AOI的功能及檢測能力
在印制電路板組裝制造的自動(dòng)貼片和焊接過程中，各種制造缺陷不可能完全避免。為了發(fā)現(xiàn)這些缺陷并保證質(zhì)量，需要應(yīng)用自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)（ AOI ）。因?yàn)樵诨亓鳡t后的缺陷覆蓋率能達(dá)到*大，所以這些系統(tǒng)一般放在回流爐后，以實(shí)現(xiàn)焊后檢驗(yàn)。

在各種缺陷中，與 I C 相關(guān)的缺陷占了較大比重。 IC 包括 QFP 、 TSOP 、 PLCC 、 SOIC 、 BGA 、 QFN 等，一般它們的間距*小為 0.5mm ，有些 IC 間距更小。在后續(xù)的電氣考試和功能檢測中，有些缺陷一般很難甚*不可能被檢測出來。

即便使用 AOI 系統(tǒng)進(jìn)行檢測， IC 焊點(diǎn)缺陷和 IC 組裝缺陷對檢測設(shè)備的性能也有較高需求，同時(shí)對 AOI 檢測深度有決定性的影響。所以有必要區(qū)分裝備純粹垂直式相機(jī)和傾斜式相機(jī)的 AOI 設(shè)備的不同。

IC 缺陷類型

典型 IC 缺陷類型能夠根據(jù)不同制造階段分為：焊膏印刷缺陷、元器件貼放缺陷和焊接缺陷。需要說明的是：大部分焊接缺陷是元器件本身特征缺陷。

A 以下缺陷是元器件貼放缺陷：

1、少件
2、元器件位置錯(cuò)
3、元器件偏位
4、元器件扭轉(zhuǎn)
5、元器件極性反
6、錯(cuò)件
7、IC 引腳變形

B 以下缺陷是焊膏印刷或焊膏缺陷：

1、焊料不足或焊點(diǎn)過薄
2、連錫
3、焊料滴

C 以下缺陷是焊接缺陷或元器件本身缺陷。

IC 種類不同，其發(fā)生某種缺陷的概率也不同，如細(xì)間距 QFP 就比 SOIC 更簡單出現(xiàn)引腳抬高和引腳共面性缺陷。

AOI 檢測目的是覆蓋檢測上述各類缺陷，也就是說生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的所有缺陷都能夠被檢測出來。與此同時(shí)，必須將各種缺陷誤報(bào)降到*低，以*大化設(shè)備產(chǎn)出率。

當(dāng) A O I 系統(tǒng)進(jìn)行焊點(diǎn)和元器件的檢測時(shí)，有些外部客觀因素，也就是與 AOI 無關(guān)的因素，也不得不要考慮進(jìn)來，因?yàn)樗鼈儠?huì)有利于或妨礙上述檢測目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

其中影響*大的因素之一就是焊盤設(shè)計(jì)。如果不同單板及同類封裝能使用統(tǒng)一的焊盤設(shè)計(jì)，那就有助于 AOI 檢測，因?yàn)檫@樣焊點(diǎn)外觀的一致性就好。好焊點(diǎn)的外觀越一致，焊點(diǎn)缺陷被檢測出來的可能性就越大，誤報(bào)率就會(huì)越少。如果焊盤過小，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的潤濕面不可見，是不利于檢測的。

另外一個(gè)重要的影響因素是元器件質(zhì)量，主要體目前待焊部位的可焊性和元器件的尺寸穩(wěn)定性要好。好的可焊性會(huì)使焊點(diǎn)更好、更一致。好的尺寸穩(wěn)定性，如 QFP 引腳長度尺寸的穩(wěn)定性，會(huì)使編程更簡單。

其它影響因素包括印制電路板和阻焊膜的顏色、印制電路板變形塌陷量等。因?yàn)椴豢赡芨淖兯型獠靠陀^條件，所以 AOI 系統(tǒng)必須在設(shè)計(jì)上（傳感器、軟件及系統(tǒng)設(shè)置）充分考慮，具備彌補(bǔ)各種負(fù)面影響因素的才能。

零缺陷 IC 檢測的 AOI 架構(gòu)
 

目前市場上各種 AOI 系統(tǒng)之間**關(guān)重要的參數(shù)區(qū)別就是相機(jī)觀測方式，共有兩種：垂直式相機(jī)觀測（俯視）和傾斜式相機(jī)觀測（斜視）。

