AOI（Automated Optical Inspection）的全稱是主動光學檢測，是根據(jù)光學原理來對焊接生產(chǎn)中遇到的常見缺點進行檢測的設備。AOI是新興起的一種新型測驗技能，但發(fā)展迅速，許多廠家都推出了AOI測驗設備。當主動檢測時，機器經(jīng)過攝像頭主動掃描PCB，收集圖畫，測驗的焊點與數(shù)據(jù)庫中的合格的參數(shù)進行比較，經(jīng)過圖畫處理，檢查出PCB上缺點，并經(jīng)過顯現(xiàn)器或主動標志把缺點顯現(xiàn)/標示出來，供修理人員修整。
運用高速高精度視覺處理技能主動檢測PCB板上各種不同帖裝錯誤及焊接缺點。PCB板的范圍可從細間距高密度板到低密度大尺度板，并可供給在線檢測計劃，以進步生產(chǎn)功率,及焊接質(zhì)量。經(jīng)過運用AOI作為減少缺點的工具，在裝配工藝進程的前期查找和消除錯誤，以實現(xiàn)良好的進程控制。前期發(fā)現(xiàn)缺點將避免將壞板送到隨后的裝配階段，AOI將減少修理成本將避免作廢不行修理的電路板。
錯誤類型
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刷錫后貼片前：橋接-移位-無錫-錫不足
回流焊或波峰焊后：少錫/多錫、無錫短接 錫球 漏料-極性-移位腳彎錯件
PCB行業(yè)裸板檢測
主要特點
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1）高速檢測系統(tǒng)
與PCB板帖裝密度無關
2）快速便捷的編程系統(tǒng)
圖形界面下進行
運用帖裝數(shù)據(jù)自動進行數(shù)據(jù)檢測
運用元件數(shù)據(jù)庫進行檢測數(shù)據(jù)的快速編輯
3）運用豐富的專用多功能檢測算法和二元或灰度水平光學成像處理技術進行檢測
4）根據(jù)被檢測元件位置的瞬間變化進行檢測窗口的自動化校正，達到高精度檢測
5）通過用墨水直接標記于PCB板上或在操作顯示器上用圖形錯誤表示來進行檢測電的核對
相關比較
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人工檢查 AOI檢查
pcb<18*20 幾千個pad以下
人 重要 輔助檢查
時間 正常 正常
持續(xù)性 因人而異 （差） 好
可靠性 因人而異 （差） 較好
準確性 因人而異 誤點率高
時間 長 短
與或非（AND OR INVERT）
一種常用邏輯運算
實施目標
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實施AOI有以下兩類主要的目標：
最終品質(zhì)
對產(chǎn)品走下生產(chǎn)線時的最終狀態(tài)進行監(jiān)控。當生產(chǎn)問題非常清楚、產(chǎn)品混合度高、數(shù)量和速度為關鍵因素的時候，優(yōu)先采用這個目標。AOI通常放置在生產(chǎn)線最末端。在這個位置，設備可以產(chǎn)生范圍廣泛的過程控制信息。
過程跟蹤
使用檢查設備來監(jiān)視生產(chǎn)過程。典型地包括詳細的缺陷分類和元件貼放偏移信息。當產(chǎn)品可靠性很重要、低混合度的大批量制造、和元件供應穩(wěn)定時，制造商優(yōu)先采用這個目標。這經(jīng)常要求把檢查設備放置到生產(chǎn)線上的幾個位置，在線地監(jiān)控具體生產(chǎn)狀況，并為生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供必要的依據(jù)。
