摘要：隨著SMD元件小型化的發(fā)展趨勢(shì)及SMT工藝越來(lái)越高的要求，電子制造業(yè)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的要求也越來(lái)越高。未來(lái)SMT生產(chǎn)車間配置的檢測(cè)設(shè)備應(yīng)該比SMT生產(chǎn)設(shè)備多。最終的解決方案應(yīng)該是SPI+爐前AOI+爐后AOI+AXI的組合。
1 SMD元件小型化的趨勢(shì)及對(duì)AOI設(shè)備的需求
隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，滿足人們各種愿望的便攜設(shè)備越來(lái)越多，制作越來(lái)越精細(xì)，如藍(lán)牙耳機(jī)，PDA，上網(wǎng)本，MP4，SD卡等等。這些產(chǎn)品的需求刺激了SMD元件小型化的發(fā)展，而元件的小型化也促進(jìn)便攜設(shè)備的發(fā)展。 SMD無(wú)源元件發(fā)展趨勢(shì)是這樣的，1983年出現(xiàn)了0603元件，1989年出現(xiàn)了0402的元件，1999年開(kāi)始有了0201的元件，在今天我們已經(jīng)開(kāi)始使用01005的元件了。
01005的元件最初用于起博器等尺寸敏感成本不敏感的醫(yī)療設(shè)備上，隨著01005元件生產(chǎn)的規(guī)�；�，01005元件的價(jià)格已經(jīng)比剛推出時(shí)的價(jià)格下降了5倍，這樣01005元件的使用范圍隨著成本的降低不斷地?cái)U(kuò)大到別的領(lǐng)域的產(chǎn)品上，從而刺激新的產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)。
SMD的元件從0402，發(fā)展到0201再到了01005，尺寸變化如下圖所示：
01005芯片電阻的尺寸為0.4 mm×0.2 mm×0.2 mm，面積僅分別為前兩者的16%、44%，體積則僅為前兩者的6%、30%。對(duì)于尺寸敏感的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，01005的普及給產(chǎn)品帶來(lái)生機(jī)。當(dāng)然，同時(shí)也給電子制造業(yè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇！ 01005元件和0201元件的生產(chǎn)，給SMT生產(chǎn)設(shè)備從前端到后端都提出極高的精準(zhǔn)度要求。
對(duì)于0402的元件來(lái)說(shuō)，用肉眼檢查都已經(jīng)是很吃力，難以持久的事情，更別說(shuō)正在普及的0201的元件和正在發(fā)展中的01005的元件。所以SMT生產(chǎn)線需要AOI設(shè)備來(lái)做檢查已經(jīng)是行業(yè)共識(shí)。對(duì)于0201這樣的元件來(lái)說(shuō)，如果發(fā)生缺陷，只能放在顯微境下，用專用的工具維修。所以維修成本變得比0402的高很多，對(duì)于01005這樣尺寸（0.4x0.2x0.13mm）的元件來(lái)說(shuō)，單用肉眼是很難看到的，使用任何工具來(lái)操作和維修就更困難了。因此01005元件如果在工藝上出現(xiàn)缺陷幾乎是不能返修。所以隨著器件的小型化發(fā)展，我們更加需要AOI機(jī)器來(lái)對(duì)工藝進(jìn)行過(guò)程控制，而不僅是檢查出產(chǎn)生了缺陷的產(chǎn)品。這樣我們就能在工藝中盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，改善工藝，減少錯(cuò)誤的發(fā)生。
