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AOI技术资料

     什么是AOI  
   AOI全称是Automatic Optic Inspection（自动光学检测），是基于光学原理来对焊接生产中遇到常用缺陷进行检测设备。

     为什么要用AOI
  为了进行质量控制，在SMT生产线上要进行有效检测。
  2.1 SMT生产线上通惯用到检测办法
   1）人工目检
  用人眼来检测电路板焊接完毕先后其上各元件与否对的、与否连焊、焊锡与否适当。人工目检普通位于贴片机后或回流炉后第一种工位。
   2）在线测试（ICT）
通过对电性能检测，判断元件与否到位，与否焊接良好。在线测试位置普通位于回流炉后，人工目检之后。
   3）功能测试（FUNCTIONAL TESTING）
在生产线末端，运用专门测试设备，对电路板功能进行全面测试，用以确认电路板好坏。
  2.2 惯用办法缺陷
  人工目检是最以便、实用、适应性最强一种。由于从原理
  上说，设计好电路板，只要其上元件类型、位置、极性所有对的，并且焊接良好话，其性能就应当符合设计规定。但是由于SMT工艺提高，及各种电路板构造尺寸需要，使电路板组装向着小元件、高密度、细间距方向发展。受自身生理因素限制，人工目检对这种电路板已很难进行精确、可靠、重复性高检测了。
  由于ICT需要针对不同电路板制作不同模板，制作和调试周期  较长，故只合用于大批量生产。

  功能测试需要专门设备及专门设计测试流程,故对绝大多数电路板生产线并不合用。
  2.3 AOI长处
  编程简朴
  AOI普通是把贴片机编程完毕后自动生成TXT辅助文本文献转换成所需格式文献，从中AOI获取位置号、元件系列号、X坐标、Y坐标、元件旋转方向这5个参数，然后系统会自动产生电路布局图，拟定各元件位置参数及所需检测参数。完毕后，再依照工艺规定对各元件检测参数进行微调。
  操作容易
  由于AOI基本上都采用了高度智能软件，因此并不需要操作人员具备丰富专业知识即可进行操作。
  故障覆盖率高
  由于采用了高精密光学仪器和高智能测试软件，普通AOI设备可检测各种生产缺陷，故障覆盖率可达到80%。
  减少生产成本
  由于AOI可放置在回流炉前对PCB进行检测，可及时发现由各种因素引起缺陷，而不必等到PCB过了回流炉后才进行检测，这就大大减少了生产成本。

  三．AOI种类及重要生产厂家
  3.1 AOI种类
      由于设计思路及性能不同，AOI系统可大体分为如下几
      种：
  1) 按图象拾取设备分类：
   ① 使用黑白CCD摄像头
   ② 使用彩色CCD摄像头
   ③ 使用高辨别率扫描仪
  2）按测试项目分类：
   ① 重要检测焊点
   ② 重要检测元件
   ③ 元件和焊点都检测
  3）按设备构造分类
   ① 需要气源供气
   ② 不需气源供气
  4）按测试时相对运动方式分类
   ① 电路板固定，摄像头或扫描仪移动
   ② 摄像头和电路板各往一种方向运动
   ③ 摄像头固定，电路板进行两个方向运动
  3.2 AOI三种机型：
  结合以上各种配备，形成了重要三种机器类型：
回流炉前无气源，电路板固定，元件检测为主，连焊检测为辅。
回流炉后使用，需要气源，电路板动，进行元件、焊点、连焊检测。
可兼容以上两项检测，无气源，电路板固定不动。
  3.3 AOI重要生产厂家
  AOI重要生产厂家有英国DiagnoSYS,美国Teradyne，
  日本OMRON,以色列Orbotech,爱尔兰MVT等公司。我
  们这里重要简介一下英国DiagnoSYS公司VisionPoint。

