AOI自动光学识别

石鑫华视觉

石鑫华机器视觉网：AOI（Automatic Optic Inspection）的全称是自动光学检测，是基于光学原理来对焊接生产中遇到的常见缺陷进行检测的设备。AOI是近几年才兴起的一种新型测试技术，但发展迅速，目前很多厂家都推出了AOI测试设备。当自动检测时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整。
基本定义

运用高速高精度视觉处理技术自动检测PCB板上各种不同帖装错误及焊接缺陷。PCB板的范围可从细间距高密度板到低密度大尺寸板，并可提供在线检测方案,以提高生产效率，及焊接质量。
通过使用AOI作为减少缺陷的工具,在装配工艺过程的早期查找和消除错误,以实现良好的过程控制.早期发现缺陷将避免将坏板送到随后的装配阶段，AOI将减少修理成本将避免报废不可修理的电路板。
可检测的错误类型

刷锡后贴片前：桥接-移位-无锡-锡不足
贴片后回流焊前：移位，漏料、极性、歪斜、脚弯、错件
回流焊或波峰焊后：少锡/多锡、无锡短接 锡球 漏料-极性-移位脚弯错件
PCB行业裸板检测
主要特点

1）高速检测系统
与PCB板帖装密度无关
2）快速便捷的编程系统
图形界面下进行
运用帖装数据自动进行数据检测
运用元件数据库进行检测数据的快速编辑
3）运用丰富的专用多功能检测算法和二元或灰度水
凭光学成像处理技术进行检测
4）根据被检测元件位置的瞬间变化进行检测窗口的
自动化校正，达到高精度检测
5）通过用墨水直接标记于PCB板上或在操作显示器
上用图形错误表示来进行检测电的核对
相关比较

AOI 检 查 与 人 工 检 查 的 比 较
                                                          人工检查                       AOI检查
pcb<18*20及千个pad以下
                                        人                   重要                          辅助检查
                                       时间                正常                             正常
                                     持续性             因人而异                         好
                                     可靠性             因人而异                       较好
                                     准确性             因人而异                    误点率高
pcb<18*20及千个pad以上
                                        人                   重要                        辅助检查
                                      时间                  长                                 短
                                     持续性               差                                  好
                                     可靠性               差                                较好
                                     准确性            因人而异                      误点率高
针对AOI检查的PCB优化设计

