Transcript 第七章SMT的检测与产品质检

第七讲 SMT的检测与产品质检
主讲 ： 姜小刚
本讲对几种主要的SMT生产的产品的检测方法及相关检测
设备的工作原理、检测技术，及无铅化后相应的改进方法
予以介绍。在现代电子组装技术中采用SMT工艺，使用的
检测技术主要包括人工目检(MVl)，自动视觉检测(AVl)，自
动光学检测(A01)，在线电路检测(ICT)，自动X射线检测
(AXl)，功能检测(FT)，飞针测试(FP)等方法
12.1 人工目检
• 人工目检即利用人的眼睛和简单的光学放大器件（放大镜）对电
路板、点胶、焊膏印刷、贴片、焊点及电路板表面质量进行人工
检查[19]。用这种方法进行检验，初期投资少、工艺简单、但工
艺水平低，对不可视焊点和元件表面细微裂纹不能检查，而且劳
动强度大，对检测人员的视力伤害大，不适合大批量生产。
•
无铅化后，焊点外观变得粗糙，呈现亚光型，失去刺眼光泽而有
利于目检。但是元器件引脚的微小化，对人工目检是一个很大的
挑战，给人工目检增加了难度，因此，这种方法在现代大规模生
产中的使用就受到限制。
12.2 在线电路测试（ICT测试）
•
在线电路测试即ICT，分为飞针和针床两种方式，图12-1所示为在线电路
测试仪外形图。其工作原理是在设计芯片和PCB板时引入菊花链拓扑结
构（菊花链拓扑是用最短的互连传输线把所有的器件连接起来，每个器
件最多只能通过两段传输线连接到另外的两个器件上，直至完成所有的
器件连接，连接完成后，从首个器开始，所有的器件连接成链状），使
得组装后的焊点形成网络，从而通过检测网络通断来判断焊点是否失效。
在线电路测试仪外形
12.3 自动光学检测（AOI检测）
• 为了适应高密度和细间距组装的检测需要，AOI检测即
自动光学检测成为SMT工艺中检测技术的重要技术手
段，AOI检测是采用了计算机技术、高速图像处理和识
别技术、自动控制技术、精密机械技术和光学技术整
合形成的一种检测技术。具有自动化程度高、检测速
度快和高分辨率的检测能力，可以减轻劳动强度，提
高判别准确性，减少专用夹具，具有良好的通用性，
能给组装系统提供实时反馈信息。
SAKI AOI外形
AOI与其它测试技术相比，可用于生产线上的多个位置，目前
AOI主要用于3个检测工序：
1) 锡膏印刷之后检测，及时发现印刷过程中的缺陷，将
因为锡膏印刷不良产生的焊接缺陷降到最低，常采用
100％的2D和3D检测方法，可以检测焊膏沉积的位置和
厚度。
2) 贴片之后检测，检查来自锡膏印刷以及贴片过程中产
生的缺陷。
3) 再流焊后检测，主要检查焊后缺陷
SMT中应用AOI技术的形式多种多样，但其基本原理
是相同的，即用光学手段获取被测物体图形，一般通
过一传感器（摄像机）获得检测物体的照明图像并经
过数字化处理，然后以某种方法进行比较、分析、检
验和判断，相当于将人工目视检测自动化、智能化。
AOI系统是涉及多学科的精密设备。AOI系统按技术可
划分为精密机械、电气控制、图像处理（CCD摄像或
叫视觉系统）系统、软件系统4大部分，在各主要模块
中根据需要还可以进行功能划分。
1、精密机械系统模块
在每一块PCB板检测时，AOI系统的工作台都要自动运动到摄像
头位置，进行图像摄取动作。即使程序已经设置了与这些动作有关的数
据，但如果因机械运动精度发生变化等原因，使其中的参数发生了改变，
也会导致不能完成正确的检测过程。为实现精密工作台准确运行，采用
由交流伺服电机驱动精密滚珠丝杠，滚动直线导轨导向，实现位置闭环
控制。AOI系统的x、y工作台如图所示。
2、 CCD摄像系统模块
CCD摄像系统主要由摄像头、图像卡、LED程控光源组成。
LED是一种固态的半导体器件，叫发光二极管，它可以直接把电转
化为光。摄像头所获取的视频图像信号传送到图像采集卡上，由控
制图像采集卡完成图像采集，主控计算机将采集的视频图像处理后，
将结果返回给主控程序，通过显示器就可以对图像进行实时观测并
完成其它相应的控制过程。
在AOI的CCD摄像系统中，光学照明是由LED光源完成的，其
主要功能是控制光源的开关、亮度和照射方向。CCD摄像系统可以
通过人机界面控制系统进行图像实时采集、关闭采集、读入图像、
显示图像等功能。人机界面系统发送作业命令时，由CCD摄像系统
实现自动扫描。该摄像系统能够有效识别各种状态的PCB板。
AOI摄像机采集图形信号，经过模/数转换，
生成二进制数字信号过程的示意图
扫描PCB后经数模转换获得的二进制条
码送往逻辑硬件进行分析示意图
实际的板经扫描后经过分析形成的二进制图形
