿足了生產(chǎn)線的檢測(cè)需求。AOI技術(shù)的核心主要包括光學(xué)取像的光路系統(tǒng)，高精度的機(jī)械及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和高速圖像采集處理系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和檢測(cè)算法的不同，它可以應(yīng)用在PCB生產(chǎn)流程的很多道工序上。PCB的主要生產(chǎn)工序是：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(cè)SMT生產(chǎn)線元器件貼片。AOI主要用于檢測(cè)生產(chǎn)中線條的短路、斷路、污染、缺失等各種錯(cuò)誤，其中在底片光繪、PCB裸板及焊接元器件環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要用到AOI設(shè)備，根據(jù)針對(duì)的檢測(cè)對(duì)象不同，AOI的架構(gòu)也有很大的不同。在PCB的大多數(shù)生產(chǎn)工序中都有出錯(cuò)的可能，都會(huì)在PCB板上有一定的反映，如果上一道工序的錯(cuò)誤沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，帶到了下一道工序，修正它所需的成本就會(huì)成倍增長(zhǎng)，如果PCB板制成以后才發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，其修復(fù)成本將會(huì)是制成以前的幾十倍，甚至報(bào)廢。當(dāng)今PCB廠商的市場(chǎng)爭(zhēng)奪也是越來(lái)越激烈，在擴(kuò)產(chǎn)的同時(shí)如何有效地降低出錯(cuò)概率和廢品率是他們孜孜追求的目標(biāo)，甚至是要求零缺陷率，這種要求在傳統(tǒng)的人工檢測(cè)的情況下根本不可能實(shí)現(xiàn)，對(duì)于如何有效地提高PCB板的檢測(cè)效率問(wèn)題，AOI就在相應(yīng)的各工序中發(fā)揮了重要的作用，下面根據(jù)AOI設(shè)備的主要組成部分闡述其架構(gòu)及功能。一、 AOI的光路系統(tǒng)AOI可以應(yīng)用于PCB制造的不同環(huán)節(jié)，相應(yīng)設(shè)備上最大的差別就是光路系統(tǒng)的不同，主要是針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，照明光源及取像系統(tǒng)有很大的不同，使得相應(yīng)的設(shè)備架構(gòu)也發(fā)生了很大變化。1、 底片檢測(cè)中，線路的主要錯(cuò)誤包括：斷路，短路，缺口，尺寸錯(cuò)誤，污染等問(wèn)題。光繪底片一般是負(fù)片，將它覆蓋在涂膠的覆銅板上曝光顯影后，光繪底片上透明的部分透過(guò)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(lái)，形成了PCB板上的線條。因此，光繪底片上如果有錯(cuò)誤，就會(huì)反映在PCB板的線路中。光繪片一般采用上面架設(shè)鏡頭和CCD，膠片放于高精度的玻璃承片臺(tái)上，下面用均勻背光照明的方式實(shí)現(xiàn)，為了提高掃描速度，一般采用大尺寸線掃描CCD。背光可以采用均勻熒光照明，也可以采用LED的一定均勻排布達(dá)到均勻照明的效果，一般垂直往上的軸向照明效果最明顯，有時(shí)候?yàn)榱送怀鲞吘壭Ч?，也加一定的?cè)光補(bǔ)光照明，其示意圖如圖1所示。圖1 PCB底片AOI示意圖2、 PCB板蝕刻清洗后檢測(cè)時(shí)，主要缺陷包括：短路、斷路、缺口、針孔、銅渣、線寬線距孔環(huán)錯(cuò)誤、特征遺漏等。這個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)不同于光繪底片，針對(duì)同一批PCB板的光繪底片一般只需要抽檢，以發(fā)現(xiàn)類似的系統(tǒng)性錯(cuò)誤，并進(jìn)行修正，而PCB板制作出來(lái)的中間環(huán)節(jié)較多，發(fā)生隨機(jī)錯(cuò)誤的機(jī)率大大增加，一般對(duì)品質(zhì)要求高的廠商需要對(duì)產(chǎn)品全檢。當(dāng)今PCB生產(chǎn)線產(chǎn)量很高，線路密度也來(lái)越高，對(duì)AOI的要求，一方面需要提高成像的分辨率和精度，另一方面又要提高掃描和圖像處理的速度，因此一般在該環(huán)節(jié)的AOI采用高速大尺寸線陣CCD或CCD陣列以及大視場(chǎng)、高精度的線掃描鏡頭作為成像部件，用高功率的鹵素?zé)糇鳛檎彰鳠粼矗跃€光纖光源傳導(dǎo)到線路板上進(jìn)行聚光照明，以實(shí)現(xiàn)高速曝光取像，隨著LED光源的飛速發(fā)展，因?yàn)槠涓吡炼?、長(zhǎng)壽命及價(jià)格相對(duì)低廉，也逐漸被使用到AOI的照明中。