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        SMT行业外观检测设备AOI 的发展趋势

        随着SMD元件小型化的发展趋势及SMT工艺越来越高的要求,电子制造业对检测设备的要求也越来越高。未来SMT生产车间配置的检测设备应该比SMT生产设备多。最终的解决方案应该是SPI+炉前AOI+炉后AOI+AXI的组合。

          1 SMD元件小型化的趋势及对AOI设备的需求

               随着社会的进步,科技的发展,满足人们各种愿望的便携设备越来越多,制作越来越精细,如蓝牙耳机,PDA,上网本,MP4,SD卡等等。这些产品的需求刺激了SMD元件小型化的发展,而元件的小型化也促进便携设备的发展。 SMD无源元件发展趋势是这样的,1983年出现了0603元件,1989年出现了0402的元件,1999年开始有了0201的元件,在今天我们已经开始使用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医疗设备上,随着01005元件生产的规模化,01005元件的价格已经比刚推出时的价格下降了5倍,这样01005元件的使用范围随着成本的降低不断地扩大到别的领域的产品上,从而刺激新的产品的不断出现。

                SMD的元件从0402,发展到0201再到了01005,尺寸变化如下图所示:

              01005芯片电阻的尺寸为0.4 mm×0.2 mm×0.2 mm,面积仅分别为前两者的16%、44%,体积则仅为前两者的6%、30%。对于尺寸敏感的产品来说,01005的普及给产品带来生机。当然,同时也给电子制造业带来新的挑战与机遇! 01005元件和0201元件的生产,给SMT生产设备从前端到后端都提出极高的精准度要求。

              对于0402的元件来说,用肉眼检查都已经是很吃力,难以持久的事情,更别说正在普及的0201的元件和正在发展中的01005的元件。所以SMT生产线需要AOI设备来做检查已经是行业共识。对于0201这样的元件来说,如果发生缺陷,只能放在显微境下,用专用的工具维修。所以维修成本变得比0402的高很多,对于01005这样尺寸(0.4x0.2x0.13mm)的元件来说,单用肉眼是很难看到的,使用任何工具来操作和维修就更困难了。因此01005元件如果在工艺上出现缺陷几乎是不能返修。所以随着器件的小型化发展,我们更加需要AOI机器来对工艺进行过程控制,而不仅是检查出产生了缺陷的产品。这样我们就能在工艺中尽早发现缺陷,改善工艺,减少错误的发生。

          2 SMT外观检测设备的使用现状

          虽然AOI设备起源于20年前,但是在很长一段时间,因为价格昂贵,难以掌握,检出效果不尽人意,AOI只是作为概念存在而已,并未得到市场的认可。但是,自从2005年以后,AOI发展迅猛,AOI设备供应商如雨后春笋,纷纷涌现,各种新概念,新产品层出不穷,特别是国内的AOI设备厂商是我国SMT界的骄傲,国产的AOI设备在使用效果上与国外产品已经不想上下,而因为国产AOI的崛起,使AOI整体价格下降到以前的1/2~1/3,因此就AOI代替人工目视所节省的人力成本来说,购买AOI也是值得,更不用说用AOI还能提升产品的直通率,得到比人工更加稳定的检测效果。所以对目前SMT加工厂家来说AOI已经是必备的设备了。

          通常情况下,可将AOI放置在SMT生產过程中的3个位置,印刷焊膏后,回流焊前和回流焊后分别监控不同的工段的品质。虽然AOI的使用已经是潮流,但是目前大多数的厂家仍然只是在炉后安装了AOI,将AOI作为产品流入下一个工段的最后把关者,仅是代替人工目测而已。另外,很多的的使用厂家对于AOI的认识还是存在误区的。没有AOI可以做到没有误测,也没有AOI可以做到没有漏测,大多数的AOI都是在误测与漏测之间选择合适的平衡点,因为不管哪种方式的AOI的算法都是在当前样本与电脑样本(既可以是图像也可以是参数)之间做比较,根据相似度作出判断。

          目前使用炉后AOI还有很多检测死角,如单镜头的AOI只能检测部分QFP,SOP翘脚,虚焊。但是多镜头的AOI对QFP和SOP的翘脚与少锡的检测率仅比单镜头的AOI提升了30%,但是却增加了AOI的成本及操作编程的复杂程度,这些利用可见光的影像制作的AOI对不可见焊点如BGA缺球,PLCC假焊的检测无能为力。

          放置于锡膏印刷之后,检测锡膏印刷质量的AOI被行业人士称为SPI。目前仅少数上规模的企业或做软板(FPCB)的企业配备了此种设备。速度,精准性,误判率及价格是制约此种设备普及的原因。