  四．VisionPoint工作原理及特点
  VisionPoint是由英国DiagnoSYS公司开发、研制、生产用于印制电路板（PCB ）元件贴装生产中进行非接触式检测自动光学检测（AOI）设备。VisionPoint可以对元件和焊点进行检测，不需要气源，检测时电路板固定不动，摄像头移动。VisionPoint可在回流炉前和回流炉后进行检测，也可对连接器这样手动贴片进行检测。
   4.1 VisionPoint能检测错误类型
VisionPoint能对SMT生产过程中经常遇到如下问题进行检测：
   A类：元件丢失 
   错件 
   元件偏移 
   元件极性错误 
   互换元件检查 
   碑立
   B类：焊锡局限性
        焊锡过量
        脚上翘
   C类：连焊
   4.2  VisionPoint对各类缺陷进行检测原理
     1) 对于A类缺陷：
  绝大多数元件均有一种标记，如IC上文字、贴片电阻文字、贴片电容颜色、极性元件极性标志等。因而，在鉴别此类缺陷时，可通过对标记检测来进行判断。
  详细办法为：
  在进行实际检测前，需要从原则元件上拾取模板。依照模板尺寸，计算机自动将其等分为各种象素，计算机把每个象素对光照（黄色LED照明矩阵）反射强度量化为256级灰度（0～255）中一级，并记录出整个模板所包括象素及各自相应灰度值。
　 在实际检测时，计算机同样拾取元件图象，并量化各象素灰度，将之与原先模板进行一一相应比较，最后依照总重叠限度得出检测分值（1000为完全重叠，0为完全不重叠）。可依照SMT工艺及元器件供应商状况来拟定元件通过检测分值。例如650为通过度值，则当检测分值为600时，系统以为有缺陷，并记录报警。
   在检测完毕后，依照实际规定，可以选取直接送出有缺陷PCB，也可在VisionPoint上直接观测缺陷状况并进行缺陷定义，以便SPC报表记录输出。
A类缺陷在标记测试中分值变化明显，测试效果明显。
   2）对于B类缺陷：
   该类缺陷属于焊接缺陷。
在焊接良好状况下，焊锡应分布在元件管脚和焊盘之间位置。由于元件管脚存在高度，焊锡分布应为斜坡状。于是，垂直向下光线（红色LED照明矩阵）照到焊锡后便被侧向反射了。体当前摄像头中图象，便是黑色。而焊盘及管脚无焊锡部位则为发亮白色。
依照工艺规定，事先设定焊锡检测区域，并设定白色所占区域比例，从而鉴别出与否存在焊接缺陷。
   3）对于C类缺陷：
   元件如果是较好地焊接在焊盘上，则各个管脚间是良好隔离。如果管脚连焊或有异物，良好间隔将被破坏。
   在固定光源（黄色LED照明矩阵）照射下，如果摄像头捕获到IC管脚有明显均匀明、亮间隔，这阐明各管脚之间是良好隔离，否则管脚有连焊或管脚间有异物。通过事先设定管脚间距，并设立测量容许误差，系统便会自动鉴别管脚与否连焊或有异物。
   4.3 VisionPoint设备特点如下；
   1) CCD摄像头
    不同高度垂直布置了3个CCD摄像头。
摄像头1相对被测PCB高度最高，可测面积也最大，为32mm×27mm，放大倍率为4.75，可测元件应不不大于0805封装。
   摄像头2相对被测PCB高度另一方面，可测面积为15mm×12mm，放大倍率为9.5，可测元件为0402及0603封装。
   摄像头3相对被测PCB高度最低，可测面积最小，为9mm×7mm，放大倍率为14.5，可测元件为0201封装。
   2）CAD编程
  将贴片机生成包括元件位号、系列号、X和Y坐标、旋转角度、封装形式文本文献通过EXECL软件直接转换成供编程使用CXF文献，时间短，可靠性高。编程时，类似贴片机工作，VisionPoint能按照CAD文献内容自动完毕所需项目设立。
   3）容许最大元件高度
   75mm（100mm可选）
   4）测试时间
   摄像头单次可测面积为一种框格（Frame），每个框格解决时间为0.25秒。如系统将被测PCB分为N格，则测试时间为N×0.25秒。
   由于所选摄像头不同，故测试时间应依照摄像头相应测试面积估算。
   5）在SMT生产线使用位置
依照测试不同规定，可分别放在回流炉前，回流炉后及人工插件后使用。
   6）构造简朴
   VisionPoint设备构造简朴，只由摄像、传送、主机三某些构成。各某些相对独立，使维护、保养和维修工作难度降到了最低。如发生设备故障，只需更换相应零件即可，而不会影响设备完整性。

