AOI-инспекция: Практическое сквозное руководство (от основ до производства)

Автоматизированная оптическая инспекция (АОИ) превратилась из роскоши в необходимость в современном производстве электроники. Поскольку компоненты уменьшаются до метрических размеров 0201 или 01005, а плотность увеличивается, человеческий визуальный контроль становится ненадежным и медленным. Инспекция АОИ использует камеры высокого разрешения и передовые алгоритмы освещения для сканирования печатных плат на предмет катастрофических сбоев и дефектов качества.

В APTPCB (Завод печатных плат APTPCB) мы интегрируем АОИ как стандартный контрольный пункт в линии технологии поверхностного монтажа (SMT). Это руководство подробно описывает, как внедрять, измерять и проверять процессы АОИ для обеспечения высокопроизводительного производства.

Ключевые выводы

Определение: АОИ — это бесконтактный метод тестирования, который использует оптику для получения изображений печатной платы и сравнивает их с базой данных или «эталонной платой» для обнаружения неисправностей.
Основная функция: Она обнаруживает видимые поверхностные дефекты, такие как отсутствующие компоненты, ошибки полярности, перекосы и короткие замыкания паяных мостиков.
Ограничение: АОИ не может видеть скрытые паяные соединения (например, под корпусами BGA или LGA); для этого требуется рентгеновская инспекция.
Размещение: Ее можно размещать после нанесения паяльной пасты, до оплавления или после оплавления, хотя после оплавления является наиболее распространенной конфигурацией для окончательного контроля качества.
Метрики: Баланс между «ложными вызовами» (пометка хороших плат как плохих) и «пропусками» (пропуск плохих плат) является критически важной мерой эффективности АОИ.
Валидация: Требуется регулярная калибровка с использованием известных образцов дефектов для предотвращения дрейфа алгоритма.
Тенденция: Отрасль переходит от 2D-инспекции (сверху вниз) к 3D-инспекции (объемное измерение) для лучшего обнаружения поднятых выводов и проблем с копланарностью.

Что на самом деле означает AOI-инспекция (область применения и границы)

Теперь, когда мы определили основные выводы, мы должны описать конкретные механические и программные механизмы, которые движут этой технологией. AOI-инспекция — это не отдельный инструмент, а система, включающая оптику, освещение и программное обеспечение для обработки изображений.

Основной механизм

Система захватывает изображения сборки печатной платы с помощью камеры высокого разрешения. Она использует различные источники света (светодиоды разных цветов и углов) для выделения специфических особенностей. Например, красный свет может освещать корпус компонента, в то время как синий свет отражается от паяного галтеля. Затем программное обеспечение анализирует эти изображения, используя один из двух основных методов:

Сопоставление изображений: Сравнивает захваченное изображение с сохраненным изображением идеальной «золотой платы».
На основе алгоритмов: Использует правила для расчета параметров (например, если количество пикселей паяного галтеля ниже X, это сухой контакт).

Область обнаружения

AOI эффективна для видимых особенностей. Она превосходно справляется с идентификацией:

Дефектов компонентов: Отсутствующие детали, неправильные значения (если отмечены), неправильная полярность, перекошенное размещение или эффект надгробного камня (tombstoning).
Дефекты пайки: Недостаток припоя, избыток припоя, паяльные мосты (короткие замыкания) и шарики припоя.
Дефекты платы: Царапины или загрязнения на поверхности печатной платы.

Эволюция 2D против 3D

Традиционная 2D AOI рассматривает плату сверху. Она быстрая и экономичная, но испытывает трудности с дефектами, основанными на высоте, такими как поднятые выводы. 3D AOI использует фазосдвигающую профилометрию или лазерную триангуляцию для измерения высоты каждого пикселя. Это позволяет системе рассчитывать объем паяного галтеля и компланарность компонента, значительно сокращая ложные срабатывания, вызванные тенями или деформацией платы.

