（计算机应用技术专业论文）smt组装生产中aoi系统的研究.pdf

摘要 摘要 自动光学检测是指用光学成像技术获取被检测物的数字图像，然后由计算机 对图像进行计算以实现对被检测物的检验、分析和判断。在s m t 生产线上，自动 光学检测系统用光学手段获取被测贴装板的图像，然后用图像匹配检测图像中贴 片元件的位置来检测电路板上的元件是否有缺装偏装等情况。论文对s m t 组装生 产中的自动光学质量检测技术和系统进行了研究：对s m t 组装生产中的自动光学 质量检测技术和系统进行了表述，介绍了s m t 组装质量检测的a o i 解决方案；分 析说明了解决拍摄过程中产生的由于传送台的不确定性造成的电路板图像偏移和 旋转问题，采用r a k e 边界搜索和直线拟合的策略进行坐标系统重定位；分析了自 动光学检测中图像匹配技术的特点，采用n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的l a b v i e w 实 现了表面贴装元件的图像检测虚拟仪器，给出了用此虚拟仪器程序检测实例结果 和检测报告，结果令人满意。 关键字：微电子表面组装技术自动光学检测图像匹配虚拟仪器 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o ns y s t e m si n t e g r a t e dp e r f o r m a n c eo f c a r e e r a 1 i g l l t i n g s y s t e md c s i g n a n dv i s i o na l g o r i t h m st om e e tt h eq u a l i t yc o n t r o lr e q u i r e m e n t s i n s u r f a c em o u n t t e c h n o l o g y ( s m dp r o d u c t i o nl i n e ，a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o n s y s t e r n su s ec h a r g e - c o u p l e dd e v i c e ( c u d ) c a n l e r a s t oa c q u i r e i m a g e so f t h ec i r c u i t b o a r d a n d t h ei m a g e s f i ea n a l y z e dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ea r ea n yd e f e c t si ne a c h a r e ao ft h eb o a r d a u t o m a t e d o p f i c a li n s p e c t i o ns y s t e m s c a n i d e n t i f yp r o c e s sp r o b l e m s r e s u l t i n gi nm i s s i n g a n d m i s p l a c e dt o m p o n e n t s t h e u s eo f a u t o m a t e do p t i c a l i n s p e c t i o ns y s t e r n si sav e r y e e i c i e n tw a yt os u p p l e m e n t p r o c e s sc o n t r o la n di m p r o v e q u a i l t yi e v e i s t i l i sp a p e r t a k e sr e s e a r c h e so nt h ea u t o m a t i c o p t i ci n s p e c t i o ns y s t e m s i n s m t p r o d u c t i o nl i n e t h es o l u t i o no f a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o nt os m tp r o d u c t i o n q u a l i t yi n s p e c t i o ni si n t r o d u c e d t os o l v et h ep r o b l e mo f t h ei m a g e sp o s i t i o na n d a n g l e o f f s e t , i te m p l o y st h er a k ee d g ed e t e c t i o na n dm s d l i n ef i ti nr e l o c a t i n gt h ec o o r d i n a t e s y s t e m ；t h e c h a r a c t e r i s t i c so fi m a g e m a t c h i n gt e c h n o l o g