  五．VisionPoint技术指标和规格
  5.1 PC 
     CPU:Pentium III 500MHz 
     操作系统：Windows NT
     内存：256M RAM
     硬盘：6.4G
     软驱：ZIP
     Modem：56K
  5.2 X-Y平台
     调节精度：24微米（5微米可选）
     可测最大电路板尺寸：400mm×450mm
     最大高度间隔：75mm（可选100mm）
     光线照明：角度和顶部
     摄像头：3个CCD（可选4个）
  5.3传播系统
     长：1.5m
     最大可调宽度：450mm
     原则：SMEMA
  5.4测试速率
     最快：每分钟1500个元件
  5.5 占地面积
      1.5m×1.5m
  5.6 电源
      110V 10A单相或220V 5A单相
  5.7 重量
      净重：750Kg
5.8 外部设备
      返修站：用于返修由Vision Point检测出有缺陷电路板
      输入输出叠式存储器
      打印机
      网络存储器
      数据记录
  5.9 可检测类型
      元件丢失 
      错件 
      元件偏移 
      元件极性错误 
      互换元件检查 
      碑立
      焊锡局限性
      焊锡过量
      脚上翘
      连焊

如何选取在SMT生产线放置AOI系统位置

有各种检查和测试办法使用在电子工业中。视觉检查办法是最普通和低成本，但非常依托操作员。X射线办法成本高、速度慢，能力有限。自动光学检查(AOI, automated optical inspection)速度较快但价格昂贵。在线测试(ICT, in-circuit test)和功能测试有时也作检查工具使用，但其能力也是有限。本文，我将讨论视觉和AOI办法。

视觉检查
　　最普遍和广泛使用检查办法是视觉检查，使用2~10倍放大镜或显微镜。J-STD-001规定对于引脚间距不不大于0.020"所有元件使用2~4倍检查。对于引脚间距0.020"或如下密间距元件规定10倍放大系数。更高放大系数应当只用作参照。

　　视觉检查重要问题是，决定于操作员，因而，是主管。例如，如果相似装配给不同检察员，她们将报告不同品质水平。对这个状况一种普通反映是减少人为因素，转向众多自动检查系统中一种。

自动光学检查(AOI)
　　由于电子工业元件进入到更密间距个球栅阵列(BGA)元件，锡点视觉检查已经变得或者很困难或者不也许。尚有，如前面所讨论，甚至是在可行时候，视觉检查也是非常取决于操作员。因而，工业已经转移到自动检查系统。市场上有许多系统，价格范畴很大。新机器不断简介到市场。

　　在选取所需机器时，你需要决定你想要AOI系统作什么。例如，你想机器指出丢失元件、元件极性、贴装精度、锡膏印刷或焊点品质吗？重要是记住，多数AOI机器当用来确认错误极性或丢失元件时工作正常，但用来精准地确认焊锡点品质也许是具挑战性。

　　不论使用哪一种设备类型，普通AOI系统规定应当涉及精度、可重复性、速度、计算机辅助设计(CAD)兼容性、和误失效与误接受(当使用机器作锡点品质检查时一种非常普遍问题)。

　　有时，错误以为自动检查系统可用来过程控制，通过变化恰当变量来实时地纠正缺陷。对于大多数系统，当前这也许是有但愿想法，由于许多需要防止问题变化都规定人为干预。

　　实时地控制焊接点品质唯一办法是，如果焊接与检查系统集成在一起。用这样一种集成系统，焊接点或者停止或者继续，取决于单个焊接点热量输入规定。在在老式回流焊接工艺如对流中简直不也许。当前，具备闭环检查特性激光焊接系统可以买得到，来达到这一目的。

　　可是，没有真正可以指出一种给定缺陷和确认其因素系统。缺陷分析也许规定人为干预和工程判断。例如，自动检查系统很大限度上依托焊点质量和密度(少锡、多锡或无锡)。可是，有不止一种因素缺陷也许永远不能只放入这三类中一类，以满足自动检查系统需要。少锡也许由空洞、焊接圆角局限性或锡膏局限性所引起。对这些缺陷改进行动是不同，需要人为判断和干预。

检查主导思想
　　有两种检查主导思想：缺陷防止或缺陷发现。恰当办法应当是缺陷防止，由于其重点是在过程控制和通过实行改正行动来消除缺陷。在这样一种办法中，AOI机器或者放在SMT生产线锡膏印刷机之后，或者放在元件贴装之后。

