硕士论文-印刷电路板检测系统的研究与应用

重庆大学硕士学位论文印刷电路板检测系统的研究与应用姓名：陈志云申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：李志敏20060501重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要在现代电子设备和电子产品中，印刷电路板(PrintedCircuitBorad,PCB)占有重要的地位，是集成、安装各种电子元器件的载体，在各个领域得到了广泛的应用。随着技术的不断发展和工业的持续进步，电子产品趋于更轻、更薄、更短、更小，也使得PCB制造技术朝更高密度发展。目前PCB质量检验工作大部分由人工目测完成，人为因素的影响易发生漏检和误检。因此，在高度自动化的生产现场如何检测高密度PCB一直是研究人员的难题。研制一种高效、稳定、精确、自动化的PCB检测系统就成为一项具有现实意义的紧迫任务。本课题确定了利用光学摄像技术、微机控制技术、图像处理与分析技术来自动检测PCB的方法，为研制一种高效、稳定、精确、自动化的PCB检测系统制定了一个切实可行的方案。本文研究工作的主要内容如下：1、首先介绍了PCB缺陷检测技术现状及发展。2、针对PCB板检测系统的构成及其设备的性质、特点，就高分辨率光学摄像传感器的选择进行了调研；如何结合计算机视觉技术、精密机械技术、自动控制技术和图像处理技术；如何解决高分辨率图像采集与大视场之间的矛盾；如何实现图像的自动拼接；如何实现三维工作台的精确定位等问题展开了重点研究。3、以PCB板为检测对象，阐述了数字图像处理的基本原理和方法。4、针对系统构成的特点和上述几个主要问题进行分析，论述了课题中软件系统的主要流程、PCB板的孔心定位和孔径测量算法、数据误差分析算法。通过现场初步试验，测试得到的数据证明：采用本论文选择的高分辨率光学摄像传感器和图像处理算法，对印制电路板钻孔精度和孔径的高精度检测，能够实现对电路板钻孔的自动检测和监控，具有较高的稳定性和实用性，基本满足PCB生产企业实际应用的需要。关键词：在线检测，PCB孔检测，实时处理，微机控制，图像处理重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTPrintedCircuitBorad(PCB)playsanimportantroleinmodernelectronicequipmentandelectronicproducts.Itisaninformationcarrierthatintegratesallkindsofelectroniccomponentsandiswidelyappliedtomanyfields.Alongwiththeconstantdevelopmentoftechnologyandcontinuousprogressofindustry,electronicproductstendtobecomelighter,thinner,shorterandsmaller.ThismakesPCBmanufacturetechnologydevelopingtowardshigh-density.ThePCBqualityaffectsthecapabilityofproductsdirectly.AtpresentPCBqualitytestworksaremostlycompletedbymanualeyeballing.Asthesubjectivefactors’effects,missingandmistakenintestoftenhappen.SoitisurgentneededtotakeonlineautomaticopticaltestintothePCBindustry.ThispaperoffersaPCBautomatictestmethodbyusingopticalvideotechnology,microcomputercontroltechnologyandimageprocesstechnologyetc.Thismethodputforwardanoperableandpracticalschemetodevelopanefficient,steady,accurateandautomaticPCBtestsystem.Inthispaper,Themainresearchcontentsareasfollows:1.Firstly,itintroducedthepresentsituationandfuturedevelopmentofPCBtesttechnology.2.ForthecomposingofPCBtestsystemandthepropertyofequipments,westudytochoosethesuper-resolutionCCD;Howtointegratecomputervisualtechnology,accuratemachinetechnology,autocontroltechnologyandimageprocesstechnology;Howtosolvetheconflictbetweenhighdefinitionandwidevisualrange;Howtoaccomplishimageautomaticjoint;Howtoimplementaccurateorientationofthree-dimensionalworkflat.Weputemphasisontopics.3.Weintroducedelementaryprincipleandmethodofdigitalimageprocess.4.Weanalysedthecharactersofsystemcomposing,primaryflowofsoftwaresystem,arithmeticoftheholecenter’sorientationandtheholediameter’sobtaining,arithmeticofthefinaldataerroranalysis.Bythetest,experimentaldatasproved:Inthispaper,bythepracticalarithmeticusingimageprocesstechnology,itcanmakeaccuratetestontheprecisionofPCBholedrillingandholediameter.Thisshowedthemethodhavecrediblestabilityand重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIpracticabilityandfulfildemandsofthePCBindustry.Keywords:on-linedetecting,holedetecting,real-timeprocessing,computercontrol,imageprocess重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1引言随着通信、计算机、消费电子等产业的飞速发展，促进了印刷电路板(PCB)产业的快速发展。据资料统计，全球PCB的产值约占电子元器件总产值的18％，2001年全球PCB产值达460亿美元。国内近几年PCB产业也在迅猛发展，多层板的产值2002年就达到363.77亿元人民币，在2005以后更是超过了日本成为了PCB产业的第一生产大国。随着IC产业的突飞猛进、特种元器件的不断推出，元器件多功能化使得单位面积的引脚数大幅度地增加，加速了QFP、TCP向BGA、CSP等转移，促使PCB技术有了与其相适应的明显变化。PCB产品也向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展。线路板上元器件组装密度提高，PCB的线宽、间距、焊盘越来越细小，已到微米级，复合层数也越来越多。目前,印刷电路板的设计、加工水平已经达到0.2～0.3mm(孔径)、0.15～0.12mm(线条宽度和间距),层数已经达到46层甚至更多,可以说印刷电路板的高技术和高复杂性已经达到一个相当高的水平。但在生产过程中,如何提高中间过程的产品品质,如何减少废品率,如何提高印刷电路板质量是各电路板生产厂家一直不懈追求的目标。因此，PCB产业迫切需要在线检测。然而这种检测由人工完成是十分枯燥乏味的，而且人的精力有限，容易发生漏检和误检。所以传统的人工目测和针床在线检测因“接触受限”(电气接触受限和视觉接触受限)所制，已不能完全适应当今制造技术发展的需要。从上个世纪80年代初，国际上纷纷开始研制PCB缺陷自动光学检测系统(AutomaticOpticalInspectionSystem，AOI)]05][01[。目前AOI已经成为PCB板制造业的必然要求，AOI设备正被越来越多地用来代替传统地MVI和ICT技术，进行PCB板检测，用来监视和保证生产过程的品质。AOI系统不但用于PCB制造行业中，并扩展到SMT组装线、MCM基片组装线、玻璃模板、胶片模板的制造、多层陶瓷的封装、元器件高密度互联、TBGA(载带球栅阵列封装)Wafer封装等领域]03[。印刷电路板检测系统的研究与应用同其它在线检测系统一样，涉及了许多前沿学科，如信号检测技术、图像处理、模式识别、人工智能、神经网络、小波分析及计算机实时处理与控制技术等。它们的工作原理大都一致，都是通过先对检测对象的参量进行获取或采集，然后根据相应的处理方法得到处理结果。最后，所得的处理结果通过一定的方式将这些参量体现在控制对象上。现有的印刷电路板缺陷检测的方法有很多，大致可以分为两类：一是参考比较法，它是将待测PCB与标准PCB逐点比较或者是把待检PCB上提取出的特征与标准PCB上提取出的重庆大学硕士学位论文1绪论2特征比较，任何差异均被认为是潜在的缺陷。参考比较法的优点是概念上直观，电路实现比较简单，缺点是要求待检PCB和标准PCB的空间位置的精确对准，否则检测的虚报警较多。二是非参考法，它是检测PCB是否满足设计规则，主要是进行尺寸检测，即检查导体和焊盘等尺寸是否满足设计标准所需的坐标、宽度和间隙，任何与设计规则要求不符的均被认为是潜在的缺陷。它的优点是无需参考PCB，因而它无需对准，缺点是不能检测出满足设计尺寸的缺陷。比如PCB上多了孔或是少了孔、丢失某条导线等。同时，这种检测系统的应用非常广泛。该系统中的核心和关键部分是对物体的实时检测与分选，它除了适用于PCB的识别与检测外，还可方便的移植到其它场合。如：工业现场中的自动检测及加工过程监控；石油、煤矿等钻探中的切片图像视觉定量分析；纺织、印染业领域的自动分色、配色等；农副产品的质量检测(水果自动分拣机器人、烟草自动分级机器人等)、自动收割(水果自动采摘机器人等)；商业与安保上的自动监控与跟踪系统；医学图像的自动分析与诊断系统；军事目标的自动识别、定位、跟踪等。这些技术的研究和应用对我国企业的技术革新、增强竞争力具有非常重要的意义[02][04][14]。这些自动化检测系统所涉及的理论基础都大致一样，各个系统之间有非常好的移植性，只要其中的一个应用成功，只需稍做修改，其它的应用应该比较容易实现，因为其它的应用系统的理论基础都同它一样。因此，对这种系统的理论研究与应用都具有非常重要的学术意义。1.2国内外现状和发展趋势通常PCB生产线上一般有以下制作流程：对单面板来说，比较简单，通常是下料、打孔、网丝漏印、腐蚀、去除印料、孔加工、印标记、涂助焊剂，成品；对于多层板其制作工艺就较为复杂了，内层材料处理、打孔、表面清洁处理、制内层走线及图形、腐蚀、层压前处理、外内层材料层压、孔加工、孔金属化、制外层图形、镀可焊金属、去除感光胶、腐蚀、插头镀金、外形加工、热熔、涂焊剂、成品。可以看出PCB制作工序繁多，每一道工序都会出现各种缺陷从而影响产品质量。因此，必须进行质量控制，所以在PCB生产线上就必然会有各种各样的在线检测设备，有的是采用光学方法，有的是采用电子方法(即光学和电测试两大类)。传统的电子测试方式是采用制造缺陷分析仪(Manufacturedefectanalyzer，MDA)，它主要是针对生产线中的印刷板上元器件的错装