AOI设备在PCB和SMT主要生产环节中的应用

孙明睿

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

随着当今电子产品地不断发展，电路板的生产工艺也在不断地发展，其中PCB板的线宽越来越小，布线密度越来越高，焊盘、过孔都在不断减小。现在的PCB板已经可以做到10 μm线宽和线间距，即便是主流的50～150 μm的线宽和线间距，也已经不适用于传统的人眼在显微镜和荧光灯下观察检查缺陷。而在SMT的生产组装中，元器件的尺寸也越来越小，人眼的效率很难保证电路板的质量。随着消费类电子产品的普及化，使得电路板的批量越来越大，但近年来人工成本却呈快速上涨趋势，因此AOI设备的作用将会越来越重要。AOI即光学自动检测设备，它以光学成像的方式获取电路板的数字图像，以高速图像采集处理系统处理图像，检测出电路板上的各种缺陷，它有效地替代了人工检测，并对生产工艺的完善具有指导意义，根据功能设计的不同，它可以用在电路板生产的很多环节。

电路板主要包括PCB裸板和贴装元器件后的SMT板，它们其实是终端产品的前后道关系，其主要生产工序包括：电镀覆铜→刷板→贴膜（或网印）→曝光显影（用光绘底片）→修板→蚀刻→接头镀金镀镍→清洗→电气通断检测→SMT生产线元器件贴片等，在电路板的制造流程中，如果上一道工序的错误没有发现，带到下一道工序，修正它所需的成本就会成倍增长，如果PCB板制成以后才发现错误，其修复成本将会是制成前的几十倍，甚至报废。AOI设备根据光学系统的架构和检测算法的不同，可以应用在电路板生产的多道工序中，如在PCB的底片、PCB裸板及贴装元器件后等工序中。

1 用于底片检测的AOI设备

底片一般是负片，将它覆盖在涂胶的覆铜板上曝光显影后，底片上透明的部分透过光线，使该部分胶变硬，不溶于溶剂，清洗后其下面的覆铜就保留了下来，形成了PCB板上的线条。因此，底片上如果有错误，就会带到下道工序中，反映在PCB板的线路中。底片上的主要加工缺陷包括：线条过宽/过窄、间距尺寸违反、断路、短路、缺口、尺寸错误、污染等问题。底片AOI一般采用胶片上面架设镜头和CCD，胶片放于高精度的玻璃承片台上，底部用均匀背光照明的方式进行检测，其示意图如图1所示。

图1 PCB底片AOI光学系统示意图

底片尺寸较大，包括很多PCB子模块阵列，一般采用线扫描CCD、镜头和线照明光源系统获取图像，可以提高取像精度和速度，为了缩小占地面积，一般采用取像系统在龙门的导轨上作x方向运动，工作台或龙门结构整体作y向运动的方式工作，为了保证取像和图像拼接的精度，x向和y向一般都采用伺服电机加光栅尺的闭环运动控制结构，z向的调焦取像用步进电机即可，如图2所示。

图2 底片检测的扫描方式

一张底片一般可重复使用几百次，因此，用于底片检测的AOI系统的工作频率不算高，而且后道裸板的检测也可以及时发现底片中的错误并加以改正。

2 用于PCB裸板检测的AOI设备

PCB板经蚀刻后，在有干膜的情况下和揭除干膜后都可以进行检测，一般揭除干膜前的检测用的较少，但也作为生产工艺控制的一个环节。该段工序PCB板生产工艺及环境的控制不易，使得发生随机错误的机率大大增加，因此PCB裸板上的缺陷种类和复杂度最高，对品质要求高的厂商需要对该段流程的PCB产品全检，所以AOI设备在该环节的使用是最普遍的。该处的AOI设备主要针对的检测缺陷包括：短路、断路、缺口、针孔、铜渣、毛刺、线宽及线距错误、特征多出或遗漏等，经在某PCB生产线上一段时间监测的实时统计，出现缺陷的比例大略如图3所示。

该道工序的PCB板幅面与底片一样大，一般也采用图2所示的设备结构工作。因为PCB板的基材有一定的纹理和凹凸不平，在照明上除了同轴光照明之外，一般还需要侧光配合进行补光照明，其原理图如图4所示。