yi n a u t o m a t e d o p t i c a l i n s p e c t i o ns y s t e r n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l b r i e f l yi n t r o d u c et h ep a t t e r nm a t c h i n g p r i n c i p l eo fl a b v i e w a n d av m u a li n s t r u m e n to f c o m p o n e n ti m a g ei n s p e c t i o nh a s b e e na c t u a l i z e da c c o r d i n gt h o s ec h a r a c t e r i s t i c s ar e p o r ti sa l s og i v e no ft h er e s u l to f s e a r c h i n g ac o m p o n e n ti nap c b i m a g e w i t ht h i sv i r t u a li n s t r u m e n t k e y w o r d s s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ，a u t o m a t i co p t i ci n s p e c t i o n ，v i r t u a l i n s t r m n e n t ；i m a g em a t c h i n g ； 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志为本研究所 做的任何贡献均已在论文中傲了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名：翔坐堡 日期：塑! 兰：兰旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位论文期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文 的全部或部分内容。可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文a ( 保密 的论文在解密后遵守此规定) a 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期：至! ! 三! ! ：生! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微电子表面组装生产中的自动光学检测系统简介 自动光学检测【1 】( a u t o m 如o p t i ci n s i 州i o n ，a o d 是指用光学成像技术获取被检 测产品的数字图像，然后由计算机对图像进行分析以实现对产品质量的检验。在 微电子表面组装技术( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ，s m t ) 中，自动光学检测 技术用光学手段获取被测板的图像，然后对图像进行检验、分析和判断。以实现 贴装电路板的自动光学质量检测。作为s m t 生产线一种重要在线检测设备，a o i 目前已得到越来越广泛的应用。它具有速度快、精度高、重复性好等特点，可替 代人工目检而用于s m t 线上，在生产过程中及时发现不良品，协助工程师对相 关设备设置进行调整。经过近十年的努力，自动光学检测技术越来越先进和完善， 自动光学检测系统的形式也越来越多样化，并正在向着检测智能化方向发展。 1 2 s m t 中的检测技术 在微电子组装和制造业，元器件的微型化和密集化是长期以来的发展趋势。 表面贴装技术是目前应用最为广泛的电子组装技术，就大部分s m t 设备而言， 已经进入较成熟阶段，但s m t 检测设备市场目前还处于起步阶段。s m t 元件的 微型化和密集化、高密度快速组装发展趋势【b 1 ，生产厂商对产量的要求加上线路 板上更高的密度、更复杂的捧版技术及更小的元件等等，都给锡膏涂覆、元件贴 放、回流焊以及对这些过程进行检测带来了极大的困难。在取得高速发展的同时， s m t 行业面临着巨大的挑战。那就是s m t 的检测技术问题，现有的检测手段已 经逐渐不能适应当今s m t 的发展趋势了。高性能、高复杂性、高质量微电子组 装和生产。除了应保证优良的原材料、具备先进的生产工艺、设备和先进的管理 模式之外。还必须具备完备的技术质量保证体系和先进检测设备。随着零部件的 小型化、产品的日渐复杂和上市时间的缩短，测试问题越来越复杂，电路扳功能 的扩大使得组装级别的在线检测成为组装工艺过程中的重要问题。 目前的组装生产线上常用测试检测方法p 7 j 2 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 1 ，人工视觉检测 人工视觉检测( m a n u a lv i s i o ni n s p e c t i o n ，m v i ) 是最为传统的一种检测技 术，由人工操作员来完成电路板的检查。