　　使用发现哲学人把检查机器放在SMT线很后方 - 在回流焊接炉之后。这是制造工艺中最后环节，以保证没有坏品逃出工厂。

　　从主导思想上说，许多人不认同检查防止办法。如果你批准这个思想，那么你应当在生产线哪里放置AOI系统呢？

　　第一种选取是将AOI系统放在锡膏印刷正背面。由于许多缺陷与锡膏量和印刷品质关于，这是AOI系统一种好位置。这样一种系统应当监测什么呢？只有锡膏X-Y尺寸，涉及误印或锡膏体积(X-Y-Z)？锡膏体积测量将比X-Y测量慢，但提供更有用数据。这个在某些应用中比其他应用更为核心。例如，对于陶瓷排列包装，锡膏体积对达到所但愿焊点品质非常核心。

　　第二个选取是把AOI系统直接放在射片机之后。这里，可检查误放或放错小元件，涉及电阻和电容，以及BGA和密间距元件锡膏品质与体积，这些元件是用生产线内射片机之后不同贴片机贴装。使用其视觉能力，它们普通对较大包装有更好精度。

　　第三个选取是将AOI系统放在密间距和BGA贴装机器背面(回流之前)，来检查误放密脚、BGA和其他大元件。这是一种好位置，由于大多数缺陷与密脚元件关于。这些是对于防止哲学主张者选取。

　　如果你集中在发现办法，你有第四个选取 - 将AOI系统放在回流焊接之后，查找品质差焊点。这对于那些想要保证不可接受焊点在发货给最后顾客之前发现到公司是一种好办法。

　　第五个选取是结合使用防止和发现两者思想，将AOI系统放在每一种工艺环节之后 - 锡膏印刷、射片机、BGA和密脚贴装、和回流焊接。这个选取也许是供不起。

　　多数人有有限预算，必要决定在SMT线哪里放置系统。如果只购买一台AOI系统，你也许想要把它直接放在射片机之后，你可以检查两个重要问题 - 较小元件误贴装或错误和BGA与密脚元件锡膏品质与体积。尚有，这是决定整个品质最核心位置。

结论
　　锡点检查是一种事后环节。一种更有效办法是采用防止办法。即，实行过程控制来保证问题不发生。这与否意味着检查不必要呢？完全不是。检查将不得不继续完毕缺陷收集反馈，以监测工艺过程和实行改进行动，因而问题不会发生。 

　　RAY P. PRASAD is an SMT Editorial Advisory Board member and author of the textbook Surface Mount Technology: Principles and Practice. Additionally, he is president of BeamWorks Inc. (.com), a supplier of selective automated assembly systems, located in Portland, OR and founder of the Ray Prasad Consultancy Group, which specializes in helping companies establish strong internal SMT infrastructure. Contact him at P.O. Box 219179, Portland, OR 97225; [phone] or [phone]; Fax [phone]; Web site: .com

评估与选取一种AOI解决方案
对系统检查规定涉及，以装配线速度100%视觉缺陷覆盖、迅速编程时间、低错误标记率、迅速转换、可靠运营、以及精确、可重复和持续成果。但是公司也有某些影响AOI评估与选取特殊需求。

　　回流焊后及之外
　　寻找一种单一AOI系统，来跨越回流焊接和波峰焊接、手工插件、和最后检查等阶段。回流焊后检查表涉及检查丢失、方向错误和多余元件；元件歪斜；竖立元件；翘起引脚；锡桥；少锡或多锡；锡球；表面缺陷；通孔元件引脚；和金手指污染。
　　所选取系统**涉及如下特性：
　　移动相机与移动板。评估过程特别集中在相机移动AOI机器。公司以为，相机固定和板架移动机器也许在检查期间将歪斜元件“踢开”。为了减少这个危险，只对板静止和相机移动AOI机器进行评估。这样安排容许整个机器占地面积较小。例如，为了解决24"宽板，接纳板在固定相机下移动机器规定48"最小宽度加上解决和移动机构所需额外空间。比较之下，移动相机机器不规定太大宽度，这样容许缩小机器宽度，使整体占地面积更小。
　　板特性。决策过程中板尺寸与高度是核心因素 - 订购大、重、高价品电路板是常用。板尺寸(与托架)可达 24 x 24" ，重量 11 lb。元件高度可达2.5"；包装尺寸为0603以上。AOI设备也需要在压入配合先后，接纳高密度1000个引脚输入/输出(I/O)连接器。
　　供应商伙伴关系。最后一种原则是找到一种考虑成为伙伴关系供应商。公司但愿很高承约水平与支持，作为评估AOI供应商核心因素。重要因素就是要进入产品发展周期，和保证其规定得以满足。

