AOI技术在SMT生产上的应用

AOI技术在SMT生产上的应用鲜飞（烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉430074）摘要：AOI技术是现代检测技术的新概念，它的出现促进了表面贴装技术的发展和革新。目前AOI技术正被广泛应用在全世界各种离线和在线用途上，尤其适合发现和预防各种和焊接有关的缺陷。本文对不同类型AOI的工作原理进行阐述，并通过分析SMT生产方式，有针对性地提出了配合SMT柔性生产模式的实施技巧与策略，分析了其在SMT生产上应用时应注意的几个问题和工艺要点,并展望了AOI未来的发展。关键词：自动光学检测技术；表面贴装技术；应用TheApplicationofAOIinSMTProductionXIANFei(FiberhomeTelecommunicationTechnologiesCo.,Ltd,Wuhan430074,China)Abstract:AOIisanewconceptofcontemporaryinspectiontechnology.AOIhasdevelopedandinnovatedtheSMTsinceitwasappeared.Nowitiswidelyusedforinlineandofflineapplicationsworldwideandespeciallywellsuitedtodetectionandpreventionofsolder-relatedproblems.ThearticleintroducesthedifferentprinciplesofAOI,andputsforwardthetechniqueandtacticofAOItechnologyusedinSMTproductionthroughtheanalysisofSMTproductiontypes.Thearticlealsoanalyzessomeproblemsandkeytechnologies.ThedevelopmentofAOIinfutureispredicted.Keywords:AOI;SMT;Application1前言经过近10年的努力，自动光学检测系统（AOI）昀终被成功地运用在印刷电路板（PCB）的贴装生产线上。AOI是以光学系统为主的检测系统，优点是测试速度快、缺陷捕捉率高。AOI不但可对焊接质量进行检验，还可对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。因此，采用AOI系统，不仅可以提高生产效率，也能提高产品质量。目前，越来越多的厂商采用了AOI系统。在这段时间内，AOI供应商的数量急剧增加，各种AOI技术也得到了长足发展。目前，从简单的摄像系统到复杂的3-DX光检测系统，众多供应商们已经几乎能够提供可以适用于所有自动生产线的AOI设备。在电子组装业中，元件的微型化和密集化一直是发展趋势。这促使制造商为其生产线安装AOI设备。因为依靠人工已经不可能对分布细密的元件进行可靠而一致的检测，并且保存精确的检测记录，而AOI则可以进行反复而精确的检测，还可以实现检测结果的存贮和发布电子化。AOI已成为有效的过程控制工具，它可以帮助制造商提高在线测试(ICT)或功能测试的通过率，降低目检和ICT的人工成本，避免ICT成为产能瓶颈，缩短新产品产能提升周期以及通过统计过程控制(SPC)改善成品率。作为对传统测试方法经济、可靠的补充，AOI被用来监控印刷机或组件贴装机的生产情况的过程监测工具，其优点包括：（1）检查和纠正PCB缺陷，在过程监测期间进行的成本远远低于在昀终测试和检查之后进行的成本。（2）能尽早发现重复性错误，如贴装位移或不正确的料盘安装等。（3)为工艺技术人员提供SPC资料。AOI技术的统计分析功能与SPC工艺管理技术的结合为SMT生产工艺的适时完善提供了有力的武器，PCB装配的成品率进而得到明显的提高。