SMT质量检测中的AOI技术及应用

王凡,姜建国,申洁琳

摘 要：随着电子制造业中印刷电路板元器件安装普遍采用表面贴片技术，产品的集成度更高，元器件体积更小，安装密度更大，传统的检测技术在技术和速度上都不能适应新的电子检测技术。而基于机器视觉的检测技术(AOI)可以快速、准确地实现对贴片安装产品缺陷的自动检测，是提高电子制造业自动化水平和产品质量的重要技术。对AOI的技术原理进行了阐述，通过分析AOI在工艺中放置位置和最终需要实现目标及其在SMT工序中的应用，充分表明AOI在SMT工艺中的优点。

关键词：AOI； SMT； 印刷电路板; 质量

中图分类号：TN407-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)09-0179-04

AOI Technology and Its Application in SMT Quality Inspection

WANG Fan1,JIANG Jian-guo2,SHEN Jie-lin2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China; 2.Computer Academy,Xidian University,Xian 710071,China)

Abstract： With wide application of surface mounted technology (SMT) in printed circuit board assembly，the electronic products have higher integration，smaller components and higher assembly density,the conventional inspection can′t fulfill the assembly automation in speed and reliability．The automated optical inspection (AOI) based on machine vision can detect the defects of SMT rapidly and accurately. The principles of AOI technology are introduced. The advantages of AOI in the SMT are proposed through an analysis on the positions which AOI should be set during the process of technology,final goals,and an example used during the working procedure of SMT.With wide application of surface mounted technology (SMT) in printed circuit board assembly，the electronic products have higher integration，smaller components and higher assembly density,the conventional inspection can′t fulfill the assembly automation in speed and reliability．The automated optical inspection (AOI) based on machine vision can detect the defects of SMT rapidly and accurately. The principles of AOI technology are introduced. The advantages of AOI in the SMT are proposed through an analysis on the positions which AOI should be set during the process of technology,final goals,and an example used during the working procedure of SMT.

Keywords： AOI； SMT； printed circuit board; quality

0 引 言

表面贴装技术(Surface Mounting Technology，SMT)是一种将无引脚或者短引脚表面组装元器件安放在印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的表面或者其基板的表面上，通过再流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电子组装技术［1］。作为新一代的电子组装技术，SMT使电子产品更具有轻、薄、短、小、多功能、高可靠性、低成本等一系列优点。经过多年的发展,该技术广泛应用于计算机、通信、消费电子、工业自动化等电子制造行业中，使电子产品进一步向微型化、小型化、高可靠性方向发展［2］。据调查，国外发达国家电子产品SMT使用率大约在80％～90％之间，我国目前已经达到了60％左右，而且中国的SMT产业还有进一步发展的空间。

高性能、高复杂性、高质量PCB的生产，除了应保证优良的原材料、具备先进的生产工艺、设备和先进的管理模式之外，还必须具备完备的技术质量,保证体系和先进检测设备。

1 SMT工艺流程

SMT的基本工艺流程如图1所示。其中，检测环节是SMT流程中非常重要的一个环节，是SMT中质量控制的关键。

图1 SMT工艺流程

随着PCB贴片工艺向着更小和密度更高的方向发展，贴片产品的质量检测和质量控制遇到新的问题。传统的人工视觉目测由于效率低、工艺水平主观性强，对于微小器件和集成芯片IC(Integrated Circuit)引脚无法进行可靠检测。IC芯片的最小引脚间距只有0.3 mm，即使借助光学放大设备帮助，人工目测效率非常低、易疲劳、主观性强，根本无法适应高效、自动化的贴片安装生产［3］。AOI是对贴片产品的可见光图像进行光电传感器变换、数字图像采集处理，然后进行模式识别，是结合人的视觉经验和计算智能的机器视觉的一种应用。它具有非接触、无损、快速、准确、可靠的特点，目前在国外SMT生产线上已经得到了广泛应用，成为电子制造自动化中的重要一环［4］。

