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自動光學檢測系統如何運用于印刷電路板的生產

論文神州視覺2011年11月10日次瀏覽

  經過近10年的努力,自動光學檢測系統(AOI)最終被成功地運用在印刷電路板(PCB)生產線上。在這段時間內,AOI供應商的數量急劇增加,各種AOI技術也得到了長足發展。目前,從簡單的攝像系統到復雜的3-D X光檢測系統,眾多供應商們已經幾乎能夠提供可以適用于所有自動生產線的AOI設備。

  在過去的十年當中,錫膏印刷機和SMT 貼片機的性能得到了改善,這使得產品組裝的速度、精確度和可靠性都得到了提高。大制造商的成品率也因此得以提高。元器件生產商提供的越來越多的SMT封裝的元件,也推動了印刷電路板組裝線自動化的發展。而SMT元件的自動貼裝幾乎可以完全杜絕生產線上人工組裝可能產生的錯誤。

  在PCB制造業,元件的微型化和密集化是一直以來的發展趨勢。這促使制造商為其生產線安裝AOI設備。因為依靠人工已經不可能對分布細密的元件進行可靠而一致的檢測,并且保存精確的檢測記錄。而AOI則可以進行反復而精確的檢測,檢測結果的存貯和發布還可以實現電子化。

  在許多情況下,制程工程師對錫膏印刷機和組裝進程的檢測和調節可以保證生產線的錫膏粘污率(濺錫率)只有百萬分之幾(ppm)。對于一條高產量/低混合的生產線來說,比較典型的錫膏粘污數是百萬分之二十至百萬分之一百五十。實踐證明,僅靠對印刷電路板樣本進行抽樣檢測是難于發現每一個以及每一種錫膏粘污的。只有對所有的電路板進行100%的檢測才能保證更大的檢測覆蓋率,從而實現統計過程控制(SPC)。

  很大程度上,特定種類的錫膏粘污只有很少一部分真正存在,這些錫膏粘污的產生可以同某些特定的生產設備聯系起來。在許多情況下,你還可以將一種錫膏粘污的產生歸結于某一臺特定的設備。但是,對于某些變數,例如元件偏移(由于回流過程當中的自校正效應),就無法回溯到某一具體生產步驟上。因此,為了能發現所有的錫膏粘污,就需要在生產線上對每一個生產步驟進行100%的檢測。 然而在現實當中,出于經濟上的考慮,PCB制造商不可能在每進行完一道工序之后,對每一塊電路板都進行一次測試。因此,制程工程師們和質量控制經理們必須仔細考慮如何在檢測投資和提高產量所帶來的收益間取得最佳平衡。

  一般說來,如圖1所示,你可以在一條生產線中四個生產步驟的任意一步之后有效地運用AOI。以下幾個段落將分別介紹AOI在SMT PCB生產線上的四個不同生產步驟后的應用。我們可以粗略地將AOI分為預防問題與發現問題兩類。在接下來的描述中,錫膏印刷之后、(片式)器件貼放之后和元件貼放之后的檢測可以歸為預防問題一類,而最后一個步驟——回流焊接之后的檢測——則可以歸于發現問題一類,因為在這個步驟檢測并不能阻止缺陷的產生。

  ◆錫膏印刷之后:在很大程度上有缺陷的焊接均來源于有缺陷的錫膏印刷。在這個階段,你可以很容易、很經濟地清除掉PCB上的焊接缺陷。大多數2-D檢測系統便能監控錫膏的偏移和歪斜、不足的錫膏區域以及濺錫和短路。3-D系統還可以測量焊錫的量。

  ◆(片式)器件貼放之后:這個階段的檢測可以檢查出(片式)器件缺件、移位、歪斜和(片式)器件的方向故障。這個檢測系統同時還可以檢查用于連接密間距和球柵陣列(BGA)元件的焊盤上的錫膏。

  ◆元件貼放之后:在設備向PCB上貼裝元件之后,檢測系統能夠檢查PCB上缺失、偏移以及歪斜的元件,還能查出元件極性的錯誤。

  ◆回流焊接之后:在生產線的末端,檢測系統可以檢查元件的缺失,偏移和歪斜的情況,以及所有極性方面的缺陷。該系統還一定要對焊點的正確性以及錫膏不足、焊接短路和翹腳等缺陷進行檢測。

  如果需要,你還可以在第2、3和4步驟加入光學字符識別(OCR)和光學字符校驗(OCV)這兩種方法進行檢測。

  工程師和廠商對不同檢測方法利弊的討論總是無休無止,其實選擇的主要標準應該著眼于元件和工藝的類型、故障譜和對產品可靠性的要求。如果使用許多BGA、芯片級封裝(CSP)或者倒裝芯片元件,就需要將檢測系統應用到第一和第二步驟,以發揮其最大的功效。另外,在第四階段后進行檢測可以有效地發現低檔消費品的缺陷。而對運用在航空航天、醫學及安全產品(汽車氣囊)領域的PCB來說,由于對質量要求十分嚴格,則可能會要求在生產線上的許多地方都進行檢測,尤其是在第二和第四步驟后。對這一類PCB則可以選用X射線來進行檢測。

  如果要對在生產線上運用的AOI進行評估,則需要區分只能進行檢測的系統和可以進行測量的系統。

  只能尋找諸如元件缺失、位置放錯等缺陷的檢測系統不能提供工藝控制的工具,所以不能用它們來提高PCB的生產工藝。工程師還是必須手動來調整生產工藝。但是,這些檢測系統既快捷又便宜。

  另一方面,測量系統能夠提供每一個元件的準確數據,對測量生產工藝參數十分重要。這些系統要比檢測系統昂貴,但是當你將他們和SPC軟件整合到一起,測量系統則可以提供改善生產工藝所必需的信息。

  總體說來,人們僅僅依據檢測系統報錯的準確率,即真實錯誤(準確報錯)對誤報(虛假報錯)的比例來評估其好壞是不全面的。如果要評估測量系統,還必須要依據測量系統在較小的公差范圍內精確性的評估結果。 統計過程控制

  最后,如果你想運用來自AOI系統的數據有效地幫助你控制生產流程,從而使公司實現更高的產量和更高的利潤,你必須掌握如下信息:

  ◆準確的測量數據

  ◆可再現、可重復的測量

  ◆在時間和空間上接近事件的測量

  ◆以及實時的測量過程和所有的有關生產工藝的信息

  通過在印刷或者貼裝過程中安裝AOI系統,可以幫助你清除生產過程中積累的其它過程變量。假定你在回流焊接之后測量元件是否發生了位置偏移,你收集的數據并不能夠反映貼裝過程的準確性。你應該對貼裝后和回流焊接后的結果都進行測量。但該信息對于控制器件貼裝幾乎是沒有用的。鑒于監測發展的趨勢,在你必須要監測的流程附近安裝AOI系統能夠迅速糾正一個快進入下一步的參數,同時近距離檢測還可以減少在檢測過程前不符規格的PCB的數量。

  雖然大多數電子行業的AOI用戶仍然只重視焊接之后的檢測,但是今后元器件和PCB的小型化趨勢會要求更有效的閉環的流程控制。能夠提供有效的檢測和測量方案的AOI系統將會吸引越來越多的用戶,工程師們也會認為在這樣系統上的投資更加物有所值。對于所有的客戶來說,AOI將在改進產品生產線和提高成品率方面持續地扮演重要的角色。

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