PCB測試、工藝及技術(shù)方法詳解

PCB測試、工藝及技術(shù)方法詳解

ByCraigPynn

一歡迎來到工藝缺陷診所。那個地點所描述的每個缺陷都將覆蓋專門的缺陷類

型，將存檔成為今后參考或培訓新職員的一個無價的工藝缺陷指南。

大多數(shù)公司現(xiàn)在正在使用表面貼裝技術(shù)，同時又向球柵陣列(BGA)、芯片規(guī)

模包裝(CSP)和甚至倒裝芯片裝配邁進。然而，

一些公司還在使用通孔技術(shù)。通孔技術(shù)的使用

不一定是與成本或體會有關(guān)-可能只是由于

該產(chǎn)品不需要小型化。許多公司連續(xù)使用傳統(tǒng)

的通孔元件，并將連續(xù)在混合技術(shù)產(chǎn)品上使用

這些零件。本文要看看一些不夠普遍的工藝問

題。期望傳統(tǒng)元件裝配問題及事實上際解決方

法將關(guān)心提供對在今天的制造中什么可能還會

出錯的洞悉。

靜電對元件的破壞

從上圖，我們使用光學照片與掃描電子顯

微鏡(SEM,scanningelectronmicroscopy)看至U在

一個硅片表面上的靜電擊穿。靜電放電，引入

到一個引腳，引起元件的工作狀態(tài)的改變，導

致系統(tǒng)失效。在實驗室對靜電放電的模擬也能

夠顯示實時發(fā)生在芯片表面的失效。如上面的

照片所示，靜電可能是一個問題，解決方法是

一個有效的操縱政策。手腕帶是最初最重要的防備。

樹枝狀晶體增長

樹枝狀結(jié)晶發(fā)生在施加的電壓與潮濕和一些

可離子化的產(chǎn)品顯現(xiàn)時。電壓總是要在一個電路

上，但潮濕含量將取決于應用與環(huán)境?？呻x子化

材料可能來自印刷電路板(PCB)的表面，由于裝

配期間或在空板制造時期時的不良清潔。

假如要調(diào)查這類缺陷，不要接觸板或元件。

在失效緣故的所有證據(jù)毀滅之前，讓缺陷拍成照

片并進行研究。污染可能經(jīng)常來自焊接過程或使用的助焊劑。另一個可能性是裝

配期間帶來的一樣操作污垢。工業(yè)中最普遍的缺陷緣故來自助焊劑殘留物。

在上面的例子中，失效發(fā)生在元件的返修之后。那個專門的單元是由一

個第三方公司使用高活性助焊劑返修的，不象原先制造期間使用的低活性材料。

焊盤破裂

當元件或?qū)Ь€必須作為一個第二時期裝配安裝時，通常使用C形焊盤。例

子有，重型元件、線編織或不能滿足焊接要求的元件。在某些情形中，品質(zhì)人員

不明白破裂的緣故，以為是PCB腐蝕問題。

上面的照片是一個設(shè)計陷井，不是PCB缺

陷。在焊盤上存在兩個破裂，但只有一個需要防

止焊接同時通常防止焊接過程的方向。

錫球

錫球是關(guān)于任何引入免洗技術(shù)的工程師的

一個問題。為了關(guān)心操縱該問題，他必須減少其

公司使用的不同電路板供應商的數(shù)量。通過如

此，他將減少使用在其板上的不同阻焊類型，并

關(guān)心孤立要緊問題-阻焊層。

錫球可能由許多裝配期間的工藝問題引起，

但假如阻焊層不讓錫球粘住，該問題就解決了。

假如阻焊類型不承諾錫球粘住表面，那么這就為

工程師打開工藝窗口。錫球的最常見的緣故是在

波峰表面上從助焊劑產(chǎn)生的排氣，當板從波峰處

理時，焊錫從錫鍋的表面彈出。

IC座的熔焊點

集成電路(IC)引腳之間的焊錫短路不是那么

常見，但會發(fā)生。一樣短路是過程問題太高的結(jié)

果。這種問題可能來自無錢工藝，必須為今后的

工藝裝配考慮。

在座的引腳和/或IC引腳上使用錫/鉛端子，

增加了短路的可能性。零件簡直差不多熔合在一

起。問題會變得更差，假如改變接觸表面上的錫/

鉛厚度。假如我們?nèi)渴褂脽o鉛，在引腳和座的

引腳上的可熔合涂層將顯現(xiàn)少，問題能夠幸免。該問題也能夠通過不預壓IC來

幸免。

焊點失效

“單面焊接點的可靠性是決定于焊錫數(shù)量、孔

對引腳的比率和焊盤的尺寸。上面的例子顯示一

個失效的焊點，相對小的焊點橫截面。

該例中的孔對引腳比率大,造成焊點強度弱。

隨著從引腳到孔邊的距離增加，橫截面上焊接點

的厚度減少。假如有任何機械應力施加于焊接點，

或者假如焊接點暴露于溫度循環(huán)中，其結(jié)果將類

似于所顯示的例子。是的，你能夠增加更多焊錫，

但這只會延長壽命-可不能排除問題。這類失效也可能由于對差不多脆弱的焊

接點的不當處理而發(fā)生。

不完整焊接圓角

上面的照片顯示一個單面板上的不完整焊接圓角的一個例子。那個缺陷的發(fā)

生，由于許多理由。不完整的焊接圓角由不當?shù)目着c引腳的比率、陡峭的傳送帶

角度、過高的波峰溫度和焊盤邊緣上的污染所引

起。照片顯示不當?shù)目着c引腳比率的一個清晰的

例子，這使得該聯(lián)系的大量焊接專門難達到。引

腳對孔的比率的設(shè)計規(guī)那么是引腳尺寸加上至少

0.010"(0.25mm)o加上0.015”(0.38mm)的孔在焊

接期間還可得到中意的焊點。一個經(jīng)常不記得的

問題是，隨著引腳對孔的比率增加，焊接點的尺

寸減少，這正阻礙焊點的強度和可靠性。

上面的例子也顯示銅焊盤上的去毛刺。在鉆孔或沖孔期間，板面上的銅差不

多在某些區(qū)域傾斜，使得焊接困難。假如松香從或者基板或者基板與銅焊盤之間

的結(jié)合點上涂在焊盤邊緣上。

測試方法入門

ByBrianTolenoandGregParks

本文介紹，在你的設(shè)施內(nèi)差不多有穩(wěn)固的、容易跟隨的、可重復性的測試方

法嗎？假如沒有，問題可能就在前面。

試想這種情形：你的品質(zhì)保證(QA,qualityassurance)經(jīng)理打給你：''我們

有一個問題，需要你來那個地點趕忙處理。"

當你到達現(xiàn)場，QA經(jīng)理給你看剛從生產(chǎn)線上來的一塊電路板，上面長有一

些''白色的浮渣”。這是什么？假如有，多少白色浮渣應該承諾？現(xiàn)存的白色浮

渣應該如何樣測量？

為了回答這些問題，你需要一個方法對研究中的白色浮渣進行測量。那個方

法應該關(guān)心你找出證據(jù)和有多少白渣存在。

開始測量方法(TM,testmethod)

什么是測量方法？對過程操縱、品質(zhì)保證和失效分析專門重要的，測試方法

是概括用于獲得有關(guān)測試主體，如板、元件、焊錫與助焊劑，數(shù)據(jù)的方法的詳細

程序。這些方法應該以如此一種方式寫下，以便它們?nèi)菀赘S和能夠再現(xiàn)。一個

測試方法(TM)應該是可重復的，以便在各種時刻從不同測試所產(chǎn)生的結(jié)果能夠

相互比較。一個跟隨困難和/或不夠詳細的測試方法可能引起問題。例如，假如

一個測試方法是寫給已裝配的電路板的清潔度測試的，通過測量浸出溶液(extract

solution)的導電率，但沒有規(guī)定進行浸出的溫度，如此可能得到錯誤的結(jié)果。

也許開頭例子中的白色浮渣是一個清潔度的問題。為了找出緣故，你在內(nèi)部

測試一塊板，并送出一塊同樣的板給一個獨立實驗室測試。兩個設(shè)施都進行一項

清潔度測試，通過在酒精/水溶液中浸出板和測量導電率，以氯化鈉(NaCl)當量的

形式報告結(jié)果。

不幸的是，兩個設(shè)施跟隨的測試方法沒有規(guī)定浸出的溫度。你的實驗室在

30°C進行測試，得到1.4|ig/cm2的氯化鈉當量；獨立實驗室在40°C進行測試,

得到2.0Mg/cm2的氯化鈉當量。因為你的標準（測試標準）對那個測試定義

1.56Mg/cm2的氯化鈉當量的污染水平為失效，因此從你的實驗室出來的板標記為

通過，而從獨立實驗室出來的板標記為失效，即使它們應該給出同樣的結(jié)果！現(xiàn)