该过程要求许多操作员在装配线的工位 上，使用显微镜和电路板覆盖图来找出丢失的元件、错误的贴放位置和焊接缺陷。 虽然检查小板相对容易，但是随着板的尺寸和元件数量的增加，这项工作很快变 成繁重的体力负担，检查的准确性与可靠性急剧下降，检查时间也增加到无法保 持生产线速度的地步。传统的人工目检即使对于中等复杂程度的电路板( 如3 0 0 个 器件、3 5 0 0 个节点的单面板) 也显得无法适从。人工目检具有很大的主观性，对 于高度复杂的表面贴装电路板，人工目检不可靠也不经济。而对采用微小球型阵 列封装、芯片尺度封装和倒装芯片的表面贴装电路扳，人工目检实际上是不可能 的。最后，需要雇佣更多的操作员来处理较大的板造成了额外的人工成本和人力 资源问题。采用传统的目检或人工光学检测的形式检测s m t 组装质量已跟不上 业界发展的需求。 2 ，针床式测试仪 针床式测试仪以其高速的短路与开路测试、经济的大批量生产成本得到大量 应用。制造缺陷分析仪( m d a ，m a n u f a c t u r i n g d e f e c ta n a l y z e r ) 使用一个针床式 测试仪进行诊断输出针床式测试仪也有很多缺点：针对不同的电路板需要制作 不同的模板，制作和调试周期长、成本高，因此不适合低产量原型样机的测试； 测试覆盖能力有限，只能测短路和断路缺陷。不能测试到屏蔽了的装配；随着电 路板密度越来越高，无法测量间距太小的电路板。 3 ，飞针式测试仪 飞针测试机是专门针对小批量、多品种生产的测试系统使用四到八个独立 控制的、来回移动的探针对攘块的电路板进行测试。探针移动到测试中的元件 在测单元( u u t 。u n i t u n d e r t e s t i n g ) 通过传送系统输送到测试机内后固定探 针通过接触涌试焊盘和通孔测试u u t 的单个元件。测试探针通过多路传输系统 连接到驱动器( 信号发生器、电源供应等) 和传感器( 数字万用表、频率计数器 等) 来测试i j i 盯上的元件飞针测试机可检查短路、开路和元件值。 飞针测试机具有很多优点：设定、编程和测试简单灵活，能快速地转换测试 和反馈过程错误：很方便检测具有微细间距引脚的电路板；精度、稳定性、可靠 性高；无须专门开发夹具，降低检测成本：简化功能测试。飞针测试机也有缺点： 第一章绪论 由于逐点检测，测试一面后翻转再测另一面，飞针测试时间很长；因为物理地接 触通孔和焊盘，可能在焊锡上留下小凹坑；在没有焊盘的地方探针会接触到元件 引脚，所以可能会错过松脱或焊接不良的元件引脚；探针测试机还限制电路板的 尺寸。 4 ，自动光学检测 自动光学检涓a o i 基于光学原理，综合采用图像分析、计算机和自动控制 等多种技术，对生产中遇到的缺陷进行检测和处理。a o i 通常在回流焊前后、电 气测试之前使用，提高电气处理或功能测试阶段的合格率。由于a o i 可放置在 回流炉前进行检测，可及时发现由各种原因引起的p c b 缺陷，此时纠正缺陷的 成本远远低于在最终测试和检查之后进行的成本，通常达到十几倍。由于编程简 单、操作容易、生产成本低和缺陷覆盖率高，用于p c b 装配的a o i 设备现在己 经在国外得到广泛的应用。 s ，自动x 光检查 自动x 光检查a x i 在检测超细间距和超高密度电路扳方面有很重要的应用。 a x i 主要用于电路组装工艺过程中产生的桥接、丢片、对准不良等缺陷的检测。 使用a x i 检测球栅阵列( b g a ，b a l lg r i da r r a y ) 焊接质量和嵌入式元件是现时 满足生产工艺要求的唯一方法。现在主要有两种a x i 方法检测p c b ：完整的2 d 图像或在不同角度拍摄合成3 d 图像。自动x 光检查的研究开始很早，但应用范 围还不够广，技术也不很成熟，仍存在速度慢、成本高、和开发时间长等缺点， 有待于迸一步研究 6 ，激光检测系统 这种非接触测试方法是p c b 测试技术的最新发展。它利用激光束扫描印制 板，收集所有测量数据，并将实际测量值与预置的合格极限值进行比较。这种技 术己经在光扳上得到证实，正考虑用于装配板测试，速度己足够用于批量生产线。 快速输出、不要求夹具是其主要优点；初始成本高、维护和使用问题多是其主要 缺点。已投入使用的激光自动检测系统有在线样品检测设备和在线整块印制板检 测设备。前者检测样品缺陷，能够快速预置并编程，但缺陷漏检的机会高；后者 能够在线检测每块印制板上的每个检测点，成本高但速度快、并可检验各种不同 类型的缺陷，包括偶然出现的缺陷。 4 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 1 3 印刷电路板生产中的自动光学检测系统“3 在过去的十年当中，锡膏印刷机和s 帆贴片机的性能得到了改善，这使得产 品组装的速度、精确度和可靠性都得到了提高，制造商的成品率也因此得以提高。 元器件生产商提供的越来越多的s m t 封装元件，也推动了印刷电路板组装线自动 化的发展。而s i f t 元件的自动贴装几乎可以完全杜绝生产线上人工组装可能产生 的错误。在p c b 制造业，元件的微型化和密集化是一直以来的发展趋势。这促使 制造商为其生产线安装a o i 设备。