航天電子產(chǎn)品表貼印制板組件的AOI檢測分析論文
雖然AOI檢測技術(shù)在航天型號產(chǎn)品表貼印制板組件檢測的使用還不成熟，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，來取代人工目視檢測的方法，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率是每一個航天電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)面臨的難題[1].
本研究選擇航天型號產(chǎn)品表貼印制板組件中片式器件回流爐后的AOI檢測這一重點，著重討論爐后片式器件的AOI檢測程序的設(shè)定要求及程序，統(tǒng)計分析檢測誤報、漏報較高的缺陷，并提出解決思路。
1 AOI技術(shù)原理
自動光學(xué)檢測（AOI）技術(shù)，是利用光源相機(jī)獲取圖像，再將實際影像進(jìn)行顏色和像素分析，并與模板影像特征進(jìn)行對比，屬于一種外觀檢測技術(shù)[2].AOI設(shè)備通過攝像頭，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，最后通過軟件的各種算法與之前儲存的標(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)過程中，AOI技術(shù)具有印制板光板檢測、焊膏印刷檢測、元件檢驗和焊接后印制板組件檢測等功能。AOI設(shè)備放置的位置不一樣，其檢測的側(cè)重點也有所不同[3].將AOI設(shè)備放置于SMT生產(chǎn)線的絲印設(shè)備后，對印制板的印刷質(zhì)量進(jìn)行檢測。將AOI設(shè)備放置于貼片設(shè)備后，對印制板的元器件貼裝質(zhì)量進(jìn)行檢測。將AOI設(shè)備放置于回流爐后，對印制板組件焊接的最終情況進(jìn)行檢測，該檢測為SMT生產(chǎn)的最終檢測，其他的檢測均為過程控制檢測。
3 航天型號產(chǎn)品表貼印制板組件片式器件檢測標(biāo)準(zhǔn)
要想利用AOI設(shè)備進(jìn)行印制板電路板組件檢測，首先要了解檢測的工藝標(biāo)準(zhǔn)，不同的檢測標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備的程序設(shè)置是完全不同的。公司型號產(chǎn)品表貼貼裝印制電路板組件檢測依據(jù)的是科工集團(tuán)的檢測標(biāo)準(zhǔn)Q/QJB177《表面貼裝印制電路板組裝件裝配質(zhì)量檢驗工藝規(guī)范》[4].工藝規(guī)范中對片式器件的檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有兩個方面要求，其一是片式器件焊接端與焊盤的相對位置標(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%或焊盤寬度P的15%;元器件在焊盤上有旋轉(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外觀標(biāo)準(zhǔn)，焊點寬度C大于或等于元器件焊接端寬度W的75%,焊接端有良好的潤濕，焊料偏少時焊點高度F大于三分之一元器件本體的高度H,焊料偏多時焊料超出焊盤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質(zhì)量圖例如圖2所示。
4.片式器件焊接缺陷AOI檢測程序的設(shè)定
4.1 片式器件AOI圖像特征區(qū)域的識別
AOI設(shè)備檢測流程中最為關(guān)鍵的步驟是如何設(shè)CG F置片式器件的檢測區(qū)域和檢測參數(shù)。為解決這一問題，首先要將片式器件在光學(xué)檢測下的檢測關(guān)鍵特征點轉(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)，片式器件焊點的光學(xué)檢測有幾個重要指標(biāo)：焊錫應(yīng)覆蓋至少焊盤寬度的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)有潤濕。根據(jù)這幾個特征建立片式器件的檢查特征區(qū)域：電極區(qū)（內(nèi)側(cè)的兩個矩形區(qū)域）、焊錫形態(tài)主檢測區(qū)（圖中最外側(cè)的兩個綠色矩形區(qū)域），器件側(cè)面爬錫檢測區(qū)（圖中器件本體周圍的四個小尺寸矩形框），如圖3所示。
4.2 片式器件缺陷的AOI檢測程序具體設(shè)定
根據(jù)公司以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的數(shù)據(jù)，片式器件的焊接缺陷種類有，丟件（缺件）、錯件、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
對于片式器件的丟件和翻件，可通過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，如出現(xiàn)丟件時，灰度值應(yīng)接近255（接近白色）與正常情況差距很大，通過分析圖像的本體區(qū)域的平均灰度值可以檢測出該缺陷。
4.2.2 片式器件焊點少錫缺陷檢測