在，雙方度必須重復測試，每個都以相同的浸出溫度來進行測試。

假如測試方法正確地寫下，所有測試參數(shù)都定義，包括進行浸出時的溫度，

那么那個問題能夠幸免。本例是重點說明突出的問題。遺漏，或不行好定義較細

小的事項也可能給以后的使用者帶來問題。

測試方法不應該與標準（失效標準）混淆。反過來也一樣。測試方法與標準應

該具有協(xié)同的關(guān)系。標準能夠引出一個測試方法，有時甚至可能討論測試方法的

一些細節(jié)。理想地，測試方法不應該定義一個標準，以便它可由一個更大的用戶

群使用。假如一個公司制造的產(chǎn)品用于要求性能專門關(guān)鍵的場合，如生命支持器

具，而另一家公司生產(chǎn)的產(chǎn)品用于''一次性"的電子設(shè)備，每個公司可能有不同

的接收標準。假如哪家公司的測試方法含有接收標準，那么另一家公司使用這些

標準時就有問題。當測試方法不含有標準時，每個實驗室都可應用自己一套接收

標準，使用相同的測試方法。當接收標準與測試方法分開時，測試方法的可應用

性增加了。假如接收標準被包括在一套出版的測試方法內(nèi)，而不是分開的，實驗

室可產(chǎn)生其自己的測試方法，每一個都有些不同，并包含其自己的接收標準。這

種情形會限制公司之間、測試實驗室與顧客之間的有關(guān)產(chǎn)品品質(zhì)的通信數(shù)量與清

晰度。

什么緣故需要測試方法？

測試方法的需要有許多理由。一個要緊的應用是過程操縱（processcontrol）和

品質(zhì)保證。對過程操縱有一個測試方法，可保證對監(jiān)測過程所收集的數(shù)據(jù)每一次

差不多上以相同的方法產(chǎn)生的。另外，有一個測試方法可承諾相同的測試在許多

不同的地點進行，保證從每個設(shè)施得出的數(shù)據(jù)差不多上能夠與其它設(shè)施所產(chǎn)生的

數(shù)據(jù)比較的。那么各種測試設(shè)施可說同一種語言。那個方面同樣是重要的，當測

試方法的應用是用來區(qū)分或給予資格供應商。供應商能夠參照一個眾所周知的測

試方法，在描述其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表上報告結(jié)果。然后一個潛在的客戶能夠?qū)碜云?/p>

它供應商的材料進行的相同測試，比較在材料數(shù)據(jù)表中記錄的每個數(shù)據(jù)的結(jié)果。

也許在開頭例子中的白色浮渣是與助焊劑有關(guān)的。因此，現(xiàn)在你不得不決定

今后使用誰的助焊劑。助焊劑必須具有低于3%的固體含量。你往常的供應商和

你的公司差不多同意使用IPC標準TM-6502.3.34來決定固體含量。你接觸兩個

新的供應商，A和B,要求他們同樣的信息，使用相同的測試方法。供應商A

報告其助焊劑含有2.6%的固體，供應商B報告3.9%的固體含量。因為這兩個供

應商進行與原先供應商相同的測試方法，因此三個值能夠相互比較。在那個信息

的基礎(chǔ)上，你的公司開始對使用哪個助焊劑供應商作出有知識的選擇。

測試方法如何應用？

測試方法是標準與接收準那么的應用與監(jiān)測的重要工具。這些標準和測試準

那么用于各種情形。正如所討論的，這些標準，和與之一起使用的測試方法，可

用來給予資格新的材料供應商。另一個重要的應用是在過程操縱之中。再一次，

提供接收標準，相應的測試方法用來監(jiān)測被測試來跟蹤過程的參數(shù)。只要測試方

法是以連續(xù)的方式應用，從測試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可用來監(jiān)測過程。在那個例子，和一

個與標準和接收準那么有關(guān)的測試方法的任何其它應用中，測試方法和標準必須

設(shè)計成相互適應。假如公布一個標準或者一個專門的接收準那么，那么跟隨那個

與標準對應的專門測試方法是重要的。假如給出一個標準，為該標準產(chǎn)生數(shù)據(jù)的

測試方法改變了，那么標準是無效的。

回到開頭的例子，你差不多最終跟蹤那個問題到你正在使用的助焊劑中的一

個污染?，F(xiàn)在，你需要決定就表面絕緣電阻率而言，是否新的助焊劑將滿足你的

規(guī)格。你決定一個標準，在85%HR/85°C條件下在七天之后大于4.00x109

那個標準是使用一個0.4mm的線和0.5mm的間隔的測試梳狀電路來決定的。當

測試新的助焊劑時，得到3.00x109。的表面絕緣電阻值。當測試更認真地考查

時，使用了0.5mm的線和0.4mm的間距的板，它使試驗無效。試驗又使用正確

的測試板和前面通過的助焊劑進行。

使用差不多公布的標準和測試方法如其所寫一樣是明智的。盡管個別公司應

該設(shè)計其自己的測試方法，但他們也應該開發(fā)與這些試驗方法相應的標準。事實

上，當開發(fā)新產(chǎn)品和工藝時，開發(fā)內(nèi)部標準和測試方法來關(guān)心認定這些新產(chǎn)品和

工藝的合格性是有益的。

結(jié)論

測試方法是電子材料制造的一個重要方面。差不多公布的方法和相應標準的

可用性承諾更好的過程操縱(processcontrol)和品質(zhì)保證(qualityassurance)<,另外,

這些測試方法在失效分析和新產(chǎn)品與材料的研究開發(fā)中是有用的工具。測試方法

的廣泛的使用性承諾在電子材料制造行業(yè)更好的信息溝通。

如何樣能夠獲得測試方法和標準？

試驗方法與標準察常能夠從互聯(lián)網(wǎng)面購或下載。一些公布測試方法和標準

的組織包括：

美國國家標準協(xié)會(ANSI,AmericanNationalStandardsInstitute),;

11West42ndSt.NewYork,NY10036;(212)642-4900.

國際電工委員會(IEC,InternationalElectrotechnicalCommission),;3,ruede

Varembe,P.O.Box131,CH-1211GENEVA20,Switzerland;+41229180211.

美國電子工業(yè)協(xié)會(IPC,AssociationConnectingElectronicsIndustries),;2215

SandersRd.,Northbrook,IL60062-6135;(847)509-9700.