放置位置
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雖然AOI可用于生產(chǎn)線上的多個位置，各個位置可檢測特殊缺陷，但AOI檢查設備應放到一個可以盡早識別和改正最多缺陷的位置。有三個檢查位置是主要的：
錫膏印刷之后
如果錫膏印刷過程滿足要求，那么ICT發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量可大幅度的減少。典型的印刷缺陷包括以下幾點：
A.焊盤上焊錫不足。
B.焊盤上焊錫過多。
C.焊錫對焊盤的重合不良。
D.焊盤之間的焊錫橋。
在ICT上，相對這些情況的缺陷概率直接與情況的嚴重性成比例。輕微的少錫很少導致缺陷，而嚴重的情況，如根本無錫，幾乎總是在ICT造成缺陷。焊錫不足可能是元件丟失或焊點開路的一個原因。盡管如此，決定哪里放置AOI需要認識到元件丟失可能是其它原因下發(fā)生的，這些原因必須放在檢查計劃內(nèi)。這個位置的檢查最直接地支持過程跟蹤和特征化。這個階段的定量過程控制數(shù)據(jù)包括，印刷偏移和焊錫量信息，而有關印刷焊錫的定性信息也會產(chǎn)生。
回流焊前
檢查是在元件貼放在板上錫膏內(nèi)之后和PCB送入回流爐之前完成的。這是一個典型地放置檢查機器的位置，因為這里可發(fā)現(xiàn)來自錫膏印刷以及機器貼放的大多數(shù)缺陷。在這個位置產(chǎn)生的定量的過程控制信息，提供高速片機和密間距元件貼裝設備校準的信息。這個信息可用來修改元件貼放或表明貼片機需要校準。這個位置的檢查滿足過程跟蹤的目標。
回流焊后
優(yōu)化設計
編輯基本優(yōu)化
每塊PCB可以采用光學或者X-ray技術并運用適當 的運算法則來進行檢查?；趫D像檢查的基本 原理是：每個具有明顯對比度的圖像都是可以 被檢查的。在AOI中存在的主要問題是，當一些檢查對象是 不可見的，或是在PCB上存在一些干擾使得圖像變得模糊 或隱藏起來了。然而，實際經(jīng)驗和系統(tǒng)化測試都表明，這 些影響是可以通過PCB的設計來預防甚至減少的。為了推 動這種優(yōu)化設計，可以運用一些看上去很古老的附加手段（這些方法仍在很多領域被推崇），它的優(yōu)點包括：
減少編程時間
最大限度地減少誤報? 改善失效檢查。
制定設計方針，可以有效地簡化檢查和顯著地降低生 產(chǎn)成本。Viscom AG 和 KIRRON GmbH &Co KG 合作開發(fā) 出一項特殊測試方案，目的是為了從根本上研究和證明這 些設計在檢查中產(chǎn)生的效果。基于IPC-7350標準的PCB布 局被推薦為針對這些測試的基準。首先，為了探究每一種 布局的檢查效果，建議在大量PCB布局上采用這種基準； 之后，再有意地利用PCB錯誤布局，使得它產(chǎn)生一些工藝 中的缺陷，如立碑和引腳懸空等。
布局建議
針對AOI檢查的PCB整體布局
器件到PCB的邊緣應該至少留有3mm（0.12”）的工 藝邊。片式器件必須優(yōu)先于圓柱形器件。布局上建議考慮 傳感器技術，因為有時檢查只能通過垂直（正交）角度，而其他時候又需要一個輔助的角度來進行。
元器件
對一個穩(wěn)定的工藝過程來說，一個重要的因素是元器 件，這不僅與PCB上直接的器件布局有關，而且或多或少 也與“工藝流程設計”有關。元器件的采購趨勢是盡 可能地便宜，而不管它在顏色、尺寸等參數(shù)上的不同。不 幸的是，這些選擇在日后對AOI或AXI檢查過程中造成的影 響往往被忽