2 SMT外觀檢測(cè)設(shè)備的使用現(xiàn)狀
雖然AOI設(shè)備起源于20年前，但是在很長(zhǎng)一段時(shí)間，因?yàn)閮r(jià)格昂貴，難以掌握，檢出效果不盡人意，AOI只是作為概念存在而已，并未得到市場(chǎng)的認(rèn)可。但是，自從2005年以后，AOI發(fā)展迅猛，AOI設(shè)備供應(yīng)商如雨后春筍，紛紛涌現(xiàn)，各種新概念，新產(chǎn)品層出不窮，特別是國(guó)內(nèi)的AOI設(shè)備廠商是我國(guó)SMT界的驕傲，國(guó)產(chǎn)的AOI設(shè)備在使用效果上與國(guó)外產(chǎn)品已經(jīng)不想上下，而因?yàn)閲?guó)產(chǎn)AOI的崛起，使AOI整體價(jià)格下降到以前的1/2～1/3，因此就AOI代替人工目視所節(jié)省的人力成本來(lái)說(shuō)，購(gòu)買AOI也是值得，更不用說(shuō)用AOI還能提升產(chǎn)品的直通率，得到比人工更加穩(wěn)定的檢測(cè)效果。所以對(duì)目前SMT加工廠家來(lái)說(shuō)AOI已經(jīng)是必備的設(shè)備了。
通常情況下，可將AOI放置在SMT生產(chǎn)過(guò)程中的3個(gè)位置，印刷焊膏后，回流焊前和回流焊后分別監(jiān)控不同的工段的品質(zhì)。雖然AOI的使用已經(jīng)是潮流，但是目前大多數(shù)的廠家仍然只是在爐后安裝了AOI，將AOI作為產(chǎn)品流入下一個(gè)工段的最后把關(guān)者，僅是代替人工目測(cè)而已。另外，很多的的使用廠家對(duì)于AOI的認(rèn)識(shí)還是存在誤區(qū)的。沒(méi)有AOI可以做到?jīng)]有誤測(cè)，也沒(méi)有AOI可以做到?jīng)]有漏測(cè)，大多數(shù)的AOI都是在誤測(cè)與漏測(cè)之間選擇合適的平衡點(diǎn)，因?yàn)椴还苣姆N方式的AOI的算法都是在當(dāng)前樣本與電腦樣本（既可以是圖像也可以是參數(shù)）之間做比較，根據(jù)相似度作出判斷。
目前使用爐后AOI還有很多檢測(cè)死角，如單鏡頭的AOI只能檢測(cè)部分QFP,SOP翹腳，虛焊。但是多鏡頭的AOI對(duì)QFP和SOP的翹腳與少錫的檢測(cè)率僅比單鏡頭的AOI提升了30%，但是卻增加了AOI的成本及操作編程的復(fù)雜程度，這些利用可見(jiàn)光的影像制作的AOI對(duì)不可見(jiàn)焊點(diǎn)如BGA缺球,PLCC假焊的檢測(cè)無(wú)能為力。
放置于錫膏印刷之后，檢測(cè)錫膏印刷質(zhì)量的AOI被行業(yè)人士稱為SPI。目前僅少數(shù)上規(guī)模的企業(yè)或做軟板(FPCB)的企業(yè)配備了此種設(shè)備。速度，精準(zhǔn)性，誤判率及價(jià)格是制約此種設(shè)備普及的原因。
目前放置于爐前的AOI使用非常少，僅用于有些爐后不能檢測(cè)（如某些手機(jī)板帶屏蔽罩過(guò)爐，必須在裝屏蔽罩之前檢測(cè)）或檢測(cè)效果不好的產(chǎn)品（如軟板）。
另外，有一種近年來(lái)興起的外觀檢測(cè)設(shè)備AXI，正在高速發(fā)展中。2009年NEPCON的展會(huì)已經(jīng)新出現(xiàn)了多家在線式的AXI設(shè)備，多家檢測(cè)設(shè)備供應(yīng)商都看好AXI的未來(lái)的發(fā)展，是因?yàn)?/span>AXI能真正解決單鏡頭AOI的檢測(cè)盲點(diǎn)，在線式AXI的興起使多鏡頭的AOI變得沒(méi)有意義。AXI是利用不可見(jiàn)光Xray來(lái)檢測(cè)PCB裝配。它的優(yōu)點(diǎn)如下：可檢查的缺陷包括：虛焊、橋連、立碑、焊料不足、氣孔、器件漏裝，IC翹腳，IC少錫等等。尤其是X-RAY對(duì)BGA、PLCC,CSP等焊點(diǎn)隱藏器件也可檢查。因?yàn)閳D像是二值化圖像，圖像識(shí)別相對(duì)來(lái)說(shuō)容易完成，誤測(cè)低。它的缺點(diǎn)是：速度慢，價(jià)格貴，真正在線使用非常少，大部分以離線使用為主。目前在線式的機(jī)器還不太成熟，還沒(méi)有被使用廠家認(rèn)識(shí)與接受。
