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航天電子產(chǎn)品表貼印制板組件的AOI檢測(cè)分析論文
雖然AOI檢測(cè)技術(shù)在航天型號(hào)產(chǎn)品表貼印制板組件檢測(cè)的使用還不成熟，且還有很多困難需要解決。但為提高產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和檢測(cè)效率，AOI設(shè)備的使用已經(jīng)迫在眉睫。如何將已經(jīng)在民用產(chǎn)品成熟使用的AOI檢測(cè)技術(shù)，成功地應(yīng)用于航天電子產(chǎn)品表貼印制板組件檢測(cè)，來(lái)取代人工目視檢測(cè)的方法，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率是每一個(gè)航天電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)面臨的難題[1].
本研究選擇航天型號(hào)產(chǎn)品表貼印制板組件中片式器件回流爐后的AOI檢測(cè)這一重點(diǎn)，著重討論爐后片式器件的AOI檢測(cè)程序的設(shè)定要求及程序，統(tǒng)計(jì)分析檢測(cè)誤報(bào)、漏報(bào)較高的缺陷，并提出解決思路。
1 AOI技術(shù)原理
自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）技術(shù)，是利用光源相機(jī)獲取圖像，再將實(shí)際影像進(jìn)行顏色和像素分析，并與模板影像特征進(jìn)行對(duì)比，屬于一種外觀檢測(cè)技術(shù)[2].AOI設(shè)備通過(guò)攝像頭，用CCD照明光源從不同角度采集印制板電路板的圖像，再利用設(shè)備自身的光學(xué)鏡頭將器件發(fā)射的光收集起來(lái)，最后通過(guò)軟件的各種算法與之前儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)模板信息進(jìn)行分析，判斷印制板電路板組件的各種缺陷。
2 AOI技術(shù)在SMT生產(chǎn)中的應(yīng)用
在SMT生產(chǎn)過(guò)程中，AOI技術(shù)具有印制板光板檢測(cè)、焊膏印刷檢測(cè)、元件檢驗(yàn)和焊接后印制板組件檢測(cè)等功能。AOI設(shè)備放置的位置不一樣，其檢測(cè)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同[3].將AOI設(shè)備放置于SMT生產(chǎn)線的絲印設(shè)備后，對(duì)印制板的印刷質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。將AOI設(shè)備放置于貼片設(shè)備后，對(duì)印制板的元器件貼裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。將AOI設(shè)備放置于回流爐后，對(duì)印制板組件焊接的最終情況進(jìn)行檢測(cè)，該檢測(cè)為SMT生產(chǎn)的最終檢測(cè)，其他的檢測(cè)均為過(guò)程控制檢測(cè)。
3 航天型號(hào)產(chǎn)品表貼印制板組件片式器件檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
要想利用AOI設(shè)備進(jìn)行印制板電路板組件檢測(cè)，首先要了解檢測(cè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，不同的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備的程序設(shè)置是完全不同的。公司型號(hào)產(chǎn)品表貼貼裝印制電路板組件檢測(cè)依據(jù)的是科工集團(tuán)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Q/QJB177《表面貼裝印制電路板組裝件裝配質(zhì)量檢驗(yàn)工藝規(guī)范》[4].