三維錫膏檢查

ByRobertKelleyandDavidClark

一本文介紹，隨著表面可貼裝先進封裝的幾何形狀的減小，而產(chǎn)品包裝密度的

增加，與錫膏有關(guān)的問題作為缺陷的要緊來源連續(xù)處在許多制造商的問題清單的

最前面，同時混合著如此一個事實，即這些新元件的返工越來越難和昂貴。但是,

綜合的、三維(3-D)錫膏檢查能夠關(guān)心排除錫膏缺陷和降低返工成本。

當人們想像自動光學或者表面貼裝檢查的時候，他們第一想到的經(jīng)常是在

SMT線尾部的檢查。想像的是一部機器，能夠檢查焊點內(nèi)的缺陷、誤放或丟失

的元件、元件值的錯誤、和其它各種能夠在最終產(chǎn)品中了結(jié)的工藝問題。這種類

型的檢查能夠防止缺陷性產(chǎn)品走出工廠，然而對改善產(chǎn)品質(zhì)量的作用專門小。一

個更有效的方法是防止這些缺陷第一發(fā)生。1

物體的形狀

錫膏工藝依舊SMT的脊椎骨。假如錫點機

械上失效，那么產(chǎn)品最可能將在不久的以后完全

失效。一個錫點強度的最可靠預報值之一確實是

其形狀。焊點的正確形狀，即彎液面(meniscus),

一樣保證強度和應力開釋的足夠的橫截面積。焊

點形狀的最好推測值之一是錫膏的量。假如焊盤

上太少錫膏，那么它最可能將造成一個薄弱的焊

點。另一方面，太多錫膏可能導致成形差的焊點

和短路。

焊點檢查的在線(in-line)工藝操縱是通過將檢查工具放在缺陷最經(jīng)常發(fā)生的

地點來完成的。兩個最常見的應用是錫膏檢查和元件貼裝檢查。在這些位置的適

當?shù)臋z查機器可提供各種好處。

在線工藝操縱

第一，通過在通常發(fā)生的地點查找缺陷，在線檢查可更容易地、以較低成本

在回流爐時期完成之前處理返工問題。例如，絲印(screen)差的錫膏能夠從印刷

電路板(PCB)上洗掉，板重新印刷。在線錫膏檢查系統(tǒng)能夠發(fā)覺的其它常見缺陷

包括橋接、錫膏不足或過多、和錫膏位置不正(圖一和二)。在回流之前，誤放或

丟失元件也容易地糾正。在回流焊接之后，糾正

這種缺陷危及損壞板或元件。在回流之后指出，

個缺陷的真正緣故是困難的。最常報告的線尾

(endofline)裝配缺陷是錫橋。盡管橋接經(jīng)常是由

丁過量錫—可流之后專門難確信那個判定，E

I川為〕它囚索如兀件5腳或貼裝川能；I!錯。使用郭一於

在程(in-process)錫膏檢查能夠排除焊錫缺陷作為

問題的一個來源，并關(guān)心澄清工藝中問題的其余緣故。通過從過程中排除錫膏缺

陷，問題的其余緣故能夠暴露和發(fā)覺。

其次，一個好的在線檢查工具不僅是將好的

從壞的產(chǎn)品中分類出來。通過提供對重要參數(shù)的

精確、可重復的測量，專門容易地從一個自動系

統(tǒng)獲得有價值的過程操縱(process-control)數(shù)據(jù)。

這種數(shù)據(jù)提供給SMT裝配工藝一個有價值的窗

口。信息不僅包括從每塊在建(built)板上的缺陷，

而且它''看到"正常工藝變量和識別缺陷的緣

故。X軸R圖表是經(jīng)常舉薦作為一個在錫膏印刷

過程中查找專門變化的好方法。(圖三)

第三，提供在線過程操縱的檢查工具能夠用于加速過程的調(diào)整和關(guān)心減少產(chǎn)

品介入周期。SMT工藝的前沿(leadingedge)不斷變化，隨著材料、元件和裝配方

法的引入，以減少成本和改進產(chǎn)品性能。因此，當裝配工藝變化時，應該重新認

證和檢定，以保證高效率。在許多情形中，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的生產(chǎn)方法進行工藝研究,

著眼于進一步改進效率。有了來自監(jiān)測關(guān)鍵工藝步驟的在線檢查工具的可靠數(shù)

據(jù)，這種工程工作可更容易地進行。

重點放在變量

“錫膏檢查通常把重點放在那些是焊點質(zhì)量的最正確推測值的變量上面：錫膏

的量、高度、面積、位置和是否錫膏弄臟。為了精確測量錫膏的體積和高度，要

求某種類型的3-D傳感器。另一個要求是，該工具不僅完成通過/失效的檢查，

而且進行測量。反過來，測量應該滿足精度與可重復性的要求，以使得該檢查系

統(tǒng)可勝任測量工藝。一個沒有所要求精度的系統(tǒng)可能阻礙產(chǎn)品品質(zhì)。使用不夠穩(wěn)

固性、可重復性和精度的工具進行任何檢查都將不是有效的，最可能將引起延誤

和減少產(chǎn)量。

更小的封裝與間距

表面貼裝元件(SMD)的兩個進展也推動對錫膏檢查的需求。

元件尺寸。只有在最近幾年內(nèi)0402和0201無源(passive)元件的引入才在新

設(shè)計中變得普遍起來。但是，隨著其不斷增長的應用，顯現(xiàn)問題的機會連續(xù)增加。

每一個尺寸減少都意味著必須正確地使用甚至更少的錫膏沉積(deposit),在剩下

的裝配與運輸期間將零件固定在板上。

芯片規(guī)模的封裝技術(shù)(CSP,chipscalepackage)oCSP是陣列類型的(array-type)

