AOI 设备检验原理与检测技术应用及发展前景分析

2023-12-21樊成朱忠发王彬黄助兵李健张登山

中国设备工程 2023年22期

樊成，朱忠发，王彬，黄助兵，李健，张登山

（合肥京东方显示技术有限公司，安徽合肥 230012）

1 AOI 设备检验原理

主要利用线阵电荷耦合器件(通常以数码相机的形式)快速获取图像，从线阵印制电路板表面高速捕捉图像，同时进行对比分析，找出印制板生产过程中的缺陷，并针对这些缺陷及时进行处理，从而大大改善过去依靠人眼或静态光学仪器进行质量控制的方式；光学检测的应用范围从高科技产业的研发、制造质量控制，到国防、民生、医疗、环保、电力，以及其他领域。自动光学检测是工业过程中常用的质量控制和监测方法，利用光学仪器获取成品表面状态，然后通过计算机图像处理技术检测出5 种异物或设计异常等缺陷，由于是接触式检测，所以它处于半成品的工程检查阶段，为以后的层叠组装质量提供了保证，自动光学检测可以应用于各级电路板的检测，为整体生产质量的提高和最终合格率的控制提供了有力的保证，从而提高了电子产品和各种电子设备的成品率。

自动光学设备在印刷电路板行业中的应用主要是使用光学线阵相机来快速获取光学图像。对比分析或相关的数字控制使报告获得图像和标准图像样本模型的故障缺点位置坐标，通过连接高倍率摄像机进行及时判断，这种设备可以帮助厂家在生产过程中在很短的时间内确定其坐标，以继续使用高分辨率放大器仪表放大缺陷位置进行后续处理和判断，因为目前电子产品整体向轻、小、薄的方向发展，扩大了人眼检测或借助传统仪器的检测精度，所以这种设备的出现也是行业发展的必然趋势。

自动化检测对于目前人工成本的上升、批量生产的需求，以及客户对产品质量的高要求等因素促成了AOI行业的蓬勃发展，因为有巨大的潜在市场和未来的市场占有率是可以预期的，各高科技企业纷纷投入到这一设备的研发中，但如何设计产品，并明确客户的需求呢？对于每个制造商来说，这都是一个需要考虑的问题。明确的客户需求定义为每个制造商设计符合客户需求的产品提供了依据。本文对AOT 的客户需求管理进行了相关的分析和总结，包括移动分辨率高、检测速度快、扫描时间短、图像清晰、操作软件方便、模块化设计和系统开发方向、加工顺序等方面。

2 检测技术应用

在检测技术发展的早期，对于产品表面是否存在缺陷的检测手段多通过人工肉眼观测，在精度要求比较高的场合会采用显微镜检测手段来对产品表面缺陷进行检测。这种检测技术存在较多缺点，如检测精度范围有限、检测效率低下、对检测人员的检测能力和责任心等因素依赖较大。

随着技术的进一步发展，自动光学检测设备AOI 逐渐在工业领域得到了广泛的应用，同时随着AOI 技术从低端到高端的进一步成熟，现已广泛应用于SMT、触摸屏、TFT-LCD 和OLED 行业并取得了显著效果，AOI 的厂商也较多，比较典型的有包括以色列奥博泰克、赛特克、志茂电子、韩国晶泰电子等。

2.1 AOI 技术的应用分析

AOI 检测原理是利用光学原理，将被检测对象采用不同的光色和亮度进行照明后再采用摄像头进行采集图像并进行比对、分析，然后根据比对和分析结果进行产品缺陷判别。到现阶段，AOI 检测技术的应用大致经历了如下4 个阶段，分析如下。

2.1.1 AOI 在SMT 焊接质量中的应用

AOI 技术较早地应用在SMT(表面贴装技术/领域)中，其检测精度相对较低，缺陷尺寸大约在100um 的检测场合，主要应用于包括贴片、锡膏印刷等方面的缺陷检测。在这一领域的应用过程中，该技术的优点显著：通过实时在线检测能够及时发现缺陷并及时对问题进行处理，大大降低了产品的生产成本；同时具有其他检测手段如采用显微镜不能替代的检测优点。