Важные метрики AOI-инспекции (как оценивать качество)

Понимание определения — это первый шаг; измерение эффективности машины в реальной производственной среде — следующий. Машина AOI-инспекции, которая помечает каждую плату, бесполезна, как и та, что пропускает каждую плату. Вы должны отслеживать конкретные метрики для настройки процесса.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон / Факторы	Как измерить
Частота ложных срабатываний (FCR)	Высокий FCR замедляет линию, так как операторы должны вручную проверять хорошие платы. Это вызывает "усталость оператора", что приводит к одобрению фактических дефектов.	Цель: < 500 PPM (частей на миллион). Зависит от стабильности освещения и настроек порогов.	(Количество помеченных как хорошие платы / Общее количество проверенных компонентов) × 1 000 000.
Коэффициент проскока	Наиболее критичный показатель. Проскок — это дефект, который AOI пропустила и который был отправлен клиенту.	Цель: 0. Зависит от разрешения камеры и охвата алгоритма.	(Дефекты, обнаруженные позже при тестировании или в полевых условиях / Общее количество дефектов) × 100%.
Выход годных с первого прохода (FPY)	Показывает состояние SMT-процесса на предыдущих этапах. AOI является мерилом для принтера и машины для установки компонентов.	Цель: > 98% для зрелых продуктов.	(Плата, прошедшая AOI с первого раза / Общее количество входных плат) × 100%.
Скорость инспекции	Определяет, станет ли AOI узким местом SMT-линии.	Диапазон: 30–60 см²/сек. Зависит от разрешения (микрон на пиксель).	Общая площадь печатной платы / Время цикла на плату.
Избыточное срабатывание	Похоже на ложное срабатывание, но конкретно относится к чрезмерной чувствительности алгоритмов (например, пометка действительного паяного соединения как "недостаточного", потому что оно слегка тусклое).	Цель: Низкая.	Соотношение программных флагов к подтвержденным человеческим подтверждениям.
Стабильность программы	Измеряет, являются ли результаты AOI согласованными между различными партиями или различными машинами.	Требуется высокая стабильность.	Запустите одну и ту же "Эталонную плату" 50 раз; результаты должны быть идентичными.

Как выбрать AOI-инспекцию: руководство по выбору по сценарию (компромиссы)

Как только вы узнаете метрики, вы должны применить их к конкретным производственным сценариям, чтобы выбрать правильную стратегию инспекции. Не каждая плата требует 3D-инспекции, и не каждый дефект может быть обнаружен после оплавления.

Сценарий 1: Массовая бытовая электроника

Задача: Приоритет — скорость. Темп работы линии очень быстрый.
Рекомендация: Высокоскоростная 2D AOI или 3D AOI с пониженным разрешением.
Компромисс: Вы можете принять немного более высокий процент ложных срабатываний, чтобы поддерживать движение линии, полагаясь на специализированную станцию доработки для их фильтрации.

Сценарий 2: Автомобильная или аэрокосмическая промышленность (высокая надежность)

Задача: Нулевые пропуски не допускаются. Виброустойчивость критически важна.
Рекомендация: Полная 3D AOI после оплавления в сочетании с SPI-инспекцией (контроль паяльной пасты) до оплавления.
Компромисс: Время цикла увеличивается, и программирование занимает больше времени для точной настройки пороговых значений.

Сценарий 3: Микрокомпоненты 0201 или 01005

Задача: Компоненты слишком малы для стандартных камер; тени от более высоких соседей блокируют обзор.
Рекомендация: 3D AOI высокого разрешения (разрешение 10-12 микрон) с телецентрическими объективами.
Компромисс: Поле зрения (FOV) уменьшается, что означает, что камера должна делать больше снимков, значительно замедляя время инспекции.

Сценарий 4: Высокие компоненты и разъемы

Задача: Высокие детали отбрасывают тени на меньшие окружающие детали, вызывая ложные срабатывания "отсутствующий компонент".
Рекомендация: Многоугольные системы освещения или камеры бокового обзора.
Компромисс: Стоимость оборудования выше.

Сценарий 5: До оплавления vs. После оплавления

До оплавления (Pre-Reflow): Проверяет точность размещения и наличие пасты перед пайкой.
- Плюсы: Дефекты легко устранить без паяльника.
- Минусы: Не обнаруживает дефекты пайки, такие как холодные соединения или "надгробия", которые возникают во время оплавления.
После оплавления (Post-Reflow): Проверяет окончательное качество соединения.
- Плюсы: Выявляет наиболее критические электрические и механические отказы.
- Минусы: Переработка требует выпаивания, что нагружает печатную плату.
Выбор: Послеоплавление является обязательным. Дооплавление необязательно, но рекомендуется для дорогих плат высокой плотности.

