AOI在01005元件組裝過程中的應(yīng)用

Vincent-Tai 2009-04-20

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AOI在01005元件組裝過程中的應(yīng)用

（時間:2008-4-14 14:54:41 共有 156 人次瀏覽）

作者：Owen Sit (薛弈桉)博士 and Joshua Petras of YESTech Inc San Clemente, California, USA
摘要
印製電路板組裝行業(yè)在使用01005器件的過程中將會遇到很多質(zhì)量方面的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)過程中，回流焊之后的檢測需求已不再是一個可有可無的工序。隨著元器件尺寸的縮小，人工目檢變得越來越困難，而AOI檢測將成為保證高質(zhì)量產(chǎn)品產(chǎn)出的唯一手段。本文中我們將著重闡述AOI設(shè)備製造商所面臨的挑戰(zhàn)和 YESTech的最大程度提升01005器件檢測能力的創(chuàng)新設(shè)計。
簡介
不斷進行中的移動式產(chǎn)品小型化的趨勢促使元器件從上世紀90年代的0402向當今的01005封裝過渡。使用如此小的元器件對於SMT（Surface Mount Technology表面貼裝技術(shù)）生產(chǎn)過程來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。SMT設(shè)備的製造商們正在努力升級他們的設(shè)備以適應(yīng)01005元器件的生產(chǎn)。對於AOI設(shè)備製造商而言，01005的封裝形式既是機會又是挑戰(zhàn)。01005器件的使用一方面可以促進AOI設(shè)備的廣泛使用，而另一方面它需要有更高精度和更先進的檢測技術(shù)作保障，才能確保高質(zhì)量的產(chǎn)能。

01005發(fā)展前景
首先，讓我們來看一下01005 器件的尺寸大小。一隻常見螞蟻的長度和寬度分別約為2毫米和1毫米。一個0402器件的尺寸約為螞蟻的慼C一個01005器件的長寬高分別是0.4毫米，0.2毫米和0.13毫米。16個01005的器件的大小才抵得上一個0402 的器件。如此小的器件單靠肉眼是很難看到的，使用任何手工工具進行操作也是不太可能的。01005器件的成本也很高，大概比0402的器件貴100倍以上，2007年，01005的電容每個約值50美分左右。
在大批量生產(chǎn)時，01005的成本將隨時間而降低。目前情況下，由於01005的高價格，它們只是在真正需要節(jié)省空間的場合下才會使用。
SMT生產(chǎn)過程中的挑戰(zhàn)
組裝這些既小又昂貴的電阻和電容意味著許多設(shè)計和組裝過程的挑戰(zhàn)。設(shè)計者必須特別關(guān)注電路板的設(shè)計、器件的選擇、模板的設(shè)計、焊膏的組成和印刷、元器件的貼裝、回流焊接和檢測等等。
讓我們仔細地看一下模板的設(shè)計。為了得到更高的效率，必須使用非常薄的模板，約76微米。這將確保印刷后焊膏不會殘留在模版開孔中。然而，如此薄的模板無法提供足量的焊膏以滿足焊接較大尺寸器件的需要。一種解決辦法是使用成本昂貴的兩個模板和兩個印刷過程。為避免高成本，設(shè)計者也許能試著找到合適的模板厚度以適應(yīng)電路板上所有尺寸的元器件。而這種“妥協(xié)”的辦法將不可避免地提高缺陷率。
缺陷的種類
缺乏經(jīng)驗，設(shè)備的局限性和妥協(xié) 的設(shè)計都會導致PCB的缺陷。對於01005，組裝過程中最常見的缺陷是錫連（橋接）和立碑。錫連的產(chǎn)生通常是因為過於密集的焊盤（焊盤之間的間距小於150微米），或者是模板沒有對齊。當焊盤尺寸變小，模版的排列對齊將變得更加重要。 01005器件需要分毫無誤的對齊。立碑的產(chǎn)生是由在回流過程中焊錫表面張力的不平衡性造成的。由於無鉛生產(chǎn)中需要更高的焊接溫度，這將增加焊錫表面張力不平衡的可能，從而導致立碑。