为了便于检查，一块PCB能够在设计阶段就进行优化布局吗？ 答案当然是肯定的，我们在本文中提供了一些建议供参考。
　
每块PCB可以采用光学或者X-ray技术并运用适当 的运算法则来进行检查。基于图像检查的基本 原理是：每个具有明显对比度的图像都是可以 被检查的。在AOI中存在的主要问题是，当一些检查对象是 不可见的，或是在PCB上存在一些干扰使得图像变得模糊 或隐藏起来了。然而，实际经验和系统化测试都表明，这 些影响是可以通过PCB的设计来预防甚至减少的。为了推 动这种优化设计，可以运用一些看上去很古老的附加手段（这些方法仍在很多领域被推崇），它的优点包括：
• 减少编程时间
• 最大限度地减少误报
• 改善失效检查。
制定设计方针，可以有效地简化检查和显著地降低生 产成本。Viscom AG 和 KIRRON GmbH &Co.KG 合作开发 出一项特殊测试方案，目的是为了从根本上研究和证明这 些设计在检查中产生的效果。基于IPC-7350标准的PCB布 局被推荐为针对这些测试的基准。首先，为了探究每一种 布局的检查效果，建议在大量PCB布局上采用这种基准； 之后，再有意地利用PCB错误布局，使得它产生一些工艺 中的缺陷，如立碑和引脚悬空等。
针对AOI检查的布局建议
• 针对AOI检查的PCB整体布局
器件到PCB的边缘应该至少留有3mm（0.12”）的工 艺边。片式器件必须优先于圆柱形器件。布局上建议考虑 传感器技术，因为有时检查只能通过垂直（正交）角度，而其他时候又需要一个辅助的角度来进行。
• 元器件
对一个稳定的工艺过程来说，一个重要的因素是元器 件，这不仅与PCB上直接的器件布局有关，而且或多或少 也与“工艺流程设计”有关。目前元器件的采购趋势是尽 可能地便宜，而不管它在颜色、尺寸等参数上的不同。不 幸的是，这些选择在日后对AOI或AXI检查过程中造成的影 响往往被忽略了。始终采用同样的材料和产品能够显著地 减少检查时间和误报，而这些问题主要是通过元器件以及 PCB的突然变化而出现的。
• 元器件尺寸
IPC-7350标准描述了器件的尺寸，并对某些焊盘的尺 寸提出了建议。根据IPC标准，器件的长度和引脚的宽度可 以有一个较大变化范围，相反，焊盘的尺寸却是相对固定 的。此外，PCB制造公差的影响相对于这些器件的变化来说 也是是很小的。
• PCB的颜色和阻焊
通常，设备能够检查 出所有不同单板的颜色， 尽管检查中的某些细节处 理是不倚赖于颜色的。例 如， 一块白色和一块绿 色的PCB有着不同的对比 度，因此设备需要一些特 定的补偿。在一种极端情 况下，桥接在亮背景下呈 现黑色，而在另一种极端情况下，桥接在黑背景下却是呈现出亮色。这里我们建议 使用无光泽的阻焊层。在我们的实践中，焊盘间（甚至是 细间距引脚）的区域也应该覆盖着阻焊层，这个建议也已 经被焊料供应商所响应。
• 印刷图案
所有印有图案的PCB也是能够被检查的，例如，当元 器件的边框或元器件本体上的字母单独出现在组件的某个 区域从而干扰对其他部分的检查时，可以手工调整检查程 序。尽管如此，在生产允许的范围内，图案的印刷范围仍 然有一个较大的选择，因此，减少非反射性标识印刷（黑 或暗黄）值得加以考虑。另外一个可能出现的情况是需要 有选择地印刷标识：例如，当某些特定的器件（如霍尔传 感器）正面向下时就必须印刷成白色；而另一种情况是印 有极性标志的有倾斜角的钽电容器件；这样能使标识和背 景形成鲜明的对比，使得检查的图像更加清晰。
• 基准点
设备可以检查所有 类型的基准点，而且任 何构件都可以被定义成 一个基准点。虽然三个基 准点可以补偿一块单板的 变形，但通常情况下只需 要确定两个基准点就可以 了。每个基准点至少离单 板边缘5mm（0.2”）。 十字形、菱形、星形等比较适用，并建议使用统一的黑背 景。此外，十字形的基准点特别有优势，他们在检测光下的图像十分稳定且可以被快速和容易地判定。
确认坏板
设备有能力检查所有已知类型的坏板标识。板上的任 何构件都可以被定义为坏板标识。这里建议采用与上述基 准点的判定相类似的方法，即在可能的情况下，首先通过 检查整板或已完成组装的单板上的单个坏板标识来进行确 认。板上每个单独的坏板标识只有在整板的坏板标识检查失败后才会被逐一检查；整板的坏板标识应该定位于PCB的边上。
• 避免焊点反射
焊点的形状和接触角是焊点反射的根源。焊点的形成 依赖于焊盘的尺寸、器件的高度、焊锡的数量和回流工艺 参数。为了防止焊接反射，应当避免器件对称排列。
• 波峰焊
