Автоматический оптический контроль (AOI) — это основной бесконтактный метод проверки качества печатной платы (PCBA) путем сравнения полученных изображений с заданными параметрами или «золотой платой». Он выполняет функцию важнейшего привратника на линиях технологии поверхностного монтажа (SMT), обнаруживая такие дефекты, как перекос компонентов, недостающие детали и перемычки припоя, прежде чем платы перейдут на функциональное тестирование. Освоение основ AOI позволяет производителям своевременно выявлять 90 % или более видимых дефектов, сокращая затраты на доработку и предотвращая сбои на местах.
Быстрый ответ (30 секунд)
- Основное правило: Смещение компонента не должно превышать 50 % ширины колодки для класса 2 IPC или 25 % для класса 3 IPC.
- Критический диапазон: Разрешение камеры должно быть установлено в пределах от 10 до 15 мкм на пиксель, чтобы надежно проверять компоненты 0201 или 01005.
- Распространенная ошибка: при проверке BGA следует полагаться исключительно на 2D AOI; 2D не позволяет увидеть скрытые паяные соединения под корпусом корпуса.
- Проверка. Используйте таблицу известных дефектов (артефакт проверки) с как минимум 10 типами смоделированных ошибок (например, надгробие, короткое замыкание, отсутствие) для ежедневной проверки обнаружения машины.
- Пограничный случай. Компоненты с высокой отражающей способностью (например, некоторые светодиоды или металлические банки) часто вызывают ложные вызовы из-за яркого света; для компенсации используйте поляризованное освещение или 3D AOI.
- Совет DFM: Убедитесь, что посадочные места компонентов в данных САПР точно соответствуют физическим частям; несоответствие в определении библиотеки на 0,5 мм приводит к постоянным ложным отклонениям.
Основные моменты
- Покрытие дефектов: Обнаруживает видимые дефекты поверхности, включая полярность, перекос, намокание и текст (OCR).
- Скорость и точность: Типичная скорость проверки варьируется от 20 до 40 см²/сек в зависимости от настроек разрешения.
- Частота ложных вызовов. Хорошо настроенный процесс AOI обеспечивает частоту ложных вызовов ниже 500 ppm (частей на миллион).
- Важность освещения: Многоугольное светодиодное освещение (красное/зеленое/синее) необходимо для различения меди, припоя и шелкографии.
- Возможности 3D: 3D AOI измеряет высоту (ось Z), что критически важно для обнаружения поднятых отведений и проблем с копланарностью > 150 мкм.
- Интеграция. Данные AOI часто передаются в систему статистического управления процессами (SPC), чтобы отслеживать уровень дефектов в режиме реального времени.
Содержание
- Определение и область применения (что это такое, чем не является)
- Правила и спецификации (ключевые параметры и ограничения)
- Этапы реализации (контрольные точки процесса)
- Устранение неполадок (режимы сбоев и исправления)
- Как выбрать (дизайнерские решения и компромиссы)
- Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, материалы, тестирование, критерии приемки)
- Глоссарий (ключевые термины)
- Запросить цену (обзор DFM + цены)
- Заключение (следующие шаги)
Определение и область применения (что это такое, чем не является)
Понимание основ AOI требует точного определения места этой технологии в производственной линии. Это оптический метод контроля, то есть он основан на прямой видимости.
Применяется, когда:
- Сборка SMT: Проверка размещения и пайки микросхемных резисторов, конденсаторов, микросхем и разъемов.
- Проверка после оплавления: Окончательная проверка критериев паяного соединения после печи на предмет смачивания и образования галтелей.
- Проверка перед пайкой: Проверка размещения пасты и расположения компонентов перед пайкой для предотвращения трудноустранимых дефектов.
- Пайка волной: Проверка нижней стороны печатной платы на предмет качества паяного соединения сквозных отверстий (короткие замыкания, пропуски).
- 2D- и 3D-контроль: Проверка размеров X, Y и Z (высота) компонентов и галтелей припоя. Не применяется, если:
- Скрытые соединения: он не может проверять паяные соединения под решетчатыми шариками (BGA) или термопрокладками QFN (требуется Рентгеновский контроль).
- Электрическая функция: Не проверяется, работает ли компонент электрически или загружена ли прошивка (требуется ICT или FCT).
- Внутренние слои: Он не может обнаружить замыкания или разрывы внутреннего слоя внутри ламината печатной платы (требуется электронное тестирование во время изготовления).