2.1.2 AOI 在触摸屏上的应用

触摸屏在当前生活中应用广泛，如日常使用的智能手机、电脑、银行系统、汽车显示屏等，它是通过手指直接触摸屏幕表面达到信息获取和输入。触摸屏在生产过程中，对工艺精度要求高，同时也就对AOI 的检测精度要求比较高，通常要求缺陷尺寸在约20um 左右。在触摸屏的生产过程中，由于需要较多的功能层来构建整个触摸屏，因此在多层结构之间进行各工序生产如溅射、刻蚀等都会存在出现缺陷的可能和风险，因此每道工序均需要进行AOI 检测，检测缺陷的范围也较为广泛，包括残留物、涂层是否均匀等，通常这些缺陷无法通过肉眼或者显微镜进行直观且实时的检测。

2.1.3 AOI 在TFT-LCD 中的应用

TFT-LCD 是现代工业领域中典型的高精度产品之一，由驱动与控制电路、背光源等在内的诸多元器件组成的复杂器件，随着技术的发展目前已经将基板尺寸由G2 代线发展至G11 代线，基板尺寸为低代线的TFT-LCD 存在生产成本高等问题，在市场竞争中处于劣势。在高代线TFT-LCD 的生产过程中，由于基板尺寸大、生产精度要求高，其检测精度需达到3um 左右，同时对单个基板的检测时间也有明确要求，通常需要在100s 内完成检测，在这类高精度、检测时间要求高的场合就需要高精度的AOI，通过提高硬件系统如增加高精度摄像头等措施以及软件算法实现高精度、短时间的检测。

2.1.4 AOI 在OLED 中的应用

AOI 在OLED 中的应用中，为了进一步提高精度通常会采用光学补偿技术，这本身也是对AOI 技术应用的提高。OLED 是一种有机发光二极管器件，具有诸多优点，但生产过程中由于容易产生混色等缺陷从而导致产品的合格率较低。在OLED 的生产过程中，其缺陷的检测目前基本上采用AOI 技术手段，同时还需要采用光学补偿等辅助手段以提高整个AOI 技术在OLED 中的检测应用。

2.2 印刷OLED 开发中的AOI 检测技术分析

印刷OLED 工艺较为普遍地采用喷墨印刷技术来完成功能层的构建，这些功能层包括空穴注入层(HIL，英文全称为Hole Injection Layer)，空穴传输层(HTL，英文全称为Hole Tranport Layer)等。在这些功能层中，及时并准确地检测打印缺陷对印刷OLED 工艺及整个质量的保证非常重要，下面从2 个方面对AOI 检测在喷墨打印干膜和湿膜的检测应用中展开分析。

2.2.1 AOI 在喷墨打印干膜检测中的应用

OLED 打印过程中的干膜是一种化合物，该化合物在紫外线的照射后能够产生一种稳定的物质，它的呈现状态是薄膜状态，其形成方式是在OLED 打印过程中将油墨及其他材料用溶液状态喷射到基板上并通过一定的工艺（如VCD、BAKE 等）将溶液挥发后形成。在整个打印和干膜的形成过程中，以像素为单位对干膜进行工艺形成，每像素的喷墨量等工艺参数直接决定了干膜的质量和效果，进而会影响整个产品的发光等质量和性能。

为准确地确定每像素单位上的喷墨和打印的准确性及效果，需要采用AOI 设备对其功能层进行精确、实时检测每像素的情况。在这一领域的应用中，为了更准确地检测每一像素点的情况，消除像素边缘的不均匀等现象，我们可以采用检测像素的中间区域作为检测采集点，同时调整发射光源并根据情况适当补充强光。然后对像素点检测的灰度值进行比较：当喷墨出现不均匀的情况，若喷墨较多，AOI 在进行检测对比时则该像素点的灰度值会偏大；若喷墨较少，则会出现灰度值偏小的情况，通常偏离值大约在10 ～20 之间。同时，还可以进一步对出现偏离正常值的喷嘴进行定位和监控，获取并锁定存在不均匀喷嘴的位置和坐标，进而对整个打印质量进行把控。AOI 在喷墨打印干膜检测中成效高，优势显著，通常仅需要增加相应AOI 检测设备就可以完成准确、实时的在线检测。