Сценарий 6: SPI против AOI: когда использовать каждый в PCBA

SPI (Solder Paste Inspection): Сосредоточен исключительно на объеме, высоте и площади нанесения паяльной пасты перед размещением компонентов. Он предотвращает дефекты на источнике (процесс печати).
AOI: Сосредоточен на размещении компонентов и готовых паяных соединениях.
Как выбрать: Это не выбор "или/или" для высококачественного производства. SPI предотвращает дефекты; AOI обнаруживает дефекты. Если бюджет ограничен, AOI после оплавления является минимальным требованием. Для сложных плат использование обоих является отраслевым стандартом для замыкания петли обратной связи.

Контрольные точки внедрения AOI-инспекции (от проектирования до производства)

Выбор правильной стратегии имеет решающее значение, но выполнение требует строгого контрольного списка от проектирования до сборки. Успешная AOI-инспекция начинается на этапе компоновки печатной платы.

Фаза проектирования для производства (DFM)

Зазор между компонентами: Обеспечьте достаточное пространство между компонентами, чтобы камера AOI могла видеть паяные соединения под углом 45 градусов.
Дизайн контактных площадок: Контактные площадки должны быть достаточно длинными, чтобы мог образоваться видимый паяный мениск (торцевой галтель). Если компонент полностью закрывает контактную площадку, AOI не сможет проверить соединение.
Реперные точки: Включите как минимум две (предпочтительно три) глобальные реперные точки на направляющих панели печатной платы и локальные реперные точки для QFP с мелким шагом. Это позволяет AOI выравнивать систему координат.
Четкость шелкографии: Избегайте размещения шелкографической краски поверх контактных площадок или слишком близко к паяным соединениям, так как высокий контраст может сбить с толку алгоритмы обработки изображений.

Фаза настройки и программирования

Импорт данных САПР: Импортируйте данные координат XY (файл Pick and Place) непосредственно в машину AOI, а не обучайте ее вручную. Это уменьшает ошибки программирования.
Управление библиотекой: Поддерживайте центральную библиотеку определений корпусов (например, корпус резистора 0603). Не создавайте новое определение для каждой новой платы; ссылайтесь на центральную библиотеку для обеспечения согласованности.
Калибровка освещения: Ежедневно калибруйте интенсивность света. Деградация светодиодов со временем может изменить то, как паяное соединение выглядит для камеры.
Создание "эталонной платы" (Golden Board): Отсканируйте известную "хорошую плату" для установления базового уровня, но сразу же после этого отсканируйте "дефектную плату" для проверки возможностей обнаружения.

Фаза производства

Инспекция первого образца: Первая плата из партии должна пройти AOI и быть визуально проверена старшим техником, чтобы убедиться, что программа не генерирует ложных срабатываний.
Настройка ложных срабатываний: В течение первых 50 плат отрегулируйте пороговые значения. Если машина отмечает хорошее соединение, немного расширьте критерии приемки, но никогда не настолько, чтобы это позволило пропустить дефект.
Обратная связь по данным: Свяжите данные AOI с линией SMT. Если AOI обнаруживает тенденцию "смещенного размещения" на U12, немедленно оповестите оператора установки pick-and-place.
Обслуживание: Еженедельно очищайте линзы камеры и модули освещения. Пары флюса могут создавать пленку на оптике, размывая изображение.

Распространенные ошибки при AOI-инспекции (и правильный подход)

Даже при наличии надежного плана внедрения, специфические операционные ошибки могут скомпрометировать результаты. Вот наиболее частые ловушки, которые мы видим в отрасли.

1. Полагаться на AOI для инспекции BGA

Ошибка: Предполагать, что AOI проверяет все компоненты одинаково. Реальность: AOI работает по принципу прямой видимости. Она не может видеть шарики припоя под Ball Grid Array (BGA). Коррекция: Вы должны использовать рентгеновскую инспекцию для BGA, LGA и QFN с большими тепловыми площадками.

