L'ispezione ottica automatizzata (AOI) è il metodo principale senza contatto per verificare la qualità dell'assemblaggio del circuito stampato (PCBA) confrontando le immagini acquisite con parametri definiti o una "scheda dorata". Funge da gatekeeper critico nelle linee SMT (Surface Mount Technology), rilevando difetti come disallineamento dei componenti, parti mancanti e ponti di saldatura prima che le schede passino ai test funzionali. Padroneggiare le nozioni di base dell'AOI garantisce ai produttori di individuare tempestivamente il 90% o più dei difetti visibili, riducendo i costi di rilavorazione e prevenendo guasti sul campo.
Risposta rapida (30 secondi)
- Regola fondamentale: Lo spostamento dei componenti non deve superare il 50% della larghezza del cuscinetto per la Classe IPC 2 o il 25% per la Classe IPC 3.
- Intervallo critico: La risoluzione della telecamera deve essere impostata tra 10 µm e 15 µm per pixel per ispezionare in modo affidabile i componenti 0201 o 01005.
- Insidia comune: Affidarsi esclusivamente all'AOI 2D per l'ispezione BGA; Il 2D non può vedere i giunti di saldatura nascosti sotto il corpo del pacchetto.
- Verifica: utilizzare una scheda con difetti noti (artefatto di verifica) con almeno 10 tipi di errori simulati (ad esempio, rimozione definitiva, corto, mancante) per convalidare quotidianamente il rilevamento della macchina.
- Caso limite: I componenti altamente riflettenti (come alcuni LED o lattine metalliche) spesso attivano false chiamate a causa del riflesso dell'illuminazione; utilizzare l'illuminazione polarizzata o l'AOI 3D per compensare.
- Suggerimento DFM: assicurarsi che le impronte dei componenti nei dati CAD corrispondano esattamente alle parti fisiche; una mancata corrispondenza di 0,5 mm nella definizione della libreria causa persistenti falsi scarti.
In evidenza
- Copertura difetti: Rileva difetti superficiali visibili tra cui polarità, disallineamento, bagnatura e testo (OCR).
- Velocità e precisione: Le velocità di ispezione tipiche vanno da 20 a 40 cm²/sec a seconda delle impostazioni di risoluzione.
- Tasso di chiamate false: Un processo AOI ben ottimizzato mira a un tasso di chiamate false inferiore a 500 PPM (parti per milione).
- Importanza dell'illuminazione: L'illuminazione LED multi-angolo (rosso/verde/blu) è essenziale per distinguere tra rame, saldatura e serigrafia.
- Funzionalità 3D: L'AOI 3D misura l'altezza (asse Z), fondamentale per rilevare conduttori sollevati e problemi di complanarità > 150 µm.
- Integrazione: i dati AOI spesso vengono inseriti nel controllo statistico del processo (SPC) per individuare l'andamento dei tassi di difetto in tempo reale.
Contenuto
- Definizione e ambito (cos'è e cosa non è)
- Regole e specifiche (parametri chiave e limiti)
- Passaggi di implementazione (checkpoint del processo)
- Risoluzione dei problemi (modalità di errore e correzioni)
- Come scegliere (decisioni di progettazione e compromessi)
- FAQ (costi, tempi di consegna, materiali, test, criteri di accettazione)
- Glossario (Termini chiave)
- Richiedi un preventivo (revisione DFM + prezzi)
- Conclusione (passi successivi)
Definizione e ambito (cos'è e cosa non è)
Per comprendere le nozioni di base dell'AOI è necessario definire esattamente dove si inserisce questa tecnologia nella linea di produzione. È un metodo di ispezione ottica, il che significa che si basa sulla linea di vista.
Si applica quando:
- Assemblaggio SMT: Verifica del posizionamento e della saldatura di resistori su chip, condensatori, circuiti integrati e connettori.
- Ispezione post-rifusione: Controllo finale dei criteri del giunto di saldatura dopo il forno per garantire la bagnatura e la formazione del raccordo.
- Ispezione pre-rifusione: controllo del posizionamento della pasta e del componente prima della saldatura per evitare difetti difficili da correggere.