2.2.2 AOI 在喷墨打印湿膜检测中的应用

OLED 打印过程中的湿膜与干膜不同，湿膜是一种感光油墨，在整个喷墨生产过程中的检测原理与干膜类似，同样是采用像素区域的灰度值进行对比。不同之处在于，湿膜在整个加工过程中油墨为溶液状态，AOI 检测设备会对像素点边缘与像素点中间点的光源会有倾斜影响，这种影响会带来较大的灰度差异。因此整个检测包括像素点的边缘和像素点的中间位置，与干膜检测同样的情况是当喷墨较多时会出现灰度值偏高的情况，不过灰度值的偏高具体数值则需要通过AOI 设备的多次测试后确定。为解决在湿膜检测过程中的由于湿膜像素点光线倾斜，可以采用调整AOI 以适应光源和补充的强光。

在实际喷墨打印湿膜和干膜检测应用过程中，AOI 设备需要进行多次测试和调整以确保检测的准确性。特别是灰度值的比对，需要进行多次的训练和测试，以获取准确的灰度值范围，这样才能对喷墨打印的整个过程进行监控，获得更好的干膜或者湿膜质量。当然在这一领域的应用中，还有大量的研究工作需要开展。

3 发展前景分析

随着工业领域的自动化程度进一步加深，视觉检测的发展水平得到突飞猛进的增长，其技术手段也日新月异。随着时代和市场产品需求的发展，AOI 将在短时间内提升到一个新的技术水平。

3.1 算法逐步精确化

检测的最终目的都是排除不良件，同时需要减少误判提高检测的准确性。在这一过程中，对算法的依赖非常大，算法的精确程度直接决定了检测结果的准确性。检测结果的精确要求促使和推动了算法的发展和提高，同时AOI 检测算法也会逐渐从平面检测走向高精度摄像头的立体成像并形成“立体算法”。

3.2 真彩色图像处理技术

虽然目前的AOI 已经逐渐采用3CCD 相机来获取彩色图像，但大多数算法只提取颜色中的部分信息，如灰度级，来识别图像，或者对RGB 颜色空间的3 个通道分别进行处理然后进行合成。或者将RGB 空间转换为HSI 空间或其他颜色空间，然后转换为RGB 颜色空间。该方法对彩色图像的处理效果不明显，因为RGB 颜色空间中3 个通道之间的相关性很高。遗憾的是，到目前为止，人们对大脑的颜色处理机制仍未完全了解这仍然是一种实验和探索。目前，已成为图像处理技术一个难题。因此，如何充分利用RGB 三色通道信息，它是彩色图像处理的关键，是AOI 技术的一次飞跃。

3.3 AOI 技术向3D、智能化方向发展

目前，我们使用的AOI 是2D 系统。根据市场需求，3D AOI 系统将在未来出现。所谓3D AOI，并不是相机拍摄的真实3D 图形。未来的3D AOI 将只使用2D 图像来计算Z 轴的高度，多了1 个照明侧面的灯光来计算Z 轴的高度，与现在的2D AOI 相比。使用3D 技术可以覆盖2D以外的范围，因为2D 只有X/Y，检测平面信息，而3D 有X/Y/Z 3 个空间轴，可以实现三维检测，即使2D AOI 平台可以通过其他技术手段实现检测。然而，要么误判很高，要么漏测飙升，这是有一定局限性的。3D AOI 技术可以更好地平衡误判和漏检的中间值，达到更好的检测效果。

3D AOI 的实现方法不同，通常有激光三角法、双目视觉技术、移相法、光度立体法等方法。此外，3D AOI的软件算法将不同于目前的2D AOI 系统。总之，随着科学技术的发展，3D AOI 将是未来必然的发展趋势，相信不会太久。根据一些客户的特殊要求，开发化学AOI 将是可能的。由于各种化学物质的光谱水平不同，在光照射下反射的光的颜色不同，通过接收到的反射光可以确定化学成分及其在元件和焊料中的位置。化学AOI 由普通AOI 检测设备+光谱显微镜+普通显微镜组成，只适用于有这种特殊要求的客户，应用范围不会很广。