2. Игнорирование "эффекта тени"

Ошибка: Размещение небольшого резистора рядом с высоким электролитическим конденсатором. Реальность: Высокий компонент блокирует свет или угол камеры, создавая темное пятно, которое AOI интерпретирует как отсутствующую деталь. Коррекция: Отрегулируйте компоновку во время DFM или используйте систему 3D AOI с многонаправленным проекционным освещением.

3. Чрезмерная оптимизация для нулевых ложных срабатываний

Ошибка: Ослабление параметров до тех пор, пока машина не перестанет издавать звуки. Реальность: Это почти гарантирует, что фактические дефекты (пропуски) пройдут. Коррекция: Примите небольшую, управляемую частоту ложных срабатываний (например, 1-2 на панель) как плату за безопасность.

4. Игнорирование различий в цвете печатных плат

Ошибка: Использование одной и той же программы для зеленой и белой печатной платы. Реальность: Отражательная способность паяльной маски изменяет контраст. Белые печатные платы отражают гораздо больше света, ослепляя датчик. Коррекция: Создайте отдельные профили освещения для разных цветов паяльной маски.

5. Забывание о вариациях высоты компонентов

Ошибка: Программирование 3D AOI с фиксированной высотой для конденсатора, который имеет нескольких поставщиков. Реальность: Конденсатор поставщика А может быть высотой 1,0 мм, в то время как у поставщика Б — 1,1 мм. AOI пометит поставщика Б как "неправильную деталь". Коррекция: Установите допуски по высоте на основе технических паспортов всех утвержденных поставщиков в спецификации (BOM).

6. Пропуск проверок полярности на симметричных деталях

Ошибка: Неопределение метки полярности для светодиодов или диодов, которые выглядят симметрично. Реальность: Деталь установлена неправильно на 180 градусов, но AOI пропускает ее, потому что форма корпуса совпадает. Коррекция: Специально запрограммируйте алгоритм на поиск метки катода, выемки или фаски.

Часто задаваемые вопросы по AOI-контролю (стоимость, сроки, материалы, тестирование, критерии приемки)

Избегание ошибок обеспечивает стабильность, но для покупателей и инженеров часто остаются специфические логистические вопросы.

Как AOI-контроль влияет на стоимость PCBA?

AOI обычно включен в стандартную стоимость сборки для массового производства на APTPCB. Для очень небольших партий прототипов может взиматься небольшая плата за настройку для программирования. Однако стоимость неиспользования AOI (отказы в полевых условиях) экспоненциально выше.

Увеличивает ли AOI время выполнения заказа?

В сбалансированной линии AOI работает с той же скоростью, что и машины для установки компонентов, поэтому она не добавляет чистого времени к пропускной способности. Программирование занимает 1-3 часа в зависимости от сложности, что поглощается на этапе настройки SMT.

Может ли AOI обнаружить неправильные значения компонентов?

Только если значение напечатано на корпусе компонента (например, "103" на резисторе). Он не может измерять значение электрически. Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) обычно не имеют маркировки; если катушка загружена неправильно, AOI не может обнаружить, что был установлен конденсатор 100нФ вместо 10нФ. Это требует электрического тестирования (ICT).

Как финишная обработка поверхности печатной платы влияет на AOI?

HASL (выравнивание припоя горячим воздухом) является неровным и блестящим, что может вызывать переменные отражения, сбивающие с толку 2D AOI. ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) является более плоским и однородным, что облегчает проверку для AOI.

Какие критерии приемки использует AOI?

АОИ программируется на основе отраслевых стандартов, обычно IPC-A-610 Класс 2 (Стандарт) или Класс 3 (Высокая надежность). Вы должны указать класс в своем запросе предложений (RFQ), чтобы порог объема паяного галтеля был установлен правильно.

Заменяет ли АОИ функциональное тестирование цепей (FCT)?

Нет. АОИ проверяет структурную целостность (есть ли компонент? припаян ли он?). FCT проверяет функциональные характеристики (включается ли? правильное ли напряжение?). Они дополняют друг друга.

В чем разница между автономной и встроенной АОИ?

Встроенная (Inline): Машина интегрирована в конвейерную систему. Платы перемещаются автоматически. Лучше всего подходит для массового производства.
Автономная (Offline): Оператор вручную загружает и выгружает платы. Лучше всего подходит для серийного производства или NPI (внедрения новых продуктов).

