表面組裝技術(shù)中的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

表面組裝技術(shù)中的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

隨著表面組件技術(shù)（smt）中印制電路板（pc）的詳細(xì)線性化、smt代理的微電離化以及smt組件的高密度、快速組裝的發(fā)展趨勢(shì)，我們無法適應(yīng)smt組件的質(zhì)量。只能通過手動(dòng)或手動(dòng)光學(xué)檢測(cè)形式來檢測(cè)smt組件的質(zhì)量。為此,自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)技術(shù)作為SMT組裝質(zhì)量檢測(cè)的主要技術(shù)手段,在SMT中應(yīng)用越來越普遍,應(yīng)用面越來越寬,技術(shù)越來越先進(jìn)和完善,AOI系統(tǒng)的形式也越來越多樣化,并正在向著檢測(cè)智能化方向發(fā)展。1aui技術(shù)的基本原則和功能1.1圖像識(shí)別法drc在SMT中,采用AOI技術(shù)的形式雖有多種,但其基本原理是相同的。它用光學(xué)手段獲取被測(cè)物圖形,然后以某種方法進(jìn)行檢驗(yàn)、分析和判斷。常用的檢驗(yàn)、分析和判斷方法有設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)(DRC)法和圖形識(shí)別法兩種。DRC法按照一些給定的規(guī)則檢測(cè)圖形。例如,以所有連線應(yīng)以焊點(diǎn)為端點(diǎn),所有引線寬度、間隔不小于某一規(guī)定值等規(guī)則檢測(cè)PCB電路圖形。DRC方法可以從算法上保證被檢驗(yàn)圖形正確性,而且具有相應(yīng)的AOI系統(tǒng)制造容易,算法邏輯容易實(shí)現(xiàn)高速處理,程序編輯量小,數(shù)據(jù)占用空間小等特點(diǎn),為此AOI系統(tǒng)采用該檢驗(yàn)方法的較多。但是該方法確定邊界能力較差,往往需要設(shè)計(jì)特定的方法來確定邊界位置。圖形識(shí)別法是將AOI系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)字化圖像與實(shí)際檢測(cè)到的圖像比較,從而獲得檢測(cè)結(jié)果。例如,檢測(cè)PCB電路時(shí),按照一塊完好的PCB或根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型建立起檢測(cè)文件(標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化圖像)與檢測(cè)文件(實(shí)際數(shù)字化圖像)進(jìn)行比較。這種方式的檢測(cè)精度取決于標(biāo)準(zhǔn)圖像、分辨力和所用檢測(cè)程序,可取得較高的檢測(cè)精度,但具有采集的數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理要求高等特點(diǎn)。然而,由于圖形識(shí)別法用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代替DRC中的設(shè)計(jì)原則,具有明顯的實(shí)用優(yōu)越性。1.2實(shí)時(shí)檢測(cè)的應(yīng)用在SMT中,AOI技術(shù)具有PCB光板檢測(cè)、焊膏印刷質(zhì)量檢測(cè)、元器件檢驗(yàn)、焊后組件檢測(cè)等功能。PCB光板檢測(cè)、焊后組件檢測(cè)大多采用相對(duì)獨(dú)立的AOI檢測(cè)設(shè)備,進(jìn)行非實(shí)時(shí)性檢測(cè)。焊膏印刷質(zhì)量檢測(cè)、元器件檢驗(yàn)一般采用與焊膏印刷機(jī)、貼片機(jī)相配套的AOI系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。