因?yàn)榫€路板有一定的紋理和凹凸不平，在真空吸附板面的情況下，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，外層板比起內(nèi)層板有更大的凹凸不平和加工誤差，有時(shí)候還需要加一定的散光器件輔助照明，其原理圖如圖2所示。 圖2 PCB裸板AOI示意圖3、 SMT生產(chǎn)線是在PCB板上貼裝各種電子元器件，AOI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，元器件貼放后和回流焊后。在焊膏印刷后的檢測(cè)主要是檢測(cè)焊膏的偏移、歪斜、焊膏不足以及濺錫和短路，因?yàn)楹父嗳毕輹?huì)影響到后續(xù)的元器件貼裝效果，而且貼裝后再進(jìn)行檢測(cè)，會(huì)有檢查不到的死角，該環(huán)節(jié)的檢測(cè)可以預(yù)防后道工序的潛在問(wèn)題。元器件貼放后和回流焊后的檢測(cè)可以檢測(cè)到器件貼放的偏移、缺失、錯(cuò)誤以及方向顛倒等問(wèn)題。SMT的檢測(cè)因?yàn)槠骷幸欢ǖ牧Ⅲw感，為了提高成像精度，一般采用面陣相機(jī)和成像鏡頭完成取像，該方式景深大，視場(chǎng)小，在進(jìn)行圖形匹配時(shí)也提高了準(zhǔn)確度和速度，有時(shí)候還要加旁路相機(jī)取像，擬合出真實(shí)立體感的器件，采用的光源一般要做到各角度均勻照明，其中在焊膏檢測(cè)中，有一種多角度的彩色光源系統(tǒng)，不同角度用不同顏色照明，根據(jù)焊膏反射回的顏色信息，來(lái)判斷焊膏的飽滿程度，如圖3所示。圖3 焊膏檢測(cè)AOI示意圖二、 機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械及運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較成熟的技術(shù)，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)不同，一般來(lái)說(shuō)可分為以下幾種結(jié)構(gòu)：1、取像及照明系統(tǒng)固定不動(dòng)，工作臺(tái)作X向、Y向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)被檢測(cè)底片或線路板等通過(guò)取像裝置下，X向與Y向運(yùn)動(dòng)結(jié)合，完成整幅PCB的掃描，其掃描動(dòng)作如圖4所示。Y向X向 圖4 AOI工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)示意圖該種方式因工作臺(tái)要作X、Y方向的運(yùn)動(dòng)，占地面積較大，其取像及照明系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，如中電集團(tuán)第45研究所開(kāi)發(fā)的PCB AOI JC-500機(jī)型，不僅工作臺(tái)有閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制，其取像系統(tǒng)也用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏡頭與相機(jī)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，完成取像的自動(dòng)調(diào)焦，光源系統(tǒng)也要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦及照明顏色的自動(dòng)選擇，以針對(duì)不同材質(zhì)和顏色的PCB板，其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為龐大，運(yùn)動(dòng)控制也較為復(fù)雜。2、工作臺(tái)固定不動(dòng)，取像及照明裝置安放在一個(gè)可以作Y向運(yùn)動(dòng)的龍門機(jī)構(gòu)上，在龍門機(jī)構(gòu)可以整體作X方向的運(yùn)動(dòng)，以此完成整幅PCB的掃描，如圖5所示。取像系統(tǒng)Y向X向圖5 龍門式AOI結(jié)構(gòu)示意圖該種結(jié)構(gòu)，龍門的整體運(yùn)動(dòng)和龍門軌道的運(yùn)動(dòng)完成X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一般其取像系統(tǒng)不會(huì)太龐大，大多見(jiàn)于SMT生產(chǎn)線的檢測(cè)。SMT生產(chǎn)線上因取像精度問(wèn)題，一般采用面陣相機(jī)加專門的環(huán)形LED照明，這種結(jié)構(gòu)較為小巧，運(yùn)動(dòng)靈活，為了達(dá)到更好的照明效果，LED有時(shí)要加控制器實(shí)現(xiàn)頻閃照明，以做到與取像同步，有效利用LED的峰值照明亮度。3、AOI系統(tǒng)也可以有一個(gè)固定不動(dòng)的龍門機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)在下方帶動(dòng)PCB板作Y向運(yùn)動(dòng)，取像系統(tǒng)在龍門機(jī)構(gòu)上沿X方向運(yùn)動(dòng)，完成PCB的整幅掃描，如圖7所示。