圖2
略了。始終采用同樣的材料和產(chǎn)品能夠顯著地 減少檢查時間和誤報，而這些問題主要是通過元器件以及 PCB的突然變化而出現(xiàn)的。
圖2
元器件尺寸
IPC-7350標準描述了器件的尺寸，并對某些焊盤的尺 寸提出了建議。根據(jù)IPC標準，器件的長度和引腳的寬度可 以有一個較大變化范圍，相反，焊盤的尺寸卻是相對固定 的。此外，PCB制造公差的影響相對于這些器件的變化來說 也是是很小的。
PCB的顏色和阻焊
通常，設備能夠檢查 出所有不同單板的顏色， 盡管檢查中的某些細節(jié)處 理是不倚賴于顏色的。例 如， 一塊白色和一塊綠 色的PCB有著不同的對比 度，因此設備需要一些特 定的補償。在一種極端情 況下，橋接在亮背景下呈 現(xiàn)黑色，而在另一種極端情況下，橋接在黑背景下卻是呈現(xiàn)出亮色。這里我們建議 使用無光澤的阻焊層。在我們的實踐中，焊盤間（甚至是 細間距引腳）的區(qū)域也應該覆蓋著阻焊層，這個建議也已 經(jīng)被焊料供應商所響應。
印刷圖案
所有印有圖案的PCB也是能夠被檢查的，例如，當元 器件的邊框或元器
圖3
件本體上的字母單獨出現(xiàn)在組件的某個 區(qū)域從而干擾對其他部分的檢查時，可以手工調(diào)整檢查程 序。盡管如此，在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，圖案的印刷范圍仍 然有一個較大的選擇，因此，減少非反射性標識印刷（黑 或暗黃）值得加以考慮。另外一個可能出現(xiàn)的情況是需要 有選擇地印刷標識：例如，當某些特定的器件（如霍爾傳 感器）正面向下時就必須印刷成白色；而另一種情況是印 有極性標志的有傾斜角的鉭電容器件；這樣能使標識和背 景形成鮮明的對比，使得檢查的圖像更加清晰。
圖3
基準點
設備可以檢查所有 類型的基準點，而且任 何構件都可以被定義成 一個基準點。
圖4
雖然三個基 準點可以補償一塊單板的 變形，但通常情況下只需 要確定兩個基準點就可以 了。每個基準點至少離單 板邊緣5mm（0.2”）。 十字形、菱形、星形等比較適用，并建議使用統(tǒng)一的黑背 景。此外，十字形的基準點特別有優(yōu)勢，他們在檢測光下的圖像十分穩(wěn)定且可以被快速和容易地判定。。
圖4
確認壞板
設備有能力檢查所有已知類型的壞板標識。板上的任 何構件都可以被定義為壞板標識。這里建議采用與上述基 準點的判定相類似的方法，即在可能的情況下，首先通過 檢查整板或已完成組裝的單板上的單個壞板標識來進行確 認。板上每個單獨的壞板標識只有在整板的壞板標識檢查失敗后才會被逐一檢查；整板的壞板標識應該定位于PCB的邊上。
避免焊點反射
焊點的形狀和接觸角是焊點反射的根源。焊點的形成 依賴于焊盤的尺寸、器件的高度、焊錫的數(shù)量和回流工藝 參數(shù)。為了防止焊接反射，應當避免器件對稱排列。
波峰焊
經(jīng)過波峰焊后，焊點所有的參數(shù)會有很大的變化，這 主要是由于焊爐內(nèi)錫的老化導致焊盤反射特性從光亮到灰 暗，因此，在檢查時算法上必須要包含這些變化。在波峰焊 中，典型的缺