          目前放置于炉前的AOI使用非常少,仅用于有些炉后不能检测(如某些手机板带屏蔽罩过炉,必须在装屏蔽罩之前检测)或检测效果不好的产品(如软板)。

          另外,有一种近年来兴起的外观检测设备AXI,正在高速发展中。2009年NEPCON的展会已经新出现了多家在线式的AXI设备,多家检测设备供应商都看好AXI的未来的发展,是因为AXI能真正解决单镜头AOI的检测盲点,在线式AXI的兴起使多镜头的AOI变得没有意义。AXI是利用不可见光Xray来检测PCB装配。它的优点如下:可检查的缺陷包括:虚焊、桥连、立碑、焊料不足、气孔、器件漏装,IC翘脚,IC少锡等等。尤其是X-RAY对BGA、PLCC,CSP等焊点隐藏器件也可检查。因为图像是二值化图像,图像识别相对来说容易完成,误测低。它的缺点是:速度慢,价格贵,真正在线使用非常少,大部分以离线使用为主。目前在线式的机器还不太成熟,还没有被使用厂家认识与接受。

          3 各类SMT外观检测设备功能分析

             a) 用于测量印刷机后的锡膏印刷质量检测机SPI: SPI检查在锡膏印刷之后进行,可发现印刷过程的缺陷,从而将因为锡膏印刷不良产生的焊接缺陷降低到最低。典型的印刷缺陷包括以下几点:焊盘上焊锡不足或过多;印刷偏移;焊盘之间存在锡桥;印刷锡膏的厚度、体积等。在这个阶段必须有强大的制程监控资料(SPC),如印刷偏移和焊锡量信息,而有关印刷焊锡的定性信息也会产生,供生产工艺人员分析使用。以此改善工艺,提高工艺,降低成本。此种设备目前分为2D和3D两种类型。2D不能测量锡膏的厚度,只能测量锡膏的形状。3D既可以测量锡膏的厚度也能测量锡膏的面积,从而能算给出锡膏的体积。随着元件的细微化,如01005的元件所需的锡膏厚度仅为75um,而其它普通的大元件锡膏厚度130um左右。可以印制不同锡膏厚度的自动印刷机一进分出现了。所以只有3D的SPI才能满足未来锡膏制程控制的需要。那么我们未来要怎样的SPI才能真正满足制程需要呢?主要是这些方面的要求:

              i.一定是3D。

              ii.高速检测,目前的激光SPI测厚度准确,但速度还不能完全满足生产的需要。

              iii.正确的或可调的放大倍率(光学和数码放大倍率是非常重要的参数,这些参数能够决定设备最终的检测能力。要精确的检测0201,01005的器件,光学和数码的放大倍数是很重要的,必须保证能够提供给AOI软件的检测算法足够的解析度和图像信息)。但是在相机像素固定的情况下,放大倍率与FOV是成反比的关系,FOV的大小又会影响到机器的速度。而同一片板上,大小元件同时存在,所以根据产品上元件的大小选择合适的光学分辨率或可调的光学分辨率是重要的。

              iv.光源的可选性:可编程光源的使用将是确保最大缺陷检出率的重要手段

              v.更高的精确度和重复性:元器件的微型化,促使生產过程中所使用设备的精确性与重复性变得更加重要。

              vi.超低的误判率:只有控制住基本的误判率才能真正发挥机器给工艺带来的信息的可用性和选择性以及操作性

              vii.SPC制程分析及与其它位置AOI之间的缺陷信息共享:强大的SPC制程分析,外观检测的最终目的是改善制程,使制程合理化,达到最优的状态,从而控制制造成本

             b)炉前的AOI:由于元件的小型化,0201元件缺陷在焊接之后的维修已经很困难,01005元件的缺陷基本是不能维修的。所以炉前AOI会变得越来越重要,炉前的AOI可以检测贴片元件的偏位,错件,缺件,多件,极性反等贴片工艺的缺陷。所以炉前的AOI一定是在线的,最重要的指标就是高速,高精准度及重复性和低的误判。同时还可以与上料系统联网共享数据信息,只检测换料时段的换料元件的错件,减少系统误报,另外还可将元件的偏位信息传给SMT编程系统,即时修正SMT机器程序。

             c)炉后的AOI:炉后的AOI按照上板方式分为在线的和离线的两种形式,炉后的AOI是产品最后的把关者,所以是目前应用最广泛的AOI,它需要检测整条生产线PCB缺陷,元件缺陷与所有的制程缺陷。只有三色高亮度的穹顶LED光源能充分显示出不同的焊接浸润曲面,才能较好的检出焊接缺陷,所以未来也只有这样光源的AOI才有发展的空间,当然未来,为了应对不同的PCB颜色,三色RGB的顺序也是可编程的。那就更加灵活了。那么未来什么样的炉后AOI可以满足我们SMT生产发展的需要呢?那就是:

