表面组装技术中的自动光学检测技术

表面组装技术中的自动光学检测技术

随着表面组件技术（smt）中印制电路板（pc）的详细线性化、smt代理的微电离化以及smt组件的高密度、快速组装的发展趋势，我们无法适应smt组件的质量。只能通过手动或手动光学检测形式来检测smt组件的质量。为此,自动光学检测(AOI)技术作为SMT组装质量检测的主要技术手段,在SMT中应用越来越普遍,应用面越来越宽,技术越来越先进和完善,AOI系统的形式也越来越多样化,并正在向着检测智能化方向发展。1aui技术的基本原则和功能1.1图像识别法drc在SMT中,采用AOI技术的形式虽有多种,但其基本原理是相同的。它用光学手段获取被测物图形,然后以某种方法进行检验、分析和判断。常用的检验、分析和判断方法有设计规则检验(DRC)法和图形识别法两种。DRC法按照一些给定的规则检测图形。例如,以所有连线应以焊点为端点,所有引线宽度、间隔不小于某一规定值等规则检测PCB电路图形。DRC方法可以从算法上保证被检验图形正确性,而且具有相应的AOI系统制造容易,算法逻辑容易实现高速处理,程序编辑量小,数据占用空间小等特点,为此AOI系统采用该检验方法的较多。但是该方法确定边界能力较差,往往需要设计特定的方法来确定边界位置。图形识别法是将AOI系统中存储的数字化图像与实际检测到的图像比较,从而获得检测结果。例如,检测PCB电路时,按照一块完好的PCB或根据计算机辅助设计模型建立起检测文件(标准数字化图像)与检测文件(实际数字化图像)进行比较。这种方式的检测精度取决于标准图像、分辨力和所用检测程序,可取得较高的检测精度,但具有采集的数据量大,数据实时处理要求高等特点。然而,由于图形识别法用设计数据代替DRC中的设计原则,具有明显的实用优越性。1.2实时检测的应用在SMT中,AOI技术具有PCB光板检测、焊膏印刷质量检测、元器件检验、焊后组件检测等功能。PCB光板检测、焊后组件检测大多采用相对独立的AOI检测设备,进行非实时性检测。焊膏印刷质量检测、元器件检验一般采用与焊膏印刷机、贴片机相配套的AOI系统,进行实时检测。例如,目前的高档焊膏印刷机一般均可通过配套的AOI系统,对焊膏的印刷厚度、印刷边缘塌陷状况等内容进行实时检测;中、高档贴片机一般都配有视觉系统,利用AOI技术对贴片头拾取的元器件进行型号、极性方位、对中状况、引脚共面性和残缺情况等内容进行自动检测识别和处理。PCB光板检测主要是利用AOI技术对印制电路断线、搭线、划痕、针孔、线宽线距、边沿粗糙及大面积缺陷等设计、制造质量进行检测。焊后组件检测的基本内容有:PCB有引线一面的引线端排列和弯折是否适当;PCB贴装面是否有元器件缺漏、错误元器件、损伤元器件、元器件装接方向不当;装接的IC及分立器件型号、方向和位置是否有误;焊点质量检测;在IC器件上标记印制质量检测等等。AOI系统发觉不良组件,一般会自动进行向操作者发出信号,触发执行机构自动取下不良组件,进行缺陷分析和统计并向主计算机提供缺陷类型和发生频数等操作。2典型的ao系统的组成和原理2.1图像识别法检测二维图形图1所示为一典型PCB检验系统原理框图。它以AOI设计规则法为基础,又附加了比较检测功能,设备采用了两个摄像镜头。检测子系统用一维图像传感器对印制线路的图形摄像,所得图像信号进行校正、高速A/D变换处理后送至控制子系统。控制子系统对缺陷进行判断,并令检测台前后直线移动进行扫描,以使一维图像传感器能得到二维的图形输出信号。检测结果可实时地、并和扫描同步地用墨水在PCB有缺陷的地方做出标记,也可把有缺陷的地方依次放大,并在监视器上显示,用目视就能进行核对。系统操作可通过CRT显示器以对话形式进行。输出子系统由数字图像监视器,实体图像监视器,打印机和同步示波器等组成。系统可将缺陷位置的数字化彩色图像和实体图像分别显示在监视器上,同时可打印输出。还可以用同步示波器观测图像信号和数字化的限幅电平等图形。该类检测设备的检测速度最高可达每分钟数米,最小像素尺寸可为微米级,检测最小线宽/线间距可小至几十微米。图2所示为采用图形识别法进行PCB线路缺陷检测的AOI装置及其检测原理。系统利用光学手段获取实际图形(图中以焊盘为例),与标准设计图形进行比较和分析,并形成判断结果。2.2摄像机假三维检测原理基于图像比较焊点AOI的原理是:利用光学摄像机获取被测焊点三维图像,经数据化处理后与标准焊点图像进行比较并判断、确定出故障或缺陷的类别、位置。这是一种较新的检测技术,日本已开发出相关检测设备,图3所示为该类检测系统的组成与检测原理。这种系统的三维图像获取原理为:在摄像机前端装有一喇叭反光罩,罩内有三圈灯泡组成的不同角度的LED光源,如图4所示。摄像过程中,灯光处理装置控制三圈光源按序发光,由于不同圈的光源发出的光角度不同,就分别在摄像时得到垂直光源、水平光源、偏差光源反射的影响,综合2～3个图像就形成一个假三维图像。