经过波峰焊后，焊点所有的参数会有很大的变化，这 主要是由于焊炉内锡的老化导致焊盘反射特性从光亮到灰 暗，因此，在检查时算法上必须要包含这些变化。在波峰焊 中，典型的缺陷是短路和焊珠。当检测到短路时，假如印刷 的图案或者无反射印刷这两种情况的减少以及应用阻焊层， 就可以消除这些误报。如果基准点没有被阻焊膜盖住而过波 峰焊，可能会导致一个圆形基准点上锡成了一个半球，其内 在的反射特性将会发生改变；应用十字型作为基准点或者用 阻焊层覆盖基准点，可以防止这种情况的发生。
• 片式元件、MELF器件和C-leads 器件
在片式元件和MELF器件上，弯月状的焊点必须被正 确地识别出来；而在器件本体两侧下方的焊点由于焊锡无 爬升，很难检查。另外，焊盘边缘到焊端的间距Xc也需要 注意（图5）。Xc （焊盘的外侧间距）对Xi（焊盘的内侧间 距）的比率应选择>1。同样的规则也适用于C-leads器件的 弯月型和器件本体两侧的焊盘设计。这里，我们建议Xc对 Xi的比率稍微大于1.5。值得注意的是：任何元器件的长度 变化也必须计算在内。
• “鸥翼”型引脚器件
通常，这类器件的判定标准可以通过对毛细效应在垂 直方向的作用的分析中找到。由于毛细力，焊锡从焊盘末端 爬到引脚上形成焊点。由于工艺波动和器件边缘的阻挡作 用，导致不能完全形成一个完整的上半月型焊点。尽管没有 形成一个上半月型的焊点，但也可以被认为焊接得很好。 “鸥翼”型引脚焊锡的侧面爬升情况由于器件变化或 焊盘设计的原因，并不是经常能够被检查出来，这是由于 焊锡的爬升方向必须用同引脚方向垂直的角度去检查。假 如爬升很小，必须从其他角度来检查，而只有通过这样的辅助检查，才能提供丰富的图像信息去评估焊点的好坏。
• 斜角检测：PLCCs型器件
PLCCs器件的引脚的焊盘有着不同设计。如果是一个 长焊盘设计，在PLCC引脚上焊锡的爬升效果是可以检查 的。如果焊盘保持明亮，那么焊锡已经爬升到了引脚端， 所以认为器件是焊上了。假如遵循这个设计原则，可以通过垂直检测来检查出缺陷。
对于PLCC焊点，有时会出现少锡的情况。由于引脚少 锡的爬升情况和没有焊锡时是一样的，所以对PLCC焊点不 能通过垂直检测，而要通过斜角检测的方式来检查少锡缺陷.
AXI检测的PCB布局建议
• PCB的整体布局 对于普通的AXI测试PCB布局，所有的焊盘都必须进行 阻焊处理。这是因为阻焊层和实际的焊盘并没有真正地接 触到，在阻焊层和焊盘之间存在着一定的间隙。这样做的 好处是：焊锡受热后就可以聚集在焊盘内，这也使得在XRAY影像中很容易再现焊料的爬升情况。
• 2D x-ray
当应用2D x-ray技术时，所有的器件都需要被布置在 PCB的正面。而用2D x-ray去检测这些器件时，还必须再定 义出一块没有器件的地方为“禁区”。对于有些BGAs，会 推荐使用一种泪滴型的不对称焊盘设计，这使得焊锡的成 型性质被系统错误的判断为一种几何的连接形态；此外， 一些特殊的QFN向内或向外的弯月型焊盘设计也同样有这种情况。
• QFN 焊盘设计
QFN器件的焊盘尺寸、焊膏印 刷面积与它的引脚尺寸是同样大小 的，而且器件的引脚是交错排列在 封装体底部的.
因此，QFN的 焊盘设计建议为：焊盘伸出于器件 引脚的外端， 而缩进于器件的内 端，这样使得在器件引脚的内外形成弯月型焊盘。在这里 很重要的一点是，在进行设计计算时必须考虑器件的公差范围。
• BGA 设计
在BGA设计时，焊点的形状（如泪滴型）可以通过特 别的布局使其成为可见的；就是说，泪滴型的焊点除了具 有奇怪的形状外，它的方向也是很随意的。总而言之，在 器件面的焊盘和在PCB上的焊盘正好和BGA焊球的大小是 一样的（图10 ）。在德国Erlangen 大学，学者做了大量的 研究去评价单个焊盘形状的模型；他们发现，无论焊盘是 圆形还是非圆形的，焊膏印刷图形要保持为圆形不变。
结论
作为惯例，在生产中，测试系统应当根据生产批量的要 求建立并优化。实际运作中无数次地证明，仅这样做是远 远不够的。如果在两周的生产时间内要测试一个新批次的 PCB，有可能会发生这样的情况：ELKO的颜色突然由黑色 变为了黄色，或者晶体管的引脚变短了、是弯的；或是电阻的颜色由黄色变成了蓝色的，等等。
AOI检查程序必须而且能够处理这些不同的变化所带来 的问题。但是，其中的一些变化需要花费时间进行处理， 因为我们不能预先知道是否有一种新的元器件被使用，或 是存在一个错误的元器件布局。同时，面对质量方面的困 难，大量允许的可能出现的情况也需要一个一致的，确实 可行的说明。
始终采用同样的材料和产品，再加上优化的PCB设计， 正如上面所描述的那样，可以减小由于产品的变更对AOI/ AXI测试所造成的影响。在这里必须指出，比照所有用于 AOI和AXI 检查的标准，PCB布局的建议可使检查工艺适当 简化并更有效率。DFT可以提高缺陷的检查率，减少误报， 缩短编程时间和降低编程的难度，从而最终达到有效降低 产品制造成本的目的。
新一代自动光学检测技术AOI：内嵌式检测技术