工藝規(guī)范中對(duì)片式器件的檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)方面要求，其一是片式器件焊接端與焊盤(pán)的相對(duì)位置標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示：元器件沿Y向偏移，最小搭接量L應(yīng)大于元器件焊接端長(zhǎng)度T的75%;元器件沿X向偏移，側(cè)面偏移A應(yīng)小于或等于元器件焊接端寬度W的15%或焊盤(pán)寬度P的15%;元器件在焊盤(pán)上有旋轉(zhuǎn)偏差，側(cè)面偏移A應(yīng)小于或等于元器件焊接端寬度W的15%或焊盤(pán)寬度P的15%其中的較小者，且不違反最小電氣間隙。
其二是片式器件焊接點(diǎn)外觀標(biāo)準(zhǔn)，焊點(diǎn)寬度C大于或等于元器件焊接端寬度W的75%,焊接端有良好的潤(rùn)濕，焊料偏少時(shí)焊點(diǎn)高度F大于三分之一元器件本體的高度H,焊料偏多時(shí)焊料超出焊盤(pán)或爬升至金屬鍍層的頂部，但不應(yīng)接觸元器件本體。側(cè)面可焊接元器件焊點(diǎn)質(zhì)量圖例如圖2所示。
4.片式器件焊接缺陷AOI檢測(cè)程序的設(shè)定
4.1 片式器件AOI圖像特征區(qū)域的識(shí)別
AOI設(shè)備檢測(cè)流程中最為關(guān)鍵的步驟是如何設(shè)CG F置片式器件的檢測(cè)區(qū)域和檢測(cè)參數(shù)。為解決這一問(wèn)題，首先要將片式器件在光學(xué)檢測(cè)下的檢測(cè)關(guān)鍵特征點(diǎn)轉(zhuǎn)化為AOI設(shè)備圖像中的特征區(qū)域。
根據(jù)Q/QJ1B77標(biāo)準(zhǔn)，片式器件焊點(diǎn)的光學(xué)檢測(cè)有幾個(gè)重要指標(biāo)：焊錫應(yīng)覆蓋至少焊盤(pán)寬度的85%;爬錫高度至少為器件本體高度的33%;器件的上下邊緣焊錫應(yīng)有潤(rùn)濕。根據(jù)這幾個(gè)特征建立片式器件的檢查特征區(qū)域：電極區(qū)（內(nèi)側(cè)的兩個(gè)矩形區(qū)域）、焊錫形態(tài)主檢測(cè)區(qū)（圖中最外側(cè)的兩個(gè)綠色矩形區(qū)域），器件側(cè)面爬錫檢測(cè)區(qū)（圖中器件本體周?chē)乃膫�(gè)小尺寸矩形框），如圖3所示。
4.2 片式器件缺陷的AOI檢測(cè)程序具體設(shè)定
根據(jù)公司以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的數(shù)據(jù)，片式器件的焊接缺陷種類(lèi)有，丟件（缺件）、錯(cuò)件、翻件、多錫、少錫、偏移和歪斜等。
4.2.1 片式器件的丟件和翻件檢測(cè)
對(duì)于片式器件的丟件和翻件，可通過(guò)AOI生成圖像的本體區(qū)域的灰度與正常情況不同進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)丟件時(shí)，灰度值應(yīng)接近255（接近白色）與正常情況差距很大，通過(guò)分析圖像的本體區(qū)域的平均灰度值可以檢測(cè)出該缺陷。
4.2.2 片式器件焊點(diǎn)少錫缺陷檢測(cè)
少錫缺陷可分析AOI生成圖像的主焊錫檢測(cè)區(qū)域，對(duì)比與合格品的焊錫存在區(qū)域及焊錫在AOI下反應(yīng)出的平均灰度值的不同來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。需要對(duì)焊錫主檢測(cè)區(qū)（圖3中的最外側(cè)兩個(gè)綠色矩形）的面積、主檢測(cè)區(qū)的灰度值進(jìn)行設(shè)定。
4.2.3 片式器件偏移缺陷檢測(cè)
片式器件的偏移是指器件在寬向水平、或者高向垂直偏出器件焊盤(pán)，可以通過(guò)分析器件中心偏移量，給出可接受的偏移量。
4.2.4 片式器件歪斜缺陷檢測(cè)
片式器件的歪斜指器件不是水平或者垂直偏出焊盤(pán)，而是存在某個(gè)角度，它的分析難點(diǎn)在于雖然在某個(gè)角度方向超出焊盤(pán)的長(zhǎng)度，超出了可接受范圍，但分解到水平和垂直兩個(gè)方向有可能在可接受的范圍內(nèi)，若僅用器件中心的偏移量的判斷會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)的情況。需要分析其他參數(shù)來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)情況。