随着现代制造业规模的扩大，生产的受控越来越重要，对SPC资料的需求也不断增长。AOI系统的应用将越发显出其重要性。（4）能适应PCB组装密度进一步提高的要求。随着电子产品组装密度的大幅提高，传统的一些测试技术，如在线测试（ICT）等，已不能适应SMT技术的发展要求，0402片式组件的出现已经使ICT无法检测，而AOI则不会受这些因素的影响。（5）测试成本降低。AOI设备的测试程序可直接由CAD资料生成，与ICT相比，由于无需制作专门的夹具，其测试成本大幅降低。（6）能跟上SMT生产线的生产节拍。目前许多工厂在生产过程中对PCB组件进行检验主要依靠人工目检，但是随着PCB尺寸的加大和组件数的增多，这种检测方式已经不堪重负。而AOI测试目前能做到0.1秒/幅的速度，可以满足在线检测的要求。（7）检测的可靠性较高。检测的要素是精确性和可靠性，人工目检始终有其局限性，而AOI测试则避免了这方面的不利因素，能保持较好的精确性和可靠性。2AOI工作原理2.1概述SMT中应用的AOI技术的形式多种多样，但其基本原理是相同的，如图1所示，即用光学手段获取被测物图形，一般通过一传感器（摄像机）获得检测物的照明图像并数字化，然后以某种方法进行比较、分析、检验和判断，相当于将人工目视检测自动化、智能化。图1AOI基本原理示意图2.2分析算法不同AOI软、硬件设计各有特点，总体来看，其分析、判断算法可分为两种，即设计规则检验（DRC）和图形识别检验。DRC法是按照一些给定的规则检测图形。如以所有连线应以焊点为端点，所有引线宽度、间隔不小于某一规定值等规则检测PCB电路图形。DRC法具有可以从算法上保证被检验图形的正确性、相应的AOI系统制造容易、算法逻辑容易实现高速处理、程序编辑量小、数据占用空间小等特点。但该方法确定边界能力较差，往往需要设计特定方法来确定边界位置。图形识别法是将AOI系统中存储的数字化图像与实际检测图像比较，从而获得检测结果。如检测PCB电路时，首先按照一块完整的PCB或根据计算机辅助设计模型建立起检测文件（标准数字化图像）与检测文件（实际数字化图像）进行比较。这种方式的检测精度取决于标准图像、分辨力和所用检测程序，可取得较高的检测精度，但具有采集数据量大、数据实时处理要求高等特点。由于图形识别法用设计数据代替DRC中的设计原则，具有明显的实用优越性。3应用策略与技巧检测设备所放置的位置可以实现或阻碍检查目标，不同的位置可产生相应不同的程控信息。一般说来，实施AOI的目标是要改进全面的昀终品质，所以把设备放在过程的前面可能没有放在后面的价值大。把设备放在前面是因为在过程的早期维修缺陷的成本大大低于发货前的维修成本。可是，许多缺陷是在生产的后期出现的，意味着不管前面发现多少缺陷，发货前还是需要全面的视觉检查。图2AOI的放置策略一般说来，如图2所示，你可以在一条生产线中四个生产步骤的任意一步之后有效地运用AOI。以下几个段落将分别介绍AOI在SMTPCB生产线上的四个不同生产步骤后的应用。我们可以粗略地将AOI分为预防问题与发现问题两类。在接下来的描述中，锡膏印刷之后、(片式)器件贴放之后和元件贴放之后的检测可以归为预防问题一类，而昀后一个步骤——回流焊接之后的检测——则可以归于发现问题一类，因为在这个步骤检测并不能阻止缺陷的产生。（1）锡膏印刷之后：在很大程度上有缺陷的焊接均来源于有缺陷的锡膏印刷。在这个阶段，你可以很容易、很经济地清除掉PCB上的焊接缺陷。大多数2-D检测系统便能监控锡膏的偏移和歪斜、锡膏不足的区域以及溅锡和短路。3-D系统还可以测量焊锡的量。（2）片式元件贴放之后：这个阶段的检测可以检查出片式元件缺件、移位、歪斜和片式元件的方向故障。这个检测系统同时还可以检查用于连接密间距和球栅阵列（BGA）元件的焊盘上的锡膏。（3）芯片贴放之后：在设备向PCB上贴装芯片之后，检测系统能够检查PCB上缺失、偏移以及歪斜的芯片，还能查出元件极性的错误。（4）回流焊接之后：在生产线的末端，检测系统可以检查元件的缺失，偏移和歪斜的情况，以及所有极性方面的缺陷。