AOI的功能及检测能力

日期:2020-08-07 11:36
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摘要:

AOI的功能及检测能力
在印制电路板组装制造的自动贴片和焊接过程中,各种制造缺陷不可能完全避免。为了发现这些缺陷并保证质量,需要应用自动光学检测系统( AOI )。因为在回流炉后的缺陷覆盖率能达到*大,所以这些系统一般放在回流炉后,以实现焊后检验。

在各种缺陷中,与 I C 相关的缺陷占了较大比重。 IC 包括 QFP 、 TSOP 、 PLCC 、 SOIC 、 BGA 、 QFN 等,一般它们的间距*小为 0.5mm ,有些 IC 间距更小。在后续的电气考试和功能检测中,有些缺陷一般很难甚至不可能被检测出来。

即便使用 AOI 系统进行检测, IC 焊点缺陷和 IC 组装缺陷对检测设备的性能也有较高需求,同时对 AOI 检测深度有决定性的影响。所以有必要区分装备纯粹垂直式相机和倾斜式相机的 AOI 设备的不同。

IC 缺陷类型

典型 IC 缺陷类型能够根据不同制造阶段分为:焊膏印刷缺陷、元器件贴放缺陷和焊接缺陷。需要说明的是:大部分焊接缺陷是元器件本身特征缺陷。

A 以下缺陷是元器件贴放缺陷:

1、少件
2、元器件位置错
3、元器件偏位
4、元器件扭转
5、元器件极性反
6、错件
7、IC 引脚变形


B 以下缺陷是焊膏印刷或焊膏缺陷:

1、焊料不足或焊点过薄
2、连锡
3、焊料滴


C 以下缺陷是焊接缺陷或元器件本身缺陷。

IC 种类不同,其发生某种缺陷的概率也不同,如细间距 QFP 就比 SOIC 更简单出现引脚抬高和引脚共面性缺陷。

AOI 检测目的是覆盖检测上述各类缺陷,也就是说生产过程中出现的所有缺陷都能够被检测出来。与此同时,必须将各种缺陷误报降到*低,以*大化设备产出率。

当 A O I 系统进行焊点和元器件的检测时,有些外部客观因素,也就是与 AOI 无关的因素,也不得不要考虑进来,因为它们会有利于或妨碍上述检测目标的实现。

其中影响*大的因素之一就是焊盘设计。如果不同单板及同类封装能使用统一的焊盘设计,那就有助于 AOI 检测,因为这样焊点外观的一致性就好。好焊点的外观越一致,焊点缺陷被检测出来的可能性就越大,误报率就会越少。如果焊盘过小,会导致焊点的润湿面不可见,是不利于检测的。

另外一个重要的影响因素是元器件质量,主要体目前待焊部位的可焊性和元器件的尺寸稳定性要好。好的可焊性会使焊点更好、更一致。好的尺寸稳定性,如 QFP 引脚长度尺寸的稳定性,会使编程更简单。

其它影响因素包括印制电路板和阻焊膜的颜色、印制电路板变形塌陷量等。因为不可能改变所有外部客观条件,所以 AOI 系统必须在设计上(传感器、软件及系统设置)充分考虑,具备弥补各种负面影响因素的才能。

零缺陷 IC 检测的 AOI 架构
 

目前市场上各种 AOI 系统之间*至关重要的参数区别就是相机观测方式,共有两种:垂直式相机观测(俯视)和倾斜式相机观测(斜视)。

原则上,大多数缺陷类型能够用垂直式相机检测出来,垂直式相机能检测的临界缺陷类型是引脚共面性和引脚抬高缺陷,这些缺陷从俯视角度只能在有利的环境下才能发现。有利的环境是指焊点发生毛细作用,在毛细作用下, IC 引脚待焊部位会润湿吸引焊料形成好的焊点。如果焊盘设计良好,在焊盘外延部边缘是不会有焊料的,所以如果有合适的光源照射,焊盘外延部边缘看上去是光亮的。如果引脚没有被润湿(或存在共面性问题),或某个引脚向上弯曲变形(引脚抬高),焊锡就会均匀地铺展在焊盘上,这样得到的图像就会完全不同(如图 4 所示)。这种情况对于 PLCC 引脚焊点尤其明显,其焊点本身位于元器件引脚下部,如果从那里俯视,焊点本身是不可见的。只要焊盘外延离元器件轮廓足够远,才能利用毛细作用来检测。

但是,对于那些焊盘设计不当或出现微连锡的细间距 IC ,使用上述技巧则无能为力,很难区分出是好焊点还是差焊点,如图 5A 和 5B 所示。

这样就不可能实现零缺陷检测了,与实际缺陷数对应的*大缺陷检出率为 50 ~ 75 %,同时缺陷误报率也不够理想。使用倾斜式观测的效果显著提升,倾斜式观测与手工光学观测所用技巧一样,能够与水平成 45 度观测印制电路板。观测角度越小,使用倾斜式观测得到的信息越少,图 6A 和 6B 是用倾斜式相机观测图 5A 和 5B 中同样的焊点。