元件，即其錫點是位于封裝的下面，使得檢查更加困難。因此，檢查錫膏應用工

藝步驟更為容易，以保證最終產(chǎn)品具有所要求的品質(zhì)特點。另外，CSP比其相應

的高引腳數(shù)的元件更小。因此，焊盤尺寸更小，引腳間距更緊。由于這些緣故，

CSP差不多是有關(guān)其在表面貼裝應用中可靠性的幾個研究的目標。它們再次確信

焊接點的可靠性是關(guān)鍵的，假如產(chǎn)品要滿足與QFP(quadflatpack)和球柵陣列

(BGA)封裝有關(guān)的可靠性。

這意味著對先進封裝的錫膏印刷是更加困難的。模板(stencil)上的更小開孔

意味著用來將元件附著到PCB的每個孔的錫膏量越少。同時隨著間距和焊盤尺

寸的縮小，開孔的面積減少比其孔壁面積快得多。這增加了在印刷期間錫膏黏附

到模板而不潔凈地開釋到板上的傾向。監(jiān)測錫膏印刷工藝過程也變得更加困難，

由于沉積的尺寸減少加上其在PCB上的數(shù)量增加。

返工成本

證明任何的在線檢查工具的通過方法是估量有和沒有那個能力時的生產(chǎn)成

本。除了檢查系統(tǒng)外，它包括編程、愛護的成本和監(jiān)測的結(jié)果。它也要求對涉及

產(chǎn)生和修理缺陷產(chǎn)品的成本估算。在較新和較小的封裝類型情形中，更緊密的工

作區(qū)域和更高的精度將要求用于返工，返工經(jīng)常必須在更脆弱的板和元件上進

行。結(jié)果，在某些產(chǎn)品的情形中，將達到得失平穩(wěn)的點，也許報廢缺陷板更合算,

裝配另外的而不是妄圖去返工。當顯現(xiàn)有底部灌充材料的CSP的時候，情形更

是如此。

隨著返工變得更加困難和在某些情形不可行，剩下的唯獨選擇可能是同意增

加的成本或改進第一次通過合格率(FPY,first-passyield)。假如制造商選擇后者，

只有改進對缺陷最多數(shù)量有關(guān)的工藝步驟才有意義，即，最常見的是，錫膏印刷

工藝2。當相同的問題在下個工藝步驟之前發(fā)生時，糾正的成本通常能夠減少10

倍或更多3。

可靠性

可靠性是所有產(chǎn)品的一個重要考慮，但對醫(yī)療、汽車、手提通信和便攜式運

算機，可靠性有全新的重要性。許多這類產(chǎn)品必須可靠地工作，甚至當遭受到溫

度極端或機械沖擊和振動時。因此焊接點的完整性無疑是窄小系統(tǒng)的重要考慮。

盡管CSP和0201最終將在各種產(chǎn)品中找到其位置，但它們最近的使用將是手提

通信和便攜運算產(chǎn)品，其中更小的尺寸是迫切的。

錫膏的量在所有焊接點的可靠性中起關(guān)鍵的作用。最近的研究差不多顯示，

關(guān)于CSP,錫膏量（太多或太少）是長期錫點完整性的關(guān)鍵4。一個能夠測量錫膏

體積的在線錫膏檢查系統(tǒng)可用于生產(chǎn)期間跟蹤那個參數(shù)。還有，現(xiàn)在的許多檢查

系統(tǒng)結(jié)合使用統(tǒng)計過程操縱（SPC,statisticalprocesscontrol）工具，關(guān)心工程師找到

工藝趨勢，和在生產(chǎn)出不合規(guī)格的零件之前采取糾正行動。

結(jié)論

關(guān)于在今天的SMT制造中通常所見的高生產(chǎn)量，在線錫膏檢查可得到有吸

引力的收成。除了較低的返工成本外，一個能夠在印刷錫膏的時候檢查每塊板的

系統(tǒng)優(yōu)勢變得重要。因為錫膏印刷工藝內(nèi)來難以操縱，常見的不僅是隨機的而且

是系統(tǒng)的缺陷，其中許多連續(xù)產(chǎn)生缺陷的板可能通過。在這種情形中，所產(chǎn)生缺

陷板的數(shù)量可比那些確認為問題發(fā)生的板數(shù)量大許多倍。

在線錫膏檢查提供比其它檢查方法多的好處。這些包括實時分析工藝和模板

印刷工序性能的能力。進一步，SPC可關(guān)心操作員看到其造成缺陷之前在工藝中

的趨勢。假如缺陷產(chǎn)生，它們在昂貴的返工或報廢要求之前就被發(fā)覺。最后，自

動錫膏檢查可關(guān)心改進FPY和減少返工成本。

印刷后的三維檢測及檢測設(shè)備現(xiàn)狀

科研處郝宇，第一研究室李桂云

本文簡要論述了焊膏沉積后使用的檢測方法，并將二維檢測技術(shù)與三維檢測

技術(shù)進行了比較，通過比較重點介紹了三維檢測技術(shù)的優(yōu)點及各種檢測設(shè)備的技

術(shù)性能。

關(guān)鍵詞：三維檢測；焊膏沉積；印刷檢測設(shè)備

隨著電子組裝的更高密度、更小尺寸、更復雜的PCB混合技術(shù)的縱深進展,

使得用肉眼對印刷后的質(zhì)量進行檢測已成為歷史。盡管工藝設(shè)備更加先進，仍強

調(diào)要對PCB的質(zhì)量嚴格把關(guān)，因為在電子組裝過程中產(chǎn)生的缺陷中有70%的缺

陷源自焊膏印刷工藝，在沉積較細間距的元件時更是如此。此外，在沉積焊膏過

程中產(chǎn)生的漏印、焊料過多或過少等缺陷會給隨后的工序（元件貼裝）帶來橋接、

短路和墓碑現(xiàn)象，使最終生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性得不到保證。為此，人

們越來越重視印刷后的焊膏檢測。目前，表面組裝檢測設(shè)備制造廠家提供了幾種

不同的印刷后檢測方法及各種不同的焊膏沉積檢測設(shè)備，從價格相當?shù)土氖?/p>

工、脫機檢測設(shè)備到100000美元的高檔、高速在線檢測設(shè)備。應在充分了解和

權(quán)衡比較二維檢測設(shè)備和三維檢測設(shè)備之間、脫機檢測設(shè)備和在線檢測設(shè)各之

間、樣品檢測和整塊板子檢測之間的利弊后，為你自己的組裝生產(chǎn)線選擇適用的

焊膏檢測設(shè)備。

1檢測使成本上升

電子行業(yè)專家們一致認為焊接缺陷是由焊膏印刷不良造成的。因此，提高印

刷質(zhì)量、或減少進入下一步工序的有缺陷電路板的數(shù)量，將有助于提高最終的質(zhì)

量，并通過降低返修量和減少廢品率可實現(xiàn)降低成本的目的。

1.1盡早發(fā)覺缺陷

經(jīng)對在線測試時期所檢測的有缺陷的電路板的返修或報廢品所帶來的成本

進行了大致統(tǒng)計，發(fā)覺操縱印刷工藝會給焊膏印刷帶來專門多顯著的優(yōu)點。任何

一種缺陷都會消耗資金，而印刷后檢測只能關(guān)心減少缺陷數(shù)量，并不能完全排除

缺陷。然而，事實上在電路板成本沒有增加之前，在加工過程中進行檢測，以求

得盡早識別缺陷，的確能夠降低由缺陷所帶來的額外成本，提高一次性檢驗合格

率對基礎(chǔ)生產(chǎn)線起到專門大作用。

清洗電路板以便再利用要比返修或重新測試的成本低得多。在印刷后對缺陷

進行修復的成本估量為0.45美元，在在線測試后修復同樣缺陷的成本近似30美

元。不考慮美元比價，這種關(guān)系仍保持不變。因此，在加工過程中盡早發(fā)覺缺陷

不是什么苦惱事，而是節(jié)約成本的一個良好契機。

1.2提高可靠性

在印刷工藝中附加檢測工序可提高組裝后電路板的可靠性，緣故有兩個：第

一，檢測減少了返修量，此外；返修后的焊點易于損壞，同時比合格的焊點更易

破裂。其次，焊膏量不足也有可能形成易破裂的焊點，盡管當時能夠通過在線測

試，但是以后也會斷裂。

有這兩種問題的電路板雖都能通過最后的測試，卻容易在運行時發(fā)生故障。

成品中存在的這些問題會使用戶不中意或使保修費專門高。

1.3必要的檢測

由于更密的引線間距、更小的球柵陣列焊球和更精確的印刷間隙的要求，使

更多的PCB組裝廠家在組裝工藝中增加了焊膏檢測工序。而在一些合同組裝廠,

是依照用戶的要求才增設(shè)檢測步驟。

依照技術(shù)要求，而必須實施焊膏檢測時，那么下一步確實是確定哪一種檢測

設(shè)備最適合于特定的應用。

2選擇檢測設(shè)備

可在幾個制造廠家中選購焊膏檢測設(shè)備。每個制造廠家都提供有不同速度、

性能和價格的檢測設(shè)備，只是都報導了焊膏高度、體積和面積的測量結(jié)果（表1）

印刷后的檢測設(shè)備要緊有兩類：人工脫機檢測設(shè)備，包括視覺檢測和臺式

測量工具；自動在線檢測設(shè)備，包括內(nèi)置于印刷機中的樣品檢測系統(tǒng)和整塊印制

板掃描檢測設(shè)備。

2.1視覺檢測

長期以來一直使用視覺檢測這種簡單的方法就足以確定樣品''合格或不合

格"，直到今天更小器件、更高引線數(shù)和更細間距元件的問世，才使得這種方法

不適用了。使用發(fā)光的放大鏡或校準的顯微鏡，由經(jīng)培訓的操作人員檢查樣品印

制板，并確定什么時候需進行校正操作。視覺檢測在工藝監(jiān)測中是成本最低的一

種方法，而且在印刷工藝中其校正操作步騾的成本是最合理的。

然而，視覺檢測方法帶有人們的主觀意識：操作人員與操作人員之間的檢測

結(jié)果是不同的。視覺檢測工具沒通過校準，不能夠給出工藝操縱所需的數(shù)據(jù)。從

實際情形來看，隨著超細間距與BGA器件的不斷普及，也就不再使用視覺檢測

方法，因為它已不再是監(jiān)測印刷工藝的行之有效方法。

2.2人工激光檢測

為減少缺陷，下一步的操作是使用人工臺式艙機檢測設(shè)備。這些測量工具使

用了非接觸式激光技術(shù)來測量焊膏高度和記錄。通過對操作人員略微進行一下培

訓，這些設(shè)備通常就可產(chǎn)生一致性的結(jié)果，可不能由于操作人員的不同而使檢測

結(jié)果也不同。

激光三維檢測設(shè)備使用激光束建立測量的參考點。這種設(shè)備可報告在激光束

所照耀到的焊盤上的某個點時測量的單一焊膏高度，通常為焊盤的中心。這種類

型的測試儀還可用焊盤的長度乘以焊盤的寬度得出面積測量值。然后，將面積測

量值乘以高度測量值，即可運算出體積測量值。

脫機檢測設(shè)備使用的差不多工藝操縱是將樣品電路板從生產(chǎn)線中卸下來，進

行標準測量，并記錄下檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)。新的PC式的檢測設(shè)備可將數(shù)據(jù)儲備起

