PCB挑戰測試與檢查
印刷電路板(PCB, Printed Circuit Board)制造商不斷地面臨測試與檢查的挑戰。電路板密度的增加挑戰著(zhù)傳統的針床(bed-of-nails)在線(xiàn)測試(ICT, in-circuit test)以及操作員的視覺(jué)檢查。改變電路板的尺寸大小提出更多的挑戰，因為它使手工檢查更加困難。為了對這些發(fā)展作出反應，越來(lái)越多的制造商開(kāi)始評估自動(dòng)光學(xué)檢查(AOI, automated optical inspection)作為一個(gè)解決方案。
AOI策略
在大批量和高復雜性的制造環(huán)境中，裝配線(xiàn)上每個(gè)操作員工位的占地面積都代表著(zhù)一個(gè)特殊的價(jià)值。對此，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(yú)"走出工廠(chǎng)，提高產(chǎn)品品質(zhì)。因此，該公司將AOI作為一個(gè)工具，來(lái)幫助裝配線(xiàn)生產(chǎn)出持續的高品質(zhì)電路板。
通過(guò)使用AOI作為減少缺陷的工具，在裝配工藝過(guò)程的早期查找和消除錯誤，該公司預期得到幾項利益：
* 早期發(fā)現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
* 將避免報廢不可修理的電路板
表一、AOI 在裝配線(xiàn)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(xiàn)中使用AOI
表一解釋了AOI在該裝配線(xiàn)上檢查什么。對該制造商，AOI系統及其傳送帶是制成一體的，因此通過(guò)檢查的板可連續地通過(guò)裝配線(xiàn)?？墒?，如果發(fā)現失效的板，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(mǎn)足每塊板2 - 2.5分鐘的裝配線(xiàn)速度。
特別有幫助的是，該系統可以在施加全部裝配壓力之前發(fā)現高密度壓力配合連接器的不對準的引腳。由于連接器容易不對準，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。如果這時(shí)發(fā)現折彎的或不見(jiàn)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裝配的完整性。這里，AOI用作缺陷預防與檢查工具。
在該制造商的情況中，AOI系統補充ICT測試與功能測試。通過(guò)在電氣測試之前掃描電路板，AOI從裝配過(guò)程發(fā)現缺陷，提高電氣處理或功能測試階段的合格率(例如，焊接品質(zhì)問(wèn)題，不可測試的元件，元件位置錯誤)，減少工廠(chǎng)的"漏網(wǎng)之魚(yú)"。
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(guò)防止該類(lèi)缺陷的發(fā)生，AOI系統降低報廢成本。
AOI與人工檢查比較
在 AOI 之前，由人工操作員來(lái)完成電路板的檢查。該過(guò)程涉及許多操作員在裝配線(xiàn)的工位上，使用顯微鏡和電路板覆蓋圖來(lái)找出丟失的元件、錯誤的貼放位置和焊接缺陷。檢查板是通過(guò)四分區的程序，即，每個(gè)工位負責檢查板的四分之一。雖然檢查小板相對容易，但是隨著(zhù)板的尺寸增加到18"x20"，成千個(gè)元件在上面，這項工作很快變成繁重的體力負擔。因為檢查最重要的因素是準確性與可靠性，所以甚至在最好的環(huán)境中，手工檢查都有其局限性。
對這個(gè)EMS提供商，人工檢查的進(jìn)一步挑戰就是時(shí)間。每一個(gè)檢查工位必須產(chǎn)生連續的板流，滿(mǎn)足裝配線(xiàn)的"節奏"，以保持持續性。如果一個(gè)工位被耽誤，它將影響整個(gè)裝配線(xiàn)。并且對較大的板，檢查時(shí)間增加到視覺(jué)品質(zhì)評估簡(jiǎn)直無(wú)法保持生產(chǎn)線(xiàn)速度的地部。最后，需要雇傭更多的操作員來(lái)處理較大的板造成額外的人工成本和人力資源問(wèn)題。
AOI與X光檢查比較
該公司使用X光檢查來(lái)完成諸如球柵陣列(BGA)檢查的任務(wù)，作為ICT的補充?？墒?，考慮到自動(dòng)檢查方案，X光被排除了，因為它不能滿(mǎn)足電路板尺寸、厚度、重量和周期時(shí)間的要求。需要的是一臺可以在壓入之前檢查通孔中元件引腳的機器。
評估與選擇一個(gè)AOI解決方案
對系統的檢查要求包括，以裝配線(xiàn)速度100%的視覺(jué)缺陷覆蓋、快速編程時(shí)間、低錯誤標記率、快速轉換、可靠運行、以及準確的、可重復的和連續的結果。但是公司也有一些影響AOI評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，來(lái)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**包括如下特性：
移動(dòng)相機與移動(dòng)板。評估過(guò)程特別集中在相機移動(dòng)的AOI機器。公司認為，相機固定和板架移動(dòng)的機器可能在檢查期間將歪斜的元件"踢開(kāi)"。為了減少這個(gè)危險，只對板靜止和相機移動(dòng)的AOI機器進(jìn)行評估。這樣的安排允許整個(gè)機器的占地面積較小。例如，為了處理24"寬的板，接納板在固定相機下移動(dòng)的機器要求48"的最小寬度加上處理和移動(dòng)的機構所需的額外空間。比較之下，移動(dòng)相機的機器不要求太大的寬度，這樣允許縮小機器寬度，使整體占地面積更小。