例如,目前的高檔焊膏印刷機(jī)一般均可通過配套的AOI系統(tǒng),對(duì)焊膏的印刷厚度、印刷邊緣塌陷狀況等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);中、高檔貼片機(jī)一般都配有視覺系統(tǒng),利用AOI技術(shù)對(duì)貼片頭拾取的元器件進(jìn)行型號(hào)、極性方位、對(duì)中狀況、引腳共面性和殘缺情況等內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別和處理。PCB光板檢測(cè)主要是利用AOI技術(shù)對(duì)印制電路斷線、搭線、劃痕、針孔、線寬線距、邊沿粗糙及大面積缺陷等設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。焊后組件檢測(cè)的基本內(nèi)容有:PCB有引線一面的引線端排列和彎折是否適當(dāng);PCB貼裝面是否有元器件缺漏、錯(cuò)誤元器件、損傷元器件、元器件裝接方向不當(dāng);裝接的IC及分立器件型號(hào)、方向和位置是否有誤;焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè);在IC器件上標(biāo)記印制質(zhì)量檢測(cè)等等。AOI系統(tǒng)發(fā)覺不良組件,一般會(huì)自動(dòng)進(jìn)行向操作者發(fā)出信號(hào),觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)取下不良組件,進(jìn)行缺陷分析和統(tǒng)計(jì)并向主計(jì)算機(jī)提供缺陷類型和發(fā)生頻數(shù)等操作。2典型的ao系統(tǒng)的組成和原理2.1圖像識(shí)別法檢測(cè)二維圖形圖1所示為一典型PCB檢驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖。它以AOI設(shè)計(jì)規(guī)則法為基礎(chǔ),又附加了比較檢測(cè)功能,設(shè)備采用了兩個(gè)攝像鏡頭。檢測(cè)子系統(tǒng)用一維圖像傳感器對(duì)印制線路的圖形攝像,所得圖像信號(hào)進(jìn)行校正、高速A/D變換處理后送至控制子系統(tǒng)?？刂谱酉到y(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行判斷,并令檢測(cè)臺(tái)前后直線移動(dòng)進(jìn)行掃描,以使一維圖像傳感器能得到二維的圖形輸出信號(hào)。檢測(cè)結(jié)果可實(shí)時(shí)地、并和掃描同步地用墨水在PCB有缺陷的地方做出標(biāo)記,也可把有缺陷的地方依次放大,并在監(jiān)視器上顯示,用目視就能進(jìn)行核對(duì)。系統(tǒng)操作可通過CRT顯示器以對(duì)話形式進(jìn)行。輸出子系統(tǒng)由數(shù)字圖像監(jiān)視器,實(shí)體圖像監(jiān)視器,打印機(jī)和同步示波器等組成。系統(tǒng)可將缺陷位置的數(shù)字化彩色圖像和實(shí)體圖像分別顯示在監(jiān)視器上,同時(shí)可打印輸出。還可以用同步示波器觀測(cè)圖像信號(hào)和數(shù)字化的限幅電平等圖形。該類檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)速度最高可達(dá)每分鐘數(shù)米,最小像素尺寸可為微米級(jí),檢測(cè)最小線寬/線間距可小至幾十微米。圖2所示為采用圖形識(shí)別法進(jìn)行PCB線路缺陷檢測(cè)的AOI裝置及其檢測(cè)原理。系統(tǒng)利用光學(xué)手段獲取實(shí)際圖形(圖中以焊盤為例),與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖形進(jìn)行比較和分析,并形成判斷結(jié)果。2.2攝像機(jī)假三維檢測(cè)原理基于圖像比較焊點(diǎn)AOI的原理是:利用光學(xué)攝像機(jī)獲取被測(cè)焊點(diǎn)三維圖像,經(jīng)數(shù)據(jù)化處理后與標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)圖像進(jìn)行比較并判斷、確定出故障或缺陷的類別、位置。這是一種較新的檢測(cè)技術(shù),日本已開發(fā)出相關(guān)檢測(cè)設(shè)備,圖3所示為該類檢測(cè)系統(tǒng)的組成與檢測(cè)原理。