AOI的對策
通常情況下，可將AOI放置在SMT生產(chǎn)過程中的3個位置，印刷焊膏后，回流焊前和回流焊后。理論上說，將AOI放置在生產(chǎn)過程的前端可以更早的發(fā)現(xiàn)缺陷和進行維修，越早發(fā)現(xiàn)缺陷就越能降低維修成本。修復一個焊膏的缺陷非常容易，因此，回流焊前維修成本小於回流焊后的維修成本?？墒菍嶋H問題是缺陷會產(chǎn)生於整個生產(chǎn)過程中的任何工序，而不只是在前端。器件缺陷只能在貼裝了器件后才能發(fā)現(xiàn)，例如錫連或立碑等只有在回流焊后才能被檢測到。如果AOI只是被放置在前端，那麼，就會漏掉很多缺陷。既然01005的缺陷主要集中在錫連和立碑上，那麼，回流焊后放置AOI設(shè)備就是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵手段了。
在很多情況下，AOI放置在前端是作為一種生產(chǎn)過程監(jiān)控手段，而AOI放置在回流焊后就好像一個守門人，用來防止缺陷產(chǎn)品流向用戶端。
對於01005的組裝來說，印刷焊膏后放置的AOI更多是作為過程監(jiān)控的手段，因為除了重印整塊損壞的基板之外沒有其他有效的在線維修技術(shù)可以修復隨機產(chǎn)生的印刷缺陷，因為任何手工調(diào)整都可能會產(chǎn)生更多的缺陷?；亓骱盖胺胖肁OI設(shè)備能夠監(jiān)控元器件的貼裝，但是想要在線修復01005的放置缺陷卻是不可能的。此外，和其他表面貼裝器件一樣，01005會在回流焊后自行對齊。研究表明，01005器件只要在貼放時偏移不超過 45微米的話，在回流焊后仍舊會回復到正確的位置。在研究中同時還發(fā)現(xiàn)01005等器件在角度偏移不超過25度的情況下也可以回復到原位。由於01005 等小型器件的自行對齊的特點和回流焊前維修的困難性，爐前放置AOI設(shè)備進行檢測并沒有太大的意義，而作為生產(chǎn)過程的監(jiān)控手段則比較合理。
01005組裝的離線維修和返修設(shè)備已經(jīng)上市，并可以修復很多種類的缺陷。然而，這些維修的價格是很昂貴的。
01005 組裝的最佳檢測方法就是將AOI設(shè)備同時放置於SMT生產(chǎn)過程的多個位置，既可以監(jiān)控生產(chǎn)過程，又可以檢測缺陷。因為在線維修并不總是可行的，這就需要前端的AOI設(shè)備能夠及時將缺陷數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖耍t后）的AOI設(shè)備，可疑的缺陷將會被再次確認，這將提高檢測效率，降低誤判率。

AOI實質(zhì)檢測能力
對於01005的檢測來說，AOI設(shè)備必須具備多種實質(zhì)特性。下面讓我們詳細的看一下這些特性。
1. 高放大倍率
比較和評估不同廠商的AOI設(shè)備可能會是一個比較繁瑣的過程，一些參數(shù)的比較就好像在購買數(shù)碼相機一樣。圖像傳感器的類型，像數(shù)值，光學和數(shù)碼放大倍率是一些非常重要的參數(shù)，這些參數(shù)能夠決定設(shè)備最終的檢測能力。要精確的檢測01005的器件，光學和數(shù)碼的放大倍數(shù)是很重要的，必須保證能夠提供給AOI軟件的檢測算法足夠的解析度和圖像信息。然而，我們必須明白這些并不完全是越多越好。較高的放大倍率造成了較小的視場（FOV），從而增加了圖像捕捉的時間和處理的數(shù)據(jù)。為了與日益縮短的生產(chǎn)過程同步，AOI設(shè)備必須能夠平衡放大倍數(shù)和圖像採集速度之間的關(guān)係，這一點很重要。
決定01005檢測能力的最主要的一個參數(shù)是像素大小。像素的大小是由AOI的圖素傳感器和光學系統(tǒng)的性質(zhì)決定的。例如，一個典型的130萬像素的CMOS傳感器的像素陣列是 1280x 1024。如果裝上一個一定焦距的鏡頭，產(chǎn)生的視場大小是32mm x 25.6mm，相對應(yīng)的像素大小是25微米。如果我們認為某個01005器件的尺寸是200um x 400um，那麼，器件的圖像大小將是8 x 16像素。對於檢測算法來說這個大小可能不夠。但是如果使用相同的傳感器和另一個鏡頭并產(chǎn)生16mm x 12.8mm大小的視場，相應(yīng)的器件圖像就有16 x 32圖元。這時四倍大的圖像信息就可以提供足夠的信息給檢測算法以用來精確的檢測缺陷。
在選擇AOI設(shè)備用於01005的檢測時，平衡分辨率和檢測速度之間的關(guān)係是很重要的。一些廠商會提供不同放大倍數(shù)的多個攝像頭，在精確檢測01005器件時使用高放大倍數(shù)的攝像頭，而在檢測其他較大元器件時使用低分辨率的攝像頭以保持快速的檢測過程。在這種方式下，設(shè)備可以很靈活的處理不同種類的產(chǎn)品類型，而不需要任何硬件上的修改。