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陷是短路和焊珠。當檢測到短路時，假如印刷 的圖案或者無反射印刷這兩種情況的減少以及應用阻焊層， 就可以消除這些誤報。如果基準點沒有被阻焊膜蓋住而過波 峰焊，可能會導致一個圓形基準點上錫成了一個半球，其內(nèi) 在的反射特性將會發(fā)生改變；應用十字型作為基準點或者用 阻焊層覆蓋基準點，可以防止這種情況的發(fā)生。
圖5
片式元件、MELF器件和C-leads 器件
在片式元件和MELF器件上，彎月狀的焊點必須被正 確地識別出來；而在器件本體兩側(cè)下方的焊點由于焊錫無 爬升，很難檢查。另外，焊盤邊緣到焊端的間距Xc也需要 注意。Xc （焊盤的外側(cè)間距）對Xi（焊盤的內(nèi)側(cè)間 距）的比率應選擇>1。同樣的規(guī)則也適用于C-leads器件的 彎月型和器件本體兩側(cè)的焊盤設計。這里，我們建議Xc對 Xi的比率稍微大于1.5。值得注意的是：任何元器件的長度 變化也必須計算在內(nèi)。
圖7
圖7
“鷗翼”型引腳器件
通常，這類器件的判定標準可以通過對毛細效應在垂 直方向的作用的分析中找到。由于毛細力，焊錫從焊盤末端 爬到引腳上形成焊點。由于工藝波動和器件邊緣的阻擋作 用，導致不能完全形成一個完整的上半月型焊點。盡管沒有 形成一個上半月型的焊點，但也可以被認為焊接得很好。 “鷗翼”型引腳焊錫的側(cè)面爬升情況由于器件變化或 焊盤設計的原因，并不是經(jīng)常能夠被檢查出來，這是由于 焊錫的爬升方向必須用同引腳方向垂直的角度去檢查。假 如爬升很小，必須從其他角度來檢查，而只有通過這樣的輔助檢查，才能提供豐富的圖像信息去評估焊點的好壞。
圖6
? 斜角檢測：PLCCs型器件
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PLCCs器件的引腳的焊盤有著不同設計。如果是一個 長焊盤設計，在PLCC引腳上焊錫的爬升效果是可以檢查 的。如果焊盤保持明亮，那么焊錫已經(jīng)爬升到了引腳端， 所以認為器件是焊上了。假如遵循這個設計原則，可以通過垂直檢測來檢查出缺陷。
對于PLCC焊點，有時會出現(xiàn)少錫的情況。由于引腳少 錫的爬升情況和沒有焊錫時是一樣的，所以對PLCC焊點不 能通過垂直檢測，而要通過斜角檢測的方式來檢查少錫缺陷。
布局建議
PCB的整體布局 對于普通的AXI測試PCB布局，所有的焊盤都必須進行 阻焊處理。這是因為阻焊層和實際的焊盤并沒有真正地接 觸到，在阻焊層和焊盤之間存在著一定的間隙。這樣做的 好處是：焊錫受熱后就可以聚集在焊盤內(nèi)，這也使得在XRAY影像中很容易再現(xiàn)焊料的爬升情況。
2D x-ray
當應用2D x-ray技術時，所有的器件都需要被布置在 PCB的正面。而用2Dx-ray去檢測這些器件時，還必須再定 義出一塊沒有器件的地方為“禁區(qū)”。對于有些BGAs，會 推薦使
圖8
用一種淚滴型的不對稱焊盤設計，這使得焊錫的成 型性質(zhì)被系統(tǒng)錯誤的判斷為一種幾何的連接形態(tài)；此外， 一些特殊的QFN向內(nèi)或向外的彎月型焊盤設計也同樣有這種情況。
圖8
QFN 焊盤設計
QFN器件的焊盤尺寸、焊膏印 刷面積與它的引腳尺寸是同樣大小 的，而且器件的引腳是交錯排列在 封裝體底部的(圖8)。
因此，QFN的 焊盤設計建議為：焊盤伸出于器件引腳的外端， 而
圖9
縮進于器件的內(nèi) 端，這樣使得在器件引腳的內(nèi)外形成彎月型焊盤。在這里 很重要的一點是，在進行設計計算時必須考慮器件的公差范圍。(圖9)
圖9
BGA 設計