一些评估显示全世界只有20%-30%的SMT生产线装配了AOI系统。这表明，虽然器件的尺寸近年来已经缩小到人眼可以观察的范围之外，AOI显示出某些诱人的性能，但是市场对其价值仍持有疑虑。EPV是一项新兴技术，它将检验技术植入设备的运行程序中，能回答装配者所关心的外围成本，占地面积和投资回报率等问题。
嵌入生产过程中的验证
对于AOI的应用，业界很明白每条生产线需要配置多个线上检测系统（如果对印刷、器件贴装和回流之后作100%的检测）。很多装配者很勉强才能接受AOI所需的额外的资本投入、较大的生产线占地面积。此外，其生产周期、人员培训和设备编程的工作量也很大。但是装配者还是希望限制焊膏印刷错误和不正确的器件贴装——这是回流前引起电路板报废的最主要的两个原因。
CyberOptics 开发了嵌入生产过程中的验证（EPVTM）解决方案。新型EPV传感器技术在贴装机内部加入视觉验证能力，工作于设备正在进行贴装的时候。这样，系统就可以达到较低的价格，增加很少或不增加额外循环时间，并且不增加生产线占地面积。但是这些都需要得到设备制造商的支持。
环球仪器是第一个关注EPV潜能并且在此技术上投入研究精力的设备制造商。目前，环球仪器把这项技术作为Genesis和AdVantis平台的可选项，与环球的闪电头一并提供给客户。环球仪器总裁Ian deSouza认为在未来的十几年中，这都将是业界最令人兴奋的革新之一。
因为EPV直接置于设备内部，所以它能够在不增加循环时间和额外编程开销的情况下持续提供即时的程序数据。当它植入带有闪电头的Genesis或AdVantis机器后，它将在贴装工序运作的同时——而不是之后——工作。它能在诸如改变工艺流程等紧急情况发生后能减少回到正常生产所需的时间，降低不确定因素发生的可能，这也正是市场长期以来所追求的技术。
原理
在拾取和贴装设备内，EPV传感器运用特有的方式捕捉每一个部件的信息，并通过Firewire把数据传送给主机。操作员和工艺工程师还可以用EPV软件详细回顾每条实时信息和存档信息。主机上的信息可以输出到公用目录用于存档或供其它网络终端访问。
CyberOptics为实现EPV克服了很多艰难的技术挑战。系统具有高度小型化的机械和光学系统，以便能移入AdVantis或Genesis的狭小空间内。为在一个装贴时间内完成完整的验证工作，数据获取时间和快速图像处理非常关键。CyberOptics发现，为获得最可靠的信息，精确的图形非常重要。
性能
这个系统具有高清晰度的实时贴装图像和100%自动探测缺失器件能力。除此之外，EPV方案还使产品工程师可以回顾贴装图像以检验焊膏质量，识别偏离、错误和错置的器件，并检查新吸嘴——这一增强功能提供了从根本原因入手进行错误分析的能力。在不久的将来，EPV还将在器件拾取流程中也加入相同的性能。
软件将EPV传感器系统、设备和贴装头的马达控制系统和生产程序综合在一起，省去了EPV的编程和培训时间。EPV对设备在速度达到60,000 cph时仍无影响。
线上AOI在完全检测能力上超过了EPV。不过EPV在快速判断每块板子的go/no-go信号、提供其他智能化功能等方面更具优势。而且，最重要的是，EPV的成本更低。
环球仪器和CyberOptics的合作证实有效的光学检测可以植入某些贴装平台中，从而打破运用广泛的自动检测的技术瓶颈。EPV达到了绝大多数AOI购买者所需要的性能要求，其低廉的价格使检测技术在更广阔的市场中更能令人接受，预计这将大大提高SMT生产线上的一次通过率。
自动光学检查AOI在无铅中的应用