Может ли АОИ проверять гибкие печатные платы?

Да, но гибкие печатные платы требуют вакуумного приспособления или магнитного держателя, чтобы удерживать их идеально ровно. Если гибкая плата поднимается, глубина фокуса меняется, что приводит к ложным срабатываниям.

Ресурсы для АОИ-инспекции (связанные страницы и инструменты)

Чтобы углубить ваше понимание того, как АОИ вписывается в более широкую производственную экосистему, изучите эти связанные возможности APTPCB:

Инспекция SPI: Узнайте о линии защиты перед оплавлением, которая работает в тандеме с АОИ.
Рентгеновский контроль: Необходимое решение для контроля компонентов BGA и QFN, которые AOI не может обнаружить.
Система качества: Обзор того, как мы интегрируем различные методы тестирования (AOI, ICT, FCT) в общую систему управления качеством.
Монтаж SMT и THT: Основной процесс сборки, где физически расположена AOI.

Глоссарий AOI-контроля (ключевые термины)

Для обеспечения четкой связи между всеми ресурсами и с вашим производственным партнером, ниже приведены стандартные определения, используемые в AOI.

Термин	Определение
Алгоритм	Набор математических правил, используемых программным обеспечением для анализа изображения (например, обнаружение краев, сопоставление с образцом).
Данные САПР	Данные XY-координат и вращения, генерируемые программным обеспечением для проектирования печатных плат, используемые для программирования AOI.
Пропуск	Дефект, который AOI-машина не смогла обнаружить и пропустила как "Годный".
Ложное срабатывание	Исправный компонент или соединение, которое AOI-машина ошибочно пометила как "Дефектное".
Репер	Медный маркер на печатной плате, используемый камерой для выравнивания положения платы и коррекции перекоса.
FOV (Поле зрения)	Область платы, которую камера может видеть за один снимок.
Эталонная плата	Известная исправная плата, используемая для обучения системы AOI тому, как выглядит идеальная сборка.
OCR (Оптическое распознавание символов)	Программная функция, которая считывает текст на корпусах компонентов для проверки номеров деталей.
Параллакс	Кажущееся смещение объекта при наблюдении с разных точек зрения; проблема для 3D-инспекции.
Переплавка (Reflow)	Процесс плавления паяльной пасты для крепления компонентов; AOI обычно происходит сразу после этого.
Затенение	Когда высокий компонент блокирует источник света, не давая ему достичь более короткого соседнего компонента.
Порог	Числовое значение, установленное в программном обеспечении (например, яркость, контрастность, высота), которое определяет проход/непроход.
Эффект надгробного камня (Tombstoning)	Дефект, при котором компонент встает на один конец из-за неравномерных сил смачивания во время переплавки.
Деформация	Изгиб печатной платы; системы AOI должны отображать поверхность платы для компенсации этого изменения по оси Z.

Заключение: следующие шаги в AOI-инспекции

AOI-инспекция является основой контроля качества в современном электронном производстве. Она обеспечивает скорость и согласованность, которые не могут быть достигнуты человеческими операторами, гарантируя, что такие проблемы, как эффект надгробного камня, короткие замыкания и отсутствующие детали, будут обнаружены до того, как продукт покинет завод. Однако это не инструмент типа "настроил и забыл"; он требует тщательного выбора между 2D- и 3D-технологиями, строгой программной настройки на основе стандартов IPC и постоянной проверки.

В APTPCB мы настраиваем наши линии AOI в соответствии со сложностью вашего конкретного дизайна, обеспечивая высокую производительность и надежность. Готовы к производству? При подаче данных для получения коммерческого предложения или DFM-анализа, пожалуйста, предоставьте:

Файлы Gerber (включая слои пасты и шелкографии).
Файл Centroid/Pick-and-Place (координаты XY).
BOM (Спецификация) с утвержденными деталями производителя.
Класс инспекции (IPC Класс 2 или 3).
Особые требования (например, "Проверить точность текста этикетки").

Эти данные позволяют нам создать надежную программу инспекции, которая минимизирует ложные срабатывания и исключает пропуски.