3 各類SMT外觀檢測(cè)設(shè)備功能分析
a) 用于測(cè)量印刷機(jī)后的錫膏印刷質(zhì)量檢測(cè)機(jī)SPI: SPI檢查在錫膏印刷之后進(jìn)行，可發(fā)現(xiàn)印刷過(guò)程的缺陷，從而將因?yàn)殄a膏印刷不良產(chǎn)生的焊接缺陷降低到最低。典型的印刷缺陷包括以下幾點(diǎn)：焊盤上焊錫不足或過(guò)多；印刷偏移；焊盤之間存在錫橋；印刷錫膏的厚度、體積等。在這個(gè)階段必須有強(qiáng)大的制程監(jiān)控資料(SPC)，如印刷偏移和焊錫量信息，而有關(guān)印刷焊錫的定性信息也會(huì)產(chǎn)生，供生產(chǎn)工藝人員分析使用。以此改善工藝,提高工藝,降低成本。此種設(shè)備目前分為2D和3D兩種類型。2D不能測(cè)量錫膏的厚度，只能測(cè)量錫膏的形狀。3D既可以測(cè)量錫膏的厚度也能測(cè)量錫膏的面積，從而能算給出錫膏的體積。隨著元件的細(xì)微化，如01005的元件所需的錫膏厚度僅為75um，而其它普通的大元件錫膏厚度130um左右。可以印制不同錫膏厚度的自動(dòng)印刷機(jī)一進(jìn)分出現(xiàn)了。所以只有3D的SPI才能滿足未來(lái)錫膏制程控制的需要。那么我們未來(lái)要怎樣的SPI才能真正滿足制程需要呢？主要是這些方面的要求：
i.一定是3D。
ii.高速檢測(cè)，目前的激光SPI測(cè)厚度準(zhǔn)確，但速度還不能完全滿足生產(chǎn)的需要。
iii.正確的或可調(diào)的放大倍率(光學(xué)和數(shù)碼放大倍率是非常重要的參數(shù)，這些參數(shù)能夠決定設(shè)備最終的檢測(cè)能力。要精確的檢測(cè)0201，01005的器件，光學(xué)和數(shù)碼的放大倍數(shù)是很重要的，必須保證能夠提供給AOI軟件的檢測(cè)算法足夠的解析度和圖像信息)。但是在相機(jī)像素固定的情況下，放大倍率與FOV是成反比的關(guān)系，FOV的大小又會(huì)影響到機(jī)器的速度。而同一片板上，大小元件同時(shí)存在，所以根據(jù)產(chǎn)品上元件的大小選擇合適的光學(xué)分辨率或可調(diào)的光學(xué)分辨率是重要的。
iv.光源的可選性：可編程光源的使用將是確保最大缺陷檢出率的重要手段
v.更高的精確度和重復(fù)性：元器件的微型化，促使生產(chǎn)過(guò)程中所使用設(shè)備的精確性與重復(fù)性變得更加重要。
vi.超低的誤判率：只有控制住基本的誤判率才能真正發(fā)揮機(jī)器給工藝帶來(lái)的信息的可用性和選擇性以及操作性
vii.SPC制程分析及與其它位置AOI之間的缺陷信息共享：強(qiáng)大的SPC制程分析,外觀檢測(cè)的最終目的是改善制程,使制程合理化,達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài),從而控制制造成本