4.2.5 片式器件焊點(diǎn)多錫缺陷檢測(cè)
多錫缺陷指器件焊盤(pán)上焊錫爬升到了器件的本體上，或者在器件可焊區(qū)域堆積過(guò)多造成潤(rùn)濕角超過(guò)了90°，可能會(huì)引起潤(rùn)濕不良。若焊錫未接觸到器件本體或者潤(rùn)濕角未超過(guò)90°，均為可接受情況，與少錫一樣，需要對(duì)焊錫主檢測(cè)區(qū)（如圖3所示的最外側(cè)綠色矩形區(qū)域）進(jìn)行分析。但在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可接受的多錫情況經(jīng)常被認(rèn)為是少錫或者丟件，造成設(shè)備誤報(bào)。
4.2.6 片式器件錯(cuò)件檢測(cè)
錯(cuò)件缺陷是指焊接的器件不是此位置應(yīng)該焊接的器件，對(duì)于片式電容，若是封裝一致但容值不同AOI設(shè)備無(wú)法識(shí)別此情況；對(duì)于片式電阻，通過(guò)分析本體字符的不同造成灰度值不同的特點(diǎn)，可以識(shí)別。主要需要分析器件本體字符在灰度處理后的圖片與模板圖片進(jìn)行對(duì)比識(shí)別。
4.3 片式器件AOI設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
根據(jù)公司某種AOI設(shè)備對(duì)多個(gè)批次印制板組件的片式器件進(jìn)行檢測(cè)（統(tǒng)計(jì)近1年的SMT回流焊后AOI檢測(cè)報(bào)告，共1 000余塊印制板組件），得出設(shè)備對(duì)每種缺陷檢測(cè)誤報(bào)、漏報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析：檢測(cè)程序?qū)ζ狡骷膩G件、錯(cuò)件和偏移檢測(cè)成功率較高，而對(duì)少錫、多錫、歪斜誤報(bào)和漏報(bào)率較高。
5 片式器件檢測(cè)缺陷誤報(bào)和漏報(bào)率高原因分析及解決思路
5.1 片式器件少錫缺陷誤報(bào)較高原因分析及解決思路
5.1.1 片式器件少錫缺陷誤報(bào)較高原因分析
分析片式器件少錫缺陷的誤報(bào)的主要原因?yàn)闄z測(cè)框的面積大小和平均灰度閾值的設(shè)置還不盡合理，使用了較小范圍框參數(shù)值，對(duì)參數(shù)設(shè)置過(guò)于嚴(yán)格了，沒(méi)找到工藝檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的邊界條件，或者說(shuō)檢測(cè)邊界條件不夠準(zhǔn)確，造成未容納工藝檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的最低可接受條件。
5.1.2 降低片式器件少錫缺陷誤報(bào)率高的思路
減少少錫缺陷檢測(cè)誤報(bào)率的最關(guān)鍵步驟是尋找到Q/QJ177標(biāo)準(zhǔn)對(duì)片式器件焊錫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)最低可接受條件所對(duì)應(yīng)的AOI設(shè)備生成圖像中檢測(cè)框參數(shù)值。需要用更加合理的試驗(yàn)及數(shù)學(xué)推導(dǎo)方式來(lái)找到可接受的邊界條件，優(yōu)化檢測(cè)框參數(shù)的設(shè)定。本次研究嘗試著從兩個(gè)方向?qū)ふ移狡骷稿a形態(tài)少錫情況下的最低可接受情況。其一是想辦法制作剛好滿足光學(xué)檢測(cè)臨界條件的片式器件樣品，再用此樣品在設(shè)備下生成檢測(cè)圖像，分析該圖像的檢測(cè)框相對(duì)應(yīng)參數(shù)，從中得出檢測(cè)框的參數(shù)閾值。
其二是通過(guò)制作不同焊錫情況的片式器件樣品，并逐一在設(shè)備下檢測(cè)生成圖像，分析圖像的檢測(cè)框特征值與該器件在光學(xué)檢測(cè)下特征值之間的關(guān)系，再利用該關(guān)系式來(lái)求出邊界檢測(cè)條件下對(duì)應(yīng)的檢測(cè)框參數(shù)值，作為閾值進(jìn)行待測(cè)板相同器件的檢測(cè)。