這種系統(tǒng)的三維圖像獲取原理為:在攝像機(jī)前端裝有一喇叭反光罩,罩內(nèi)有三圈燈泡組成的不同角度的LED光源,如圖4所示。攝像過程中,燈光處理裝置控制三圈光源按序發(fā)光,由于不同圈的光源發(fā)出的光角度不同,就分別在攝像時(shí)得到垂直光源、水平光源、偏差光源反射的影響,綜合2～3個(gè)圖像就形成一個(gè)假三維圖像。表1列出了這種檢測(cè)方法可檢測(cè)的部分項(xiàng)目和內(nèi)容?；趫D像比較焊點(diǎn)AOI的另一種方法是以彩色高亮度方式獲取被測(cè)焊點(diǎn)圖像,其基本原理如圖5所示,改變色彩各不相同的圓形光源的角度去照射PCB上的焊點(diǎn),用正上方的光學(xué)攝像機(jī)將對(duì)應(yīng)于焊點(diǎn)表面各要素的仰角而反射回來的光線拍攝下來,將焊點(diǎn)的三維形狀用二維圖像(色調(diào)信息)檢測(cè)出來,然后與標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)二維圖像(色調(diào)信息)進(jìn)行分析比較和判斷。2.3織構(gòu)級(jí)也是在模板法表面織入印刷電路時(shí),過面部會(huì)出現(xiàn)推進(jìn)檢測(cè)焊膏印刷AOI系統(tǒng)基本構(gòu)成與原理如圖6所示。主要組成部分為攝像機(jī)與光纖維x-y工作臺(tái)系統(tǒng)。在x-y桌面安裝攝像機(jī),環(huán)狀光纖維在x-y方向移動(dòng),采集PCB整體的圖像來進(jìn)行檢測(cè)。焊膏印刷過程中,在模板與印刷電路緊貼的狀態(tài)下,由刮板的移動(dòng)將焊膏壓入模板中,這時(shí)的焊膏幾乎與模板的厚度相同,是平坦的,PCB離開模板時(shí)焊膏的邊緣形狀發(fā)生變化。焊膏自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用環(huán)狀光纖維與環(huán)狀反射板將傾斜的光照射到焊膏上,攝像頭從環(huán)狀光纖維的正方攝像,測(cè)出焊膏的邊緣部分算出焊膏的高度。這是一種把形狀轉(zhuǎn)化為光的變化進(jìn)行判定的檢測(cè)方法。在正常印刷的場(chǎng)合,邊緣部分多少會(huì)產(chǎn)生一些隆起,這個(gè)部分有對(duì)從斜面投射過來的光發(fā)生強(qiáng)烈的反射的特點(diǎn)。該檢測(cè)方法利用焊膏邊緣部分反射回來的光線寬度,進(jìn)行焊膏橋接與焊膏環(huán)狀等現(xiàn)像判定,由斜面照射回來的PCB表面的光將呈現(xiàn)暗淡的畫像。2.4ps-33c接口與主計(jì)算機(jī)EV-5000檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用形狀代碼檢測(cè)元件形狀,應(yīng)用數(shù)學(xué)形貌技術(shù)區(qū)別元件引出端和焊膏。通過區(qū)別基板和元器件顏色灰度級(jí),識(shí)別元件數(shù)量和顏色標(biāo)記。系統(tǒng)采用IBMPC控制系統(tǒng),可通過RS-232接口與主機(jī)連接。自編程時(shí),系統(tǒng)掃描模板后詢問諸如型號(hào)、數(shù)量、標(biāo)志和公差等分類數(shù)據(jù)。使用時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、記錄,按規(guī)定格式報(bào)告檢測(cè)結(jié)果。并可以同時(shí)進(jìn)行焊膏印刷檢測(cè)、元器件貼裝檢測(cè)等兩種以上檢測(cè)狀態(tài)。Interscan1500檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)基板反面,Interscan1000XT檢測(cè)基板正面,2個(gè)系統(tǒng)都采用Interson2000處理機(jī)。4個(gè)RS-232接口與主計(jì)算機(jī)連接,接收主計(jì)算機(jī)CAD數(shù)據(jù),傳送批報(bào)告,對(duì)缺陷、測(cè)量結(jié)果和管理報(bào)告進(jìn)行跟蹤。對(duì)有缺陷元件做標(biāo)記,并以電視屏幕顯示,自學(xué)編輯采用菜單程序。