- Заливка/покрытие: После того, как на плату нанесено конформное покрытие или заливка, эффективность AOI значительно падает из-за отражений и затемнения.
Правила и спецификации (ключевые параметры и ограничения)
В следующей таблице приведены критические параметры для настройки и оценки производительности AOI. Соблюдение этих ограничений обеспечивает надежность процесса контроля и сводит к минимуму утечки (дефекты покидают завод).
| Правило | Рекомендуемое значение/диапазон | Почему это важно | Как проверить | Если игнорировать |
|---|---|---|---|---|
| Сдвиг компонента (X/Y) | < 50 % ширины площадки (Класс 2) < 25 % ширины площадки (Класс 3) |
Обеспечивает достаточный электрический контакт и механическую стабильность. | Измерьте расстояние от центра площадки до центра компонента в режиме отладки AOI. | Риск открытых цепей или слабых соединений, которые выходят из строя под воздействием вибрации. |
| Вращение компонента (наклон) | < 10 градусов (компоненты микросхем) < 2 градуса (ИС с мелким шагом) |
Чрезмерное вращение уменьшает площадь контакта припоя и повышает риск образования перемычек. | Проверьте дельту угла в настройках алгоритма AOI по координатам CAD. | Высокий риск замыкания соседних площадок для микросхем с мелким шагом. |
| Высота припоя | от 25% до 100% высоты вывода компонента | Указывает на правильное смачивание и объем припоя. | Используйте 3D-измерение высоты AOI или вид с камеры под боковым углом. | Недостаточное количество припоя приводит к растрескиванию соединений; избыток припоя вызывает проблемы с жесткостью. |
| Компланарность (поднятое отведение) | Отклонение < 100 мкм (0,10 мм) | Обеспечивает контакт всех выводов с паяльной пастой во время оплавления. | 3D-лазерная триангуляция AOI или проекция муаровой полосы. | Разомкнутые цепи на определенных выводах микросхемы (например, QFP, SOP). |
| Обнаружение моста/короткой позиции | Зазор 0 мкм (непрерывность между отдельными сетками) | Соединение пайкой приводит к немедленному отказу электрооборудования. | Алгоритм проверяет наличие припоя в зазоре между контактными площадками. | Мертвая доска; потенциальное повреждение компонентов при включении питания. |
| Отсутствует компонент | 100% проверка присутствия | Основные требования к сборке. | Сопоставление с образцом или анализ гистограммы тела компонента. | Плата полностью не работает; дорогостоящее устранение неполадок в дальнейшем. |
| Проверка полярности | Соответствие шелкографии/метрической метке | Критично для диодов, конденсаторов и микросхем, поскольку предотвращает повреждение от обратного напряжения. | OCR (оптическое распознавание символов) или сопоставление признаков на отметках на теле. | Взрыв компонента или неисправность цепи. |
| Надгробие | Допуск 0 % (вертикальный подъем) | Компонент стоит на одном конце, разрывая цепь. | Проверка высоты + отсутствие корпуса детали в горизонтальной плоскости. | Открытая цепь; требует ручной доработки. |
| Обнаружение шариков припоя | Диаметр > 0,15 мм (обычно помечен) | Ослабленные шарики припоя могут сместиться и стать причиной короткого замыкания в другом месте. | Алгоритмы анализа BLOB-объектов в незаполненных областях. | Риск надежности; шорты, возникающие во время транспортировки или эксплуатации. |
| Частота ложных вызовов | < 500–1000 частей на миллион | Большое количество ложных вызовов замедляет работу линии и снижает чувствительность операторов. | Просмотрите журналы «Ложного сбоя» и «Истинного сбоя» за смену. | Операторы могут запустить автоматическое прохождение досок, позволяя избежать реальных дефектов. |
Этапы реализации (контрольные точки процесса)
Внедрение надежного процесса проверки AOI предполагает нечто большее, чем просто включение машины. Выполните следующие действия, чтобы эффективно интегрировать AOI в линию SMT-сборка.
Подготовка и импорт данных
- Действие: Импортируйте данные Pick and Place (XY) и файлы Gerber в программное обеспечение AOI.
- Основные параметры: Убедитесь, что единицы измерения совпадают (мм и милы), а привязка поворота (0/90/180/270) соответствует машинной библиотеке.
- Приемочная проверка. Убедитесь, что расположение всех компонентов на виртуальной карте совпадает с контактными площадками на физической плате.2. Создание золотой доски
- Действие: Отсканируйте заведомо «исправную» плату, чтобы научить машину визуальным характеристикам приемлемых соединений и компонентов.