b)爐前的AOI：由于元件的小型化，0201元件缺陷在焊接之后的維修已經(jīng)很困難，01005元件的缺陷基本是不能維修的。所以爐前AOI會(huì)變得越來(lái)越重要，爐前的AOI可以檢測(cè)貼片元件的偏位，錯(cuò)件，缺件，多件，極性反等貼片工藝的缺陷。所以爐前的AOI一定是在線的，最重要的指標(biāo)就是高速，高精準(zhǔn)度及重復(fù)性和低的誤判。同時(shí)還可以與上料系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)信息，只檢測(cè)換料時(shí)段的換料元件的錯(cuò)件，減少系統(tǒng)誤報(bào)，另外還可將元件的偏位信息傳給SMT編程系統(tǒng)，即時(shí)修正SMT機(jī)器程序。
c)爐后的AOI：爐后的AOI按照上板方式分為在線的和離線的兩種形式，爐后的AOI是產(chǎn)品最后的把關(guān)者，所以是目前應(yīng)用最廣泛的AOI,它需要檢測(cè)整條生產(chǎn)線PCB缺陷，元件缺陷與所有的制程缺陷。只有三色高亮度的穹頂LED光源能充分顯示出不同的焊接浸潤(rùn)曲面，才能較好的檢出焊接缺陷，所以未來(lái)也只有這樣光源的AOI才有發(fā)展的空間，當(dāng)然未來(lái)，為了應(yīng)對(duì)不同的PCB顏色，三色RGB的順序也是可編程的。那就更加靈活了。那么未來(lái)什么樣的爐后AOI可以滿足我們SMT生產(chǎn)發(fā)展的需要呢？那就是：
i.高速。
ii.高精度及高重復(fù)性。
iii.高分辨率的相機(jī)或可變分辨率的相機(jī)：同時(shí)滿足速度與精密度的要求。
iv.低的誤判與漏判：這需要在軟件上提升，檢測(cè)焊接特性最容易帶來(lái)誤判與漏判。
d)爐后的AXI: 可檢查的缺陷包括：虛焊、橋連、立碑、焊料不足、氣孔、器件漏裝，IC翹腳，IC少錫等等。尤其是X-RAY對(duì)BGA、PLCC,CSP等焊點(diǎn)隱藏器件也可檢查,它是可見(jiàn)光AOI的一個(gè)很好的補(bǔ)充。
4 未來(lái)生產(chǎn)線上AOI設(shè)備的使用
SMT生產(chǎn)的大部分缺陷分別產(chǎn)生于錫膏印刷機(jī)和回流焊，這是行業(yè)共識(shí)，只是缺陷比例各家各有不同。
起初AOI技術(shù)是為了取代效果不穩(wěn)定的人工檢測(cè)而出現(xiàn)的，而如今先進(jìn)的AOI系統(tǒng)提供了對(duì)缺陷趨勢(shì)的早期檢測(cè)，形成了做出正確工藝選擇所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。對(duì)AOI系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)加以充分利用，解決生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，可以幫助大批量SMT生產(chǎn)線大大降低故障率、提升產(chǎn)品合格率并削減返修成本。
通常情況下，可將AOI放置在SMT生產(chǎn)過(guò)程中的3個(gè)位置，印刷焊膏后，回流焊前和回流焊后。
將AOI放置在生產(chǎn)過(guò)程的前端可以更早的發(fā)現(xiàn)缺陷和進(jìn)行維修，越早發(fā)現(xiàn)缺陷就越能降低維修成本。修復(fù)焊膏缺陷只需要洗板及重新印刷,維修成本是最低的。
在爐前放置AOI也是非常必要的，雖然過(guò)回流焊時(shí)融化的錫膏的表面張力可以將貼片機(jī)貼裝元件時(shí)有輕微的坐標(biāo)及角度偏移的元件拉回原位。在爐前放置AOI，可以準(zhǔn)確定位此種錯(cuò)誤，改善制程，在這位置可以將元件的偏移信息提供貼裝設(shè)備編程系統(tǒng)校準(zhǔn)的貼片設(shè)備的生產(chǎn)程序；在此位置還可以及早地發(fā)現(xiàn)元件的錯(cuò)漏反，即時(shí)糾正工藝錯(cuò)誤；而且在此位置發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤的維修費(fèi)用比在爐后發(fā)現(xiàn)的維修費(fèi)用低很多。