因为仅依靠人工已经不可能对分布细密的元件 进行可靠而一致的检测，并且保存精确的检测记录。而a o i 则可以进行反复而精 确的检测，检测结果的存贮和发布还可以实现电子化。 图1 1 如图1 1 所示，可以在一条生产线中四个生产步骤的任意一步之后有效地运 用a o i 。a o i 可以分为预防闷题与发现问题两类。锡膏印刷之后、( 片式) 器件贴放 之后和元件贴放之后的检测可以归为预防问题一类，而最后一个步骤回流焊接之 后的检测则可以归于发现闷题一类，因为在这个步骤检测并不能阻止缺陷的产生。 1 锡膏印刷之后：在很大程度上有缺陷的焊接均来源于有缺陷的锡膏印刷。在 这个阶段，可以很容易、很经济地清除掉p c b 上的焊接缺陷。大多数2 一d 检测系 统便能监控锡膏的偏移和歪斜、不足的锡膏区域以及溅锡和短路。3 一d 系统还可 以测量焊锡的量 2 ( 片式) 器件贴放之后：这个阶段的检测可以检查出( 片式) 器件缺件、移位、 歪斜和( 片式) 器件的方向故障这个检测系统同时还可以检查用于连接密间距和 球栅阵列元件的焊盘上的锡膏。 3 元件贴放之后：在设备向p c b 上贴装元件之后，检测系统能够检查p c b 上缺 失、偏穆以及歪斜的元件，还能查出元件极性的错误。 第一章绪论 4 回流焊接之后：在生产线的末端，检测系统可以检查元件的缺失，偏移和歪 斜的情况，以及所有极性方面的缺陷。该系统还一定要对焊点的正确性以及锡膏 不足、焊接短路和翘脚等缺陷进行检测。如果需要，还可以在第2 、3 和4 步骤 加入光学字符识别( o c r ) 和光学字符校验( o c v ) 这两种方法进行检测。通过在 印刷或者贴装过程中安装a o i 系统，可以清除生产过程中积累的其它过程变量。 鉴于监测发展的趋势，在必须要监测的流程附近安装a o i 系统能够迅速纠正一个 快进入下一步的参数，同时近距离检测还可以减少在检测过程前不符规格的p c b 的数量。 虽然大多数电子行业的a o i 用户仍然只重视焊接之后的检测，但是今后元器 件和p c b 的小型化趋势会要求更有效的闭环的流程控制能够提供有效的检测和 测量方案的a 0 1 系统将会吸引越来越多的用户，工程师们也会认为在这样系统上 的投资更加物有所值。对于所有的客户来说，a o i 将在改进产品生产线和提高成 品率方面持续地扮演重要的角色。 i 4 国内外自动光学检测技术发展现状 国外对印刷电路板的自动光学检测系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，一些 电子行业的跨国企业都在这方面投入了大量的财力、物力和人力i l ”。目前能够生 产光学自动检测系统、技术也比较成熟的世界主要制造厂商有以色列的c a m t e k 、 o p t r o t e c h 公司、美国的林肯激光公司、i b m 公司和日本的日立制作所等。以色列 的c a i f i e k 公司的2 v 3 0 、2 v 5 0 型和o p t r o t e c h 公司的v i s i o n l 0 5 型机，采用设 计标准法和设计工作自动化系统参数比较法相结合的原理，来分别查出大缺陷和 小缺陷：美国的林肯激光公司的i n s p e c t o r v e r i f ie r 型自动光学检测仪：日本 的日立制作所研制的m p l 0 0 0 型机利用在p c b 板的原材料中产生的荧光，结合图 像识别技术，自动检测、判断电路板上的缺陷，具有极高的精度；o p t r o t e c h 公 司生产t r io ! n - 2 0 0 0 系列采用了多摄像头技术，因此对于很多难以检测到的缺陷 都可以发现。功能也十分强大。目前，世界主要制造厂商已经开始把a o i 技术推 广到电路板上的贴装元件的位置、方向的检测以及带芯片的电路板的整体检测等 领域。从上面的所举的例子，可以看出a o i 技术在国外研究的比较的早，技术也 !s m t 组装生产中a o i 系统的研究 相对来说比较的成熟，研究出来的产品也能检测出大部分的电路板的缺陷。但他 们大部分的a o i 系统售价昂贵，一般在5 0 万美元以上，有的甚至高达1 0 0 万美 元。目前国内对印刷电路板的自动检测系统的研究还刚刚起步，大约始于9 0 年 代初中期。目前，从事这方面研究的科研院所也比较的少，而且也因为受各种因 素的影响，对于表面贴装电路板缺陷的自动光学检测系统的研究也停留在一个相 对初期的水平。正因为国外的印刷电路板的自动检测系统价格太贵，而国内也没 有研制出真正意义上印刷电路板的自动检测设备，所以国内绝大部分电路板生产 厂家还是采用人工用放大镜或投影仪查看的办法进行检侧。 1 5 研究具有自主知识产权自动检测系统的重要意义 电子，通信产业正逐渐成为我国当今经济的支柱产业，然而我国在该产业 设备自主方面还存在相当的问题需要解决。随着全球经济的一体化步伐的加快， 我国产业结构的投资方向发生了重大调整，国家“十五”规划己经把研制微电子 装备作为一个专项题目提出，将向该领域投入大量的资金和人力资源，用于芯片 和相关检测装备的研发，以填补该领域的空白。而对科技最敏感的科研院所将面 l 晦着机遇和挑战。我国是全球电子组装产品生产的大国1 9 9 8 年的产值超过2 3 0 亿元，到2 0 0 3 年时，己列世界第四位。