PCB挑戰(zhàn)測(cè)試與檢查
印刷電路板(PCB, Printed Circuit Board)制造商不斷地面臨測(cè)試與檢查的挑戰(zhàn)。電路板密度的增加挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)的針床(bed-of-nails)在線測(cè)試(ICT, in-circuit test)以及操作員的視覺檢查。改變電路板的尺寸大小提出更多的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗故止z查更加困難。為了對(duì)這些發(fā)展作出反應(yīng)，越來越多的制造商開始評(píng)估自動(dòng)光學(xué)檢查(AOI, automated optical inspection)作為一個(gè)解決方案。
AOI策略
在大批量和高復(fù)雜性的制造環(huán)境中，裝配線上每個(gè)操作員工位的占地面積都代表著一個(gè)特殊的價(jià)值。對(duì)此，電子制造服務(wù)(EMS)提供商*希望檢查技術(shù)可以防止"漏網(wǎng)之魚"走出工廠，提高產(chǎn)品品質(zhì)。因此，該公司將AOI作為一個(gè)工具，來幫助裝配線生產(chǎn)出持續(xù)的高品質(zhì)電路板。
通過使用AOI作為減少缺陷的工具，在裝配工藝過程的早期查找和消除錯(cuò)誤，該公司預(yù)期得到幾項(xiàng)利益：
* 早期發(fā)現(xiàn)缺陷將避免將壞板送到隨后的裝配階段
* AOI將減少修理成本
* 將避免報(bào)廢不可修理的電路板
表一、AOI 在裝配線上檢查什么
檢查頂面回流焊接元件
檢查波峰焊接前通孔元件
檢查波峰焊接之后的通孔及SMT元件
檢查壓入配合之前的連接器引腳
檢查壓入配合之后的連接器引腳
在裝配線中使用AOI
表一解釋了AOI在該裝配線上檢查什么。對(duì)該制造商，AOI系統(tǒng)及其傳送帶是制成一體的，因此通過檢查的板可連續(xù)地通過裝配線?？墒牵绻l(fā)現(xiàn)失效的板，它被傳送到第二條傳送帶，返回到操作員工位進(jìn)行修理。在該制造商那里，AOI提供全面的缺陷覆蓋，同時(shí)滿足每塊板2 - 2.5分鐘的裝配線速度。
特別有幫助的是，該系統(tǒng)可以在施加全部裝配壓力之前發(fā)現(xiàn)高密度壓力配合連接器的不對(duì)準(zhǔn)的引腳。由于連接器容易不對(duì)準(zhǔn)，在部分壓入之后、完全壓入之前，AOI檢查這些1000個(gè)引腳單元，看其引腳尖是否到了通孔內(nèi)。如果這時(shí)發(fā)現(xiàn)折彎的或不見的引腳，還可以進(jìn)行修理。在最后壓入之后的第二次檢查確認(rèn)裝配的完整性。這里，AOI用作缺陷預(yù)防與檢查工具。
在該制造商的情況中，AOI系統(tǒng)補(bǔ)充ICT測(cè)試與功能測(cè)試。通過在電氣測(cè)試之前掃描電路板，AOI從裝配過程發(fā)現(xiàn)缺陷，提高電氣處理或功能測(cè)試階段的合格率(例如，焊接品質(zhì)問題，不可測(cè)試的元件，元件位置錯(cuò)誤)，減少工廠的"漏網(wǎng)之魚"。
連接器壓入是最后的裝配步驟。如果連接器引針在壓入期間彎曲，裝配就全部損失。通過防止該類缺陷的發(fā)生，AOI系統(tǒng)降低報(bào)廢成本。
AOI與人工檢查比較
在 AOI 之前，由人工操作員來完成電路板的檢查。該過程涉及許多操作員在裝配線的工位上，使用顯微鏡和電路板覆蓋圖來找出丟失的元件、錯(cuò)誤的貼放位置和焊接缺陷。檢查板是通過四分區(qū)的程序，即，每個(gè)工位負(fù)責(zé)檢查板的四分之一。雖然檢查小板相對(duì)容易，但是隨著板的尺寸增加到18"x20"，成千個(gè)元件在上面，這項(xiàng)工作很快變成繁重的體力負(fù)擔(dān)。因?yàn)闄z查最重要的因素是準(zhǔn)確性與可靠性，所以甚至在最好的環(huán)境中，手工檢查都有其局限性。
對(duì)這個(gè)EMS提供商，人工檢查的進(jìn)一步挑戰(zhàn)就是時(shí)間。每一個(gè)檢查工位必須產(chǎn)生連續(xù)的板流，滿足裝配線的"節(jié)奏"，以保持持續(xù)性。如果一個(gè)工位被耽誤，它將影響整個(gè)裝配線。并且對(duì)較大的板，檢查時(shí)間增加到視覺品質(zhì)評(píng)估簡直無法保持生產(chǎn)線速度的地部。最后，需要雇傭更多的操作員來處理較大的板造成額外的人工成本和人力資源問題。
AOI與X光檢查比較