- Основные параметры: Используйте плату со стандартным объемом припоя; избегайте плат с припаянными вручную доработками для эталонного образца.
- Приемочная проверка: Машина должна пройти эту проверку в 100 % случаев без ложных вызовов.
Настройка алгоритма и сопоставление библиотек
- Действие: Назначьте алгоритмы проверки (например, проверка выводов, проверка корпуса, соответствие цвета) каждому типу упаковки компонентов.
- Основные параметры: Установите окна допуска для яркости (шкала 0–255) и положения (от +/- 0,1 до 0,3 мм).
- Приемочная проверка: Убедитесь, что алгоритм правильно идентифицирует корпус компонента и мениск припоя.
Оптимизация освещения
- Действие: Настройте многоугольное освещение (основное, боковое, коаксиальное), чтобы выделить определенные функции.
- Основные параметры: Высокоугольный свет для плоских поверхностей (разметки); Низкоугольный свет для 3D-функций (скругления под пайку, приподнятые выводы).
- Приемочная проверка: Паяные соединения должны отличаться от контактной площадки печатной платы; текст на чипах должен быть разборчивым.
Настройка порога (чувствительности)
- Действие: Отрегулируйте пороговые значения «пройдено/не пройдено», чтобы сбалансировать обнаружение дефектов и ложные вызовы.
- Основные параметры: Установите минимальное покрытие площади пайки (например, >75 % площадки) и максимальный допуск смещения.
- Приемочная проверка. Запустите «предельную выборку» (плата с известными незначительными дефектами), чтобы убедиться, что машина их отмечает.
Проверка с помощью платы дефектов
- Действие: Пропустите через машину тестовую плату с преднамеренными дефектами (отсутствует деталь, короткое замыкание, неправильная полярность).
- Основные параметры: Плата должна содержать по крайней мере один серьезный дефект каждого типа, относящийся к производственному циклу.
- Приемочная проверка: Пропуски не допускаются. Машина должна выявить 100 % преднамеренных дефектов.
Обучение операторов и СОП
- Действие: Определите, как операторы обрабатывают сигнал «Сбой».
- Основные параметры: Настройка станции просмотра; увеличительные инструменты (микроскоп) для ручной проверки.
- Приемочная проверка: Операторы должны правильно классифицировать «Ложный вызов» и «Реальный дефект» в системном журнале.
Непрерывный цикл обратной связи
- Действие: Свяжите данные AOI с принтером SMT и устройствами захвата и размещения.
- Основные параметры: Анализ тенденций значений смещения (например, постоянный сдвиг по оси X на 50 мкм).
- Приемочная проверка: Если обнаруживается тенденция, вышестоящее устройство (принтер или монтажное устройство) настраивается до того, как возникнут дефекты.
Устранение неполадок (режимы сбоев и исправления)
Даже при использовании высококлассного оборудования процессы АОИ могут дрейфовать. Используйте это руководство для диагностики распространенных проблем, когда основы AOI пересекаются с реальными переменными.
1. Признак: высокая частота ложных вызовов при паяных соединениях
- Вероятные причины: Изменение отражения света, окисление колодок или остатки флюса.
- Проверки: Проверьте качество поверхности паяного соединения (HASL и ENIG отражают по-разному). Проверьте настройки угла освещения.
- Исправление: Отрегулируйте порог «яркости припоя» или переключитесь на другой цветовой канал освещения (например, используйте красный свет для лучшего контраста с медью).
- Профилактика: Стандартизируйте обработку поверхности печатных плат и составы паст.
2. Признак: исчезли «отсутствующие компоненты»
- Вероятные причины: Цвет компонента соответствует цвету маски печатной платы (например, черный компонент на черной плате).
- Проверки: Проверьте разницу контрастности между телом детали и фоном в алгоритме.
- Исправление: Используйте 3D-контроль высоты вместо 2D-контрастности. Если 3D недоступно, используйте боковое освещение, чтобы отбросить тень.
- Профилактика: В правилах проектирования следует избегать сочетаний цветов, маскирующих компоненты, или в таких случаях обязательно использовать 3D AOI.3. Признак: ложные вызовы «моста» на микросхемах Fine Pitch
- Вероятные причины: Между контактными площадками отсутствует перемычка паяльной маски; блики от флюса выглядят как мост.
- Проверки: Проверьте, имеются ли в конструкции печатной платы площадки с «определенной паяльной маской» или «неопределенной паяльной маской». Ищите блестящие остатки флюса.