取像系統(tǒng)圖6 固定龍門式AOI結(jié)構(gòu)示意圖該種系統(tǒng)因PCB板只在一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，光學(xué)系統(tǒng)在龍門軌道上完成另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此光學(xué)系統(tǒng)的固定是一個(gè)問(wèn)題，如奧寶公司的Discovery AOI系列，因?yàn)闊粼聪湟獙Ⅺu素?zé)舻恼彰鱾鬟f到前端的線光纖照明處，燈源箱和取像及照明系統(tǒng)要一起運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為龐大，為了系統(tǒng)穩(wěn)定和高精度的運(yùn)動(dòng)，采用雙龍門結(jié)構(gòu)，一個(gè)龍門上固定取像照明系統(tǒng)，另一個(gè)龍門上固定燈源箱，用兩個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)。以上三種AOI設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)有差異，因此所針對(duì)的使用環(huán)節(jié)及運(yùn)動(dòng)控制也會(huì)有所差異，但是設(shè)備要做精確的掃描取像，X、Y方向的運(yùn)動(dòng)控制必須保證嚴(yán)格的高速、勻速運(yùn)動(dòng)，上述的三種結(jié)構(gòu)都必須采用伺服電加光柵尺的閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)X、Y方向的精確控制，在每個(gè)方向上伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光柵尺構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制的速度反饋和位置反饋控制，其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。運(yùn)動(dòng)控制卡電機(jī)驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)工作臺(tái)光柵尺旋轉(zhuǎn)編碼器圖7 X、Y向運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)示意圖三、圖像處理系統(tǒng)圖像處理技術(shù)是AOI系統(tǒng)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)用的保證。因?yàn)獒槍?duì)的PCB的生產(chǎn)環(huán)節(jié)不同，檢測(cè)算法也不同。其中，針對(duì)PCB底片和PCB內(nèi)外層裸板的檢測(cè)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，在該類系統(tǒng)中，一般采用線掃描圖像采集系統(tǒng)取像，圖像精度高，數(shù)據(jù)量大，一般在采集的同時(shí)就要同時(shí)進(jìn)行圖像處理，在換幅掃描下一列圖像時(shí)處理上一幅掃描產(chǎn)生的圖像信息。針對(duì)SMT生產(chǎn)線的AOI，主要檢測(cè)焊膏質(zhì)量和貼裝元件的錯(cuò)誤、缺失等缺陷，一般是建立相應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)的模板庫(kù)，設(shè)定匹配的位置偏移量大小及檢測(cè)目標(biāo)的匹配容許度，并設(shè)定完整的掃描檢測(cè)路徑，完成檢測(cè)。1、PCB裸板的檢測(cè)算法介紹在檢測(cè)之前，還要有PCB板的標(biāo)定算法，即首先要根據(jù)板上選定的幾個(gè)固定特征對(duì)PCB板進(jìn)行定位，確定其在工作臺(tái)上上的位置和角度，并予以校正。1） DRC設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)法設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)法主要通過(guò)一定的算法，判斷PCB板上的銅渣、焊盤尺寸違反、線條過(guò)寬、線條過(guò)窄、小孔、鼠咬、間距尺寸違反等缺陷。PCB板設(shè)計(jì)好后，板上的線條寬度就已經(jīng)確定，如果產(chǎn)生線路、線寬加工錯(cuò)誤，一定大小的缺口或凸銅使線條和間距過(guò)小等問(wèn)題，就會(huì)影響到PCB使用后的導(dǎo)電傳輸和互感等干擾問(wèn)題。該檢測(cè)算法就是在檢測(cè)時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的線寬、間距、缺口等各種缺陷的容許參數(shù)去比對(duì)圖像，因圖像的成像精度很高，獲取的圖像中的線條尺寸，按照成像倍率復(fù)原后，與加工文件幾乎一致，如果出現(xiàn)上述缺陷，就會(huì)被檢測(cè)出來(lái)。