- Saldatura a onda: Ispezione del lato inferiore del PCB per verificare la qualità del giunto di saldatura a foro passante (cortocircuiti, salti).
- Ispezione 2D e 3D: Convalida delle dimensioni X, Y e Z (altezza) dei componenti e dei raccordi di saldatura. Non si applica quando:
- Giunti nascosti: Non è possibile ispezionare i giunti di saldatura sotto i Ball Grid Array (BGA) o i pad termici QFN (richiede Ispezione a raggi X).
- Funzione elettrica: Non verifica se il componente funziona elettricamente o se il firmware è caricato (richiede ICT o FCT).
- Strati interni: Non è in grado di rilevare cortocircuiti o aperture dello strato interno all'interno del laminato PCB (richiede E-Test durante la fabbricazione).
- Invasatura/Rivestimento: Una volta che una tavola viene rivestita o invasata in modo conforme, l'efficacia dell'AOI diminuisce in modo significativo a causa di riflessi e oscuramento.
Regole e specifiche (parametri chiave e limiti)
La tabella seguente illustra i parametri critici per l'impostazione e la valutazione delle prestazioni dell'AOI. Il rispetto di questi limiti garantisce che il processo di ispezione sia robusto e riduca al minimo le fughe (difetti che lasciano la fabbrica).
| Regola | Valore/intervallo consigliato | Perché è importante | Come verificare | Se ignorato |
|---|---|---|---|---|
| Spostamento componente (X/Y) | < 50% della larghezza del tampone (Classe 2) < 25% della larghezza del tampone (Classe 3) |
Garantisce un contatto elettrico e una stabilità meccanica sufficienti. | Misura la distanza dal centro del pad al centro del componente in modalità debug AOI. | Rischio di circuiti aperti o giunti deboli che si guastano sotto le vibrazioni. |
| Rotazione del componente (inclinazione) | < 10 gradi (Componenti chip) < 2 gradi (IC a passo fine) |
Una rotazione eccessiva riduce l'area di contatto di saldatura e rischia di creare ponti. | Controlla il delta dell'angolo nelle impostazioni dell'algoritmo AOI rispetto alle coordinate CAD. | Elevato rischio di ponti su piazzole adiacenti per circuiti integrati a passo fine. |
| Altezza raccordo di saldatura | Dal 25% al 100% dell'altezza della terminazione del componente | Indica il corretto volume di bagnatura e saldatura. | Utilizza la misurazione dell'altezza AOI 3D o le visualizzazioni della telecamera ad angolo laterale. | Una saldatura insufficiente porta alla rottura dei giunti; la saldatura in eccesso causa problemi di rigidità. |
| Complanarità (piombo sollevato) | Deviazione < 100 µm (0,10 mm) | Assicura che tutti i cavi entrino in contatto con la pasta saldante durante il riflusso. | Triangolazione laser 3D AOI o proiezione di frange Moiré. | Circuiti aperti su pin specifici di un circuito integrato (ad esempio QFP, SOP). |
| Rilevamento ponte/cortocircuito | Gap di 0 µm (Continuità tra reti distinte) | Il ponte di saldatura provoca un guasto elettrico immediato. | L'algoritmo controlla la presenza di saldature nello spazio tra i pad. | Tavola morta; potenziali danni ai componenti all'accensione. |
| Componente mancante | Controllo presenza al 100% | Requisito fondamentale di assemblaggio. | Corrispondenza di modelli o analisi dell'istogramma del corpo del componente. | La scheda non funziona completamente; successiva e costosa risoluzione dei problemi. |
| Controllo polarità | Abbinamento serigrafia/marchio fiduciario | Fondamentale per diodi, condensatori e circuiti integrati per prevenire danni da tensione inversa. | OCR (riconoscimento ottico dei caratteri) o corrispondenza delle caratteristiche sui contrassegni del corpo. | Esplosione di un componente o malfunzionamento del circuito. |
| Lapide | Tolleranza 0% (sollevamento verticale) | Il componente si trova su un'estremità, interrompendo il circuito. | Controllo altezza + assenza corpo componente nel piano orizzontale. | Circuito aperto; richiede una rilavorazione manuale. |
| Rilevamento sfera di saldatura | > 0,15 mm di diametro (tipicamente contrassegnato) | Le sfere di saldatura allentate possono spostarsi e causare cortocircuiti altrove. | Algoritmi di analisi dei blob in aree non pad. | Rischio di affidabilità; cortocircuiti che si verificano durante la spedizione o il funzionamento. |
| Tasso di chiamate false | < 500 - 1000 ppm | Un numero elevato di false chiamate rallenta la linea e desensibilizza gli operatori. | Esaminare i registri di "falso errore" rispetto a "vero errore" durante un turno. | Gli operatori possono avviare il passaggio automatico delle schede, lasciando sfuggire i difetti reali. |
Fasi di implementazione (checkpoint del processo)
L'implementazione di un solido processo di ispezione AOI implica molto più che la semplice accensione della macchina. Segui questi passaggi per integrare efficacemente AOI nella riga assemblaggio SMT.