2 AOI技术原理

AOI是基于光学原理来对焊接生产中遇到的常见缺陷进行检测的设备，是近几年才兴起的一种新型测试技术，但发展较为迅速，目前很多厂家都推出了AOI测试设备。当自动检测时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，将测试的焊点与数据库中的合格参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上的缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整。作为SMT生产线上一种重要的在线检测设备，AOI目前已得到越来越广泛的应用［5］。

2.1 AOI的优点

AOI被用作SMT的过程监测工具，其优点包括：

(1) 检查和纠正PCB缺陷，过程中的监测成本远远低于在最终测试和检查之后进行的成本。

(2) 能尽早发现重复性错误，如贴装位移或空焊等。

(3) 为工艺技术人员提供统计过程控制(Statistics Process Control，SPC)资料。AOI技术的统计分析功能与SPC工艺管理技术的结合为SMT生产工艺的适时完善提供了有效工具，使得PCB装配的次品率得到了明显的降低［6］。

2.2 AOI的实施目标

实施AOI有以下两类主要的目标：

(1) 最终品质(End Quality)。对产品走下生产线时的最终状态进行监控。当生产问题非常清楚、产品混合度高、数量和速度为关键因素的时候，优先采用这个目标。AOI通常放置在生产线最末端。在这个位置，设备可以产生范围广泛的过程控制信息。

(2) 过程跟踪(Process Tracking)。使用检查设备来监视生产过程。典型地包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息。当要求产品可靠性很重要，是低混合度的大批量制造并且是在元件供应稳定时，制造商优先采用这个目标。这经常要求把检查设备放置到生产线上的几个位置，在线地监控具体生产状况，并为生产工艺的调整提供必要的依据。

3 AOI在各个工序中的应用

在SMT中，AOI技术具有PCB空板检测、焊锡膏印刷检测、元器件检测、焊接后组件检测等功能，在不同环节进行检测时，其侧重点也会所不同［7］。

3.1 PCB检测

PCB缺陷可大致分为短路(包括基铜板短路、细的走线短路、电镀短路、尘埃短路、凹坑短路、重复性短路、污渍短路、干膜短路、蚀刻力度不够短路、镀层太厚短路、刮擦短路、褶皱短路等)，开路(包括重复性的开路、刮擦开路、真空开路、缺口开路等)和其他一些可能导致PCB报废的缺陷(包括蚀刻过度、电镀烧焦针孔)［8］。在PCB生产流程中，基板的制作、覆铜的过程都有可能产生一些缺陷，但大部分缺陷是在蚀刻之后产生，AOI一般安排在蚀刻工序之后进行检测，主要用来发现其上缺少的部分和多余的部分。

在PCB检测中，图像对比算法应用比较多，且以平面检测为主，主要包括数据分析类(对输入的数据进行初步分析，过滤过小的针孔和残留铜及不需检查的孔等)，测量类(对输入的数据进行特征获取，记录的具有特征代码、尺寸和方位并与标准数据来比对)和拓扑类(用于分析增加或丢失的特征)。

3.2 焊膏印刷检测

焊膏印刷是SMT加工过程的初始环节，也是大部分缺陷的根源所在，有资料分析大约60％～70％的缺陷会出现在印刷阶段，如果在生产线的初始阶段排除缺陷，能够最大限度地减少损失，降低成本，因此，大部分SMT生产线会在印刷环节配备AOI检测系统。

使用立体检测，可以对焊膏形态、厚度进行分析，检查焊膏用量是否合理、是否有刮擦和拉尖等缺陷，这些缺陷在使用丝网和橡皮刮刀的场合出现的较多，现在普遍使用不锈钢网板和金属刮刀，焊膏厚度相对稳定，一般不会过多，刮擦现象也很轻微，重点要关注的是空焊、偏移、沾污和桥连等缺陷。采用平面检测可以有效地检测这些缺陷，图像对比方法和设计规则检验法都可以使用，检测时间短，设备价格也比立体检测低，而且在贴片、回流等后续的工序中如果采用AOI系统，印刷环节考虑到成本问题也可采用平面检测［9］。

3.3 贴装检测

元件贴装环节对设备精确度要求比较高，常出现漏贴、偏移、歪斜、极性相反等缺陷。AOI系统检测可以检测出上述缺陷，同时还可以在此检测桥连问题和BGA元件焊盘上的焊膏。

