AOI:檢測設備-中文百科頻道

錯誤類型

刷錫後貼片前：橋接-移位-無錫-錫不足

貼片後回流焊前：移位，漏料、極性、歪斜、腳彎、錯件

回流焊或波峰焊後：少錫/多錫、無錫短接錫球漏料-極性-移位腳彎錯件

PCB行業裸闆檢測

主要特點

1）高速檢測系統

與PCB闆帖裝密度無關

2）快速便捷的編程系統

圖形界面下進行

運用帖裝數據自動進行數據檢測

運用元件數據庫進行檢測數據的快速編輯

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）通過用墨水直接标記于PCB闆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

實施目标

實施AOI有以下兩類主要的目标：

最終品質

對産品走下生産線時的最終狀态進行監控。當生産問題非常清楚、産品混合度高、數量和速度為關鍵因素的時候，優先采用這個目标。AOI通常放置在生産線最末端。在這個位置，設備可以産生範圍廣泛的過程控制信息。

過程跟蹤

使用檢查設備來監視生産過程。典型地包括詳細的缺陷分類和元件貼放偏移信息。當産品可靠性很重要、低混合度的大批量制造、和元件供應穩定時，制造商優先采用這個目标。這經常要求把檢查設備放置到生産線上的幾個位置，在線地監控具體生産狀況，并為生産工藝的調整提供必要的依據。

放置位置

雖然AOI可用于生産線上的多個位置，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别和改正最多缺陷的位置。有三個檢查位置是主要的：

錫膏印刷之後

如果錫膏印刷過程滿足要求，那麼ICT發現的缺陷數量可大幅度的減少。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。輕微的少錫很少導緻缺陷，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丢失或焊點開路的一個原因。盡管如此，決定哪裡放置AOI需要認識到元件丢失可能是其它原因下發生的，這些原因必須放在檢查計劃内。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據包括，印刷偏移和焊錫量信息，而有關印刷焊錫的定性信息也會産生。

回流焊前

檢查是在元件貼放在闆上錫膏内之後和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，因為這裡可發現來自錫膏印刷以及機器貼放的大多數缺陷。在這個位置産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标。

回流焊後

在SMT工藝過程的最後步驟進行檢查，這是AOI最流行的選擇，因為這個位置可發現全部的裝配錯誤。回流焊後檢查提供高度的安全性，因為它識别由錫膏印刷、元件貼裝和回流過程引起的錯誤。

優化設計

基本優化

每塊PCB可以采用光學或者X-ray技術并運用适當的運算法則來進行檢查。基于圖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上存在一些幹擾使得圖像變得模糊或隐藏起來了。然而，實際經驗和系統化測試都表明，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産成本。Viscom AG和KIRRON GmbH &Co KG合作開發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産生的效果。基于IPC-7350标準的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；之後，再有意地利用PCB錯誤布局，使得它産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，因為有時檢查隻能通過垂直（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，而不管它在顔色、尺寸等參數上的不同。不幸的是，這些選擇在日後對AOI或AXI檢查過程中造成的影響往往被忽略了。始終采用同樣的材料和産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的突然變化而出現的。

元器件尺寸

IPC-7350标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IPC标準，器件的長度和引腳的寬度可以有一個較大變化範圍，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的顔色和阻焊

通常，設備能夠檢查出所有不同單闆的顔色，盡管檢查中的某些細節處理是不倚賴于顔色的。例如，一塊白色和一塊綠色的PCB有着不同的對比度，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黑色，而在另一種極端情況下，橋接在黑背景下卻是呈現出亮色。這裡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）的區域也應該覆蓋着阻焊層，這個建議也已經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件本體上的字母單獨出現在組件的某個區域從而幹擾對其他部分的檢查時，可以手工調整檢查程序。盡管如此，在生産允許的範圍内，圖案的印刷範圍仍然有一個較大的選擇，因此，減少非反射性标識印刷（黑或暗黃）值得加以考慮。另外一個可能出現的情況是需要有選擇地印刷标識：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标志的有傾斜角的钽電容器件；這樣能使标識和背景形成鮮明的對比，使得檢查的圖像更加清晰。

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。雖然三個基準點可以補償一塊單闆的變形，但通常情況下隻需要确定兩個基準點就可以了。每個基準點至少離單闆邊緣5mm（0.2”）。十字形、菱形、星形等比較适用，并建議使用統一的黑背景。此外，十字形的基準點特别有優勢，他們在檢測光下的圖像十分穩定且可以被快速和容易地判定。。

确認壞闆

設備有能力檢查所有已知類型的壞闆标識。闆上的任何構件都可以被定義為壞闆标識。這裡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，首先通過檢查整闆或已完成組裝的單闆上的單個壞闆标識來進行确認。闆上每個單獨的壞闆标識隻有在整闆的壞闆标識檢查失敗後才會被逐一檢查；整闆的壞闆标識應該定位于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、焊錫的數量和回流工藝參數。為了防止焊接反射，應當避免器件對稱排列。