              i.高速。

              ii.高精度及高重复性。

              iii.高分辨率的相机或可变分辨率的相机:同时满足速度与精密度的要求。

              iv.低的误判与漏判:这需要在软件上提升,检测焊接特性最容易带来误判与漏判。

             d)炉后的AXI: 可检查的缺陷包括:虚焊、桥连、立碑、焊料不足、气孔、器件漏装,IC翘脚,IC少锡等等。尤其是X-RAY对BGA、PLCC,CSP等焊点隐藏器件也可检查,它是可见光AOI的一个很好的补充。

          4 未来生产线上AOI设备的使用

             SMT生产的大部分缺陷分别产生于锡膏印刷机和回流焊,这是行业共识,只是缺陷比例各家各有不同。

             起初AOI技术是为了取代效果不稳定的人工检测而出现的,而如今先进的AOI系统提供了对缺陷趋势的早期检测,形成了做出正确工艺选择所需的关键数据。对AOI系统产生的数据加以充分利用,解决生产过程中的问题,可以帮助大批量SMT生产线大大降低故障率、提升产品合格率并削减返修成本。

             通常情况下,可将AOI放置在SMT生產过程中的3个位置,印刷焊膏后,回流焊前和回流焊后。

             将AOI放置在生產过程的前端可以更早的发现缺陷和进行维修,越早发现缺陷就越能降低维修成本。修复焊膏缺陷只需要洗板及重新印刷,维修成本是最低的。

             在炉前放置AOI也是非常必要的,虽然过回流焊时融化的锡膏的表面张力可以将贴片机贴装元件时有轻微的坐标及角度偏移的元件拉回原位。在炉前放置AOI,可以准确定位此种错误,改善制程,在这位置可以将元件的偏移信息提供贴装设备编程系统校准的贴片设备的生产程序;在此位置还可以及早地发现元件的错漏反,即时纠正工艺错误;而且在此位置发现的错误的维修费用比在炉后发现的维修费用低很多。比如现在使用的精密组件,发生少锡,偏位,墓碑等外观不良,实验表明发生在回流焊后维修的成本将会非常的大甚至导致整片PCB报废;如果在回流焊前发生该错误,只需要花去一分钟的时间就可将不良品改变为良品.某生产现场的关于检测设备投入与维修成本的统计如下表:

          某生产现场的检测设备投入与缺陷维修成本的统计如下:

          基本投入成本(万元RMB) 修正缺陷付出的成本 投入产出比
          印刷后缺陷成本 >20 0.2RMB 中
          炉前检测缺陷成本 >20 0.1RMB 低
          炉后检测缺陷成本 >10 0.5RMB 高


             从上节各设备的分析可以看出,在炉后不仅要放置AOI,更要放置AXI,应该是AOI+AXI的组合,它可以不仅从速度上,也从检测能力上满足检测几乎所有外观缺陷的要求。

             如果产线检测设备仅仅是检测产品缺陷,那么整个设备的效能只发挥了一部分,只有当把产线检测设备的SPC分析结果与产线工艺检查节点的相互作用,不断改善工艺水平,从而使生产达到一个较稳定的状态。

             当整条线都配置AOI之后,在SPI,AOI和AXI系统中集成了强大的实时SPC,这是实行这个过程控制策略的核心。SPC必须准确记录的各元件在各工位的形态,定位缺陷,并对工艺进行趋势分析,以指出潜在的缺陷,及时改善。

        5  AOI设备的培训与服务的重要性

            AOI设备的使用效果与编程技术人员的经验,技能关系还是比较大,不管是采用图像比对学习型的AOI还是特征矢量参数调整型的AOI,AOI要用得很好,还是有很多参数需要调整的,对于很有经验的使用者来说,可以使AOI发挥到极致,而对于没有经验的使用者来说,有些厂的AOI设备就不会发生应有的作用,有的厂的AOI设备甚至因此而束之高阁。但是,与此相对应的是很多公司人员流动频繁,AOI设备的使用经常受到影响,AOI供应商接到的客户服务请求大多数都是培训,指导,帮助客户制作程序。为了AOI事业的更好的发展,劲拓自动化设备有限公司立志成为检测设备的领头羊,率先成立专门的AOI培训服务中心,所有的客户都可以派员到培训中心来免费参加AOI的培训,解决客户使用AOI的后顾之忧 。