但行业的现状并不乐观，产品的生产、 检测还处于一个相对低的水平，这样也导致了生产率也比较低，同世界发达国家 相比，还具相当的差距。因此，研制开发具有自主知识产权的自动光学检测系统 是必须的、也是紧迫的。该产品技术含量高，涉及计算机视觉、光学、精密机械、 应用电子技术、图像处理技术及微处理器控制等多学科技术，如果这个自动检测 系统能研究成功，那么将使我国拥有自主知识产权的a o i 技术和a o i 产品，从而 使我国摆脱a o i 产品完全依赖进口的局面可以节省外汇，这也将使我国印刷电 路板行业的检测技术落后的状况得到改观，增加竞争的能力，提高我国p c b 企业 在国际上的地位同时，也将为通信，电子，计算机硬件等行业的发展奠定坚实 的基础。所以，研究具有自主知识产权自动光学检测系统具有非常深远的意义。 i 6 本文的主要内容 本文对s m t 组装生产中的自动光学质量检测技术和系统进行了研究，对s m t 第章绪论 组装生产中的自动光学质量检测技术和系统进行了综述；介绍了s m t 组装质最检 测的a o i 解决方案：说明了如何解决拍摄过程中产生的由于传送台的不确定性造 成的电路板图像偏移和旋转问题，采用r a k e 边界搜索和直线拟合的策略进行坐 标系统重定位：分析了自动光学检测中图像匹配技术的特点，根据这些特点采用 n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的l a b v i e w 实现了表面贴装元件的图像检测虚拟仪器， 给出了用此虚拟仪器程序检测实例结果和检测报告。本论文总共分为五章，第三、 四章是本论文的重点。 第一章对微电子表面组装生产中的检测技术作简单的介绍，阐述了自动光学 检测系统在电路板的生产检测过程中的应用介绍了国内外自动光学检测技术发 展现状，说明了研究具有自主知识产权自动光学检测系统的重大意义。 第二章详细介绍一套完整的s m t 组装质量检测a o i 解决方案，阐述了在电 路板生产流水线上各个不同阶段的a o i 应用情况；介绍了d i a g n o s y s 公司的 v i s i o n p o i n t a o i 自动光学检测系统。 第三章介绍了a o i 系统中的c c d 图像成像系统，分析了a o i 系统的成像特 点，重点说明了如何解决拍摄过程中产生的由于传送台的不确定性造成的电路板 图像偏移和旋转问题，阐述了图像校准和坐标系统重定位的具体算法步骤。 第四章研究了a o i 的系统结构，分析了自动光学检测中图像匹配技术的特点， 采用n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的l a b v i e w 实现了表面贴装元件的图像检测v i 其 中的图像匹配模块以基于特征提取的图像匹配方法为基础，并综合了多种已有的 图像匹配方法。说明了实现此v i 的详细步骤和各个模块的内部结构实现，并且 给出了用此虚拟仪器程序检测实例结果和检测报告。 第五章，对本文的论述进行了总结和展望 第二章s l y r r 组装质量检测的a o i 解决方案 9 第二章s m t 组装质量检测的a o l 解决方案 2 1 s m t 组装质量检测a o i 解决方案 在上一章的第三节介绍了自动光学检测系统如何运用于印刷电路板的生产线 上，自动光学检测系统通常用于印刷电路板的生产线上的四个环节：锡膏印刷之 后、( 片式) 器件贴放之后、元件贴放之后和回流焊接之后。本节将详细介绍s m t 组装质量检测的自动光学检测解决方案，主要参考了日本s a k i 公司的一些产品 。，这也是目前比较流行的a o i 方案。现代化电子机械的生产流程中，组装工序 的9 0 是印刷基板的制造。一个典型的包含1 0 0 至1 0 0 0 个电子贴片元器件的电 路板生产工序有以下步骤：1 将原始基板投入生产线前端的印刷机，印刷机将焊 锡膏或贴片胶印刷到原始基板上。2 接着，2 台贴片机将元件由低到高依次高速 插装到基板上。3 然后，再由3 台泛用机完成尺寸较大的i c 贴片。4 展后通过 回流焊炉对贴装完所有贴片元件的基板进行加热。在这道工序中焊锡或贴片胶 融化冷凝，完成所有贴片元件的一次性焊接。5 从流水线右后端出来的成品基板 将再次进入该流水线，以同样的工序对反面进行贴装。 图2 1 1 贴片组装电路扳的生产流程图 基板组装流程的检查主要有两个目的：品质保障和质量管理。品质保障：检 测后端修复工程中所有的缺陷，保证后端工程的工程质量和保证加工成品的品质 是后端工程中的基本目的。质量管理：质量管理的目的是将加工流程的作业质量 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 保持在最高的状态。为此通常在回流焊炉前端工程，i c 贴片前端工程或者印刷后 端工程中引进a o i 。必须实时输出以下信息：1 ，组装状态的检测；2 ，找出缺陷； 3 ，确定缺陷成因。 图2 2 2 在s m t 生产线上引入a o i 检测系统 随着生产流程的高速化，设备设置的错误或者元器件的误选都会在瞬间产生 大量的次品。在弥补这些次品过程中产生的二次缺陷已经成为一个重大的难题。 为了防止这一情况的发生，在流程中进行确保“品质保障”与“品质管理”的实 时检测非常重要， 以最快的速度找出问题，反馈上游工程，保证不重复犯同样的 错误。