該公司使用X光檢查來完成諸如球柵陣列(BGA)檢查的任務(wù)，作為ICT的補(bǔ)充。可是，考慮到自動(dòng)檢查方案，X光被排除了，因?yàn)樗荒軡M足電路板尺寸、厚度、重量和周期時(shí)間的要求。需要的是一臺(tái)可以在壓入之前檢查通孔中元件引腳的機(jī)器。
評(píng)估與選擇一個(gè)AOI解決方案
對(duì)系統(tǒng)的檢查要求包括，以裝配線速度100%的視覺缺陷覆蓋、快速編程時(shí)間、低錯(cuò)誤標(biāo)記率、快速轉(zhuǎn)換、可靠運(yùn)行、以及準(zhǔn)確的、可重復(fù)的和連續(xù)的結(jié)果。但是公司也有一些影響AOI評(píng)估與選擇的特殊需求。 回流焊后及之外
尋找一個(gè)單一的AOI系統(tǒng)，來跨越回流焊接和波峰焊接、手工插件、和最終檢查等階段?；亓骱负髾z查表包括檢查丟失的、方向錯(cuò)誤的和多余的元件；元件歪斜；豎立的元件；翹起的引腳；錫橋；少錫或多錫；錫球；表面缺陷；通孔元件引腳；和金手指污染。
所選擇的系統(tǒng)**包括如下特性：
移動(dòng)相機(jī)與移動(dòng)板。評(píng)估過程特別集中在相機(jī)移動(dòng)的AOI機(jī)器。公司認(rèn)為，相機(jī)固定和板架移動(dòng)的機(jī)器可能在檢查期間將歪斜的元件"踢開"。為了減少這個(gè)危險(xiǎn)，只對(duì)板靜止和相機(jī)移動(dòng)的AOI機(jī)器進(jìn)行評(píng)估。這樣的安排允許整個(gè)機(jī)器的占地面積較小。例如，為了處理24"寬的板，接納板在固定相機(jī)下移動(dòng)的機(jī)器要求48"的最小寬度加上處理和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)所需的額外空間。比較之下，移動(dòng)相機(jī)的機(jī)器不要求太大的寬度，這樣允許縮小機(jī)器寬度，使整體占地面積更小。
板的特性。決策過程中板的尺寸與高度是關(guān)鍵因素 - 訂購大、重、高價(jià)品的電路板是常見的。板的尺寸(與托架)可達(dá) 24 x 24" ，重量 11 lb。元件高度可達(dá)2.5"；包裝尺寸為0603以上。AOI設(shè)備也需要在壓入配合的前后，接納高密度的1000個(gè)引腳輸入/輸出(I/O)的連接器。
供應(yīng)商伙伴關(guān)系。最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是找到一個(gè)考慮成為伙伴關(guān)系的供應(yīng)商。公司希望很高的承約水平與支持，作為評(píng)估AOI供應(yīng)商的關(guān)鍵因素。主要原因就是要進(jìn)入產(chǎn)品的發(fā)展周期，和保證其要求得以滿足。
AOI解決方案
這個(gè)AOI評(píng)估使得該EMS提供商選擇到一個(gè)滿足其所有標(biāo)準(zhǔn)和要求的系統(tǒng)。所選擇的系統(tǒng)具有如下設(shè)計(jì)性能：
結(jié)構(gòu)性燈光為每個(gè)清晰的檢查提供專用的照明，即，通過角度、方向和強(qiáng)度來調(diào)節(jié)燈光。結(jié)構(gòu)燈光檢查輪廓鏡面表面，如新的焊點(diǎn)，揭示真正的焊接點(diǎn)輪廓。
該制造商的系統(tǒng)使用多達(dá)400個(gè)單獨(dú)控制的發(fā)光二極管(LED)安裝在一個(gè)精密的陣列中，全部聚焦在視覺區(qū)。照明頭的LED可為每一個(gè)相機(jī)的檢查類型，編程提供光的最佳結(jié)構(gòu)、角度、方向和強(qiáng)度。不象單個(gè)的氙閃光管或熒光燈，成百的LED提供可靠的焊接點(diǎn)檢查所需要的照明靈活性，同時(shí)控制光源保證可重復(fù)的缺陷檢查。照明使用多個(gè)視區(qū)以接納不同尺寸的元件。
相機(jī)。高速視頻相機(jī)與內(nèi)置電路板彎曲補(bǔ)償，檢查電路板的目標(biāo)區(qū)域。一個(gè)相機(jī)定位于直接下看，而其它相機(jī)都有角度。隨著優(yōu)化的檢查軟件運(yùn)算法則運(yùn)用到看到的區(qū)域，相機(jī)檢查元件或焊錫點(diǎn)表面。角度相機(jī)是檢查許多缺陷所必須的、對(duì)那些遮擋垂直相機(jī)的焊接點(diǎn)檢查區(qū)域是不可少的，如 J 型引腳焊點(diǎn)、錫橋和開路。還有，如果沒有角度相機(jī)，一般不可能可靠地檢查到抬起的QFP引腳。
