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      1. AOI的功能及檢測能力

        日期:2021-10-01 10:43
        瀏覽次數:9045
        摘要:

        AOI的功能及檢測能力
        在印制電路板組裝制造的自動貼片和焊接過程中,各種制造缺陷不可能完全避免。為了發現這些缺陷并保證質量,需要應用自動光學檢測系統( AOI )。因為在回流爐后的缺陷覆蓋率能達到*大,所以這些系統一般放在回流爐后,以實現焊后檢驗。

        在各種缺陷中,與 I C 相關的缺陷占了較大比重。 IC 包括 QFP 、 TSOP 、 PLCC 、 SOIC 、 BGA 、 QFN 等,一般它們的間距*小為 0.5mm ,有些 IC 間距更小。在后續的電氣考試和功能檢測中,有些缺陷一般很難甚至不可能被檢測出來。

        即便使用 AOI 系統進行檢測, IC 焊點缺陷和 IC 組裝缺陷對檢測設備的性能也有較高需求,同時對 AOI 檢測深度有決定性的影響。所以有必要區分裝備純粹垂直式相機和傾斜式相機的 AOI 設備的不同。

        IC 缺陷類型

        典型 IC 缺陷類型能夠根據不同制造階段分為:焊膏印刷缺陷、元器件貼放缺陷和焊接缺陷。需要說明的是:大部分焊接缺陷是元器件本身特征缺陷。

        A 以下缺陷是元器件貼放缺陷:

        1、少件
        2、元器件位置錯
        3、元器件偏位
        4、元器件扭轉
        5、元器件極性反
        6、錯件
        7、IC 引腳變形


        B 以下缺陷是焊膏印刷或焊膏缺陷:

        1、焊料不足或焊點過薄
        2、連錫
        3、焊料滴


        C 以下缺陷是焊接缺陷或元器件本身缺陷。

        IC 種類不同,其發生某種缺陷的概率也不同,如細間距 QFP 就比 SOIC 更簡單出現引腳抬高和引腳共面性缺陷。

        AOI 檢測目的是覆蓋檢測上述各類缺陷,也就是說生產過程中出現的所有缺陷都能夠被檢測出來。與此同時,必須將各種缺陷誤報降到*低,以*大化設備產出率。

        當 A O I 系統進行焊點和元器件的檢測時,有些外部客觀因素,也就是與 AOI 無關的因素,也不得不要考慮進來,因為它們會有利于或妨礙上述檢測目標的實現。

        其中影響*大的因素之一就是焊盤設計。如果不同單板及同類封裝能使用統一的焊盤設計,那就有助于 AOI 檢測,因為這樣焊點外觀的一致性就好。好焊點的外觀越一致,焊點缺陷被檢測出來的可能性就越大,誤報率就會越少。如果焊盤過小,會導致焊點的潤濕面不可見,是不利于檢測的。

        另外一個重要的影響因素是元器件質量,主要體目前待焊部位的可焊性和元器件的尺寸穩定性要好。好的可焊性會使焊點更好、更一致。好的尺寸穩定性,如 QFP 引腳長度尺寸的穩定性,會使編程更簡單。

        其它影響因素包括印制電路板和阻焊膜的顏色、印制電路板變形塌陷量等。因為不可能改變所有外部客觀條件,所以 AOI 系統必須在設計上(傳感器、軟件及系統設置)充分考慮,具備彌補各種負面影響因素的才能。

        零缺陷 IC 檢測的 AOI 架構
         

        目前市場上各種 AOI 系統之間*至關重要的參數區別就是相機觀測方式,共有兩種:垂直式相機觀測(俯視)和傾斜式相機觀測(斜視)。

        原則上,大多數缺陷類型能夠用垂直式相機檢測出來,垂直式相機能檢測的臨界缺陷類型是引腳共面性和引腳抬高缺陷,這些缺陷從俯視角度只能在有利的環境下才能發現。有利的環境是指焊點發生毛細作用,在毛細作用下, IC 引腳待焊部位會潤濕吸引焊料形成好的焊點。如果焊盤設計良好,在焊盤外延部邊緣是不會有焊料的,所以如果有合適的光源照射,焊盤外延部邊緣看上去是光亮的。如果引腳沒有被潤濕(或存在共面性問題),或某個引腳向上彎曲變形(引腳抬高),焊錫就會均勻地鋪展在焊盤上,這樣得到的圖像就會完全不同(如圖 4 所示)。這種情況對于 PLCC 引腳焊點尤其明顯,其焊點本身位于元器件引腳下部,如果從那里俯視,焊點本身是不可見的。只要焊盤外延離元器件輪廓足夠遠,才能利用毛細作用來檢測。

        但是,對于那些焊盤設計不當或出現微連錫的細間距 IC ,使用上述技巧則無能為力,很難區分出是好焊點還是差焊點,如圖 5A 和 5B 所示。

        這樣就不可能實現零缺陷檢測了,與實際缺陷數對應的*大缺陷檢出率為 50 ~ 75 %,同時缺陷誤報率也不夠理想。使用傾斜式觀測的效果顯著提升,傾斜式觀測與手工光學觀測所用技巧一樣,能夠與水平成 45 度觀測印制電路板。觀測角度越小,使用傾斜式觀測得到的信息越少,圖 6A 和 6B 是用傾斜式相機觀測圖 5A 和 5B 中同樣的焊點。