- Исправление: Сделайте «окно обнаружения моста» уже. Используйте поляризованное освещение, чтобы уменьшить блики.
- Профилактика: Убедитесь, что при изготовлении печатной платы имеются перемычки паяльной маски между контактными площадками с мелким шагом (шириной не менее 3–4 мил).
4. Признак: метки полярности не обнаружены
- Вероятные причины: Маркировка бледная, нанесена лазером или различается в зависимости от партии/поставщика.
- Проверки: Сравните текущую партию компонента с образом библиотеки.
- Исправление: Обновите библиотеку, добавив в нее несколько «альтернативных» изображений для одной и той же детали. Включите «сопоставление объектов» (например, скошенный край) вместо просто текста.
- Профилактика: Укажите согласованных поставщиков компонентов или требуйте входного контроля для выявления изменений маркировки.
5. Признак: надгробия не обнаружены
- Вероятные причины: Компонент стоит вертикально, но верхний профиль выглядит как допустимое размещение в 2D.
- Проверки: Просмотрите 2D-изображение с камеры сверху вниз.
- Исправление: Это классическое ограничение 2D. Включите проверку высоты 3D. Если только 2D, ищите «тень» стоящего компонента.
- Профилактика: Используйте 3D AOI для компонентов 0402 и меньше.
6. Признак: передано неправильное значение детали (например, резистор 10 кОм против 100 кОм)
- Вероятные причины: Обе детали одинакового размера и цвета; маркировка слишком мала или находится внизу.
- Проверки: AOI не может считывать электрические значения. Он может читать только видимый текст.
- Исправление: Если текст виден, улучшите разрешение оптического распознавания символов. Если текста нет, AOI не сможет это исправить.
- Профилактика: Проведите электрические испытания (ICT) или строгую проверку устройства подачи (штрих-кодирование) во время загрузки.
7. Признак: эффект затенения на высоких компонентах
- Вероятные причины: Высокие конденсаторы блокируют свет, попадающий на соседние небольшие резисторы.
- Проверки: Выявите «слепые зоны» на карте проверки.
- Исправление: Используйте систему AOI с несколькими боковыми камерами (4- или 8-сторонняя проекция).
- Профилактика: Правило DFM: поддерживайте минимальное расстояние между высокими и короткими компонентами (обычно > 0,5 мм или соотношение высот 1:1).
Как выбрать (проектные решения и компромиссы)
Выбор правильной стратегии проверки зависит от сложности платы и требований к надежности.
Если у вас есть компоненты 0201 или 01005, выберите 3D AOI. 2D-системам сложно различить высоту галтели припоя на микроскопических деталях. Трехмерное объемное измерение здесь имеет важное значение для обеспечения надежности.
Если вы собираете простую бытовую электронику (класс 1), выберите 2D AOI. Для недорогих и простых плат с крупными компонентами (0603+) двухмерный контроль выполняется быстрее и экономичнее.
Если у вас крупносерийное производство с малыми объемами, выберите автономный AOI. Автономные машины легче перепрограммировать, и они не останавливают всю линию SMT во время отладки новой программы.
Если у вас крупносерийное производство, выберите Inline AOI. Линейные системы располагаются непосредственно на конвейере после печи оплавления, обеспечивая немедленную обратную связь с линией и предотвращая дефекты до того, как будут изготовлены тысячи изделий.
Если вы используете компоненты BGA или QFN, выберите AOI + X-Ray (AXI). AOI не может видеть содержимое упаковки. Вы должны дополнить AOI рентгеновским контролем, чтобы проверить скрытые паяные соединения.
Если у вас высокие разъемы или экраны, выберите AOI с высоким зазором. Во избежание столкновения убедитесь, что зазор по оси Z машины (обычно 25–50 мм) превышает самый высокий компонент.
Если вам необходимо проверить нанесение паяльной пасты, выберите SPI (проверка паяльной пасты). Не полагайтесь на AOI после перекомпоновки для устранения проблем с вставкой. Используйте Проверку SPI перед размещением компонентов, чтобы обнаружить проблемы с объемом в источнике.
Часто задаваемые вопросы (стоимость, время выполнения, материалы, тестирование, критерии приемки)1. В чем разница между AOI и SPI?
SPI (проверка паяльной пасты) происходит до размещения компонентов и измеряет объем пасты. AOI происходит после оплавления (обычно) и проверяет расположение компонентов и качество паяного соединения. Оба необходимы для полноценной системы качества.