來，提供給SPC（統(tǒng)計工藝操縱）進行分析。然而，在印刷其他有缺陷的電路板之

前，脫機檢測設(shè)備還不能趕忙查出缺陷。

2.3內(nèi)置于印刷機中的自動檢測系統(tǒng)

幾家印刷機制造廠推出了內(nèi)置式二維和三維焊膏檢測系統(tǒng)或故障查找系統(tǒng)。

然而，內(nèi)置于印刷機中的檢測系統(tǒng)與絲網(wǎng)印刷機共享硬件，由于絲印機必須在暫

停的狀態(tài)下才能進行檢測，因此降低了印刷速度。

大多數(shù)內(nèi)置式檢測系統(tǒng)都使用攝相視覺技術(shù)來評判焊膏面積、覆蓋率和校

準。除了檢測印記外，還可用那個攝相機檢查絲網(wǎng)，查看模板開口是否堵塞和焊

膏過多。

一些印刷機制造廠家給印刷機增設(shè)了體積測量功能，其方法是將激光束高度

測量與視覺系統(tǒng)相結(jié)合，如此，將面積乘以一個中等焊盤高度測量值，即可運算

出體積。這種方法可重復性差，有時可監(jiān)測到可能會產(chǎn)生在焊盤末端的焊盤缺陷,

但不能識別磚形焊料的不規(guī)那么性。

2.4自動三維在線樣品檢測設(shè)備

與內(nèi)置在印刷機中的檢測系統(tǒng)相比，自動在線樣品檢測設(shè)備有兩個要緊優(yōu)

點。第一，由于這種設(shè)備是獨立的系統(tǒng)，因此能夠不利用印刷機的硬件，不需要

停機就可進行檢測。其次，樣品檢測設(shè)備的測量性能使你能夠獲得精確的、可重

復的測量結(jié)果。

而印刷后的在線檢測設(shè)備不能測量每塊印制板上的每個焊盤，為收集SPC

數(shù)據(jù)，這種設(shè)備應用有效的統(tǒng)計技術(shù)可檢測出專門多板子上的現(xiàn)場操作顯現(xiàn)的關(guān)

鍵問題。由IBM公司的一名工藝開發(fā)工程師進行的一項研究證明將樣品檢測設(shè)

備用于BGA焊盤是綽綽有余的。但仍舊存在有偶然發(fā)生缺陷的可能性，實際上,

缺陷率比末經(jīng)檢測的缺陷率低得多。

印刷后常用的樣品檢測設(shè)備是在線上設(shè)計，安裝在傳送帶上，緊接在絲網(wǎng)印

刷機后面，連續(xù)檢測印刷工藝中用戶要求檢測的樣品(通常為細間隙或BGA)。檢

測設(shè)備可將實際的焊盤測量值與預置的參數(shù)進行比較，并通知操作人員焊膏印記

何時偏離預先規(guī)定的范疇。

樣品檢測設(shè)備不同于激光臺式和整塊印制板掃描設(shè)備，其使用了配置有探測

器的光敏器件，能連續(xù)拍照目標焊膏印記的快印圖片。該圖像可建立檢測區(qū)域的

高辨論率外觀圖。先求出所有高度數(shù)據(jù)的總和，并乘以己知的圖像面積即可運算

出焊膏體積。

與整塊印制板掃描設(shè)備比較，樣品檢測設(shè)備有幾個優(yōu)點。第一，能夠在幾分

鐘之內(nèi)對其進行預置并編程，而整塊印制板掃描設(shè)備可能需要幾個小時進行預

置。設(shè)置后，經(jīng)培訓的人員就能監(jiān)測樣品檢測設(shè)備，不需具備工程技能。收集的

數(shù)據(jù)自動顯示在監(jiān)視器上供操作人員觀看，并以標準格式儲備起來以便進一步的

分析。其次，可依照檢測速度與生產(chǎn)線速度的匹配情形調(diào)劑檢測樣品的數(shù)量，如

此在檢測中就可不能花費太多的時刻。最后，配置的燈技術(shù)可對有缺陷傾向的位

置進行精確的測量。

其缺點是：由于樣品檢測設(shè)備不能檢測每塊印制板上的每個位置，缺陷漏檢

的機會高。在規(guī)那么的圖形中可不能顯現(xiàn)定義的偶然缺陷；當使用樣品檢測技術(shù)

時，仍舊有可能存在漏檢的現(xiàn)象。

2.5自動在線整塊印制板檢測設(shè)備

高速整塊印制板檢測設(shè)備是這一領(lǐng)域的最高檔設(shè)備，其能評估每塊印制板上

的每個檢測點。這種設(shè)備成本高，只是速度專門快、同時能夠檢測在生產(chǎn)線上運

行的整塊印制板。

整塊印制板檢測設(shè)備利用激光束進行逐條生產(chǎn)線上的整塊印制板的掃描，收

集每個焊盤的所有測量數(shù)據(jù)，并將實際測量值與須置的合格極限值進行比較。這

種設(shè)備可檢驗各種不同類型的印記，包括偶然顯現(xiàn)的缺陷，如；由模板開口堵塞

引起的焊盤漏印。全掃描還可顯示出焊膏沉積圖形的印記，包括坍塌、凹陷和焊

料隆起。

整塊印制板檢測設(shè)備的要緊優(yōu)點是：實際上能夠指出每個印刷缺陷的位置，

并能夠收集板上每個焊盤的實際高度、面積和體積數(shù)據(jù)。關(guān)于潛在成本較高的缺

陷或是單元成本高的情形，整塊印制板檢測是比較適用的。應用于汽車、軍事或

航空領(lǐng)域的印制電路板必須滿足高可靠性技術(shù)要求，常常需要100%的檢測。

2.6自動光學檢測(AOI)設(shè)備

自動光學檢測設(shè)備是目前唯獨的一種能夠與組裝生產(chǎn)線保持同步速度并行

操作檢測焊膏沉積質(zhì)量的設(shè)備。其每小時可檢測100000多個元件，也確實是說

在線AOI設(shè)備可對板上的沉積點進行100%的檢測。這種設(shè)備采納了圖像分析軟

件、測量元件、確認其值及極性和保證貼裝精度的邊緣視覺技術(shù)。應用了標準的

CAD和Gerberfile編程。還應用了統(tǒng)計工藝操縱(SPC)軟件工具，并建立了數(shù)

據(jù)庫，而且與返修工作站建立了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。其與自動在線整塊PCB檢測設(shè)備有

專門多相似的功能。它最顯著的特點是用途廣泛，不僅能夠檢測印刷質(zhì)量，還可

檢測其它工序的質(zhì)量，如：貼裝機的精度等。

在SMT生產(chǎn)線中放置AOI系統(tǒng)

ByRayP.Prasad

本文介紹幾種檢查方法，分析了如何選擇在SMT生產(chǎn)線放置AOI系統(tǒng)的位

置。

有各種檢查和測試方法使用在電子工業(yè)中。視覺檢查方法是最一般和低成本

的，但專門依靠操作員的。X射線方法成本高、速度慢，能力有限。自動光學檢

查(AOI,automatedopticalinspection)速度較快但價格昂貴。在線測試(ICT,

in-circuittest)和功能測試有時也作檢查工具使用，但其能力也是有限的。本文，

我將討論視覺和AOI方法。

視覺檢查

最普遍和廣泛使用的檢查方法是視覺檢查，使用2~10倍的放大鏡或顯微鏡。

J-STD-001要求關(guān)于引腳間距大于0.020"的所有元件使用2~4倍的檢查。關(guān)于引

腳間距0.020"或以下的密間距元件要求10倍的放大系數(shù)。更高的放大系數(shù)應該

只用作參考。

視覺檢查的要緊問題是，決定于操作員，因此，是主管的。例如，假如相同

的裝配給不同的檢察員，他們將報告不同的品質(zhì)水平。對那個情形的一個一般反

應是減少人為因素，轉(zhuǎn)向眾多的自動檢查系統(tǒng)中的一種。

自動光學檢查(A0I)