比如現(xiàn)在使用的精密組件,發(fā)生少錫,偏位,墓碑等外觀不良,實(shí)驗(yàn)表明發(fā)生在回流焊后維修的成本將會(huì)非常的大甚至導(dǎo)致整片PCB報(bào)廢;如果在回流焊前發(fā)生該錯(cuò)誤,只需要花去一分鐘的時(shí)間就可將不良品改變?yōu)榱计?/span>.某生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)于檢測(cè)設(shè)備投入與維修成本的統(tǒng)計(jì)如下表:
某生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)設(shè)備投入與缺陷維修成本的統(tǒng)計(jì)如下：
基本投入成本(萬(wàn)元RMB) 修正缺陷付出的成本 投入產(chǎn)出比
印刷后缺陷成本 >20 0.2RMB 中
爐前檢測(cè)缺陷成本 >20 0.1RMB 低
爐后檢測(cè)缺陷成本 >10 0.5RMB 高
從上節(jié)各設(shè)備的分析可以看出，在爐后不僅要放置AOI，更要放置AXI,應(yīng)該是AOI+AXI的組合，它可以不僅從速度上，也從檢測(cè)能力上滿足檢測(cè)幾乎所有外觀缺陷的要求。
如果產(chǎn)線檢測(cè)設(shè)備僅僅是檢測(cè)產(chǎn)品缺陷，那么整個(gè)設(shè)備的效能只發(fā)揮了一部分，只有當(dāng)把產(chǎn)線檢測(cè)設(shè)備的SPC分析結(jié)果與產(chǎn)線工藝檢查節(jié)點(diǎn)的相互作用，不斷改善工藝水平，從而使生產(chǎn)達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。
當(dāng)整條線都配置AOI之后，在SPI，AOI和AXI系統(tǒng)中集成了強(qiáng)大的實(shí)時(shí)SPC，這是實(shí)行這個(gè)過(guò)程控制策略的核心。SPC必須準(zhǔn)確記錄的各元件在各工位的形態(tài)，定位缺陷，并對(duì)工藝進(jìn)行趨勢(shì)分析，以指出潛在的缺陷，及時(shí)改善。
5 AOI設(shè)備的培訓(xùn)與服務(wù)的重要性
AOI設(shè)備的使用效果與編程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，技能關(guān)系還是比較大，不管是采用圖像比對(duì)學(xué)習(xí)型的AOI還是特征矢量參數(shù)調(diào)整型的AOI，AOI要用得很好，還是有很多參數(shù)需要調(diào)整的，對(duì)于很有經(jīng)驗(yàn)的使用者來(lái)說(shuō)，可以使AOI發(fā)揮到極致，而對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的使用者來(lái)說(shuō)，有些廠的AOI設(shè)備就不會(huì)發(fā)生應(yīng)有的作用，有的廠的AOI設(shè)備甚至因此而束之高閣。但是，與此相對(duì)應(yīng)的是很多公司人員流動(dòng)頻繁，AOI設(shè)備的使用經(jīng)常受到影響，AOI供應(yīng)商接到的客戶服務(wù)請(qǐng)求大多數(shù)都是培訓(xùn)，指導(dǎo)，幫助客戶制作程序。為了AOI事業(yè)的更好的發(fā)展，勁拓自動(dòng)化設(shè)備有限公司立志成為檢測(cè)設(shè)備的領(lǐng)頭羊，率先成立專門的AOI培訓(xùn)服務(wù)中心，所有的客戶都可以派員到培訓(xùn)中心來(lái)免費(fèi)參加AOI的培訓(xùn)，解決客戶使用AOI的后顧之憂 。