表1列出了这种检测方法可检测的部分项目和内容。基于图像比较焊点AOI的另一种方法是以彩色高亮度方式获取被测焊点图像,其基本原理如图5所示,改变色彩各不相同的圆形光源的角度去照射PCB上的焊点,用正上方的光学摄像机将对应于焊点表面各要素的仰角而反射回来的光线拍摄下来,将焊点的三维形状用二维图像(色调信息)检测出来,然后与标准焊点二维图像(色调信息)进行分析比较和判断。2.3织构级也是在模板法表面织入印刷电路时,过面部会出现推进检测焊膏印刷AOI系统基本构成与原理如图6所示。主要组成部分为摄像机与光纤维x-y工作台系统。在x-y桌面安装摄像机,环状光纤维在x-y方向移动,采集PCB整体的图像来进行检测。焊膏印刷过程中,在模板与印刷电路紧贴的状态下,由刮板的移动将焊膏压入模板中,这时的焊膏几乎与模板的厚度相同,是平坦的,PCB离开模板时焊膏的边缘形状发生变化。焊膏自动检测系统利用环状光纤维与环状反射板将倾斜的光照射到焊膏上,摄像头从环状光纤维的正方摄像,测出焊膏的边缘部分算出焊膏的高度。这是一种把形状转化为光的变化进行判定的检测方法。在正常印刷的场合,边缘部分多少会产生一些隆起,这个部分有对从斜面投射过来的光发生强烈的反射的特点。该检测方法利用焊膏边缘部分反射回来的光线宽度,进行焊膏桥接与焊膏环状等现像判定,由斜面照射回来的PCB表面的光将呈现暗淡的画像。2.4ps-33c接口与主计算机EV-5000检测系统应用形状代码检测元件形状,应用数学形貌技术区别元件引出端和焊膏。通过区别基板和元器件颜色灰度级,识别元件数量和颜色标记。系统采用IBMPC控制系统,可通过RS-232接口与主机连接。自编程时,系统扫描模板后询问诸如型号、数量、标志和公差等分类数据。使用时,系统进行检测、记录,按规定格式报告检测结果。并可以同时进行焊膏印刷检测、元器件贴装检测等两种以上检测状态。Interscan1500检测系统检测基板反面,Interscan1000XT检测基板正面,2个系统都采用Interson2000处理机。4个RS-232接口与主计算机连接,接收主计算机CAD数据,传送批报告,对缺陷、测量结果和管理报告进行跟踪。对有缺陷元件做标记,并以电视屏幕显示,自学编辑采用菜单程序。Checkpoint5500检测系统可以同时检测元器件标志、基板数量和批标记,摄像机置于离基板38.1mm处,无需精密固定。基板送入后系统读取识别码,以调用相应测试程序。测试后,系统发出接收或剔除信号,送至执行机构,并制定或修复已装规格参数,报告缺漏统计资料。通过一组PS-232C接口,将数据传递至数据库,以便主计算机实时控制。Tekinspec2000由光学扫描分系统、图形处理和图形识别高速电子系统、68000计算机等组成。检测速度达每秒近百个器件,分辨力0.1mm。可用于贴装机实时控制检测,也可以脱机方式通过报告软件进行产品性能分析和反馈。摄像机为2048线形CCD阵列,以45°方向对基板进行扫描,从而可由两台摄像机观察元器件四周,读取数据,由专用的高速图像电子处理系统处理,以确定元器件贴装位置和焊点,并计算相对于存储在磁盘上的理论位置的误差,确定是进行贴装还是剔除。应用时仅需详细给出焊点尺寸、元件尺寸与方向,元器件类型等贴装参数。数据可键盘送入,也可将CAD设计中有关数据直接送入。OMRONVT系列AOI产品包含高档VT-WIN系列、中档VT-RBT系列、桌面型VT-MUS系列。高档VT-WIN系列采用红、绿、兰三色光,3CCD镜头,7种分辨力,能检测各种组装故障和细间距引脚焊接质量,采用WINDOWNT操作系统。VT-RBT系列采用橙、兰两色光,用于再流焊前后对位置和焊点的检测,以及焊膏印刷检测,采用WINDOWNT操作系统。VT-MUS系列采用“彩色高亮度”专利技术,能检测到传统白色光源设备无法检测的焊点形状,为多品种、小批量产品组装质量检测而设计。3aoi技术在smt中的应用3.1图形件的制造在SMT中应用的AOI技术,图形识别法已成为应用主流。这是由于在SMT中应用的AOI技术主要检测对象中,表面组装元器件、PCB电路、焊膏印刷图形、完成组装后的组件等的规格、种类都很多,而且发展变化很快,相应的设计规则、标准很难全面跟上。为此,基于设计规则的DRC法应用起来较困难。而计算机技术的快速发展,解决了高速图形处理难题,使图形识别法更易实用化。目前,各种各样的图形识别法AOI技术在SMT中的应用越来越广。3.2智能aoi的建立AOI技术向智能化方向发展是SMT发展的必然要求。这是由于在SMT的微型化、高密度化、快速组装化、品种多样化发展特征下,检测信息量大而复杂,无论是在检测反馈实时性方面,还是在分析、诊断的正确性方面,依赖人工对AOI获取的质量信息进行分析、诊断几乎已经不可能。为此,代替人工进行自动分析、诊断的智能AOI技术成为发展的必然。图7所示为一种采用焊点形态图形识别