5.2片式器件歪斜檢測(cè)漏報(bào)率高的原因分析及解決思路
5.2.1 片式器件歪斜檢測(cè)漏報(bào)率較高原因分析
AOI設(shè)備檢測(cè)片式器件歪斜是通過(guò)設(shè)定片式器件旋轉(zhuǎn)角度的閾值來(lái)檢測(cè)器件歪斜的，大于此角度閾值則為歪斜缺陷。由于Q/QJB177要求的器件歪斜長(zhǎng)度不大于器件寬度的15%,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有器件旋轉(zhuǎn)角度小于設(shè)備可設(shè)定的最小角度，而歪斜出焊盤(pán)的長(zhǎng)度已經(jīng)超出了器件寬度的15%的情況存在。對(duì)應(yīng)公司航天型號(hào)產(chǎn)品檢測(cè)使用的工藝標(biāo)準(zhǔn)而言，單單用一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度還不充分。漏報(bào)率高的原因即為設(shè)置參數(shù)不夠全面，漏掉了一些小角度旋轉(zhuǎn)的歪斜缺陷。
5.2.2 降低片式器件歪斜檢測(cè)漏報(bào)率高的思路
通過(guò)觀察片式器件小角度旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)角度小于設(shè)備可設(shè)置的極限情況）的樣品，發(fā)現(xiàn)一個(gè)可以利用的位置，如圖4所示。在圖中片式器件本體的四個(gè)角有一個(gè)檢測(cè)區(qū)域是用來(lái)檢測(cè)MELF封裝（圓柱體帽形端子元器件器件）上、下邊焊錫潤(rùn)濕情況的檢測(cè)框，如圖4中內(nèi)側(cè)綠色區(qū)域上下的四個(gè)小矩形區(qū)域。在片式器件歪斜缺陷檢測(cè)中，加入該四個(gè)小矩形檢測(cè)框，即使器件發(fā)生小角度的歪斜，小矩形檢測(cè)框內(nèi)的平均灰度值會(huì)發(fā)生大的變化，如圖4右側(cè)圖像所示。因?yàn)槠骷l(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)該采集器件上下焊錫潤(rùn)濕情況的檢測(cè)框（如圖4左側(cè)的四個(gè)小矩形檢測(cè)框采集圖像為暗色），采集到了一部分器件的電極區(qū)域（如圖4中右側(cè)上方的小矩形檢測(cè)框內(nèi)有很明顯的亮色存在），由于器件電極區(qū)域的灰度值很大，一般情況要超過(guò)150,造成檢測(cè)框平均灰度值的直線上升，較未旋轉(zhuǎn)器件的檢測(cè)框灰度值有很大的變化，這個(gè)變化的小矩形檢測(cè)框正是我們可以利用的位置。
5.3 片式器件多錫缺陷誤報(bào)率高原因分析及解決思路
5.3.1 片式器件多錫缺陷誤報(bào)率高原因分析
分析片式器件多錫缺陷檢測(cè)的誤報(bào)主要是因?yàn)榘哑骷䞍蛇吅稿a潤(rùn)濕角度大于30°而小于90°（公司為防止?jié)櫇癫涣迹瑢?biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)到潤(rùn)濕角部大于90°）的情況當(dāng)作了缺陷。由于AOI設(shè)備的原理是回收反射的光線生成檢測(cè)圖像，最標(biāo)準(zhǔn)的片式器件兩邊的焊點(diǎn)潤(rùn)濕角小于30°，如圖3所示，在設(shè)備生成圖像中半月板幾乎全部則為暗色（圖3中最外側(cè)檢測(cè)框區(qū)域）。但當(dāng)片式器件的潤(rùn)濕角大于30°時(shí)，其設(shè)備生成圖像中會(huì)在半月板的暗色中出現(xiàn)亮色，當(dāng)潤(rùn)濕角越接近90°，則亮色的面積及亮度越大（圖5中最外側(cè)矩形檢測(cè)框區(qū)域）。
設(shè)備檢測(cè)片式器件焊錫檢測(cè)框閾值是該面積下的平均灰度值，而無(wú)法識(shí)別亮色區(qū)域出現(xiàn)的位置，當(dāng)出現(xiàn)亮色時(shí)，平均灰度值會(huì)很快變大，與少錫缺陷設(shè)定的平均閾值接近就判定為少錫缺陷，其實(shí)實(shí)際情況為多錫缺陷或者可接受焊點(diǎn)。通過(guò)分析，得出只通過(guò)焊錫主檢測(cè)框檢測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確判定多錫缺陷，合格的焊點(diǎn)易被認(rèn)為是少錫缺陷而出現(xiàn)誤報(bào)情況，造成片式器件多錫缺陷誤報(bào)率高的原因。