2. Может ли AOI обнаружить электрически неисправные компоненты? Нет. AOI проверяет только визуальные характеристики (форму, положение, маркировку, пайку). Он не может определить, поврежден ли чип изнутри или имеет неправильную прошивку.
3. Сколько времени занимает программирование AOI-машины для новой платы? Обычно от 2 до 6 часов в зависимости от сложности. Использование данных САПР (координаты XY) значительно ускоряет этот процесс по сравнению с методами «обучения» вручную.
4. Заменяет ли АОИ ручной визуальный осмотр? Да, по большей части. AOI работает быстрее и более последовательно, чем человеческие глаза, которые устают через 15 минут. Однако для проверки «сбоев», отмеченных AOI, по-прежнему необходимы люди.
5. Какова типичная целевая частота ложных звонков? Целью процесса мирового класса является <500 PPM. Если показатель выше, операторы могут игнорировать реальные дефекты. Если он равен 0, чувствительность, скорее всего, слишком низкая и происходят утечки.
6. Может ли AOI проверять гибкие печатные платы? Да, но машина должна обрабатывать неплоскую поверхность. Для компенсации коробления платы часто требуются вакуумные приспособления или специальные алгоритмы для flex PCB.
7. Всегда ли 3D AOI лучше, чем 2D AOI? 3D лучше подходит для геометрии (поднятые выводы, копланарность, надгробия), но медленнее и дороже. 2D часто лучше подходит для чтения текста (OCR) и проверки маркировки полярности.
8. Какой стандарт МПК регулирует критерии АОИ? Используемый стандарт IPC-A-610 (приемлемость электронных сборок). Машины AOI запрограммированы на обнаружение дефектов, определенных в IPC-A-610 класса 2 или класса 3.
9. Как AOI справляется с «затенением» высоких компонентов? В современных машинах используются мультипроекторные системы или 8-сторонние боковые камеры для осмотра высоких компонентов. Проектная планировка также должна учитывать доступ для осмотра.
Глоссарий (ключевые термины)
| Срок | Значение | Почему это важно на практике |
|---|---|---|
| Золотая доска | Бездефектная печатная плата, используемая для обучения системы AOI. | Служит базовым эталоном; если золотая доска плохая, вся продукция будет оцениваться неправильно. |
| Ложный вызов (Ложный сбой) | Машина помечает хороший компонент как неисправный. | Замедляет производство и тратит время оператора на проверку годности плат. |
| Побег (ложный проход) | Машина помечает дефектную плату как «Хорошая». | Самый опасный режим отказа; отправляет покупателю некачественный товар. |
| Алгоритм | Логика программного обеспечения, используемая для анализа изображения (например, сопоставление с образцом, гистограмма). | Разные компоненты требуют разных алгоритмов для точного обнаружения. |
| OCR (оптическое распознавание символов) | Возможность программного обеспечения читать текст на телах компонентов. | Необходим для проверки номинала и полярности компонентов. |
| FOV (поле зрения) | Область, которую камера может видеть на одном снимке. | Большее поле зрения быстрее, но может иметь более низкое разрешение; компромисс между скоростью и детализацией. |
| Телецентрическая линза | Объектив, устраняющий ошибку параллакса. | Гарантирует, что компоненты по краям изображения не выглядят «наклоненными», что обеспечивает точные измерения. |
| Порог | Настройка числового предела пройдена/не пройдена (например, яркость > 50). | Основная ручка настройки для инженеров-технологов, позволяющая сбалансировать ложные вызовы и ускользания. |
| Компланарность | Максимальная разница по высоте между самым низким и самым высоким выводом компонента. | Критично для BGA и микросхем с мелким шагом; плохая копланарность приводит к открытым суставам. |
Запросить цену (обзор DFM + цены)
Для получения точного ценового предложения, включающего полный охват AOI и испытаний, предоставьте полные проектные данные. Наша команда инженеров проверяет каждый файл на предмет рекомендаций DFM, чтобы обеспечить эффективную проверку вашей платы.* Файлы Gerber: Формат RS-274X (все слои).
- Файл центроида (выбор и размещение): необходим для программирования машины AOI (X, Y, вращение, сторона).
- Спецификация (спецификация): Включите номера деталей производителя для проверки типов упаковки.
- Сборочные чертежи: PDF-файл с указанием полярности компонентов и специальными инструкциями.
- Требования к испытаниям: Укажите, требуется ли проверка IPC класса 2 или 3.
- Количество: Прототип (1–10) и массовое производство (10 000+) влияют на стратегию проверки.