由于電子工業(yè)元件進入到更密間距個球柵陣列(BGA)元件，錫點的視覺檢查

差不多變得或者專門困難或者不可能。還有，如前面所討論的，甚至是在可行的

時候，視覺檢查也是專門取決于操作員。因此，工業(yè)差不多轉(zhuǎn)移到自動檢查系統(tǒng)。

市場上有許多系統(tǒng)，價格范疇專門大。新的機器不斷介紹到市場。

在選擇所需的機器時，你需要決定你想要A0I系統(tǒng)作什么。例如，你想機

器指出丟失的元件、元件的極性、貼裝精度、錫膏印刷或焊點的品質(zhì)嗎？重要的

是記住，多數(shù)A0I機器當用來確認錯誤極性或丟失的元件時工作正常，但用來

精確地確認焊錫點的品質(zhì)可能是具挑戰(zhàn)性的。

不管使用哪一種設(shè)備類型，一樣的A0I系統(tǒng)的要求應該包括精度、可重復

性、速度、運算機輔助設(shè)計(CAD)兼容性、和誤失效與誤接收(當使用機器作錫

點品質(zhì)檢查時的一個專門普遍的問題)。

有時，錯誤認為自動檢查系統(tǒng)可用來過程操縱，通過改變適當?shù)淖兞縼韺崟r

地糾正缺陷。關(guān)于大多數(shù)系統(tǒng)，現(xiàn)在這可能是有期望的方法，因為許多需要防止

問題的改變都要求人為的干預。

實時地操縱焊接點品質(zhì)的唯獨方法是，假如焊接與檢查系統(tǒng)集成在一起。用

如此一個集成系統(tǒng),焊接點或者停止或者連續(xù),取決于單個焊接點熱量輸入要求。

在在傳統(tǒng)的回流焊接工藝如對流中簡直不可能。現(xiàn)在，具有閉環(huán)檢查特性的激光

焊接系統(tǒng)能夠買得到，來達到這一目標。

但是，沒有真正能夠指出一個給定缺陷和確認其緣故的系統(tǒng)。缺陷分析可能

要求人為干預和工程判定。例如，自動檢查系統(tǒng)專門大程度上依靠焊點的質(zhì)量和

密度（少錫、多錫或無錫）。但是，有不止一個緣故的缺陷可能永久不能只放入這

三類中的一類，以滿足自動檢查系統(tǒng)的需要。少錫可能由空泛、焊接圓角不足或

錫膏不足所引起。對這些缺陷的改進行動是不同的，需要人為的判定和干預。

檢查主導思想

有兩種檢查主導思想：缺陷防止或缺陷發(fā)覺。適當?shù)姆椒☉撌侨毕莸姆乐?

因為其重點是在過程操縱和通過實施改正行動來排除缺陷。在如此一個方法中，

AOI機器或者放在SMT生產(chǎn)線的錫膏印刷機之后，或者放在元件貼裝之后。

使用發(fā)覺哲學的人把檢查機器放在SMT線的專門后方-在回流焊接爐之

后。這是制造工藝中的最后步驟，以保證沒有壞品逃出工廠。

從主導思想上說，許多人不認同檢查的預防方法。假如你同意那個思想，那

么你應該在生產(chǎn)線哪里放置AOI系統(tǒng)呢？

第一個選擇是將AOI系統(tǒng)放在錫膏印刷正后面。因為許多缺陷與錫膏量和

印刷品質(zhì)有關(guān)，這是AOI系統(tǒng)的一個好位置。如此一個系統(tǒng)應該監(jiān)測什么呢？

只有錫膏的X-Y尺寸，包括誤印或錫膏體積（X-Y-Z）?錫膏體積測量將比X-Y測

量慢，但提供更有用的數(shù)據(jù)。那個在某些應用中比其它應用更為關(guān)鍵。例如，關(guān)