从上图可看出,好焊点和差焊点之间的光学图像区别表现的改善情况是非常明显的。图像处理的原理之一就是:区别好与差焊点的才能越强,错误诊断才能越高,误报率就越低。与俯视图类似,*好是有可旋转的光源,这样就能够实现不同的照射角度。固定的、不能旋转的光照系统不具备应付各种情况的柔性,以得到图像的*佳对比度。

采用垂直式观测时,在引脚之间内侧处的连锡在阴影中,这样它们就不可见。而在倾斜式观测中,其可识别性就大大提高。

使用倾斜式相机需要具有校准和灰度补充方面的知识。如果系统仅装备一个倾斜式相机, AOI 系统本身未必就优良需要具有持续监控校准的才能,因为相机能在优良范围内进行自我校准。但是,对于组合相机系统,软件必须使相机之间保持校准平衡,同时监控其不超过基本的校准极限。如果软件不能进行简单、准确和快速的校准, AOI 供应商将无法实现倾斜式观测的集成。

可通过所谓机器才能调查( MCI )对检测结果进行检查,在 MCI 过程中,可安排合适的校正方式,如检测 50 次,同时计算得到设置标称值和测量容限( Cm/Cmk 值),计算时假设测量值符合高斯分布。当 Cmk 值大于 1 时,至今能够接受( 3σ 质量),当今趋势是要求 Cmk 大于 1.67 甚至 2 ( 5σ 或 6σ 质量)。

根据这些需求可看出:稳定的传感系统优势明显,在传感模块中的可移动部件会降低精度,重复性会大大降低。

在应用倾斜式相机时需要掌握的另一个技巧就是补偿印制电路板的变形塌陷,这种影响会导致焊点检测时,视场看上去会 ” 下滑 “。

补偿技巧之一就是在单板上取足够点扫描它们的坍塌量,从而计算得到变形坍塌模型。但是这种技巧需要花费额外的检测时间。集成补偿技巧则更具优势,它不是进行大量点检测,而是通过软件寻找测量居中的重要参考点。如果软件适合,该技巧能够在不需额外时间的情况下得到可靠的结果。

区分不同 AOI 系统才能的另一个重要指标就是 AOI 的相机像素分辨率。对于细间距 IC ,标准的像素是 0.5mm ,在许多设计中,焊盘宽度和焊盘之间间距都会是 250μm 。如果用致少 15 个像素覆盖焊盘前面弯月面宽度,那倾斜式相机的标准分辨率应当小于 20μm / 像素,以得到包含*佳信息内容的图像。

当然,相机分辨率越高,就意味着系统性能也要对应地提高,这样 AOI 才不会成为生产线的瓶颈。系统性能体目前软件 [ 自动的、*佳位置生成、使用 TSP ( Travelling-Sales-Man-Problem )技巧 ] 、相机技术(使用高帧频的兆像素相机)和定位技术(高速线性传动装置)方面。

倾斜式 AOI 必须解决软件领域遇到的*大挑战,与垂直式相机观测简单控制相比,倾斜式相机观测存在很大不同,因为它增加了区分不同观测角度的功能(致少 4 个主方向),所以向软件开发提出了更高的数据计算需求。

概括与展望


 

要应用零缺陷 IC 检测策略,检测系统的图像获取、相机技术和 AOI 软件是决定性的判断根据。其中图像获取作用非常重要,因为它是后续评价的基础。

如果焊盘设计良好,垂直式相机观测虽然不能搞定避免缺陷漏检,尤其是在 IC 引脚出现共面性缺陷时,但总体上,其对 IC 缺陷还是具有较好的检测才能。如果焊盘设计不当,缺陷漏检率会升高到 25 ~ 50 %,也就是主要缺陷类型的缺陷检出率只要 50 ~ 75 %,在现实应用中,这种情况一般是在焊盘尺寸较小时出现的。

而倾斜式图像获取则能够实现很高的检出率,即便对于临界缺陷也是这样。具有 15μm / 像素的高分辨率相机,配合 AOI 软件能够清楚地反差出缺陷特征,这样就为零缺陷 IC 检测奠定良好基础。

倾斜式相机观测的优势在未来应用中将继续发挥其作用。新的元器件如 QFN ,其引脚在元器件本体的侧面和底部,从而节约了元器件占地空间,不能用垂直式观测进行充分检测。因此,倾斜式图像获取方式的应用会日益增多
 



1、引脚抬高,即 IC 引脚向上抬高或弯曲
2、IC 引脚共面性
3、焊膏未熔

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