a o i 的高速性足以满足单位生产时间的要求， 实时检测的执行需要符合 简单，迅速，易操作性的原则 2 1 1 ，印刷后检查 印刷后检测多在无法从外部检测b g a , c s p 组装等的焊锡结合部时使用。印 刷后检查的主要检测项目是焊锡的( m a s k ) 模板整体错位、少锡、多锡、粘连、 空洞、触角、体积、异物下坠等。在这些检测项目中，除了挖孔和体积以外，都 可以直接通过相机观察进行判断。此时，相对于印刷模板开口的印刷量成为判断 依据，合成焊锡模板制造数据的自动变更和问题点数据生成( p a d ) 形态。 第二章s m t 组装质量检测的a o i 解决方案 l l 一 图2 1 3 印刷后的a o i 检查 2 1 2 ，贴片后的检测 贴片后的检测主要将检测i c b g a c s p ( 彤山) 的印刷部位和前段工程中的芯片 脱落等情况 图2 1 ，4 贴片后的a o i 检查 2 1 3 ，回流焊前端检查 “回流焊前端检测”从品质保障的观点来看，因为在回流焊炉内发生的问题无法 检测出所以没有任何意义。在回流焊炉内，焊锡融化后各个元器件因为焊锡的 表面张力而自纠正位移，从回流焊后的基板上无法检测出贴装位移和焊锡印刷状 态。但实际上，。回流焊前端检测”是品质保障的重点，非常重要。在回流焊之前， 各个部位的元器件贴装状况在回流焊之后就无法检测出来的信息都能一目了然。 此时，焊锡还未融化，基板上没有不定型的东西，最适合进行图像处理。由此， 回流焊前的a o i 通过率将非常高，检测过分苛刻而导致的误判也会大大减少。a o i 检出问题后将会发出警报，由操作员对基板进行目测确认。缺件以外的问题报告 都可以通过维修镊子来纠正。在这一过程中，当目测操作员对相同问题点进行反 复多次修复作业时，就会提请各个生产设备负责人重新确认机器设定是否合理。 里 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 该信息的反馈对生产质量的提高非常有帮助。通过反馈，生产现场可以在短时间 内实现生产品质的飞跃性提高。从这个意义上来看。“流焊前端检测”的重要性在 企业实际产生的效益中也能获得最好的体现。 图2 1 5 回流焊前的a o i 检查 最理想的状况是设备负责人能够正确理解维修操作员的信息，对设备设定作出 相应调整。但是在海外这种做法有一定的难度。因为通常组装数据的制成是工程 师的工作，而设备负责人只是本地的操作员。对于维修操作员的指示，( 诸如：基 板捧列上的c 1 2 3 芯片的贴片位置往右挪0 2 m m 。) 对于本地的操作员而言，要精 确理解将几号机器的几号道的几号组装点往哪个方向移动多少这样一个指示并不 是件容易的事情。即使有熟练的工程师在场对应，设计规格变更指示频繁发生时， 情况也将变得非常复杂。为此我们可以采取以下将该部分作业自动化的解决方案。 a o i 通过与问题点数据生成系统进行信息交流，实时把握各个元件在各个设备上 的插贴状况比如，当组装负责工程师的指示变更时，该变更信息将立即通知a o i ， 保证其数据的最新。当发生问题需要采取相应行动时，a o i 会通过问题点数据生 成系统向各个设备发出警告和变更指示。设备负责操作员只需按照该指示行事， 就能完成准确的反馈。 第二章s m t 组装质量检测的a o i 解决方案 1 3 圈2 1 6 回沅焊前俭测及时找出问题点 2 1 ，4 ，回流焊后端检查 “回流焊后端检测”是为了保障0 次品率所必器的检查。所以a o i 绝对不能漏 过任何次品。比如少品种大规模生产时，如果能将生产设备和设定条件最优化， 通过率( a o i 检测合格数量占总数的比例) 就可能达到8 0 至9 0 。基板的次品 率也会大大降低。小规模生产时，条件稳定前生产就会结束。有嫌疑的地方都将 被a o i 找出，再由人工目测二次筛选。这种情况下对于a o i 判定为次品的基板 要特别注意。利用a o i 的标示功能，挑出问题点，然后通过人工目测进行最终 辨别。利用问题点的查找和丰富的i n d e x 功能。加上基板的优劣判断和元件的 优劣判断，大概能够找出解决问题的对策。 1 4 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 图z 1 7 回流焊后端检查找出次品 在修复作业时，采用由修复终端( r e p a i r t e r m i n a l ) 向操作员指明基板疵点的方 法。l 。a o i 读取基板上的条形码和二维码，其信息与瑕疵信息以及疵点图像会被 传送至修复终端。2 ，在修复终端阶段，目测操作员通过手提读码器读取条形码， 调出相关信息，对嫌疑点一一复查。3 ，复查之日起，复查人员以及被复查基板等 信息都将被记录，防范操作员的作业失误于未然。修复终端上安装放大显微镜， 用扩大画面来确认嫌疑点的实物情况。免去操作员亲自从基板中找出问题部位的 麻烦。强化了目测确认作业方式的准确性。 第二章s m t 组装质量检测的a o i 解决方案 图2 1 8a o i 和人工目测联台复查 将检测装置本身作为扩大显微镜，在线进行目测确认。l ，将检测装置中的嫌疑点 图像通过网络传送到目测终端。2 ，由专业目测确认员观察该图像，判断是否有瑕 疵。