该系统还一定要对焊点的正确性以及锡膏不足、焊接短路和翘脚等缺陷进行检测。如果需要，你还可以在第2、3和4步骤加入光学字符识别（OCR）和光学字符校验（OCV）这两种方法进行检测。工程师和厂商对不同检测方法利弊的讨论总是无休无止，其实选择的主要标准应该着眼于元件和工艺的类型、故障谱和对产品可靠性的要求。如果使用许多BGA、芯片级封装（CSP）或者倒装芯片元件，就需要将检测系统应用到第一和第二步骤，以发挥其昀大的功效。另外，在第四阶段后进行检测可以有效地发现低档消费品的缺陷。而对运用在航空航天、医学及安全产品（汽车气囊）领域的PCB来说，由于对质量要求十分严格，则可能会要求在生产线上的许多地方都进行检测，尤其是在第二和第四步骤后。对这一类PCB则可以选用X射线来进行检测。4引进AOI设备的意义引进AOI设备的意义首先在于克服人工目检的局限性。目前在产品生产过程检测上主要依靠人工目检，由于人工检验的主观性，其检验结果并不十分令人信服，而且对于高密度复杂的表面贴装电路板，人工目检既不可靠也不经济，而对微小的组件，如0603、0402等，人工目检实际上已失去了意义。另外，引进AOI设备可以改变先进生产设备与落后检测方式的不匹配。目前许多PCB组装生产企业斥巨资引进了先进的SMT生产线，但是与之不相匹配的是，在全自动的生产线上仍有一排排的检测工人的身影，并制约着工厂产品质量的进一步提升。引进AOI设备，势必会在这方面有大幅改善。尽管AOI技术目前还存在着诸多问题，但其发展前景十分看好，各种设备纷纷被推出，许多先进的制造厂家都引进了这一检测技术，例如中兴、华为等，并在实际使用过程中获得了许多有益的经验。引进这一新技术，将会促进工艺技术人员尽快接触熟悉这一新技术，从而能有效利用这一新技术去改善目前的生产品质。5AOI现状与发展趋势5.1AOI存在问题AOI虽然具有比人工检测更高的效率，但毕竟是通过图像采集和分析处理来得出结果，而图象分析处理的相关软件技术目前还没达到人脑的级别，因此，在实际使用中的一些特殊情况，AOI的误判、漏判在所难免。目前AOI在使用中的主要问题有：（1）多锡、少锡、偏移、歪斜的工艺要求标准界定不同，容易导致误判。（2）电容容值不同而规格大小和颜色相同，容易引起漏判。（3）字符处理方式不同，引起的极性判断准确性差异较大。（4）大部分AOI对虚焊的理解发生歧义，造成漏判。（5）存在屏蔽圈、屏蔽罩遮蔽点的检测问题。（6）对不可见焊点(如BGA、FC等)的检测也无能为力。（7）不能检测电路错误。（8）多数AOI编程复杂、繁琐且调整时间长，不适合科研单位、小型OEM厂、多品种小批量产品的生产单位。5.2AOI发展趋势（1）图形识别法成为应用主流SMT中应用的AOI技术，图形识别法已成为主流。这是由于SMT中应用的AOI技术主要检测对象（如SMD元件、PCB、焊膏印刷图形）发展变化很快，相应的设计规则、标准很难全面跟上，为此，基于设计规则的DRC法应用起来较困难，而计算机技术的快速发展解决了高速图形处理难题，使图形识别法更易实用化。目前，各种各样的图形识别法AOI技术在SMT中应用越来越广泛。（2）AOI技术向智能化方向发展AOI技术向智能化方向发展是SMT发展带来的必然要求。在SMT的微型化、高密度化、快速组装化、品种多样化发展特征下，检测信息量大而复杂，无论是在检测反馈实时性方面，还是在分析、诊断的正确性方面，依赖人工对AOI获取的质量信息进行分析、诊断几乎已经不可能，代替人工进行自动分析、诊断的智能AOI技术成为发展的必然。图3所示为一种采用焊点形态图形识别和专家系统分析的智能化AOI系统原理图。它基于焊点形态理论，方法与自动视觉检测类似，即利用光学系统和图像处理措施在线实测已成形焊点的形态，由计算机将所获取的焊点实际形态与分析评价专家系统库存的合理形态进行比较，快速识别超出容许形态范围的故障焊点，并利用智能技术对其故障类型和故障原因进行自动分析评价，形成工艺参数优化调整实时控制信息，进行焊点质量实时反馈控制，并对分析评价信息进行记录统计等处理。