板的特性。決策過(guò)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(jiàn)的。板的尺寸(與托架)可達 24 x 24" ，重量 11 lb。元件高度可達2.5"；包裝尺寸為0603以上。AOI設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。
供應商伙伴關(guān)系。最后一個(gè)標準是找到一個(gè)考慮成為伙伴關(guān)系的供應商。公司希望很高的承約水平與支持，作為評估AOI供應商的關(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(mǎn)足。
AOI解決方案
這個(gè)AOI評估使得該EMS提供商選擇到一個(gè)滿(mǎn)足其所有標準和要求的系統。所選擇的系統具有如下設計性能：
結構性燈光為每個(gè)清晰的檢查提供專(zhuān)用的照明，即，通過(guò)角度、方向和強度來(lái)調節燈光。結構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。
該制造商的系統使用多達400個(gè)單獨控制的發(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(jué)區。照明頭的LED可為每一個(gè)相機的檢查類(lèi)型，編程提供光的最佳結構、角度、方向和強度。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的缺陷檢查。照明使用多個(gè)視區以接納不同尺寸的元件。
相機。高速視頻相機與內置電路板彎曲補償，檢查電路板的目標區域。一個(gè)相機定位于直接下看，而其它相機都有角度。隨著(zhù)優(yōu)化的檢查軟件運算法則運用到看到的區域，相機檢查元件或焊錫點(diǎn)表面。角度相機是檢查許多缺陷所必須的、對那些遮擋垂直相機的焊接點(diǎn)檢查區域是不可少的，如 J 型引腳焊點(diǎn)、錫橋和開(kāi)路。還有，如果沒(méi)有角度相機，一般不可能可靠地檢查到抬起的QFP引腳。
機械系統。精密的線(xiàn)性馬達提供長(cháng)期的機械可靠性與可重復性。圖形子系統在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)和穩定時(shí)間。
圖形分析運算法則。使用經(jīng)過(guò)證明的運算法則進(jìn)行深入的分析，并不犧牲產(chǎn)量。一個(gè)窗口或"瞬態(tài)圖"把特殊的檢查標準應用到窗口內的區域，以結構照明突出缺陷，并簡(jiǎn)化所要求的分析。表二顯示窗口分類(lèi)(運算法則類(lèi)型)和它們怎樣用于檢查。
圖形抓拍與分析體系結構允許在一次單一的高速掠過(guò)板面中得到每個(gè)視區10個(gè)圖象。在這次掠過(guò)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、直接到內存的子系統將圖象直接輸入內存，允許計算機進(jìn)行詳細的圖形分析，而對機器產(chǎn)量無(wú)影響。AOI將所有掃描圖形保存在內存中，允許掃描期間的同步分析，加速整個(gè)機器的運轉。
掃描與圖形分析是與元件密度或焊接點(diǎn)數無(wú)關(guān)的，這允許對不同板類(lèi)型的一致的機器輸出。AOI系統通過(guò)分立的智能外圍控制器控制馬達、光和相機，支持高速、一致的圖形數據處理。外圍控制器精確地同步系統運行，保證準確的定位和可重復性。
軟件。所選擇的AOI系統使用基于 Windows NT 的軟件來(lái)編制程序，優(yōu)化和確認。確認檢查程序的覆蓋范圍的性能曲線(xiàn)提供在發(fā)放到生產(chǎn)之前的缺陷覆蓋與程序的穩定性。建立已知邊界消除不必要的程序調整和導致錯誤標記的控制因素。每個(gè)包裝類(lèi)型的標準和用戶(hù)化庫模塊縮短了包含特有元件在內的新檢查程序的開(kāi)發(fā)。
最后，統計過(guò)程檢測軟件通過(guò)測量多塊板的缺陷分布數量實(shí)現過(guò)程的穩定性，通過(guò)檢測檢查合格與失效的結果來(lái)顯示過(guò)程的趨勢。修理工位的軟件向操作員顯示電路板特定的失效數據，以及收集操作員的修理數據、行動(dòng)和說(shuō)明。
** Teradyne Optima 7300.
表二、AOI圖形分析運算法則
窗口類(lèi)型
運算法則類(lèi)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(méi)有)
通過(guò)：如果燈的水平高過(guò)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(guò)
錫橋
連續性*
檢查焊錫短路，
如果光標橫穿窗口，失效
空洞
連續性*
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貼裝數據測量元件位置
* 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: [email protected] and [email protected]. Iqbal Syed, is a product manager at Teradyne Inc., Assembly test Div., 2625 Shadelands Dr., Walnut Creek, CA 94598; (925) 932-6900; E-mail: [email protected].