于陶瓷排列包裝，錫膏體積對達到所期望的焊點品質(zhì)專門關(guān)鍵。

第二個選擇是把AOI系統(tǒng)直截了當放在射片機之后。那個地點，可檢查誤

放或放錯的小元件，包括電阻和電容，以及BGA和密間距元件的錫膏品質(zhì)與體

積，這些元件是用生產(chǎn)線內(nèi)射片機之后的不同的貼片機貼裝的。使用其視覺能力，

它們通常對較大的包裝有更好的精度。

第三個選擇是將AOI系統(tǒng)放在密間距和BGA貼裝機器后面（回流之前），來

檢查誤放的密腳、BGA和其它大元件。這是一個好位置，因為大多數(shù)缺陷與密

腳元件有關(guān)。這些是關(guān)于預防哲學主張者的選擇。

假如你集中在發(fā)覺的方法，你有第四個選擇-將AOI系統(tǒng)放在回流焊接之

后，查找品質(zhì)差的焊點。這關(guān)于那些想要保證不可同意的焊點在發(fā)貨給最終用戶

之前發(fā)覺到的公司是一個好方法。

第五個選擇是結(jié)合使用預防和發(fā)覺兩者思想，將AOI系統(tǒng)放在每一個工藝

步驟之后-錫膏印刷、射片機、BGA和密腳貼裝、和回流焊接。那個選擇可能

是供不起的。

多數(shù)人有有限的預算，必須決定在SMT線的哪里放置系統(tǒng)。假如只購買一

臺AOI系統(tǒng)，你可能想要把它直截了當放在射片機之后，你能夠檢查兩個要緊

問題-較小元件的誤貼裝或錯誤和BGA與密腳元件的錫膏品質(zhì)與體積。還有，

這是決定整個品質(zhì)的最關(guān)鍵的位置。

結(jié)論

錫點檢查是一個事后的步驟。一個更有效的方法是采取預防措施。即，實施

過程操縱來保證問題不發(fā)生。這是否意味著檢查不必要呢？完全不是。檢查將不

得不連續(xù)完成缺陷收集的反饋，以監(jiān)測工藝過程和實施改進行動，因此問題可不

能發(fā)生。

AOI技術(shù)的新突破

ByBobRies

本文介紹，自動光學檢查(AOI),作為對在線測試

(ICT)的一個有用補充，精確地確認和識別在印刷電路

板(PCB)上的元件可變性，因此改進整個系統(tǒng)的性能。

關(guān)于今天越來越復雜的PCB和固體元件，傳統(tǒng)的

ICT與功能測試編程正變得費勁和費時。PCB制造商

發(fā)覺，使用針床(bed-of-nails)測試夾具專門難獲得對

密、細間距板的測試探針的物理空間。為復雜的板編

寫功能測試程序是一個令人敬畏的任務，這些板的測

試夾具的制造也是昂貴和費時的。為了克服那個障礙，

AOI證明是對ICT和功能測試的一個有力的補充。

人力檢察員還完成大部分的檢查，然而越來越小

的電路板特性差不多使得手工檢查不可靠、主觀和容

易產(chǎn)生與手工裝配有關(guān)的成本和質(zhì)量問題。人力檢查

的可重復性水平低，專門是一個操作員不同于另一個，視覺疲勞不可幸免地導致

疏忽缺陷。由于這些緣故，AOI逐步地在裝配線上取代人為檢查。

關(guān)于PCB裝配，AOI的優(yōu)點

視覺檢查的特點和板上的電子元件是直截了當了當?shù)?。元件與其下面PCB

的形狀、尺寸、顏色和表面特點是輪廓分明的，元件能夠在板的表面上可預見的

位置找到。由于那個簡單性，PCB裝配的自動檢查在25年前成為運算機化的圖

象分析技術(shù)的首例工業(yè)應用。

功能強度的AOI技術(shù)證明是對傳統(tǒng)測試方法的經(jīng)濟、可靠的補充。AOI正

成功地作為測量印刷機或元件貼裝機性能的過程監(jiān)測工具。實際的優(yōu)點包括：

檢查和糾正PCB缺陷，在過程監(jiān)測期間進行的成本遠遠低于在最終測試和檢查

之后進行的成本，通常達到十幾倍。

過程表現(xiàn)的趨勢-貼裝位移或不正確的料盤安裝-能夠在整個過程的較

早時候發(fā)覺和糾正。沒有早期檢查，重復的太多有相同缺陷的板將在功能測試和

最后檢查期間被拒絕。

當AOI用于在元件貼放之后、回流之前的元件貼裝檢查時，較早地發(fā)覺丟

失、歪斜、無放的元件或極性錯誤的元件，減少成本高的回流后返修。

回流焊接后的AOI比用于焊點缺陷，如錫橋、破裂焊點、干焊點和其它缺

陷，檢查的X射線檢查成本低。但是，錫點檢查無可爭辯地是基于運算法那么

(Algorithm-based)的AOI系統(tǒng)的最困難的任務，因為可同意外表的變量范疇廣。

傳統(tǒng)AOI系統(tǒng)的局限

差不多上，所有AOI方法可描述為，通過一列攝像機或傳感器獲得一塊板

的照明圖象并數(shù)字化，然后分析和與前面定義的''好”圖象進行比較。照明來自

于一個范疇的光源，如白光、發(fā)光二極管(LED)和激光。

今天，有許多完善的圖象分析技術(shù)，包括：模板比較(template-matching)(或

自動對比auto-correlation)、邊緣檢查(edge-detection)、特點提取(featureextraction)、

灰度模型(graymodeling)、傅里葉分析(Fourieranalysis)＞形狀、光學特點識別(OCR,

opticalcharacterrecognition)還有許多。每個技術(shù)都有優(yōu)勢和局限。

模板I：匕較(Template-matching)

模板比較決定一個所期望的物體圖像平均地看上去象什么，如片狀電容或

QFP,并用該信息來產(chǎn)生一個剛性的基于像素的模板。這是橫越板的圖像，在估

量物體位置的鄰近，找出相同的東西。當有關(guān)區(qū)域的所有點評估之后和找出模板

與圖像之間有最小差別的位置之后，停止搜尋。為每個要檢查的物體產(chǎn)生這種模

板，通過在適當?shù)奈恢檬褂眠m當?shù)哪０褰φ麄€板的檢查程序，來查找所有要

求的元件。

因為元件專門少剛好匹配模板，模板是用一定數(shù)量的容許誤差來確認匹配

的，只要當元件圖像相當接近模板。假如模板太僵硬，可能產(chǎn)生對元件的''誤

報"。假如模板松散到同意大范疇的可能變量，也會導致誤報。

運算法那么(Algorithm)

經(jīng)常，幾種流行的圖像分析技術(shù)結(jié)合在一個''處方”內(nèi)，形成一個運算法那

么，專門適合于專門的元件類型。在有許多元件的復雜板上，這可能造成眾多的

不同運算法那么，要求工程師在需要改變或調(diào)整時作大量的重新編程。例如，當

一個供應商修改一個標準元件時，對該元件的運算法那么處方可能需要調(diào)整，消

耗寶貴的編程時刻。還有，相同元件類型的外形可能變化專門大，一個不同一個。

隨著時刻的過去，新的變化顯現(xiàn)，用戶必須調(diào)整或''扭轉(zhuǎn)”運算法那么來接納所

有可能的變化。

例如，一個0805片電容，能夠分類為具有一定尺寸和矩形形狀，兩條亮邊

中間包圍較黑色的區(qū)域。然而，那個外部簡單的元件外形當在一個單一的生產(chǎn)運

行中光學檢查時能夠變化專門大，如圖一所示。

口目口目口ET日目

"團"囪印.團"□

圖一、0805片電容的外形變化

傳統(tǒng)的、基于運算法那么的A0I方法經(jīng)常太過嚴格，以致于不能接納合理

的變化，如對比度、尺寸、形狀和陰影。甚至不重要的元件也可能難以可靠地查

找和檢查，因此造成有元件而系統(tǒng)不能發(fā)覺的''錯誤拒絕"。還有，因為可同意

與不可同意圖像的差別相當細小，運算法那么不能區(qū)分，引起''錯誤接收〃，真

正缺陷不能發(fā)覺。

為了解決一些這種問題，用戶不得不在圖像分析領(lǐng)域要有適當?shù)闹R。還有,

傳統(tǒng)的A0I要求不斷的和廣泛的再編程。用戶需要經(jīng)常調(diào)整其A0I方法，以接

納合理的變化。所有這些可花上一到兩天作細小的扭轉(zhuǎn)，甚至幾周，當對一個新

板設(shè)計與優(yōu)化一個檢查程序時。

有自調(diào)性的、基于知識的A0I

幾個A0I供應商差不多打破圖像處理的傳統(tǒng)方法，而正使用有自調(diào)性的軟

件技術(shù)。一個方法*是設(shè)計將用戶從運算法那么的復雜性分開。通過顯示一系列

要確認物體的例子，該方法使用一個令人驚奇的直截了當?shù)臄?shù)學技術(shù)，叫做統(tǒng)計

外形建模技術(shù)(SAM,statisticalappearancemodeling),來自動運算出如何樣識別合

理的圖像變化。不象基于運算法那么的方法，統(tǒng)計外形建模技術(shù)(SAM)使用自調(diào)