原則上，大多數(shù)缺陷類型能夠用垂直式相機(jī)檢測出來，垂直式相機(jī)能檢測的臨界缺陷類型是引腳共面性和引腳抬高缺陷，這些缺陷從俯視角度只能在有利的環(huán)境下才能發(fā)現(xiàn)。有利的環(huán)境是指焊點(diǎn)發(fā)生毛細(xì)作用，在毛細(xì)作用下， IC 引腳待焊部位會(huì)潤濕吸引焊料形成好的焊點(diǎn)。如果焊盤設(shè)計(jì)良好，在焊盤外延部邊緣是不會(huì)有焊料的，所以如果有合適的光源照射，焊盤外延部邊緣看上去是光亮的。如果引腳沒有被潤濕（或存在共面性問題），或某個(gè)引腳向上彎曲變形（引腳抬高），焊錫就會(huì)均勻地鋪展在焊盤上，這樣得到的圖像就會(huì)完全不同（如圖 4 所示）。這種情況對于 PLCC 引腳焊點(diǎn)尤其明顯，其焊點(diǎn)本身位于元器件引腳下部，如果從那里俯視，焊點(diǎn)本身是不可見的。只要焊盤外延離元器件輪廓足夠遠(yuǎn)，才能利用毛細(xì)作用來檢測。

但是，對于那些焊盤設(shè)計(jì)不當(dāng)或出現(xiàn)微連錫的細(xì)間距 IC ，使用上述技巧則無能為力，很難區(qū)分出是好焊點(diǎn)還是差焊點(diǎn)，如圖 ** 和 5B 所示。

這樣就不可能實(shí)現(xiàn)零缺陷檢測了，與實(shí)際缺陷數(shù)對應(yīng)的*大缺陷檢出率為 50 ～ 75 ％，同時(shí)缺陷誤報(bào)率也不夠理想。使用傾斜式觀測的效果顯著提升，傾斜式觀測與手工光學(xué)觀測所用技巧一樣，能夠與水平成 45 度觀測印制電路板。觀測角度越小，使用傾斜式觀測得到的信息越少，圖 6A 和 6B 是用傾斜式相機(jī)觀測圖 ** 和 5B 中同樣的焊點(diǎn)。

從上圖可看出，好焊點(diǎn)和差焊點(diǎn)之間的光學(xué)圖像區(qū)別表現(xiàn)的改善情況是非常明顯的。圖像處理的原理之一就是：區(qū)別好與差焊點(diǎn)的才能越強(qiáng)，錯(cuò)誤診斷才能越高，誤報(bào)率就越低。與俯視圖類似，*好是有可旋轉(zhuǎn)的光源，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的照射角度。固定的、不能旋轉(zhuǎn)的光照系統(tǒng)不具備應(yīng)付各種情況的柔性，以得到圖像的*佳對比度。

采用垂直式觀測時(shí)，在引腳之間內(nèi)側(cè)處的連錫在陰影中，這樣它們就不可見。而在傾斜式觀測中，其可識別性就大大提高。

使用傾斜式相機(jī)需要具有校準(zhǔn)和灰度補(bǔ)充方面的知識。如果系統(tǒng)僅裝備一個(gè)傾斜式相機(jī)， AOI 系統(tǒng)本身未必就優(yōu)良需要具有持續(xù)監(jiān)控校準(zhǔn)的才能，因?yàn)橄鄼C(jī)能在優(yōu)良范圍內(nèi)進(jìn)行自我校準(zhǔn)。但是，對于組合相機(jī)系統(tǒng)，軟件必須使相機(jī)之間保持校準(zhǔn)平衡，同時(shí)監(jiān)控其不超過基本的校準(zhǔn)極限。如果軟件不能進(jìn)行簡單、準(zhǔn)確和快速的校準(zhǔn)， AOI 供應(yīng)商將無法實(shí)現(xiàn)傾斜式觀測的集成。

可通過所謂機(jī)器才能調(diào)查（ MCI ）對檢測結(jié)果進(jìn)行檢查，在 MCI 過程中，可安排合適的校正方式，如檢測 50 次，同時(shí)計(jì)算得到設(shè)置標(biāo)稱值和測量容限（ Cm/Cmk 值），計(jì)算時(shí)假設(shè)測量值符合高斯分布。當(dāng) Cmk 值大于 1 時(shí)，*今能夠接受（ 3σ 質(zhì)量），當(dāng)今趨勢是要求 Cmk 大于 1.67 甚* 2 （ 5σ 或 6σ 質(zhì)量）。