少錫缺陷可分析AOI生成圖像的'主焊錫檢測區(qū)域，對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進(jìn)行檢測。需要對焊錫主檢測區(qū)（圖3中的最外側(cè)兩個綠色矩形）的面積、主檢測區(qū)的灰度值進(jìn)行設(shè)定。
4.2.3 片式器件偏移缺陷檢測
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，可以通過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
片式器件的歪斜指器件不是水平或者垂直偏出焊盤，而是存在某個角度，它的分析難點在于雖然在某個角度方向超出焊盤的長度，超出了可接受范圍，但分解到水平和垂直兩個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出現(xiàn)漏報的情況。需要分析其他參數(shù)來彌補(bǔ)這個情況。
4.2.5 片式器件焊點多錫缺陷檢測
多錫缺陷指器件焊盤上焊錫爬升到了器件的本體上，或者在器件可焊區(qū)域堆積過多造成潤濕角超過了90°，可能會引起潤濕不良。若焊錫未接觸到器件本體或者潤濕角未超過90°，均為可接受情況，與少錫一樣，需要對焊錫主檢測區(qū)（如圖3所示的最外側(cè)綠色矩形區(qū)域）進(jìn)行分析。但在實際檢測過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。
4.2.6 片式器件錯件檢測
錯件缺陷是指焊接的器件不是此位置應(yīng)該焊接的器件，對于片式電容，若是封裝一致但容值不同AOI設(shè)備無法識別此情況；對于片式電阻，通過分析本體字符的不同造成灰度值不同的特點，可以識別。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)行對比識別。
4.3 片式器件AOI設(shè)備檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計
根據(jù)公司某種AOI設(shè)備對多個批次印制板組件的片式器件進(jìn)行檢測（統(tǒng)計近1年的SMT回流焊后AOI檢測報告，共1 000余塊印制板組件），得出設(shè)備對每種缺陷檢測誤報、漏報統(tǒng)計數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析：檢測程序?qū)ζ狡骷膩G件、錯件和偏移檢測成功率較高，而對少錫、多錫、歪斜誤報和漏報率較高。
5 片式器件檢測缺陷誤報和漏報率高原因分析及解決思路
5.1 片式器件少錫缺陷誤報較高原因分析及解決思路
5.1.1 片式器件少錫缺陷誤報較高原因分析
分析片式器件少錫缺陷的誤報的主要原因為檢測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，對參數(shù)設(shè)置過于嚴(yán)格了，沒找到工藝檢測標(biāo)準(zhǔn)的邊界條件，或者說檢測邊界條件不夠準(zhǔn)確，造成未容納工藝檢測標(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率高的思路
減少少錫缺陷檢測誤報率的最關(guān)鍵步驟是尋找到Q/QJ177標(biāo)準(zhǔn)對片式器件焊錫檢測標(biāo)準(zhǔn)最低可接受條件所對應(yīng)的AOI設(shè)備生成圖像中檢測框參數(shù)值。需要用更加合理的試驗及數(shù)學(xué)推導(dǎo)方式來找到可接受的邊界條件，優(yōu)化檢測框參數(shù)的設(shè)定。本次研究嘗試著從兩個方向?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)備下生成檢測圖像，分析該圖像的檢測框相對應(yīng)參數(shù)，從中得出檢測框的參數(shù)閾值。
其二是通過制作不同焊錫情況的片式器件樣品，并逐一在設(shè)備下檢測生成圖像，分析圖像的檢測框特征值與該器件在光學(xué)檢測下特征值之間的關(guān)系，再利用該關(guān)系式來求出邊界檢測條件下對應(yīng)的檢測框參數(shù)值，作為閾值進(jìn)行待測板相同器件的檢測。
5.2片式器件歪斜檢測漏報率高的原因分析及解決思路
5.2.1 片式器件歪斜檢測漏報率較高原因分析
AOI設(shè)備檢測片式器件歪斜是通過設(shè)定片式器件旋轉(zhuǎn)角度的閾值來檢測器件歪斜的，大于此角度閾值則為歪斜缺陷。由于Q/QJB177要求的器件歪斜長度不大于器件寬度的15%,經(jīng)過多次試驗，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，而歪斜出焊盤的長度已經(jīng)超出了器件寬度的15%的情況存在。對應(yīng)公司航天型號產(chǎn)品檢測使用的工藝標(biāo)準(zhǔn)而言，單單用一個旋轉(zhuǎn)角度還不充分。漏報率高的原因即為設(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漏報率高的思路