機(jī)械系統(tǒng)。精密的線性馬達(dá)提供長期的機(jī)械可靠性與可重復(fù)性。圖形子系統(tǒng)在X/Y軸上移動(dòng)，而板保持靜止。這消除了板與圖形的振動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間。
圖形分析運(yùn)算法則。使用經(jīng)過證明的運(yùn)算法則進(jìn)行深入的分析，并不犧牲產(chǎn)量。一個(gè)窗口或"瞬態(tài)圖"把特殊的檢查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到窗口內(nèi)的區(qū)域，以結(jié)構(gòu)照明突出缺陷，并簡化所要求的分析。表二顯示窗口分類(運(yùn)算法則類型)和它們?cè)鯓佑糜跈z查。
圖形抓拍與分析體系結(jié)構(gòu)允許在一次單一的高速掠過板面中得到每個(gè)視區(qū)10個(gè)圖象。在這次掠過中得到每個(gè)元件的多個(gè)圖象，消除了再次掃描的需要。一個(gè)高速、直接到內(nèi)存的子系統(tǒng)將圖象直接輸入內(nèi)存，允許計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的圖形分析，而對(duì)機(jī)器產(chǎn)量無影響。AOI將所有掃描圖形保存在內(nèi)存中，允許掃描期間的同步分析，加速整個(gè)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。
掃描與圖形分析是與元件密度或焊接點(diǎn)數(shù)無關(guān)的，這允許對(duì)不同板類型的一致的機(jī)器輸出。AOI系統(tǒng)通過分立的智能外圍控制器控制馬達(dá)、光和相機(jī)，支持高速、一致的圖形數(shù)據(jù)處理。外圍控制器精確地同步系統(tǒng)運(yùn)行，保證準(zhǔn)確的定位和可重復(fù)性。
軟件。所選擇的AOI系統(tǒng)使用基于 Windows NT 的軟件來編制程序，優(yōu)化和確認(rèn)。確認(rèn)檢查程序的覆蓋范圍的性能曲線提供在發(fā)放到生產(chǎn)之前的缺陷覆蓋與程序的穩(wěn)定性。建立已知邊界消除不必要的程序調(diào)整和導(dǎo)致錯(cuò)誤標(biāo)記的控制因素。每個(gè)包裝類型的標(biāo)準(zhǔn)和用戶化庫模塊縮短了包含特有元件在內(nèi)的新檢查程序的開發(fā)。
最后，統(tǒng)計(jì)過程檢測(cè)軟件通過測(cè)量多塊板的缺陷分布數(shù)量實(shí)現(xiàn)過程的穩(wěn)定性，通過檢測(cè)檢查合格與失效的結(jié)果來顯示過程的趨勢(shì)。修理工位的軟件向操作員顯示電路板特定的失效數(shù)據(jù)，以及收集操作員的修理數(shù)據(jù)、行動(dòng)和說明。
** Teradyne Optima 7300.
表二、AOI圖形分析運(yùn)算法則
窗口類型
運(yùn)算法則類型
檢查中的角色
存在/不存在
變量或平均
缺陷：如果元件有(或沒有)
通過：如果燈的水平高過界限
相反邏輯
變量或平均
與存在/不存在窗口相反，
即：如果水平低于界限，通過
錫橋
連續(xù)性*
檢查焊錫短路，
如果光標(biāo)橫穿窗口，失效
空洞
連續(xù)性*
檢查焊錫間隙與偏斜
與錫橋窗口相反
查找
相關(guān)性
檢查之前找到元件位置，
也為SPC貼裝數(shù)據(jù)測(cè)量元件位置
* 垂直或水平
* Benchmark Electronics, Huntsville, Ala.
Rob Rice III, is production engineering manager and Richard Garnick, is staff process engineer at Benchmark Electronics, 4807 Bradford Drive, Huntsville, AL 35895; (256) 722-6899; E-mail: rob.rice@bench.com and richard.garnick@bench.com. Iqbal Syed, is a product manager at Teradyne Inc., Assembly test Div., 2625 Shadelands Dr., Walnut Creek, CA 94598; (925) 932-6900; E-mail: iqbal.syed@teradyne.com.