性、基于知識的軟件來運算出變量。這戲劇性地減少編程時刻和實際上排除每天

的調(diào)整。事實上，那個方法通常返回誤報率比現(xiàn)有的AOI方法好10~20倍。

SAM是如何樣工作的

在顯示了一個專門物體的一系列好的樣板之后，SAM軟件建立一個該物體

的靈活的數(shù)學模型。當它檢查更多樣板的時候，軟件不斷地調(diào)整其估量，該物體

應該象什么？由于自然尺寸、形狀、顏色和表面圖案的變化，其外形可如何樣地

合理變化？不象現(xiàn)有的處方方法，它需要基于用戶認為他們了解元件變化的運算

法那么，SAM是一個體會方法，不要求使用者的內(nèi)在明白得或檢查系統(tǒng)的決定。

使用者在目標物體周圍畫一個方塊，然后給AOI系統(tǒng)顯示一系列的樣板。通過

觀看，SAM軟件趕忙建立在一個可同意的物體中查找什么的詳細模型。

一個SAM模型是在訓練周期期間建立的，在那個地點儲備和分析一個所期

望的元件類型的樣板，確認最重要的變化模式。這承諾該AOI系統(tǒng)找出元件變

化和以后可能變化方式的特點。然后按照估量元件的圖像來評估該SAM模型。

假如元件的外形在模型內(nèi)變化方式所定義的極限之內(nèi)，軟件確信元件的存在，同

時比較其位置的公差。隨著新的樣板和圖像加入到SAM模型，該模型觀看變化

并調(diào)整結(jié)合所有的在好圖像中看到的視覺差別。這也增加系統(tǒng)區(qū)分可同意與不可

同意圖像的能力，使得誤報率隨著系統(tǒng)的學習越多而改善。

不象使用剛性模板的處方方法，SAM承諾AOI機器自己決定一個元件的哪

個方面可能變化，變化多少，沒有使用者的直截了當輸入。

在現(xiàn)實環(huán)境中，SAM系統(tǒng)必須看大約20塊PCB,才可看到它將要遇到的大

部分變化。在那個培訓時期，使用者的反饋是需要的。軟件將標記看上去要失效

的邊界線元件，要求使用者確認，以便SAM模型能夠相應調(diào)整。

精度、可重復性和靈活性

許多傳統(tǒng)的AOI系統(tǒng)要緊依靠識別元件邊緣來達到準確和可重復的測量。

一旦邊緣找到，利用這些邊緣的對稱模型通常產(chǎn)生元件在板表面上的坐標。但是,

用視覺技術(shù)專門難找到邊緣。因為元件邊緣不是完全直線的，將一條直線去配合

這種邊緣的妄圖差不多上有問題的。還有，邊緣傾向因此黑色背景上的黑色區(qū)域,

準確的確認會產(chǎn)生像素噪音變量。

像素不能足夠小，以幸免一些像素分割的阻礙，像素分割確實是一個物體的

細節(jié)坐落在兩個像素之間。使用基于邊緣的處方方法，一個好的視覺系統(tǒng)產(chǎn)生一

個標準偏差大約為十分之一像素的可重復性。但是，SAM技術(shù)提供標準偏差相

當于20分之一像素的可重復性。元件位置上的總變量小于一個像素的十分之三,

因此當匹配到一個元件時，改進精度和可重復性。

當檢查一個特定元件類型時，SAM的模型是內(nèi)在靈活的。在吻合一個外形

大不相同的合法元件時（如剛性的傳統(tǒng)方法），它會在X和Y軸上移動，妄圖通

過位置（唯獨的可變參數(shù)）調(diào)劑達到最正確吻合。通過將一個適當?shù)腟AM模型吻

合元件-其變量受操縱，只承諾實際上可發(fā)生的哪些外形-外形調(diào)劑到最正確

位置，而不要妥協(xié)X和Y的位置。

例如，某些可承諾的元件顏色變量是由于遮擋或過度曝光臨近較大元件所引

起的，實際上用傳統(tǒng)運算法那么是不可能接納的。因為SAM運算出所承諾的圖

像變更，因此使用者不需要依靠那些要求大量編程的運算法那么，或者供應商供

應的對不同元件的運算法那么庫。（圖二）

圖二、SAM調(diào)整最正確元件位置和灰度變量

SAM方法有效地識別元件和板上的標記和文字變量。傳統(tǒng)的基于OCR的技

術(shù)專門難應對印刷質(zhì)量或外形的變化，然而SAM方法把這種變化識別為只是合

理變化的另一種形式而已。

立體視覺光學

傳統(tǒng)的AOI系統(tǒng)不能完全接納PCB外形由于局部

彎曲產(chǎn)生的自然三維(3-D)變化，如圖三所示。

甚至物理上夾緊一塊板都不能保證絕對平面性。

現(xiàn)有的AOI方法通常使用遠心(telecentric)透鏡來從光

學上去掉視差與透視的成效。因為高度上的透視成效

去掉了，在圖像邊緣上的物體看上去仿佛與中間的物

體在同一平面上。盡管這排除了光學視差錯誤，然而

應該跟隨板表面弧形的點與點之間的測量成為跨過平

面弦的直線距離。這造成重要的測量誤差和自動去掉

有關(guān)板表面形狀的有價值信息。

通過將SAM技術(shù)與兩排攝像機的立體視覺安排相結(jié)合，那個完整的AOI

系統(tǒng)可測量和接納物體與表面高度，結(jié)果在數(shù)學上使PCB變平。這些有角度的

攝像機提供物體的兩個透視，然后運算PCB的高度地圖或三維(3-D)表面拓撲圖

形。在板上任何元件的精確X和Y的位置也通過計入其在板表面的高度來運算。

一些AOI機器使用一個標準板傳送帶來在攝像機下面移動PCB,通過簡單

高頻熒光管來照明。隨著板在傳送帶上按刻度移動，在攝像機排列之下通過，通

過將圖像的立體象對排列構(gòu)成一幅照相鑲嵌圖(photo-mosaicimage),然后那個照

相鑲嵌圖合成地變平和實時地分析。

SAM自調(diào)性建模技術(shù)與立體視覺成像技術(shù)的這種結(jié)合差不多顯示出優(yōu)越于

現(xiàn)有AOI技術(shù)的精度和可重復性。那個新的AOI技術(shù)差不多證明是理想地使用

于周密和可靠的貼裝后與回流前的元件確認和PCB檢查。

結(jié)論

現(xiàn)有的AOI基于運算法那么的系統(tǒng)關(guān)于處理發(fā)生在今天的PCB與固態(tài)元件

中的外形變化程度是有困難的。它們依靠軟件的運算法那么，需要不斷的調(diào)整，

同時要求專業(yè)的工程人員來保持其成功地運行。

但是，SAM建模技術(shù)與立體視覺機器技術(shù)的結(jié)合提供內(nèi)置的靈活性，來準

確地確認和識別在PCB上元件外形的合理變化。這改善了整個系統(tǒng)的性能，減

少誤報，減少用戶編程介入，和實際上排除行進中軟件工程支持的需要。

處理先進技術(shù)板：將X光與ICT結(jié)合

ByEdCrane,EdKinneyandBillJeffrey

一本文介紹，將在線測試與自動X光檢查結(jié)合可關(guān)心你降低整體成本，改進

產(chǎn)品質(zhì)量和加速到達市場時刻。

為大型、高密度的印刷電路板裝配(PCBA,

printedcircuitboardassembly)進展一個穩(wěn)健的測試

策略是重要的，以保證與設(shè)計的符合與功能。除了

這些復雜裝配的建立與測試之外，單單投入在電子

零件中的金錢可能是專門高的-當一個單元到最

后測試時可能達到25,000美元。由于如此的高成

本，查找與修理裝配的問題現(xiàn)在比其過去甚至是更

為重要的步驟。今天更復雜的裝配大約18平方英

寸，18層；在頂面和底面有2900多個元件；含有6000個電路節(jié)點；有超過20000

個焊接點需要測試。

在朗訊加速的制造工廠(N.Andover,MA),制造和測試藝術(shù)級的PCBA和完

整的傳送系統(tǒng)。超過5000節(jié)點數(shù)的裝配對我們是一個關(guān)注，因為它們差不多接

近我們現(xiàn)有的在線測試(ICT,incircuittest)設(shè)備的資源極限(圖一)。我們現(xiàn)在制造

大約800種不同的PCBA或''節(jié)點"。在這800種節(jié)點中，大約20種在5000~6000

個節(jié)點范疇。但是，那個數(shù)迅速增長。

新的開發(fā)項目要求更加復雜、更大的PCBA和更緊密的包裝。這些要求挑

戰(zhàn)我們建筑和測試這些單元的能力。更進一步，具有更小元件和更高節(jié)點數(shù)的更

大電路板可能將會連續(xù)。例如，現(xiàn)在正在畫電路板圖的一個設(shè)計，有大約116000

個節(jié)點、超過5100個元件和超過37800個要求測試或確認的焊接點。那個單元

還有BGA在頂面與底面，BGA是緊接著的。使用傳統(tǒng)的針床測試那個尺寸和復

雜性的板，ICT一種方法是不可能的。

在制造工藝，專門是在測試中，不斷增加的PCBA復雜性和密度不是一個

新的問題。意識到的增加ICT測試夾具內(nèi)的測試針數(shù)量不是要走的方向，我們

開始觀看可代替的電路確認方法?？吹矫堪偃f探針不接觸的數(shù)量，我們發(fā)覺在

5000個節(jié)點時，許多發(fā)覺的錯誤(少于31)可能是由于探針接觸問題而不是實際

制造的缺陷(表一)。因此，我們著手將測試針的數(shù)量減少，而不是上升。盡管如

此，我們制造工藝的品質(zhì)依舊評估到整個PCBA。我們決定使用傳統(tǒng)的ICT與X

射線分層法相結(jié)合是一個可行的解決方案。

表一、達到可同意的假陰率(false-negativerate)要求探針的接觸質(zhì)量，當

夾具有幾千個針時是不可能堅持的

5.55.65.75.85.96<=Sigma

針數(shù)31.720.613.38.55.43.4<=PPM

0000000

5001.6%1.0%0.7%0.4%0.3%0.2%

10003.2%2.1%1.3%0.9%0.5%0.3%

15004.8%3.1%2.0%1.3%0.8%0.5%

20006.3%4.1%2.7%1.7%1.1%0.7%

25007.9%5.2%3.3%2.1%1.4%.0.9%

30009.5%6.2%4.0%2.6%1.6%1.0%

350011.1%7.2%4.7%3.0%1.9%1.2%

400012.7%8.2%5.3%3.4%2.2%1.4%

450014.3%9.3%6.0%3.8%2.4%1.5%

500015.9%10.3%6.7%4.3%2.7%1.7%

5500