Preparazione e importazione dei dati
- Azione: Importa i dati Pick and Place (XY) e i file Gerber nel software AOI.
- Parametri chiave: Garantire che la corrispondenza dell'unità di misura (mm vs. mil) e il riferimento di rotazione (0/90/180/270) siano coerenti con la libreria della macchina.
- Verifica di accettazione: verifica che tutte le posizioni dei componenti sulla mappa virtuale siano allineate con i pad fisici della scheda.2. Creazione della tavola d'oro
- Azione: Scansiona una scheda nota come "buona" per insegnare alla macchina le caratteristiche visive di giunti e componenti accettabili.
- Parametri chiave: Utilizzare una scheda con volume di saldatura standard; evitare schede con ritocchi saldati a mano per il campione principale.
- Verifica di accettazione: La macchina dovrebbe superare questa scheda il 100% delle volte senza false chiamate.
Ottimizzazione dell'algoritmo e corrispondenza della libreria
- Azione: Assegna algoritmi di ispezione (ad esempio, ispezione del piombo, controllo del corpo, corrispondenza dei colori) a ciascun tipo di confezione di componenti.
- Parametri chiave: Imposta le finestre di tolleranza per luminosità (scala 0-255) e posizione (+/- da 0,1 mm a 0,3 mm).
- Verifica di accettazione: Verificare che l'algoritmo identifichi correttamente il corpo del componente e il menisco di saldatura.
Ottimizzazione dell'illuminazione
- Azione: configura l'illuminazione multi-angolo (principale, laterale, coassiale) per evidenziare caratteristiche specifiche.
- Parametri chiave: Luce ad angolo elevato per superfici piane (marcature); Luce ad angolo basso per elementi 3D (raccordi di saldatura, conduttori sollevati).
- Controllo di accettazione: I giunti di saldatura devono apparire distinti dalla piazzola del PCB; il testo sui chip dovrebbe essere leggibile.
Impostazione della soglia (sensibilità)
- Azione: regolare le soglie superato/fallito per bilanciare il rilevamento dei difetti con le chiamate false.
- Parametri chiave: Imposta la copertura minima dell'area di saldatura (ad esempio, >75% del pad) e la tolleranza massima di spostamento.
- Controllo di accettazione: Eseguire un "campione limite" (scheda con difetti marginali noti) per garantire che la macchina li segnali.
Verifica con scheda difetti
- Azione: Passare attraverso la macchina una scheda di prova con difetti intenzionali (parte mancante, cortocircuito, polarità errata).
- Parametri chiave: La scheda deve contenere almeno uno di tutti i tipi di difetti principali rilevanti per il ciclo di produzione.
- Controllo di accettazione: Zero fughe consentite. La macchina deve rilevare il 100% dei difetti intenzionali.
Formazione degli operatori e SOP
- Azione: Definire il modo in cui gli operatori gestiscono un segnale "Fail".
- Parametri chiave: Revisione della configurazione della stazione; strumenti di ingrandimento (microscopio) per la verifica manuale.
- Verifica di accettazione: Gli operatori devono classificare correttamente la "Chiamata falsa" rispetto al "Difetto reale" nel registro di sistema.