图3 PCB生产线上裸板缺陷比例统计

图4 PCB裸板AOI光学系统示意图

图像处理技术是AOI设备的核心，算法的智能化和高速化是系统能在生产线上实用的切实保证。针对PCB底片和PCB内外层裸板的检测算法相似，较为成熟的算法主要有DRC设计规则检验法、模板比较法和特征比较法。DRC算法是根据设备的精确取像，检测PCB板上的铜渣、焊盘尺寸违反、线条过宽/过窄、针孔、缺口、间距尺寸违反等缺陷。模板比较法主要用于检测如焊盘缺失、大铜渣、大缺口等较大的缺陷，因为在设计规则检验法中为了提高检测和比对速度，所设的取像窗口有一定尺寸限制，如果超出了这个限制，缺陷就无法被识别。为了提高计算速度，模板要进行一定比例的抽样，获取的图像也按取像倍率缩放到原模板大小，进行同样比例的抽样，再设定一定尺寸的窗口进行比对，确定的缺陷要还原回抽样之前的坐标系中去。特征比较法主要用来检测PCB板上的通断性错误，一般要将获取的图像和模板都进行一定的骨架化处理以提高处理速度，然后根据抽取的模板与实际图像抽取的特征进行比对，不一致就表示该点存在缺陷，图5所示为四十五所研制的PCB AOI设备根据以上算法检测的几种缺陷，左侧图为检测的缺陷，右侧为相应的CAM图像，为提高速度，要用专门的FPGA模块对图像的采集与处理流程进行优化。

图5 PCB裸板的部分缺陷示例

3 用于SMT生产线的AOI设备

SMT生产线是在PCB板上贴装各种电子元器件，AOI设备也可以应用在SMT生产线的多个环节中，如锡膏印刷后和回流焊后。在焊膏印刷后的检测主要是检测焊膏的偏移、焊膏不足以及溅锡和短路，因为焊膏缺陷会影响到后续的元器件贴装效果。回流焊后的检测可以检测到器件贴放的偏移、缺失、错误以及方向颠倒等问题。用于SMT的检测因为不同器件的厚度差别较大，为了提高成像精度，一般采用面阵CCD和成像镜头完成取像，比起线扫描，该方式视场小，但景深大，器件上表面的文字和管脚的焊接状况都能清晰成像，在进行图形匹配时也提高了准确度和速度。用于SMT的AOI设备的光源一般要做到各角度均匀照明，尤其针对焊膏检测时，不同角度用不同颜色光照明，根据反射回来色光的比例帮助判断焊膏的饱满程度，如图6所示。

图6 SMT AOI光学系统示意图

用于焊膏印刷后的AOI，主要用于检测焊膏的饱满程度，因为焊膏的缺失或过多会导致后续元器件贴装出现问题，为成品板的质量埋下隐患。其算法主要是根据各个角度反射回来的光线颜色不同来与模板库中存储的的焊膏质量图进行比较，不符合规定的就需要重新补焊膏。还有一种方式是采用一个垂直取像的相机和一个以上的斜照射相机，获取各个角度的焊膏图像，合成焊膏的三维图像进行分析，该方式算法复杂，但检测结果更为准确。

用于回流焊后的AOI，主要用来检测贴装元器件的缺失、偏移、颠倒、错误等缺陷，该处流程的算法主要是先建立相关元器件的模板库，将获取的元器件图像与元件库中的一一比较，因为元器件焊接后有一定的高度，而且不同器件高度可能不同，在获取图像时可能会存在一定程度的模糊，有时候还需要将图像做一定的滤波处理。

4 结束语

以上分析了在电路板生产的多道工序中AOI设备的应用，随着电脑、电视、手机等各种电子产品越来越轻薄化和小型化，功能却越来越复杂的发展趋势，PCB的线条越来越密，元器件贴装密度越来越高，生产工艺也在不断地探索和进步，以前以人工检测为主流的检测方式受生理极限和人工成本的治约，已经不再适应技术发展的要求。AOI作为近二十年来才逐步登上历史舞台的新兴检测技术，正在电路板生产的很多环节上发挥着越来越重要的作用，它有效地保障了生产的质量，节约了大量人力成本，并有效地帮助改善生产工艺中的问题。正因为该类设备潜在的市场需求会越来越重要，近年来国内已经有更多的厂家步入该领域的研发，相信随着电路板生产工艺的发展，AOI设备还要不断地提高检测分辨率和检测速度，以获得更长久的生命力。

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