( 最大可以8 台检测装置同时连接) 目测确认员的判断结果将反馈到检测装置。 如果被判定为疵点，将在基板上做印记，或者将检测结果传送到修复终端。在目 测确认过程中，直到结果反馈回来为止，检测装置将处于停滞状态。3 ，充裕的单 位生产时何和回流焊，a o i 期闻需要缓冲装置。从检测装置作为次品而被排除的 基板可能的确是次品或者只是检测过分苛刻。这种方法能够只将真正的次品送入 修复流程，保证流入后端工程中的基板都是合格品。 2 2v i s i o n p o i n t 型自动光学检测系统 v i s i o n p o i m 自动光学检测系统由英国d i a g n o s y s 公司研制并且已经成功的 应用于许多s m t 生产线。 ， s m t 组装生产中a o i 系统的研究 图2 2 1d i a g n o s y s 公司的v i s i o n p o i n t - a o i v i s i o n p o i n t 使用两种基本的算法来检测元器件和焊接情况：第一种算法，利用样 本过程建立的参数立刻检测与元件有关的所有参数；第二种算法，针对焊接检测， 并且提供最佳算法完成检测。 2 2 1 元件库 为了检测有问题的元件，需建立“样本”获得参数。样本可以通过一块完好 的芯片建立并存储在程序和元件库中。一旦库中元件创建，不需再使用好板子编 程，每一个好元件样本都可以从库中选择。检测期间，样本与被测芯片比较，然 后得出一个评分，这个分类关系到样本参数与被测部分的比较结果。 2 2 2 焊接检测 焊接检测用来检查每个芯片管脚之间的短路。特殊封装形式的参数存储在元件 库中，并与检测程序中的元件有关。 2 2 - 3 通讯和报表 基于w i n d o w s 环境v i s i o n p o i n t 很容易联网并可与中央服务器或生产线上其他 系统进行通讯。通过把数据反馈到贴片机或回流炉，检测采修订本以的信息可进 行快速的过程改善，从而解决诸如贴片机嘴阻塞或焊锡膏位置不对的问题。 在线光学检测采集到的数据保存到最后一块电路板制造完成，因此在大量电路 板生产和必须返修之前，缺陷便可以排除。这个“存窜的”数据提供了如何使用 离线数据收集软件包进行过程操作的操作总览。数据能够以多种格式转换到 v i s i o n p o i n t ，或从v i s i o n p o i n t 输出：为创建检测程序，c a d 数据可从贴片系统获 得，错误输出以e x c e l 数据库格式：a s c h 文件；打印页面，o d b c 连接到维修 工作站( 远程数据恢复) 第二章s m t 组装质量检测的a o i 解决方案 2 2 4 远程数据恢复( 返修) 在一些生产线上，电路板维修可在线完成并进行平行作业，对这项安排， v i s i o n p o i n t 可把故障信息传递到远程p c 机。对于任何给定的电路板识别码，远 程p c 机均能给出故障显示。由于故障位置信息是故障数据的一部分，所以 v i s i o n p o i n t 能与激光定位器或其他的定位设备连接用来帮助操作员识别故障位 置。 2 2 5c a d 输入和故障报表 v i s i o n p o i n t 接受用于贴片编程的c a d 布局文件。这个确定的a s c i i 文件根据 电路名称，目录号，旋向和封装形式告知v i s i o n p o i n t 被测器件的x 、y 坐标位置， 然后把完好的“样本”放入并检测，编程便完成了。一旦系统中建立了样本库， 利用来自c a d 的数据进行编程是快速而简单的。故障输出数据可以e x c e l 数据表 或以确定的文本文件格式就地存储。所有这些文件均可以借助网络传递到远程工 作站。存储的数据包括元件标识符，x y 坐标位置。故障类型( 如：连焊) 对照 电路板号码或由条形码读取器读取的识别码，这些都将被储存下来。完整的故障 图显示在屏幕上，故障用可标识的颜色显示。故障图可打印输出，用于以后电路 板的维修。 每一个生产过程都需要不同的检测技术，而且不是所有的a o i 系统都能检 测。v i s i o n p o i n t 系统适合三个位置，它完全能够在回流前和回流后进行检测，并 能对连接器这样的手动贴片进行检测。安装在回流焊炉前的v i s i o n p o i n t 检测元件 错放或贴片精确问题。放置在回流焊或者手动贴片之后的v i s i o n p o i n t 将检测出包 括短路和焊料不足在内的所有错误。在回流前发现缺陷显然是防止带有非正确器 件的电路板通过生产线的最有效的方法。v i s i o n p o i n t 可检测是否每个器件都处于 正确位置，是否在贴片精度范围内，极性是否正确，这不同于贴片上的简单检测； 因为在贴片机中，料带中非正确的元器件或者错误的料带都能产生缺陷。放置在 回流后的v i s i o n p o i n t 可进行元件焊接检测。v i s i o n p o i n t 能检测短路和焊接不足， 并能迅速指出与丝网漏印和回流焊接有关的过程问题。如果电路板是波峰焊而不 是回流焊，检测也可完成。