5.3.2 降低片式器件多錫缺陷誤報(bào)高的思路
能不能針對(duì)多錫缺陷檢測(cè)時(shí)，AOI分析圖像特征為暗色區(qū)域中有亮色區(qū)域來(lái)制定解決方案。通過(guò)兩種方式：一種是劃定暗色區(qū)域與亮色區(qū)域的面積，再通過(guò)分析暗色與亮色的灰度差值來(lái)準(zhǔn)確的判定多錫缺陷、合格情況，減少實(shí)際合格的焊點(diǎn)誤認(rèn)為少錫的狀態(tài)；另一種是將靠近器件本體的可接受多錫的亮色部分過(guò)濾出來(lái)。
5.3.2.1 利用多錫情況時(shí)亮色與暗色的對(duì)比法分析
公司某AOI設(shè)備自帶的檢測(cè)算法，發(fā)現(xiàn)其中一種算法是用來(lái)檢測(cè)印制板組件上導(dǎo)線焊接焊點(diǎn)的，它的原理利用找暗色區(qū)域（導(dǎo)線上的焊錫）和暗色區(qū)域中的亮色區(qū)域（導(dǎo)線的中間線芯）的灰度差值來(lái)分析焊點(diǎn)焊接形態(tài)。導(dǎo)線焊接焊點(diǎn)與片式器件多錫形態(tài)很相似，能否利用該算法作為片式器件焊錫檢測(cè)算法的補(bǔ)充，來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)多錫情況，得出真實(shí)的多錫缺陷和可接受的多錫情況的檢測(cè)方法。其他公司設(shè)備可尋找相應(yīng)原理的檢測(cè)算法即可。
首先需要判斷是否為真實(shí)的少錫缺陷，若片式器件是真的少錫缺陷，則在圖3所示的最外側(cè)矩形檢測(cè)框區(qū)域內(nèi)不可能存在暗色中有亮色這一特點(diǎn)，直接判定為少錫既可。若圖像存在暗色中包含亮色（如圖5所示）則對(duì)片式器件增加上述檢測(cè)算法進(jìn)一步分析，劃定暗色與亮色的區(qū)域，如圖6所示，設(shè)備根據(jù)尋找的結(jié)果自動(dòng)劃定暗色區(qū)域的半徑范圍和亮色區(qū)域的半徑范圍（外面的圓為暗色區(qū)域，內(nèi)部的為亮色區(qū)域），也可人為設(shè)定暗色和亮色區(qū)域的半徑值。
再計(jì)算兩個(gè)圓內(nèi)的平均灰度值，最后求出差值。由于焊點(diǎn)潤(rùn)濕角大于90°后，其亮色區(qū)域的亮度會(huì)成倍提高，即亮色區(qū)域的平均灰度值會(huì)增大很多，只要差值的閾值設(shè)置合理則很容易檢測(cè)出真實(shí)的多錫缺陷，從而減少了對(duì)潤(rùn)濕角在30°~90°之間的合格焊點(diǎn)誤報(bào)。
5.3.2.2 去除可接受多錫情況下靠近本體亮色區(qū)域方式
利用將焊錫檢測(cè)框中多錫產(chǎn)生的靠近器件本體邊緣的亮色位置和區(qū)域去除的方式。將檢測(cè)片式器件焊錫形態(tài)的檢測(cè)框去除一部分，去除的位置和面積要根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可接受多錫情況慎重選擇。再選擇過(guò)濾亮色的位置和面積后，可將可接受多錫與少錫缺陷分離開(kāi)來(lái)，達(dá)到提高多錫檢測(cè)的準(zhǔn)確度，如圖7所示，綠色框?yàn)楹稿a檢測(cè)框，而紅色虛線區(qū)域即為可接受多錫情況的去除區(qū)域。在去除產(chǎn)生可接受多錫位置和面積后，再計(jì)算檢測(cè)框內(nèi)平均灰度值，即可達(dá)到提高檢測(cè)準(zhǔn)確度的目的。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文以公司現(xiàn)有的某型號(hào)AOI設(shè)備為平臺(tái)，對(duì)片式器件的AOI檢測(cè)程序的設(shè)置給出了相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)幾種誤報(bào)、漏報(bào)較高的缺陷模式給出了對(duì)應(yīng)的解決問(wèn)題的思路。可以給其他航天企業(yè)應(yīng)用AOI技術(shù)提供一定幫助。
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