Checkpoint5500檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)元器件標(biāo)志、基板數(shù)量和批標(biāo)記,攝像機(jī)置于離基板38.1mm處,無需精密固定。基板送入后系統(tǒng)讀取識(shí)別碼,以調(diào)用相應(yīng)測(cè)試程序。測(cè)試后,系統(tǒng)發(fā)出接收或剔除信號(hào),送至執(zhí)行機(jī)構(gòu),并制定或修復(fù)已裝規(guī)格參數(shù),報(bào)告缺漏統(tǒng)計(jì)資料。通過一組PS-232C接口,將數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)庫,以便主計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。Tekinspec2000由光學(xué)掃描分系統(tǒng)、圖形處理和圖形識(shí)別高速電子系統(tǒng)、68000計(jì)算機(jī)等組成。檢測(cè)速度達(dá)每秒近百個(gè)器件,分辨力0.1mm?？捎糜谫N裝機(jī)實(shí)時(shí)控制檢測(cè),也可以脫機(jī)方式通過報(bào)告軟件進(jìn)行產(chǎn)品性能分析和反饋。攝像機(jī)為2048線形CCD陣列,以45°方向?qū)暹M(jìn)行掃描,從而可由兩臺(tái)攝像機(jī)觀察元器件四周,讀取數(shù)據(jù),由專用的高速圖像電子處理系統(tǒng)處理,以確定元器件貼裝位置和焊點(diǎn),并計(jì)算相對(duì)于存儲(chǔ)在磁盤上的理論位置的誤差,確定是進(jìn)行貼裝還是剔除。應(yīng)用時(shí)僅需詳細(xì)給出焊點(diǎn)尺寸、元件尺寸與方向,元器件類型等貼裝參數(shù)。數(shù)據(jù)可鍵盤送入,也可將CAD設(shè)計(jì)中有關(guān)數(shù)據(jù)直接送入。OMRONVT系列AOI產(chǎn)品包含高檔VT-WIN系列、中檔VT-RBT系列、桌面型VT-MUS系列。高檔VT-WIN系列采用紅、綠、蘭三色光,3CCD鏡頭,7種分辨力,能檢測(cè)各種組裝故障和細(xì)間距引腳焊接質(zhì)量,采用WINDOWNT操作系統(tǒng)。VT-RBT系列采用橙、蘭兩色光,用于再流焊前后對(duì)位置和焊點(diǎn)的檢測(cè),以及焊膏印刷檢測(cè),采用WINDOWNT操作系統(tǒng)。VT-MUS系列采用“彩色高亮度”專利技術(shù),能檢測(cè)到傳統(tǒng)白色光源設(shè)備無法檢測(cè)的焊點(diǎn)形狀,為多品種、小批量產(chǎn)品組裝質(zhì)量檢測(cè)而設(shè)計(jì)。3aoi技術(shù)在smt中的應(yīng)用3.1圖形件的制造在SMT中應(yīng)用的AOI技術(shù),圖形識(shí)別法已成為應(yīng)用主流。這是由于在SMT中應(yīng)用的AOI技術(shù)主要檢測(cè)對(duì)象中,表面組裝元器件、PCB電路、焊膏印刷圖形、完成組裝后的組件等的規(guī)格、種類都很多,而且發(fā)展變化很快,相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)很難全面跟上。為此,基于設(shè)計(jì)規(guī)則的DRC法應(yīng)用起來較困難。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,解決了高速圖形處理難題,使圖形識(shí)別法更易實(shí)用化。目前,各種各樣的圖形識(shí)別法AOI技術(shù)在SMT中的應(yīng)用越來越廣。3.2智能aoi的建立AOI技術(shù)向智能化方向發(fā)展是SMT發(fā)展的必然要求。這是由于在SMT的微型化、高密度化、快速組裝化、品種多樣化發(fā)展特征下,檢測(cè)信息量大而復(fù)雜,無論是在檢測(cè)反饋實(shí)時(shí)性方面,還是在分析、診斷的正確性方面,依賴人工對(duì)AOI獲取的質(zhì)量信息進(jìn)行分析、診斷幾乎已經(jīng)不可能。為此,代替人工進(jìn)行自動(dòng)分析、診斷的智能AOI技術(shù)成為發(fā)展的必然。圖7所示為一種采用焊點(diǎn)形態(tài)圖形識(shí)別