根據(jù)這些需求可看出：穩(wěn)定的傳感系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，在傳感模塊中的可移動(dòng)部件會(huì)降低精度，重復(fù)性會(huì)大大降低。

在應(yīng)用傾斜式相機(jī)時(shí)需要掌握的另一個(gè)技巧就是補(bǔ)償印制電路板的變形塌陷，這種影響會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)檢測時(shí)，視場看上去會(huì) ” 下滑 “。

補(bǔ)償技巧之一就是在單板上取足夠點(diǎn)掃描它們的坍塌量，從而計(jì)算得到變形坍塌模型。但是這種技巧需要花費(fèi)額外的檢測時(shí)間。集成補(bǔ)償技巧則更具優(yōu)勢，它不是進(jìn)行大量點(diǎn)檢測，而是通過軟件尋找測量居中的重要參考點(diǎn)。如果軟件適合，該技巧能夠在不需額外時(shí)間的情況下得到可靠的結(jié)果。

區(qū)分不同 AOI 系統(tǒng)才能的另一個(gè)重要指標(biāo)就是 AOI 的相機(jī)像素分辨率。對于細(xì)間距 IC ，標(biāo)準(zhǔn)的像素是 0.5mm ，在許多設(shè)計(jì)中，焊盤寬度和焊盤之間間距都會(huì)是 250μm 。如果用致少 15 個(gè)像素覆蓋焊盤前面彎月面寬度，那傾斜式相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)分辨率應(yīng)當(dāng)小于 20μm / 像素，以得到包含*佳信息內(nèi)容的圖像。

當(dāng)然，相機(jī)分辨率越高，就意味著系統(tǒng)性能也要對應(yīng)地提高，這樣 AOI 才不會(huì)成為生產(chǎn)線的瓶頸。系統(tǒng)性能體目前軟件 [ 自動(dòng)的、*佳位置生成、使用 TSP （ Travelling-Sales-Man-Problem ）技巧 ] 、相機(jī)技術(shù)（使用高幀頻的兆像素相機(jī)）和定位技術(shù)（高速線性傳動(dòng)裝置）方面。

傾斜式 AOI 必須解決軟件領(lǐng)域遇到的*大挑戰(zhàn)，與垂直式相機(jī)觀測簡單控制相比，傾斜式相機(jī)觀測存在很大不同，因?yàn)樗黾恿藚^(qū)分不同觀測角度的功能（致少 4 個(gè)主方向），所以向軟件開發(fā)提出了更高的數(shù)據(jù)計(jì)算需求。

概括與展望


 

要應(yīng)用零缺陷 IC 檢測策略，檢測系統(tǒng)的圖像獲取、相機(jī)技術(shù)和 AOI 軟件是決定性的判斷根據(jù)。其中圖像獲取作用非常重要，因?yàn)樗呛罄m(xù)評價(jià)的基礎(chǔ)。

如果焊盤設(shè)計(jì)良好，垂直式相機(jī)觀測雖然不能搞定避免缺陷漏檢，尤其是在 IC 引腳出現(xiàn)共面性缺陷時(shí)，但總體上，其對 IC 缺陷還是具有較好的檢測才能。如果焊盤設(shè)計(jì)不當(dāng)，缺陷漏檢率會(huì)升高到 25 ～ 50 ％，也就是主要缺陷類型的缺陷檢出率只要 50 ～ 75 ％，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，這種情況一般是在焊盤尺寸較小時(shí)出現(xiàn)的。

而傾斜式圖像獲取則能夠?qū)崿F(xiàn)很高的檢出率，即便對于臨界缺陷也是這樣。具有 15μm / 像素的高分辨率相機(jī)，配合 AOI 軟件能夠清楚地反差出缺陷特征，這樣就為零缺陷 IC 檢測奠定良好基礎(chǔ)。

傾斜式相機(jī)觀測的優(yōu)勢在未來應(yīng)用中將繼續(xù)發(fā)揮其作用。新的元器件如 QFN ，其引腳在元器件本體的側(cè)面和底部，從而節(jié)約了元器件占地空間，不能用垂直式觀測進(jìn)行充分檢測。因此，傾斜式圖像獲取方式的應(yīng)用會(huì)日益增多.