在BGA設計時，焊點的形狀（如淚滴型）可以通過特 別的布局使其成為可見的；就是說，淚滴型的焊點除了具 有奇怪的形狀外，它的方向也是很隨意的。總而言之，在 器件面的焊盤和在PCB上的焊盤正好和BGA焊球的大小是 一樣的（圖
圖10
10 ）。在德國Erlangen 大學，學者做了大量的 研究去評價單個焊盤形狀的模型；他們發(fā)現(xiàn)，無論焊盤是 圓形還是非圓形的，焊膏印刷圖形要保持為圓形不變。
圖10
結論
作為慣例，在生產(chǎn)中，測試系統(tǒng)應當根據(jù)生產(chǎn)批量的要 求建立并優(yōu)化。實際運作中無數(shù)次地證明，僅這樣做是遠 遠不夠的。如果在兩周的生產(chǎn)時間內(nèi)要測試一個新批次的 PCB，有可能會發(fā)生這樣的情況：ELKO的顏色突然由黑色 變?yōu)榱它S色，或者晶體管的引腳變短了、是彎的；或是電阻的顏色由黃色變成了藍色的，等等。
AOI檢查程序必須而且能夠處理這些不同的變化所帶來 的問題。但是，其中的一些變化需要花費時間進行處理， 因為我們不能預先知道是否有一種新的元器件被使用，或 是存在一個錯誤的元器件布局。同時，面對質(zhì)量方面的困 難，大量允許的可能出現(xiàn)的情況也需要一個一致的，確實 可行的說明。
始終采用同樣的材料和產(chǎn)品，再加上優(yōu)化的PCB設計， 正如上面所描述的那樣，可以減小由于產(chǎn)品的變更對AOI/ AXI測試所造成的影響。在這里必須指出，比照所有用于 AOI和AXI 檢查的標準，PCB布局的建議可使檢查工藝適當 簡化并更有效率。DFT可以提高缺陷的檢查率，減少誤報， 縮短編程時間和降低編程的難度，從而最終達到有效降低 產(chǎn)品制造成本的目的。
實際應用
編輯
對無缺陷生產(chǎn)來講，自動光學檢查（AOI）是必不可少的。在轉(zhuǎn)到使用無鉛工藝時，制造商將面臨新的挑戰(zhàn)，在生產(chǎn)中會出現(xiàn)其他的問題，引起了人們的關注。本文分析轉(zhuǎn)到無鉛工藝的整個過程，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)中引進了0402無鉛元件。
由于缺乏無鉛元件，轉(zhuǎn)到使用無鉛元件是分階段進行的。在2004年，由于要求電子產(chǎn)品的體積越來越小，迫使制造商廣泛地用0402元件來取代0603元件和0805元件。
工藝條件
除了普遍使用的0402元件，印刷電路板的第一次合格率（FPY）必須達到95%，而且必須根據(jù)印刷電路協(xié)會（IPC）的2級標準來檢測缺陷。例如，在有608個焊點的168元件的情況下，相當于要求誤報率是百萬分之65。為了達到FPY的要求，在檢測缺陷時必須考慮以下條件：元件長度的公差、元件供應商、貼片公差、在25 個AOI系統(tǒng)上的全球檢測數(shù)據(jù)庫、有80個獨特產(chǎn)品的全球檢測數(shù)據(jù)庫、無鉛焊料、不同的電路板供應商以及檢測質(zhì)量要達到IPC的2級標準。
無鉛焊接帶來的變化
可以從三個方面看到無鉛的影響：灰度值提高、流程的改變和有效的助焊劑。無鉛焊點的亮度平均值高了2.5%。這相當于亮度提高了五級。焊點看上去粗糙，而且表面呈粗大的顆粒狀。這可以利用特性萃取方法來消除或者過濾掉。流動性稍微差一些，特別是對于那些較輕的元件，會妨礙元件在熔化焊膏中浸沒或者浮起。這表示元件自動對正的程度較差。由于效果差，意味著輕輕的0402元件沿著縱向翹起的傾向會增強，結果是不能完全看到元件的頂部。