Ciclo di feedback continuo
- Azione: Collega i dati AOI alla stampante SMT e alle macchine pick-and-place.
- Parametri chiave: Analisi della tendenza dei valori di offset (ad esempio, spostamento coerente di 50 µm in X).
- Verifica di accettazione: Se viene rilevata una tendenza, la macchina a monte (stampante o montatore) viene regolata prima che si verifichino difetti.
Risoluzione dei problemi (modalità di errore e correzioni)
Anche con apparecchiature di fascia alta, i processi AOI possono deviare. Utilizza questa guida per diagnosticare problemi comuni in cui le nozioni di base dell'AOI si intersecano con le variabili del mondo reale.
1. Sintomo: elevato tasso di false chiamate sui giunti di saldatura
- Probabili cause: Variazione della riflessione dell'illuminazione, ossidazione sui cuscinetti o residui di flusso.
- Controlli: Ispezionare la finitura superficiale del giunto di saldatura (HASL rispetto a ENIG riflettono in modo diverso). Controllare le impostazioni dell'angolo di illuminazione.
- Correzione: Regola la soglia della "luminosità della saldatura" o passa a un canale di colore dell'illuminazione diverso (ad esempio, utilizza la luce rossa per un migliore contrasto sul rame).
- Prevenzione: Standardizzare le finiture superficiali dei PCB e le formulazioni delle paste.
2. Sintomo: "Componenti mancanti" sfuggiti
- Probabili cause: Il colore del componente corrisponde al colore della maschera PCB (ad esempio, componente nero su PCB nero).
- Controlli: Verificare la differenza di contrasto tra il corpo della parte e lo sfondo nell'algoritmo.
- Correzione: Utilizza l'ispezione dell'altezza 3D anziché il contrasto 2D. Se il 3D non è disponibile, utilizza l'illuminazione laterale per proiettare un'ombra.
- Prevenzione: le regole di progettazione dovrebbero evitare combinazioni di colori che nascondano i componenti o imporre l'AOI 3D per tali casi.3. Sintomo: false chiamate "ponte" sui circuiti integrati Fine Pitch
- Probabili cause: La cinghia della maschera di saldatura è assente tra i cuscinetti; l'abbagliamento del flusso sembra un ponte.
- Controlli: Controllare se il progetto PCB dispone di cuscinetti "definiti con maschera di saldatura" o "non definiti con maschera di saldatura". Cerca residui di flusso lucidi.
- Correzione: Ottimizza la "finestra di rilevamento del ponte" per renderla più stretta. Usa l'illuminazione polarizzata per ridurre i riflessi.
- Prevenzione: assicurarsi che la fabbricazione del PCB comprenda dighe di maschere di saldatura tra i pad a passo fine (larghezza minima di 3-4 mil).
4. Sintomo: segni di polarità non rilevati
- Cause probabili: I segni sono deboli, incisi al laser o variano in base al lotto/fornitore.
- Controlli: Confronta il lotto di componenti corrente con l'immagine della libreria.
- Correzione: Aggiorna la libreria con più immagini "alternative" per la stessa parte. Abilita la "corrispondenza delle caratteristiche" (ad esempio, bordo smussato) anziché solo il testo.
- Prevenzione: Specificare fornitori di componenti coerenti o richiedere un'ispezione in entrata per segnalare modifiche alla marcatura.
5. Sintomo: lapidi non rilevate
- Probabili cause: Il componente è in posizione verticale ma il profilo superiore sembra un posizionamento valido in 2D.
- Controlli: Rivedi l'immagine 2D dalla telecamera dall'alto verso il basso.
- Correzione: Questa è una classica limitazione 2D. Abilita il controllo dell'altezza 3D. Se solo in 2D, cerca l'"ombra" del componente in piedi.
- Prevenzione: utilizza l'AOI 3D per i componenti 0402 e inferiori.
6. Sintomo: superamento del valore della parte errata (ad esempio, resistore da 10k anziché 100k)
- Cause probabili: Entrambe le parti hanno le stesse dimensioni e colore; i segni sono troppo piccoli o sul fondo.
- Controlli: L'AOI non è in grado di leggere i valori elettrici. Può leggere solo testo visibile.