2. 高位置精確性
由於器件的尺寸變得更小，生產(chǎn)過程中所使用設(shè)備的精確性要求也變得更加重要。如果一臺貼片機是不精確的，那麼，01005器件的缺陷將是不可避免的。貼片機是組裝生產(chǎn)線上必不可少的一部分，而AOI只是一種輔助手段。使用一臺不精確的AOI設(shè)備并不會影響產(chǎn)品的生產(chǎn)，但是，如果它無法檢測到一些位置上的缺陷的話，它得到的檢測數(shù)據(jù)將會變得毫無用處。據(jù)經(jīng)驗來看，AOI設(shè)備應(yīng)該具備亞像素級的精確度，這將能夠保證設(shè)備具有足夠的精度以檢測01005器件的小幅位置偏差。
3. 可編程光源用來強調(diào)缺陷
在任何機器視覺的應(yīng)用中，光源都是最重要的組成部分之一。放大待測的物體只是等式的一半。等式的另一半是缺陷在現(xiàn)有的光源條件下能否被辨認出來。想要在不斷變化的電子生產(chǎn)環(huán)境中試圖找到一種光源來檢測所有的缺陷幾乎是不可能的。為了確保電子元器件和PCB板上的最大缺陷覆蓋率，採用動態(tài)的光源是很重要的。由於LED（發(fā)光二極管）的價格降低，AOI設(shè)備生產(chǎn)廠商能夠在檢測軟件中配置各種光源陣列。通過使用多種色彩和各種角度的光源，AOI的程序員能夠靈活的調(diào)整圖像的對比度和清晰度，使判別各種類型的缺陷變得更容易。01005的器件家族內(nèi)部也有不同的顏色和各種表面特性，再加上不同的焊膏成分，焊盤尺寸，材料和PCB板顏色，可編程光源的使用將是確保最大缺陷檢出率的重要手段。
4. Tele-centric lens1 遠心鏡頭降低誤判率
為了得到更高的精確度和重復性以及非常低的誤判率，遠心鏡頭在AOI設(shè)備中變得越來越流行。普通鏡頭通過調(diào)節(jié)物體和鏡頭之間的距離來得到不同的放大倍數(shù)，這會在設(shè)備的視覺系統(tǒng)和其他應(yīng)用方面引起一些問題：

物體的外觀尺寸會隨著與攝像頭之間的距離的變化而變化；
一些特徵點或物體可能會被距鏡頭較近的物體所遮擋；
物體的外觀形狀會隨著與視場中心點的距離變化而變化。物體靠近邊緣的部分會產(chǎn)生角度誤差，而靠近視場中心點的部分則相對好一點。（原本是圓形的物體從視場中心向外側(cè)移動時，將會變成橢圓形）。
遠心鏡頭在任何距離條件下都具有相同的放大倍數(shù)，其所創(chuàng)建的圖像尺寸在任何距離下與物體尺寸相同，并在整個視場窗口中維持恒定的視角。當物體距離鏡頭太近或太遠時可能會偏出焦距范圍，但是所得到的模糊圖像和進行焦距校正后的圖像的尺寸仍將保持一致。
遠心鏡頭的圖像具有恒定的放大倍數(shù)和形狀，因此被用於許多場合的計量用途。例如，當AOI設(shè)備必須在物體的位置在視場中不確定，或甚至他們的距離受到某種程度的未知波動的影響的情況下測定物體的精確尺寸。
5. 網(wǎng)絡(luò)軟件使缺陷信息得以共享
在線AOI設(shè)備其中一個非常重要的功能就是數(shù)據(jù)的採集和恢復。這些數(shù)據(jù)可能包括多種形式，例如文本，數(shù)據(jù)庫，圖像或者幾種格式的混合類型等等。採集數(shù)據(jù)是大部分AOI設(shè)備所具備的基本功能，而且使用簡單。但是，數(shù)據(jù)恢復可能會略微復雜一點，并取決於生產(chǎn)線的不同配置。
在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，AOI設(shè)備可以同時檢測PCB板并將先前的檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说姆敌拚局?。而后端的返修站不僅可以和AOI設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，而且還可以存儲檢測結(jié)果，并將數(shù)據(jù)保存在一個SPC數(shù)據(jù)庫中。操作員可以實時地瀏覽檢測結(jié)果或者保存數(shù)據(jù)以便將來的回顧。
返修站，離線編程和SPC軟件是常見的網(wǎng)絡(luò)工具，通常是作為選件購買的。有一個最新推出的新功能在最大程度上利用了生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過將多臺AOI設(shè)備放置在同一條生產(chǎn)線上，可以任意分享檢測數(shù)據(jù)，從而影響到每一臺設(shè)備上進行的檢測或瀏覽。該功能展現(xiàn)了一種更加動態(tài)的檢測技術(shù)，并確保最高的缺陷檢出率。
因為01005裝配線沒有一種有效的在線維修技術(shù)，因此，回流焊后的AOI需要能夠利用前端AOI的檢測數(shù)據(jù)來提高其檢測缺陷的能力?？傊?，他們需要互相合作，以得到最佳的檢測效果。例如，焊膏檢測設(shè)備可最有效的檢測出少錫這種缺陷，但是對於回流焊爐后的AOI設(shè)備就比較困難了，而且容易產(chǎn)生較多誤判。通過綜合從前端的AOI設(shè)備中得到的缺陷信息，后端的AOI設(shè)備可以確保不會遺漏該缺陷。在一個理想的狀態(tài)下，生產(chǎn)線將配置3臺AOI設(shè)備檢測錫膏， AOI可檢測模板的位置排列和少錫等問題，回流焊前AOI可檢測器件本身的缺陷，例如缺件或極性等，回流焊后AOI可檢測諸如錫連和立碑等缺陷。只有通過合理分配任務(wù)，并綜合檢測結(jié)果才能獲得最佳的檢測效果。