由于贴片环节之后紧接着就是回流焊接环节，因此贴装之后的检测有时被称为回流焊的前端检测，回流焊的前端检测从质量保证的观点来看，由于在回流焊炉内发生的问题无法检测出而显得没有太大意义。在回流焊炉内，焊锡熔化后具有自纠正位移的能力，所以焊后在基板上无法检查出贴装位移和焊锡印刷状态，然而实际上，回流焊前端的检测是品质保障的重点，因为回流焊前各个部位的元器件贴装状况等一目了然，而这些信息在回流焊后无法获取。此时基板上没有不定型的东西，最适合进行图像分析，并且通过率非常高，这样，由检测过分僵硬而导致的误判的可能也大大减少。

3.4 回流检测

可以将AOI系统的作用分为预防问题和发现问题两种，印刷、贴片之后的检查归为预防问题，回流焊后的检测属于发现问题，在回流焊后端检测过程中，检测系统能够检测出元器件的缺失、偏移和极性相反等情况，还一定要对焊点的正确性以及焊膏是否充分、焊接短路和元器件翘脚等缺陷进行检测，回流焊后端检测是当前AOI系统最流行的选择，此位置能够检测出全部的装配错误，提供高度的安全性。

3.5 AOI的放置位置

虽然AOI可用于生产线上的多个位置，各个位置可检测特殊缺陷，但AOI检查设备应放到一个可以尽早识别和改正最多缺陷的位置［10］。有三个检查位置是主要的：

(1) 锡膏印刷之后。据分析SMT中60%～70%的焊点缺陷是印刷时造成的，如果焊膏印刷过程能够满足要求，就可以大幅度地减少后期出现的缺陷。

(2) 回流焊前。检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和PCB送入回流炉之前完成的。这是一个典型的放置检查机器的位置，因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷。在这个位置产生定量的过程控制信息，提供高速片机和密间距元件贴装设备校准的信息。这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准。这个位置的检查满足过程跟踪的目标。

(3) 回流焊后。在SMT工艺过程的最后步骤进行检查，这是目前AOI最流行的选择，因为这个位置可发现全部的装配错误。回流焊后检查提供高度的安全性，因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误［11］。

4 AOI的应用

SMT中应用AOI技术的形式多种多样，但其基本原理是相同的，即用光学手段获取被测物图形，一般通过传感器(摄像机)获得检测物的照明图像并数字化，然后以某种方法进行比较、分析、检验和判断，相当于将人工目视检测自动化、智能化。例如对一批PCB产品进行AOI检测，并运用相应的软件进行处理，可将PCB的明细数据输出，其记录结果如图2所示。

图2 PCB明细数据

从结果文件可以看出，通过对PCB进行检测的AOI机器编号、产品的相关情况和工艺人员等生产线状况，可直观明了地了解该产品的测试结果。但图2中没有显示出该产品出错的原因，可以从NG明细数据表格中查出，如图3所示。

图3 NG明细数据表

通过该结果表格，可以一目了然地查出PCB产品的出错原因，即可对检测到的多件、少件、错件等具体问题进行查看［12］。

同时，通过PCB统计数据表格，可以统计出此类PCB产品的合格率、缺陷NG总数等情况，该表格对PCB产品的AOI检测进行了统计，可清晰明了地获得PCB产品的检测通过率等情况。数据的输出如图4所示。

图4 PCB统计数据

通过查看分析这些检测数据，可以在生产过程中及时发现错误并进行纠正，避免人力和资源的浪费，可大大地提高生产效率，同时也可以对一批产品的质量情况有直观的了解和总体的把握，进而指导下一次的生产。

5 结 语

本文主要介绍了AOI的原理，优点以及在SMT中的重要地位和各个工序中的应用。但是AOI的研究是一个跨学科，富有挑战性的综合性课题，目前国内的AOI识别理论还不完善，随着SMT不断向轻型化、微型化、微小化发展，AOI大规模使用已成必然趋势，伴着市场规模的不断扩大，生产厂商的不断增加，AOI技术将不断发展和完善［13］。

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