- Correzione: Se il testo è visibile, migliorare la risoluzione OCR. Se non c'è testo, AOI non può risolvere il problema.
- Prevenzione: Implementare test elettrici (ICT) o una rigorosa verifica dell'alimentatore (codici a barre) durante il caricamento.
7. Sintomo: effetti di ombreggiatura sui componenti alti
- Probabili cause: Condensatori alti che bloccano la luce sui piccoli resistori adiacenti.
- Controlli: Individua i "punti ciechi" nella mappa di ispezione.
- Correzione: Utilizza un sistema AOI con più telecamere laterali (proiezione a 4 o 8 direzioni).
- Prevenzione: Regola DFM: mantenere una spaziatura minima tra i componenti alti e quelli bassi (in genere > 0,5 mm o rapporto altezza 1:1).
Come scegliere (decisioni di progettazione e compromessi)
La scelta della giusta strategia di ispezione dipende dalla complessità del consiglio di amministrazione e dai requisiti di affidabilità.
Se disponi di componenti 0201 o 01005, scegli 3D AOI. I sistemi 2D hanno difficoltà a distinguere l'altezza del raccordo di saldatura su parti microscopiche. La misurazione volumetrica 3D è essenziale per l'affidabilità in questo caso.
Se stai assemblando semplici dispositivi elettronici di consumo (Classe 1), scegli AOI 2D. Per le schede a basso costo e a bassa complessità con componenti di grandi dimensioni (0603+), l'ispezione 2D è più rapida ed economica.
Se hai una produzione ad alto mix e a basso volume, scegli AOI offline. Le macchine offline sono più facili da riprogrammare e non fermano l'intera linea SMT durante il debug di un nuovo programma.
Se hai una produzione di massa di grandi volumi, scegli Inline AOI. I sistemi in linea si trovano direttamente sul trasportatore dopo il forno di rifusione, fornendo un feedback immediato alla linea per eliminare i difetti prima che se ne producano migliaia.
Se utilizzi componenti BGA o QFN, scegli AOI + X-Ray (AXI). AOI non riesce a vedere sotto il pacco. È necessario integrare l'AOI con ispezione a raggi X per verificare i giunti di saldatura nascosti.
Se disponi di connettori o schermature alti, scegli AOI con spazio elevato. Assicurarsi che la distanza dell'asse Z della macchina (in genere 25 mm - 50 mm) superi il componente più alto per evitare collisioni.
Se è necessario verificare la deposizione della pasta saldante, scegliere SPI (Solder Paste Inspection). Non fare affidamento sull'AOI post-riflusso per risolvere i problemi di incollaggio. Utilizza l'ispezione SPI prima del posizionamento dei componenti per individuare i problemi di volume alla fonte.
Domande frequenti (costi, tempi di consegna, materiali, test, criteri di accettazione)1. Qual è la differenza tra AOI e SPI?
L'SPI (ispezione della pasta saldante) avviene prima del posizionamento dei componenti e misura il volume della pasta. L'AOI avviene dopo il riflusso (di solito) e controlla il posizionamento dei componenti e la qualità del giunto di saldatura. Entrambi sono necessari per un sistema di qualità completo.
2. L'AOI può rilevare componenti elettricamente difettosi? No. AOI controlla solo le caratteristiche visive (forma, posizione, marcature, saldatura). Non è in grado di stabilire se un chip è danneggiato internamente o ha il firmware sbagliato.
3. Quanto tempo occorre per programmare una macchina AOI per una nuova scheda? Tipicamente da 2 a 6 ore a seconda della complessità. L'utilizzo dei dati CAD (coordinate XY) accelera significativamente il processo rispetto ai metodi di "apprendimento" manuali.
4. L'AOI sostituisce l'ispezione visiva manuale? Sì, per la maggior parte. L'AOI è più veloce e più coerente dell'occhio umano, che si affatica dopo 15 minuti. Tuttavia, sono ancora necessari esseri umani per verificare i “falliti” segnalati dall’AOI.