波峰焊

經過波峰焊後，焊點所有的參數會有很大的變化，這主要是由于焊爐内錫的老化導緻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，可能會導緻一個圓形基準點上錫成了一個半球，其内在的反射特性将會發生改變；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生。

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确地識别出來；而在器件本體兩側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（焊盤的外側間距）對Xi（焊盤的内側間距）的比率應選擇>1。同樣的規則也适用于C-leads器件的彎月型和器件本體兩側的焊盤設計。這裡，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内。

“鷗翼”型引腳器件

通常，這類器件的判定标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，導緻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”型引腳焊錫的側面爬升情況由于器件變化或焊盤設計的原因，并不是經常能夠被檢查出來，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，而隻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。?斜角檢測：PLCCs型器件

PLCCs器件的引腳的焊盤有着不同設計。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，那麼焊錫已經爬升到了引腳端，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着一定的間隙。這樣做的好處是：焊錫受熱後就可以聚集在焊盤内，這也使得在XRAY影像中很容易再現焊料的爬升情況。

2Dx-ray

當應用2Dx-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”。對于有些BGAs，會推薦使用一種淚滴型的不對稱焊盤設計，這使得焊錫的成型性質被系統錯誤的判斷為一種幾何的連接形态；此外，一些特殊的QFN向内或向外的彎月型焊盤設計也同樣有這種情況。

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，而縮進于器件的内端，這樣使得在器件引腳的内外形成彎月型焊盤。在這裡很重要的一點是，在進行設計計算時必須考慮器件的公差範圍。(圖9)

BGA設計

在BGA設計時，焊點的形狀（如淚滴型）可以通過特别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，它的方向也是很随意的。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；他們發現，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。

結論

作為慣例，在生産中，測試系統應當根據生産批量的要求建立并優化。實際運作中無數次地證明，僅這樣做是遠遠不夠的。如果在兩周的生産時間内要測試一個新批次的PCB，有可能會發生這樣的情況：ELKO的顔色突然由黑色變為了黃色，或者晶體管的引腳變短了、是彎的；或是電阻的顔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，面對質量方面的困難，大量允許的可能出現的情況也需要一個一緻的，确實可行的說明。

始終采用同樣的材料和産品，再加上優化的PCB設計，正如上面所描述的那樣，可以減小由于産品的變更對AOI/AXI測試所造成的影響。在這裡必須指出，比照所有用于AOI和AXI檢查的标準，PCB布局的建議可使檢查工藝适當簡化并更有效率。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産品制造成本的目的。

實際應用

對無缺陷生産來講，自動光學檢查（AOI）是必不可少的。在轉到使用無鉛工藝時，制造商将面臨新的挑戰，在生産中會出現其他的問題，引起了人們的關注。本文分析轉到無鉛工藝的整個過程，特别是在大規模生産中引進了0402無鉛元件。

由于缺乏無鉛元件，轉到使用無鉛元件是分階段進行的。在2004年，由于要求電子産品的體積越來越小，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，印刷電路闆的第一次合格率（FPY）必須達到95%，而且必須根據印刷電路協會（IPC）的2級标準來檢測缺陷。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系統上的全球檢測數據庫、有80個獨特産品的全球檢測數據庫、無鉛焊料、不同的電路闆供應商以及檢測質量要達到IPC的2級标準。

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，特别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，意味着輕輕的0402元件沿着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，也會導緻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

圍繞工藝的環境産生消極影響，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制造商的标定工具進行調整是極為重要的，所以，這些變化能夠傳遞到照相機和照明模塊上。

● 對于不同産品的AOI全球檢查庫，有可能在當地進行調整──這是AOI軟件必備的特性。

● 貼片公差——進料器常規的維護和校準。

● 确定檢查質量：IPC标準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、電路闆和無鉛焊料的供應商都不可能沒有任何直接的影響。優良的AOI程序應該能夠應付這些這影響。如果這些個别點的變化可以保持不變，那麼就能夠相當大地簡化AOI編程。經研究得到的結論是，由于無鉛産生的影響，圖形對照系統無法得到适合的檢查結果，這是因為合格的樣品變化太大。更加可行的方法是，取出确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。如果在現在使用的工藝中，出現了一個新的變化，就要增加一個級别，來保證檢查的精确性。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系統和全球數據庫裡的檢查程序。我們沒有必要把一塊不同缺陷的電路闆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闆。在優化階段，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，同時要把允許出現的誤報數量做到最小。在針對減少誤報而對任何程序進行調整時，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

适應性程序沒有發現轉到無鉛會對焊點質量的檢查帶來什麼影響。缺陷看上去還是一樣的。毫無疑問，隻需要稍微修改一下數據庫，就足以排除其他誤報可能會帶來的影響。在元件頂上的内容改變時，就需要大量的工作，确定門限值。這些可以納入到标準數據庫中。在元件的一端立起來時，激活其他環節的檢測，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。經驗表明，橋接的形成沒有改變，元件一端立起來的現像就會有所減少。轉到使用無鉛焊膏并不需要投資新的系統或者設備，隻要使用的AOI系統配備了靈活的傳感器模塊、照明和軟件，就足以适應這些變化了。