对无缺陷生产来讲，自动光学检查（AOI）是必不可少的。在转到使用无铅工艺时，制造商将面临新的挑战，在生产中会出现其他的问题，引起了人们的关注。本文分析转到无铅工艺的整个过程，特别是在大规模生产中引进了0402无铅元件。
由于缺乏无铅元件，转到使用无铅元件是分阶段进行的。在2004年，由于要求电子产品的体积越来越小，迫使制造商广泛地用0402元件来取代0603元件和0805元件。
工艺条件
除了普遍使用的0402元件，印刷电路板的第一次合格率（FPY）必须达到95%，而且必须根据印刷电路协会（IPC）的2级标准来检测缺陷。例如，在有608个焊点的168元件的情况下，相当于要求误报率是百万分之65。为了达到FPY的要求，在检测缺陷时必须考虑以下条件：元件长度的公差、元件供应商、贴片公差、在25 个AOI系统上的全球检测数据库、有80个独特产品的全球检测数据库、无铅焊料、不同的电路板供应商以及检测质量要达到IPC的2级标准。
无铅焊接带来的变化
可以从三个方面看到无铅的影响：灰度值提高、流程的改变和有效的助焊剂

助焊剂 助焊剂（flux）：在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程，同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。助焊剂可分为固体、液体和气体。主要有“辅助热传导”、“去除氧化物”、“降低被焊接材质表面张力”、“去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积”、“防止再氧化”等几个方面，在这几个方面中比较关键的作用有两更多>>
。无铅焊点的亮度平均值高了2.5%。这相当于亮度提高了五级。焊点看上去粗糙，而且表面呈粗大的颗粒状。这可以利用特性萃取方法来消除或者过滤掉。流动性稍微差一些，特别是对于那些较轻的元件，会防碍元件在熔化焊膏中浸没或者浮起。这表示元件自动对正的程度较差。由于效果差，意味着轻轻的0402元件沿着纵向翘起的倾向会增强，结果是不能完全看到元件的顶部。
在回熔温度较高以及使用侵蚀性更强的助焊剂时，也会导致与助焊剂直接接触的较薄的元件受到侵蚀，元件顶部不能够反射光线。流动性的改变和侵蚀性助焊剂，对R0402型元件的影响比C0402型元件大，因为R0402型元件更轻也更薄。在使用R0603元件时，这也不常见。
检查库
围绕工艺的环境产生消极影响，必须通过几个途径降低到最小，以满足头工作的要求。
● AOI全球检查库──对部分AOI制造商的标定工具进行调整是极为重要的，所以，这些变化能够传递到照相机和照明模块上。
● 对于不同产品的AOI全球检查库，有可能在当地进行调整──这是AOI软件必备的特性。
● 贴片公差——进料器常规的维护和校准。
● 确定检查质量：IPC标准2级——必须允许使用朝下的电阻器。组件趐起和共面性的检测必须可靠。
关于元件长度公差，不同的组件供应商、电路板和无铅焊料的供应商都不可能没有任何直接的影响。优良的AOI程序应该能够应付这些这影响。如果这些个别点的变化可以保持不变，那么就能够相当大地简化AOI编程。经研究得到的结论是，由于无铅产生的影响，图形对照系统无法得到适合的检查结果，这是因为合格的样品变化太大。更加可行的方法是，取出确定每道工艺和元件变化的特性。这些变化可以分成不同的等级。如果在现在使用的工艺中，出现了一个新的变化，就要增加一个级别，来保证检查的精确性。所有认识到的和已知的缺陷都储存起来，他们的类型和图片可以用于AOI系统和全球数据库里的检查程序。我们没有必要把一块不同缺陷的电路板保存起来用于详细的检查。
用AOI软件核实真正的缺陷
AOI软件中有一个综合性的验证功能，它能减少检查的误报，保证检测程序无缺陷。它可以检查储存起来的有缺陷的样品，例如，修理站存放的样品，以及印刷了焊膏的空白印刷电路板。在优化阶段，在这方面花时间的原因是为了不让任何缺陷溜过去。所有已知的缺陷都必须检查，同时要把允许出现的误报数量做到最小。在针对减少误报而对任何程序进行调整时，要检查一下，看看以前检查出来的直正缺陷，是否得到维修站的证实。通过综合的核实，保证检查程序的质量，用于专门的制造和核查，同时对误报进行追踪。
无铅和检测工艺
适应性程序没有发现转到无铅会对焊点质量的检查带来什么影响。缺陷看上去还是一样的。毫无疑问，只需要稍微修改一下数据库，就足以排除其他误报可能会带来的影响。在元件顶上的内容改变时，就需要大量的工作，确定门限值。这些可以纳入到标准数据库中。在元件的一端立起来时，激活其他环节的检测，便可以进行可靠的分析。对于桥接的形成或者元件一端立起来的普遍看法，证明常常不是那样。经验表明，桥接的形成没有改变，元件一端立起来的现像就会有所减少。转到使用无铅焊膏并不需要投资新的系统或者设备，只要使用的AOI系统配备了灵活的传感器模块、照明和软件，就足以适应这些变化了。

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不错，学习了谢谢