将建立的二进制条码和设计规则检验（DRC: Designrule check）的相关参数通过对比文件进行逻辑分析
用设计规则检验（DRC）的方法，通过逻辑分析
检测图形。就能够识别和发现PCB上的缺陷，实
现自动检测发现问题的目的
3、控制系统
AOI的控制系统主要完成：x、y精密工作台作μm级精度运动
控制、ｚ轴方向（CCD摄像系统）运动控制、图像采集、PCB板的
自动定位、真空电磁阀自动控制等功能。
AOI的控制系统由主控计算机、运动控制卡、图像卡、I/O接口
板等组成，实现三坐标和外围I/O接口控制，保证运动的准确性和快
速响应性，配合机械、视觉模块实现整机功能。主控计算机是整个
控制系统的核心，实现整机数据的采集传送、分析处理功能，并向
各部分发出指令，完成机械传动、图像处理及检测功能。运动控制
卡主要实现三坐标运动控制信号的采集，传送各种加工数据，动作
执行指令功能等。图像卡主要是完成PCB板的图像采集转换。
AOI系统的控制原理如图所示。
AOI系统控制原理图
4、软件系统
AOI系统软件有强大的安全保护和平稳的数据库、网络支持等
特性。 软件的核心由运动控制、视觉处理及算法三大部分组成，用
户可通过视窗界面完成各种运动控制、视觉识别；AOI系统软件支
持工艺数据编程，可实现工艺编程的所见即所得的特性；同时软件
支持多种方式的操作模拟与仿真，使操作人员在批量操作前验证和
测试操作数据，避免出现漏检和误检。作为功能选项软件还可提供
与多种电路设计CAD软件的接口，能自动从设计文件到模板文件，
提高操作人员的编程效率，具有良好的运行性能和符合人机工程学
原理的界面。
AOI工作原理
利用CCD收集其反射光，得到PCB上元器件的图像信息，CCD
再将得到的图像光信号转换成离散的数字信号存入计算机中，
通过专用软件对获得的图片进行分析处理，完成对PCBA元件
的检测判断。
顶光照射时的示意图
侧光照射时的示意图
AOI工作模块图
3、利用AOI检测印刷焊膏的质量
• 印刷缺陷有很多种，大体上可以分为焊盘上焊膏不足、焊膏过多；
大焊盘中间部分焊膏刮擦、小焊盘边缘部分焊膏拉尖；印刷偏移、
桥接及沾污等，形成这些缺陷的原因包括焊膏流变性不良、模板
厚度和孔壁加工不当，印刷机参数设定不合理、精度不高、刮刀
材质和精度选择不当、PCB加工不良等，通过AOI可以有效监控
焊膏印刷质量，并对缺陷数量和种类进行分析，从而改善印刷制
程。
图是一种焊膏检测系统的原理图，该系统组成部分为摄像机与光纤维，x-y
工作台系统。在x-y桌面上安装摄像机，环状光纤维在x-y方向移动，采集
PCB整体的图像来进行检测，利用环状光纤维与环状反射板将倾斜的光照射
到焊膏上，摄像头从环状光纤维的正方向摄像，测出焊膏的边缘部分算出焊
膏的高度，这是一种把形状变化转化为光的变化来进行判定的检测方法。
4、 贴装后检测
• 元件贴装环节对设备精度要求很高，即使使用高精度的贴片机也
常出现漏贴和错贴元器件、还会出现帖片偏移歪斜、极性相反等
缺陷。AOI检测可以检测出上述缺陷，同时还可以检查连接细间
距引脚和BGA元件的焊盘上的焊膏。图所示为某型AOI对贴片后
的PCB检测所采集到的图像。
算法举例
•
利用亮度分布来进行计算
•
原理：这种算法可以获得窗口内的亮度梯度，窗口内各像
素沿着长边方向的亮度差就是分布状态“Distribution”. 宽
度“Width”值是用来屏蔽掉窗口内灰尘或其它瑕疵的检测
结果的影响，灰尘或其它瑕疵会对亮度起很大的干扰并影
响检测结果的精度，当检测窗口内有一束强光横穿整个窗
口时，样本（Sample）值会很大，图是利用亮度来进行
计算，检测焊接过程中出现的不良现象。
亮度计算算法
利用图像对比来进行计算
原理：这种算法可以在检测窗口内搜寻与已知图像相似的图像，并
判断其相似程度，当两幅图像完全一样时，则“Sample”为100，
当两幅图像完全不同时，则“Sample”为0。根据相似的程度，其
“Sample”值在0～100的范围内变化。这种算法在在IC中的应用，
可以测出反向、错料、漏料等缺陷，但图片必须能够明显的看出缺
陷或是IC丝印的关键字。
图像对比算法
X射线检测
• X射线检测是利用X射线具备很強的穿透性，能穿透物体表面的性
能，透视被检焊点内部，从而达到检测和分析电子元件各种常见
的焊点的焊接品质，如BGA，CSP与FC等封装器件下面的焊点缺
陷，如桥接、开路、焊球丢失、移位、钎料不足、空洞、焊球和
焊点边缘模糊等，还可检测BGA等封装内部是否有气泡，桥架，
虚焊等。图为X射线测试机器外形图。
X射线测试机器外形图
谢谢大家！