　　AOI解决方案
　　这个AOI评估使得该EMS提供商选取到一种满足其所有原则和规定系统。所选取系统具备如下设计性能：
　　构造性灯光为每个清晰检查提供专用照明，即，通过角度、方向和强度来调节灯光。构造灯光检查轮廓镜面表面，如新焊点，揭示真正焊接点轮廓。
　　该制造商系统使用多达400个单独控制发光二极管(LED)安装在一种精密阵列中，所有聚焦在视觉区。照明头LED可为每一种相机检查类型，编程提供光最佳构造、角度、方向和强度。不象单个氙闪光管或荧光灯，成百LED提供可靠焊接点检查所需要照明灵活性，同步控制光源保证可重复缺陷检查。照明使用各种视区以接纳不同尺寸元件。
　　相机。高速视频相机与内置电路板弯曲补偿，检查电路板目的区域。一种相机定位于直接下看，而其他相机均有角度。随着优化检查软件运算法则运用到看到区域，相机检查元件或焊锡点表面。角度相机是检查许多缺陷所必要、对那些遮挡垂直相机焊接点检查区域是不可少，如 J 型引脚焊点、锡桥和开路。尚有，如果没有角度相机，普通不也允许靠地检查到抬起QFP引脚。
　　机械系统。精密线性马达提供长期机械可靠性与可重复性。图形子系统在X/Y轴上移动，而板保持静止。这消除了板与图形振动和稳定期间。
　　图形分析运算法则。使用通过证明运算法则进行进一步分析，并不牺牲产量。一种窗口或“瞬态图”把特殊检查原则应用到窗口内区域，以构造照明突出缺陷，并简化所规定分析。表二显示窗口分类(运算法则类型)和它们如何用于检查。
　　图形抓拍与分析体系构造容许在一次单一高速掠过板面中得到每个视区10个图象。在这次掠过中得到每个元件各种图象，消除了再次扫描需要。一种高速、直接到内存子系统将图象直接输入内存，容许计算机进行详细图形分析，而对机器产量无影响。AOI将所有扫描图形保存在内存中，容许扫描期间同步分析，加速整个机器运转。
　　扫描与图形分析是与元件密度或焊接点数无关，这容许对不同板类型一致机器输出。AOI系统通过度立智能外围控制器控制马达、光和相机，支持高速、一致图形数据解决。外围控制器精准地同步系统运营，保证准拟定位和可重复性。
　　软件。所选取AOI系统使用基于 Windows NT 软件来编制程序，优化和确认。确认检查程序覆盖范畴性能曲线提供在发放到生产之前缺陷覆盖与程序稳定性。建立已知边界消除不必要程序调节和导致错误标记控制因素。每个包装类型原则和顾客化库模块缩短了包括特有元件在内新检查程序开发。
　　最后，记录过程检测软件通过测量多块板缺陷分布数量实现过程稳定性，通过检测检查合格与失效成果来显示过程趋势。修理工位软件向操作员显示电路板特定失效数据，以及收集操作员修理数据、行动和阐明。

表2：
AOI图形分析运算法则 
窗口类型            运算法则类型           检查中角色 
存在/不存在         变量或平均          缺陷：如果元件有(或没有)
                                                            通过：如果灯水平高过界限  
相反逻辑             变量或平均         与存在/不存在窗口相反，
                                       即：如果水平低于界限，通过 

锡桥                 持续性*                   检查焊锡短路，
                                         如果光标横穿窗口，失效 

空洞                 持续性*                  检查焊锡间隙与偏斜
                                        与锡桥窗口相反  

查找                 有关性             检查之前找到元件位置，
                                        也为SPC贴装数据测量元件位置 
                                        * 垂直或水平