        從上圖可看出,好焊點和差焊點之間的光學圖像區別表現的改善情況是非常明顯的。圖像處理的原理之一就是:區別好與差焊點的才能越強,錯誤診斷才能越高,誤報率就越低。與俯視圖類似,*好是有可旋轉的光源,這樣就能夠實現不同的照射角度。固定的、不能旋轉的光照系統不具備應付各種情況的柔性,以得到圖像的*佳對比度。

        采用垂直式觀測時,在引腳之間內側處的連錫在陰影中,這樣它們就不可見。而在傾斜式觀測中,其可識別性就大大提高。

        使用傾斜式相機需要具有校準和灰度補充方面的知識。如果系統僅裝備一個傾斜式相機, AOI 系統本身未必就優良需要具有持續監控校準的才能,因為相機能在優良范圍內進行自我校準。但是,對于組合相機系統,軟件必須使相機之間保持校準平衡,同時監控其不超過基本的校準極限。如果軟件不能進行簡單、準確和快速的校準, AOI 供應商將無法實現傾斜式觀測的集成。

        可通過所謂機器才能調查( MCI )對檢測結果進行檢查,在 MCI 過程中,可安排合適的校正方式,如檢測 50 次,同時計算得到設置標稱值和測量容限( Cm/Cmk 值),計算時假設測量值符合高斯分布。當 Cmk 值大于 1 時,至今能夠接受( 3σ 質量),當今趨勢是要求 Cmk 大于 1.67 甚至 2 ( 5σ 或 6σ 質量)。

        根據這些需求可看出:穩定的傳感系統優勢明顯,在傳感模塊中的可移動部件會降低精度,重復性會大大降低。

        在應用傾斜式相機時需要掌握的另一個技巧就是補償印制電路板的變形塌陷,這種影響會導致焊點檢測時,視場看上去會 ” 下滑 “。

        補償技巧之一就是在單板上取足夠點掃描它們的坍塌量,從而計算得到變形坍塌模型。但是這種技巧需要花費額外的檢測時間。集成補償技巧則更具優勢,它不是進行大量點檢測,而是通過軟件尋找測量居中的重要參考點。如果軟件適合,該技巧能夠在不需額外時間的情況下得到可靠的結果。

        區分不同 AOI 系統才能的另一個重要指標就是 AOI 的相機像素分辨率。對于細間距 IC ,標準的像素是 0.5mm ,在許多設計中,焊盤寬度和焊盤之間間距都會是 250μm 。如果用致少 15 個像素覆蓋焊盤前面彎月面寬度,那傾斜式相機的標準分辨率應當小于 20μm / 像素,以得到包含*佳信息內容的圖像。

        當然,相機分辨率越高,就意味著系統性能也要對應地提高,這樣 AOI 才不會成為生產線的瓶頸。系統性能體目前軟件 [ 自動的、*佳位置生成、使用 TSP ( Travelling-Sales-Man-Problem )技巧 ] 、相機技術(使用高幀頻的兆像素相機)和定位技術(高速線性傳動裝置)方面。

        傾斜式 AOI 必須解決軟件領域遇到的*大挑戰,與垂直式相機觀測簡單控制相比,傾斜式相機觀測存在很大不同,因為它增加了區分不同觀測角度的功能(致少 4 個主方向),所以向軟件開發提出了更高的數據計算需求。

        概括與展望


         

        要應用零缺陷 IC 檢測策略,檢測系統的圖像獲取、相機技術和 AOI 軟件是決定性的判斷根據。其中圖像獲取作用非常重要,因為它是后續評價的基礎。

        如果焊盤設計良好,垂直式相機觀測雖然不能搞定避免缺陷漏檢,尤其是在 IC 引腳出現共面性缺陷時,但總體上,其對 IC 缺陷還是具有較好的檢測才能。如果焊盤設計不當,缺陷漏檢率會升高到 25 ~ 50 %,也就是主要缺陷類型的缺陷檢出率只要 50 ~ 75 %,在現實應用中,這種情況一般是在焊盤尺寸較小時出現的。

        而傾斜式圖像獲取則能夠實現很高的檢出率,即便對于臨界缺陷也是這樣。具有 15μm / 像素的高分辨率相機,配合 AOI 軟件能夠清楚地反差出缺陷特征,這樣就為零缺陷 IC 檢測奠定良好基礎。

        傾斜式相機觀測的優勢在未來應用中將繼續發揮其作用。新的元器件如 QFN ,其引腳在元器件本體的側面和底部,從而節約了元器件占地空間,不能用垂直式觀測進行充分檢測。因此,傾斜式圖像獲取方式的應用會日益增多
         



        1、引腳抬高,即 IC 引腳向上抬高或彎曲
        2、IC 引腳共面性
        3、焊膏未熔

        粵公網安備 44030602001522號

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