PCB元器件自动光学检测技术研究

2022-10-18黄璇

华东科技 2022年9期

文/黄璇

随着电子设备的设计和制作技术的日益进步，印刷电路板（PCB）朝着高密度、多层数和高性能等方向发展。传统的PCB元器件的检测主要通过人工目检或功能测试来实现，但是这类方法已经无法满足生产线上高速高精度的检测要求。掌握电子产品信息，离不开对电子元器件的认识、检查更新。怎样认识和应用电子元仪器，是一个需要了解的重要知识点。如果不了解直接集合在电路工作板上数量繁多的电子产品元器件设计，或者不熟悉电子技术道路中的各类集成化电路工作标准符号，就无法识图与测试。掌握电子产品元器件设计结构与基础实际工作设计原理，以及了解电子产品元器件设计的主要特点，是分析集成化电路实际工作基础原则的重要因素。

正确掌握电子产品元器件检验技术是电路故障检测的关键要素，而电路故障检测的最后一环就是确认元器件是否真的存在质量，这就要求使用检验技术来实现。

一、PCB测试方法发展历史

在PCB的制造过程中，蚀刻是最关键的一点，也就是用化学或药物剂型侵蚀掉除设计电路之外剩余的铜。[1]该流程中，药用量、环境条件气温、水流速和侵蚀时间因素威胁着生产的质量，甚至造成诸如故障、开路、线宽缺损、残余铜和针孔等问题。PCB一般用目视、电测量和AOI方式测量。

20世纪70年代之前，PCB测试大多通过对人眼加增强镜，检查运行速度慢，漏检率高，同时会造成检查人视力减退、危害健康等。[2]电测量的基本原理就是依据PCB线路图的计算机数据，选择一副针床装夹和适当的网点测量方式。测量时，工作人员将探头压到PCB表面的待测点，接着通电测量各个网点的开关通断情况，并报告存在的短接与通断缺陷。其局限性就是：这种方法只能检出短接和通断两个缺陷，而缺口、针孔和残余铜等其他缺陷都无法检出；针床装夹的生产成本过高，且小批量投产时不合格。电测量也受到了PCB向高密度、紧凑型化走向发展的影响。由于线路板的紧密程度日益提高，电力计量也要求进一步扩大检测工作节点数，导致检测程式和针床夹具生产的增加，而研制检测程式和工装夹具一般需数星期甚至一个多月时间，同时电计量出错和重测频次相应增加。

二、PCB自动光学测试技术

（一)自动光学测试的工作原理

AOI是测量PCB表层图像质量（如表层瑕疵、断线和短路现象)的设备，主要用于制造过程中成品质量测量，是高精度单层打印板，特别是各种打印板工艺的关键技术。测试系统集光学感应器、精准机械、识别测试算法与电子技术于一身，用功能或激光技术设备自动拍摄PCB，收集图片后送与电脑处理，再与数据库管理中的标准数据对比，发现PCB上的问题后，用自动显示屏或自动标签系统提示或标注问题，以供维护技师进行检修。

（二)图片采集获取

图片质量是AOI的关键，所获得图片的品质优劣直接影响最后的测试效果。就所用的图像采集元件分析来看，目前AOI主要包括：运用高精度线扫描CCD；采用激光技术做照明源，或应用光电倍增管（PMT)当作光电转换器件以获得图像。信号的处理主要是把由光电设备（CCD或PMT)所发出的关于PCB数据的电信号，转化为由电脑所能识别的二进制信息。先采用模/数变换法，将模拟信号转化为灰阶数字信号，再通过对PCB基材和铜的灰阶数值差异的影响，产生二维灰度图像；接着再采用阈值法，将超过规定灰度阈值的图像转化为灰（铜)图像，等同或不足规定灰度阈值的图像转换成基材图像。阈值按照材料的颜色选择，通常为灰阶值的60～110倍，最后得出基于PCB数据的二值化（0,1)结果。

（三)图像处理方法

1.图像特征提取

PCB对经过变换后的二维图像进行研究，以找到其中存在的问题。常用的分析方法有以下两类。矢量分析法是一项图像位置搜索技术，将八支射线沿着垂直、水平位置和对角线从中心向外计算，从影像图上找到主要特征并将之分离，随后再对它们做出测定，包括形状、尺寸、视角和位置。但因为该方法方向性较大，且辐射之间的空隙往往是测量盲点，故遗漏未检率较高，现已较少使用。[3]另一类是数学形态学分析法，其优势是：当把图形简化至骨架形式时，可以大大减少图形的信息量，对图形特性的记录更加稳定安全且精确，使得新计算的发展也有了较大的弹性。