在回熔溫度較高以及使用侵蝕性更強的助焊劑時，也會導致與助焊劑直接接觸的較薄的元件受到侵蝕，元件頂部不能夠反射光線。流動性的改變和侵蝕性助焊劑，對R0402型元件的影響比C0402型元件大，因為R0402型元件更輕也更薄。在使用R0603元件時，這也不常見。
檢查庫
圍繞工藝的環(huán)境產(chǎn)生消極影響，必須通過幾個途徑降低到最小，以滿足頭工作的要求。
● AOI全球檢查庫──對部分AOI制造商的標定工具進行調(diào)整是極為重要的，所以，這些變化能夠傳遞到照相機和照明模塊上。
● 對于不同產(chǎn)品的AOI全球檢查庫，有可能在當?shù)剡M行調(diào)整──這是AOI軟件必備的特性。
● 貼片公差——進料器常規(guī)的維護和校準。
● 確定檢查質(zhì)量：IPC標準2級——必須允許使用朝下的電阻器。組件趐起和共面性的檢測必須可靠。
關于元件長度公差，不同的組件供應商、電路板和無鉛焊料的供應商都不可能沒有任何直接的影響。優(yōu)良的AOI程序應該能夠應付這些這影響。如果這些個別點的變化可以保持不變，那么就能夠相當大地簡化AOI編程。經(jīng)研究得到的結論是，由于無鉛產(chǎn)生的影響，圖形對照系統(tǒng)無法得到適合的檢查結果，這是因為合格的樣品變化太大。更加可行的方法是，取出確定每道工藝和元件變化的特性。這些變化可以分成不同的等級。如果在現(xiàn)在使用的工藝中，出現(xiàn)了一個新的變化，就要增加一個級別，來保證檢查的精確性。所有認識到的和已知的缺陷都儲存起來，他們的類型和圖片可以用于AOI系統(tǒng)和全球數(shù)據(jù)庫里的檢查程序。我們沒有必要把一塊不同缺陷的電路板保存起來用于詳細的檢查。
用AOI軟件核實真正的缺陷
AOI軟件中有一個綜合性的驗證功能，它能減少檢查的誤報，保證檢測程序無缺陷。它可以檢查儲存起來的有缺陷的樣品，例如，修理站存放的樣品，以及印刷了焊膏的空白印刷電路板。在優(yōu)化階段，在這方面花時間的原因是為了不讓任何缺陷溜過去。所有已知的缺陷都必須檢查，同時要把允許出現(xiàn)的誤報數(shù)量做到最小。在針對減少誤報而對任何程序進行調(diào)整時，要檢查一下，看看以前檢查出來的真正缺陷，是否得到維修站的證實。通過綜合的核實，保證檢查程序的質(zhì)量，用于專門的制造和核查，同時對誤報進行追蹤。
無鉛和檢測工藝
適應性程序沒有發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)到無鉛會對焊點質(zhì)量的檢查帶來什么影響。缺陷看上去還是一樣的。毫無疑問，只需要稍微修改一下數(shù)據(jù)庫，就足以排除其他誤報可能會帶來的影響。在元件頂上的內(nèi)容改變時，就需要大量的工作，確定門限值。這些可以納入到標準數(shù)據(jù)庫中。在元件的一端立起來時，激活其他環(huán)節(jié)的檢測，便可以進行可靠的分析。對于橋接的形成或者元件一端立起來的普遍看法，證明常常不是那樣。經(jīng)驗表明，橋接的形成沒有改變，元件一端立起來的現(xiàn)像就會有所減少。轉(zhuǎn)到使用無鉛焊膏并不需要投資新的系統(tǒng)或者設備，只要使用的AOI系統(tǒng)配備了靈活的傳感器模塊、照明和軟件，就足以適應這些變化了。
生產(chǎn)廠家
編輯國內(nèi)
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