通過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)一個可以利用的位置，如圖4所示。在圖中片式器件本體的四個角有一個檢測區(qū)域是用來檢測MELF封裝（圓柱體帽形端子元器件器件）上、下邊焊錫潤濕情況的檢測框，如圖4中內(nèi)側(cè)綠色區(qū)域上下的四個小矩形區(qū)域。在片式器件歪斜缺陷檢測中，加入該四個小矩形檢測框，即使器件發(fā)生小角度的歪斜，小矩形檢測框內(nèi)的平均灰度值會發(fā)生大的變化，如圖4右側(cè)圖像所示。因為器件發(fā)生旋轉(zhuǎn)時應(yīng)該采集器件上下焊錫潤濕情況的檢測框（如圖4左側(cè)的四個小矩形檢測框采集圖像為暗色），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150,造成檢測框平均灰度值的直線上升，較未旋轉(zhuǎn)器件的檢測框灰度值有很大的變化，這個變化的小矩形檢測框正是我們可以利用的位置。
5.3 片式器件多錫缺陷誤報率高原因分析及解決思路
5.3.1 片式器件多錫缺陷誤報率高原因分析
分析片式器件多錫缺陷檢測的誤報主要是因為把器件兩邊焊錫潤濕角度大于30°而小于90°（公司為防止?jié)櫇癫涣�，將�?biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)到潤濕角部大于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圖像，最標(biāo)準(zhǔn)的片式器件兩邊的焊點潤濕角小于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)檢測框區(qū)域）。但當(dāng)片式器件的潤濕角大于30°時，其設(shè)備生成圖像中會在半月板的暗色中出現(xiàn)亮色，當(dāng)潤濕角越接近90°，則亮色的面積及亮度越大（圖5中最外側(cè)矩形檢測框區(qū)域）。
設(shè)備檢測片式器件焊錫檢測框閾值是該面積下的平均灰度值，而無法識別亮色區(qū)域出現(xiàn)的位置，當(dāng)出現(xiàn)亮色時，平均灰度值會很快變大，與少錫缺陷設(shè)定的平均閾值接近就判定為少錫缺陷，其實實際情況為多錫缺陷或者可接受焊點。通過分析，得出只通過焊錫主檢測框檢測無法準(zhǔn)確判定多錫缺陷，合格的焊點易被認(rèn)為是少錫缺陷而出現(xiàn)誤報情況，造成片式器件多錫缺陷誤報率高的原因。
5.3.2 降低片式器件多錫缺陷誤報高的思路
能不能針對多錫缺陷檢測時，AOI分析圖像特征為暗色區(qū)域中有亮色區(qū)域來制定解決方案。通過兩種方式：一種是劃定暗色區(qū)域與亮色區(qū)域的面積，再通過分析暗色與亮色的灰度差值來準(zhǔn)確的判定多錫缺陷、合格情況，減少實際合格的焊點誤認(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濾出來。
5.3.2.1 利用多錫情況時亮色與暗色的對比法分析
公司某AOI設(shè)備自帶的檢測算法，發(fā)現(xiàn)其中一種算法是用來檢測印制板組件上導(dǎo)線焊接焊點的，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）的灰度差值來分析焊點焊接形態(tài)。導(dǎo)線焊接焊點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算法的補(bǔ)充，來準(zhǔn)確檢測多錫情況，得出真實的多錫缺陷和可接受的多錫情況的檢測方法。其他公司設(shè)備可尋找相應(yīng)原理的檢測算法即可。
首先需要判斷是否為真實的少錫缺陷，若片式器件是真的少錫缺陷，則在圖3所示的最外側(cè)矩形檢測框區(qū)域內(nèi)不可能存在暗色中有亮色這一特點，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）則對片式器件增加上述檢測算法進(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。
再計算兩個圓內(nèi)的平均灰度值，最后求出差值。由于焊點潤濕角大于90°后，其亮色區(qū)域的亮度會成倍提高，即亮色區(qū)域的平均灰度值會增大很多，只要差值的閾值設(shè)置合理則很容易檢測出真實的多錫缺陷，從而減少了對潤濕角在30°~90°之間的合格焊點誤報。
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。將檢測片式器件焊錫形態(tài)的檢測框去除一部分，去除的位置和面積要根據(jù)實際的檢測標(biāo)準(zhǔn)可接受多錫情況慎重選擇。再選擇過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來，達(dá)到提高多錫檢測的準(zhǔn)確度，如圖7所示，綠色框為焊錫檢測框，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，再計算檢測框內(nèi)平均灰度值，即可達(dá)到提高檢測準(zhǔn)確度的目的。
6 結(jié)束語
本文以公司現(xiàn)有的某型號AOI設(shè)備為平臺，對片式器件的AOI檢測程序的設(shè)置給出了相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，并針對幾種誤報、漏報較高的缺陷模式給出了對應(yīng)的解決問題的思路�？梢越o其他航天企業(yè)應(yīng)用AOI技術(shù)提供一定幫助。
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