2.图像处理算法

在PCB测试中，最常用的计算主要有以下四类。①数据分析类：对已录入的数据分析信息经过最终甄别，过滤较小的针孔和多余铜及不需要测量孔等。②特性测量类：对输入数据信息实行特性抽取，录入特性代号、长度和方位，并与规范数据信息相比对。③拓扑类：用来检查添加或损失的特性。④孔和微小缺口类计算。

三、AOI测试系统

（一)常见的AOI测试系统

目前，AOI商品的重要供货商有以色列的ORBOTECH公司和CAMTEK公司，日本的LIOYD DOYLE和SCREEN公司。下文将以ORBOTECH公司INSPIRE9060和V309 Blaser为例，阐述AOI控制系统的重要性能特征。INSPIRE9060是当今世界上智能化程度较高的AOI系列，具有手动上板/下板的功能，通过彩色CCD像素，并利用形态学的计算方式来完成图像解析数据处理，可测量很小路径的长度/距离（约75纳米)。

V309Blaser管理系统是利用激光技术来提取图形的AOI管理系统，对大密度互连板HDI、细线路板和雷射钻孔板等方面都具备了很大的测试能力，最小解析度为6.3纳米，可测量的最小路径长度/距离约为50纳米。

（二)AOI的发展趋势

1.在线测试

PCB制造商希望AOI可以直接和蚀刻版画线连接，而无须人员上下板，因为AOI在线测试既可减少人力成本，也能提高质量。

2.HDI板/激光钻孔板测试

由于HDI板连线很细，而缺点则较为细微，因此AOI需要提高对微小瑕疵的测试能力。

3.超大板检测

通信背板的设计要求向高、大板体（大于1270mm×762mm)方面进一步发展。虽然AOI能够实现目视检查所无法完成的操作，但可靠性上仍有改进之处。该技术高度依靠电脑及图像处理技术，若原始光学影像所提供的信号缺失，或是图像处理算法缺乏有效运用，将造成错误。因此，高分辨率集成电路板的AOI工艺也将继续开发。

四、AOI自动光学检查在PCB电路板生产中的作用

AOI自动光学检查可以使用相机和图像处理软件来工作并识别装配错误，例如焊接短路、部件缺失或错位以及部件断开，都是用来为客户提供高质量电路板的工具。[4]

AOI自动光学检查通过更复杂的PCB和更大的生产量，通过目测可以改善错误检测。[5]AOI自动光学检测机已被广泛用于PCB制造中，其表面贴装组件已小型化，能够在PCB生产中发挥重要作用。

（1)定位精度高。AOI自动光学检测系统必须具有高亚像素精度，以保证系统具有足够的准确度，从而测量能够引发PCB缺陷的微小定位误差。

（2)改善PCB质量，降低成本。AOI自动化光学检验测试能够大大提高PCB电路板的合格率，进而减少PCB成本。

（3)多个检测对象。AOI自动化光学检验系统不但能够很好地应用PCB，而且能够进行PCB装配。针对PCB，它检测短路、开路和焊料不足等问题。但是，针对PCB组装过程，它也会检测组件焊接质量、极性和值等问题。

（4)可编程照明。在所有计算机视觉领域中，光照都需要达到完美的结果，这一步非常关键。考虑到材料加工条件的日益改变，很可能有一种能够探测各种缺陷现象的光源。所以，确保动态光源设计对组件和PCB配置有最高的缺陷涵盖率至关重要。因为减少了发光二极管的生产成本，AOI测试也能够选择在检测程序中高度可自定义的发光阵列。同时，AOI测试能够更加灵巧地提高像素的收缩率，也因此能够更轻松地确定有多个角度的各种颜色的多种缺陷情况。因此，编程照明是最大程度地探测与检测的重要软件。

（5)具备网络功能的软件。任何AOI系统的关键功能就是数据获取与搜索。数据可以是文字输出、图形集合、数据库或多种格式的复合形式。收集信息是大多数AOI设备的基本功能。不过，检索信息过程往往比较烦琐，而且受制于设备生产线的设置。

（6)完善的弹性。基于需求和生产成本能力，AOI能够执行整个生产流程的所有步骤。最好在回流焊后开展AOI测试的主要理由是，这些缺点都是焊缝工艺中错误的必然结果，也因此降低了相应投入并提高了测试效率，并能够及时调整生产或组装参数，以便更好地生产后续产品。