放置在手动贴片后的v i s i o n p o i n t 与其它光学检测系统 不同，v i s i o n p o i n t 在被测电路板上方留有很大的间隙( 7 5 m m ) ，允许插上大器件 的电路板放入，这个位置放置v i s i o n p o i n t 意味着任何诸如连接器方向错误这样人 为导入的缺陷可以被检测出来。 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 2 3 本章总结 本章介绍了s m r 组装质量检测的a o i 方案，a o i 系统在s m t 生产线上的每个 环节都起到了重要的质量保证作用，通过在各个步骤的a o i 检测能够及时地发现 生产过程中的问题所在，把生产中的缺陷带来的损失降到最低。本章还介绍了英 国d i a g n o s y s 公司研制的v i s i o n p o i n t 型自动光学检测系统，该系统已经成功的 应用于许多s m t 生产线。 第三章图像的较准和坐标系重定位 第三章图像的较准和坐标系重定位 3 1 图像的精确较准和定位是图像检测的关键所在 图像检测的主要思想是将a o i 系统中存储的数字化图像与实际检测到的 图像比较，从而获得检测结果。检测电路板时，按照一块完好的电路板图像或 根据计算机辅助设计模型建立起检测文件( 标准数字化图像) 与检测文件( 实 际数字化图像) 进行比较。这种方式的检测精度取决于标准图像、分辨率和所 用检测程序。图像检测的关键步骤之一是图像的较准和定位问题。要有效地对 电路板图像进行总体和局部的检测，首选需要有较精确的定位，有了位置关系， 才可以进行有效的检测。这个问题实质上就是进行图像的配准。在十分理想的 情况下，所拍摄的图像可以真实的还原重构所摄物体的图像，如图3 1 1a 所示。 但在实际的拍摄中由于传送台的机械部分难以精确的控制，造成图像的旋转和 偏移如图3 1 1b 。 图3 1 1 图像的偏移和旋转 在a o i 系统中希望图像完全不偏移或旋转是不现实的，我们可以不断的调整成像 系统的结构尽量把各种偏移或旋转在一定的范围之内。在较小的图像偏移或旋 转清况下，图像中所包含的信息并没有丢失，因此可以通过软件对其进行空间上 的较准以便得到还原后的图像。 假设我们希望确定p c b 上一个孔相对于基板的一角的位置，如图3 , 1 2 所示。 s m t 组装生产中a o i 系统的研究 p c b 安置在一个由步进电机控制的工作台上，可以在x 和y 方向移动以及旋转。 p c b 的一角安置在工作台的中心。初始时，我们可以简单的定义一个坐标系，把 基扳的一角定点像素定义为坐标系的原点，x 轴为水平线，方向向左。坐标系确 定以后由通过模式匹配来确定这个孔的像素点在坐标系中的位置，再把像素表示 的位置转化为实际位置，这个转换确定了这个空在现实坐标系中的位置。在检测 过程中，这个移动工作台很可能会偏移正确的位置或是旋转一定的角度，这导致 了p c b 图像在相机视野中位置和角度的偏移( 如图b ) 。由于板位置的移动，使得 初始定义的坐标系不再与电路板的角对齐，因此用这个坐标系去测得的位置信息 肯定是不正确的。在这种情况下我们需要知道电路板的新的位置以便确定与之对 应新的坐标系，这样才能确定板上元器件的正确位置。 图3 1 2 坐标重定位 由于步进电机的精确度有限，在实际的a o i 在线检测中，每当从传送台送过 来一块新电路板的时候，我们都必须重新确定它在c c d 传感器所摄的图像中的 精确位置。实际上这个问题也就是找出上图c 中的新坐标系，包括原点所在的位 置，x 轴方向和y 轴方向这些信息。经过对电路板图像的研究发现，电路板的一 角在图像上的清晰度难以精确到具体的哪个像素，所以不可能通过模式匹配来找 出原点的位置。实际上可行的方案是通过搜索电路板的两条边界来确定x 和y 轴 所在的位置。 3 2 边缘检测用于新坐标系的确定 通过边缘检测来确定新的坐标系的前提条件是：1 ，角度误差应该控制在一定的范 第三章图像的较准和坐标系重定位 围之内，理论上这种方法可以接受的角度误差在4 5 度以内，一旦电路板在移动控 制台上的旋转角度超过4 5 度，就很难精确的检测出x 轴和y 轴，也就没有办法确 定新的坐标系。而在实际的检测系统中，角度偏差也不会超过4 5 度。2 ，电路板 图像与背景图像的对比度要足够大。如果电路板图像与背景图像的对比度太小则 检测算法很难检测出电路板边缘所在的位置或者检测出来的位置误差太大，超越 了可接受的误差范围。 3 2 1 ，确定新坐标系的策略 通过边缘检测来确定新的坐标系的主要思想如下：首先根据标准图像确定搜索方 向，每个坐标轴需要搜索一次，得到两组像素点的位置，由这些像素点确定的两 条直线一条为x 轴一条为y 轴，而两条线的交点则是新坐标系的原点。 图3 2 1 用边缘检测和直线拟台来确定坐标系 这种方法的两个主要工作就是1 ，如何确定边界点，也就是说确定一个合适的边 缘检测方案来得到边界点的位置信息。2 ，如何由这些点来精确的确定两条坐标轴 的所在位置。 3 2 2 ，选择合适的边缘检测方案来确定边界点 图像的边缘表示了图像信号的突变，对于边缘信息的提取是做进步图像处 理的基础。它不仅在分析图像时减小了要处理的信息量，而且还保留了图像的轮 廓。因此，它在计算机视角、模式识别、图像分析、压缩编码等方面有着广泛的 丝 s m t 组装生产中a o i