圖8 DRC算法參數(shù)及檢測(cè)示意圖2）模板比較法 在設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)法中為了提高檢測(cè)和比對(duì)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(wú)法被識(shí)別。模板比較法主要用在較大的缺陷如焊盤缺失、大銅渣、大缺口中，在這個(gè)算法中，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(duì)，確定的缺陷要還原回抽樣之前的坐標(biāo)系中去。圖9 模板比較算法檢測(cè)示意圖3）特征比較法特征比較算法主要用來(lái)檢測(cè)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)行一定的形態(tài)化處理，然后根據(jù)抽取得模板與實(shí)際圖像的特征列表進(jìn)行比對(duì)，特制點(diǎn)不同就表示改點(diǎn)存在錯(cuò)誤。 圖9 圖像與模板差異示意圖 以上算法是PCB裸板檢測(cè)的主要算法，大多采用將圖像處理用以FPGA為核心的采集處理卡進(jìn)行硬件處理流程優(yōu)化，以提高檢測(cè)速度。2、SMT板的檢測(cè)算法在檢測(cè)之前，先要根據(jù)板上的一些特征點(diǎn)對(duì)PCB板的位置和旋轉(zhuǎn)角度等進(jìn)行確定，為后續(xù)的校正做好準(zhǔn)備。1）焊膏錯(cuò)誤檢測(cè)用在焊膏印刷后的AOI，主要用于檢測(cè)焊膏的飽滿程度，因?yàn)楹父嗟娜笔?huì)導(dǎo)致后續(xù)元器件貼裝質(zhì)量不好，為成品板的質(zhì)量埋下隱患。在這個(gè)環(huán)節(jié)的AOI，大體上有以下幾種：一種是采用圖3中所述的照明結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個(gè)角度反射回來(lái)的光線顏色不同來(lái)與模板庫(kù)中存儲(chǔ)的好的焊膏質(zhì)量圖進(jìn)行比較，不符合規(guī)定的就需要重新補(bǔ)焊膏；另一種是采用一個(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；還有一種是采用線激光束掃描PCB板，根據(jù)返回圖像上焊膏點(diǎn)與PCB板的扭曲程度，通過(guò)一定的映射及對(duì)比算法，分析焊膏的高度，判斷其印刷量是否達(dá)標(biāo)。2） 回流焊后檢測(cè)用在回流焊后的AOI，主要用來(lái)檢測(cè)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(kù)，并設(shè)定一定的圖像獲取路徑，將獲取的元器件圖像與元件庫(kù)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(huì)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。三、 總結(jié) 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電腦、電視、手機(jī)等各種電子產(chǎn)品越來(lái)越輕薄化和小型化，PCB的生產(chǎn)也相應(yīng)的線條越來(lái)越密，元器件貼裝密度越來(lái)越高，生產(chǎn)工藝在不斷地進(jìn)步提高，以前以人工檢測(cè)為主流的檢測(cè)受生理極限限制，已經(jīng)不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求，AOI作為近二十年來(lái)才逐步登上歷史舞臺(tái)的新興檢測(cè)技術(shù)，正在PCB生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域、環(huán)節(jié)上發(fā)揮著越來(lái)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，而且它可以收集生產(chǎn)中缺陷的類型及數(shù)量并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)線上各環(huán)節(jié)的加工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，并有效地幫助改善生產(chǎn)工藝中的問(wèn)題。AOI還要在不斷地提高檢測(cè)分辨率的情況下提高檢測(cè)速度，隨著PCB生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，以獲得更長(zhǎng)久的生命力。參考文獻(xiàn)：1 R.Cohen.and G.Dishon. 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