5. Qual è il tipico tasso target di chiamate false? Un processo di livello mondiale punta a < 500 PPM. Se il tasso è più alto, gli operatori potrebbero ignorare i difetti reali. Se è 0, è probabile che la sensibilità sia troppo bassa e si stanno verificando delle fughe.
6. AOI può ispezionare PCB flessibili? Sì, ma la macchina deve gestire la superficie non planare. Spesso sono necessari dispositivi per il vuoto o algoritmi specializzati per PCB flessibile per compensare la deformazione della scheda.
7. L'AOI 3D è sempre migliore dell'AOI 2D? Il 3D è migliore per la geometria (innesti sollevati, complanarità, scolpitura) ma è più lento e più costoso. Il 2D è spesso migliore per leggere il testo (OCR) e controllare i contrassegni di polarità.
8. Quale standard IPC regola i criteri AOI? Lo standard utilizzato è IPC-A-610 (Accettabilità degli assemblaggi elettronici). Le macchine AOI sono programmate per rilevare i difetti definiti in IPC-A-610 Classe 2 o Classe 3.
9. In che modo l'AOI gestisce l'"ombreggiamento" causato dai componenti alti? Le macchine moderne utilizzano sistemi multiproiettore o telecamere laterali a 8 direzioni per osservare "intorno" componenti alti. Il layout di progettazione dovrebbe tenere conto anche dell'accesso per l'ispezione.
Glossario (termini chiave)
| Termine | Significato | Perché è importante nella pratica |
|---|---|---|
| Tavola d'Oro | Un PCBA privo di difetti utilizzato per insegnare il sistema AOI. | Serve come riferimento di base; se il tabellone d'oro è cattivo, tutta la produzione verrà giudicata in modo errato. |
| Falsa chiamata (falso fallimento) | La macchina segnala un componente buono come difettoso. | Rallenta la produzione e fa perdere tempo all'operatore nel verificare la qualità delle schede. |
| Fuga (falso passaggio) | La macchina contrassegna una scheda difettosa come "Buona". | La modalità di guasto più pericolosa; invia un prodotto difettoso al cliente. |
| Algoritmo | La logica del software utilizzata per analizzare l'immagine (ad esempio, corrispondenza del modello, istogramma). | Componenti diversi richiedono algoritmi diversi per un rilevamento accurato. |
| OCR (riconoscimento ottico dei caratteri) | Capacità del software di leggere il testo sui corpi dei componenti. | Essenziale per verificare il valore e la polarità dei componenti. |
| FOV (campo visivo) | L'area che la fotocamera può vedere in una singola istantanea. | Un FOV più grande è più veloce ma potrebbe avere una risoluzione inferiore; compromesso tra velocità e dettaglio. |
| Obiettivo telecentrico | Una lente che elimina l'errore di parallasse. | Garantisce che i componenti sul bordo dell'immagine non sembrino "inclinati", consentendo una misurazione accurata. |
| Soglia | L'impostazione del limite numerico supera/fallisce (ad esempio, luminosità > 50). | La manopola di regolazione principale per gli ingegneri di processo per bilanciare le false chiamate e le fughe. |
| Complanarità | La differenza di altezza massima tra il passo più basso e quello più alto di un componente. | Fondamentale per BGA e circuiti integrati a passo fine; la scarsa complanarità porta a giunti aperti. |
Richiedi un preventivo (revisione DFM + prezzi)
Per un preventivo preciso che includa AOI completo e copertura dei test, fornisci i dati di progettazione completi. Il nostro team di ingegneri esamina ogni file per le linee guida DFM per garantire che la tua scheda possa essere ispezionata in modo efficace.* File Gerber: Formato RS-274X (tutti i livelli).
- File centrale (Pick & Place): Essenziale per programmare la macchina AOI (X, Y, rotazione, lato).
- BOM (distinta base): include i codici articolo del produttore per verificare i tipi di confezione.
- Disegni di assemblaggio: PDF che mostra la polarità dei componenti e le istruzioni speciali.
- Requisiti del test: Specificare se è richiesta l'ispezione IPC Classe 2 o Classe 3.
- Quantità: Il prototipo (1-10) rispetto alla produzione di massa (10k+) influisce sulla strategia di ispezione.