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在印制電路板組裝制造的自動(dòng)貼片和焊接過(guò)程中，各種制造缺陷不可能完全避免。為了發(fā)現(xiàn)這些缺陷并保證質(zhì)量，需要應(yīng)用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（ AOI ）。由于在回流爐后的缺陷覆蓋率能達(dá)到大，所以這些系統(tǒng)通常放在回流爐后，以實(shí)現(xiàn)焊后檢驗(yàn)。
在各種缺陷中，與 I C 相關(guān)的缺陷占了較大比重。 IC 包括 QFP 、 TSOP 、 PLCC 、 SOIC 、 BGA 、 QFN 等，通常它們的間距小為 0.5mm ，有些 IC 間距更小。在后續(xù)的電氣測(cè)試和功能檢測(cè)中，有些缺陷通常很難甚至不可能被檢測(cè)出來(lái)。
即便使用 AOI 系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)， IC 焊點(diǎn)缺陷和 IC 組裝缺陷對(duì)檢測(cè)設(shè)備的性能也有較高需求，同時(shí)對(duì) AOI 檢測(cè)深度有決定性的影響。所以有必要區(qū)分裝備純粹垂直式相機(jī)和傾斜式相機(jī)的 AOI 設(shè)備的不同。
IC 缺陷類型
典型 IC 缺陷類型可以根據(jù)不同制造階段分為：焊膏印刷缺陷、元器件貼放缺陷和焊接缺陷。需要說(shuō)明的是：大部分焊接缺陷是元器件本身特征缺陷。
以下缺陷是焊膏印刷或焊膏缺陷： ( 圖 1)
1、焊料不足或焊點(diǎn)過(guò)薄
2、連錫
3、焊料滴
以下缺陷是元器件貼放缺陷： ( 圖 2)
1、少件
2、元器件位置錯(cuò)
3、元器件偏位
4、元器件扭轉(zhuǎn)
5、元器件極性反
6、錯(cuò)件
7、IC 引腳變形
以下缺陷是焊接缺陷或元器件本身缺陷。 ( 圖 3)
1、引腳抬高，即 IC 引腳向上抬高或彎曲
2、IC 引腳共面性
3、焊膏未熔
IC 種類不同，其發(fā)生某種缺陷的概率也不同，如細(xì)間距 QFP 就比 SOIC 更容易出現(xiàn)引腳抬高和引腳共面性缺陷。
AOI 檢測(cè)目的是覆蓋檢測(cè)上述各類缺陷，也就是說(shuō)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的所有缺陷都可以被檢測(cè)出來(lái)。與此同時(shí)，必須將各種缺陷誤報(bào)降到低，以大化設(shè)備產(chǎn)出率。
當(dāng) A O I 系統(tǒng)進(jìn)行焊點(diǎn)和元器件的檢測(cè)時(shí)，有些外部客觀因素，也就是與 AOI 無(wú)關(guān)的因素，也不得不要考慮進(jìn)來(lái)，因?yàn)樗鼈儠?huì)有利于或妨礙上述檢測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
其中影響大的因素之一就是焊盤設(shè)計(jì)。如果不同單板及同類封裝能使用統(tǒng)一的焊盤設(shè)計(jì)，那就有助于 AOI 檢測(cè)，因?yàn)檫@樣焊點(diǎn)外觀的一致性就好。好焊點(diǎn)的外觀越一致，焊點(diǎn)缺陷被檢測(cè)出來(lái)的可能性就越大，誤報(bào)率就會(huì)越少。如果焊盤過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的潤(rùn)濕面不可見，是不利于檢測(cè)的。
另外一個(gè)重要的影響因素是元器件質(zhì)量，主要體現(xiàn)在待焊部位的可焊性和元器件的尺寸穩(wěn)定性要好。好的可焊性會(huì)使焊點(diǎn)更好、更一致。好的尺寸穩(wěn)定性，如 QFP 引腳長(zhǎng)度尺寸的穩(wěn)定性，會(huì)使編程更容易。
其它影響因素包括印制電路板和阻焊膜的顏色、印制電路板變形塌陷量等。由于不可能改變所有外部客觀條件，所以 AOI 系統(tǒng)必須在設(shè)計(jì)上（傳感器、軟件及系統(tǒng)設(shè)置）充分考慮，具備彌補(bǔ)各種負(fù)面影響因素的能力。
零缺陷 IC 檢測(cè)的 AOI 架構(gòu)
目前市場(chǎng)上各種 AOI 系統(tǒng)之間至關(guān)重要的參數(shù)區(qū)別就是相機(jī)觀測(cè)方式，共有兩種：垂直式相機(jī)觀測(cè)（俯視）和傾斜式相機(jī)觀測(cè)（斜視）。
原則上，大多數(shù)缺陷類型可以用垂直式相機(jī)檢測(cè)出來(lái)，垂直式相機(jī)能檢測(cè)的臨界缺陷類型是引腳共面性和引腳抬高缺陷，這些缺陷從俯視角度只能在有利的環(huán)境下才能發(fā)現(xiàn)。有利的環(huán)境是指焊點(diǎn)發(fā)生毛細(xì)作用，在毛細(xì)作用下， IC 引腳待焊部位會(huì)潤(rùn)濕吸引焊料形成好的焊點(diǎn)。如果焊盤設(shè)計(jì)良好，在焊盤外延部邊緣是不會(huì)有焊料的，所以如果有合適的光源照射，焊盤外延部邊緣看上去是光亮的。如果引腳沒有被潤(rùn)濕（或存在共面性問(wèn)題），或某個(gè)引腳向上彎曲變形（引腳抬高），焊錫就會(huì)均勻地鋪展在焊盤上，這樣得到的圖像就會(huì)完全不同（如圖 4 所示）。這種情況對(duì)于 PLCC 引腳焊點(diǎn)尤其明顯，其焊點(diǎn)本身位于元器件引腳下部，如果從上面俯視，焊點(diǎn)本身是不可見的。只有焊盤外延離元器件輪廓足夠遠(yuǎn)，才能利用毛細(xì)作用來(lái)檢測(cè)。
然而，對(duì)于那些焊盤設(shè)計(jì)不當(dāng)或出現(xiàn)微連錫的細(xì)間距 IC ，使用上述方法則無(wú)能為力，很難區(qū)分出是好焊點(diǎn)還是差焊點(diǎn)，如圖 5A 和 5B 所示。
這樣就不可能實(shí)現(xiàn)零缺陷檢測(cè)了，與實(shí)際缺陷數(shù)對(duì)應(yīng)的大缺陷檢出率為 50 ～ 75 ％，同時(shí)缺陷誤報(bào)率也不夠理想。使用傾斜式觀測(cè)的效果顯著提升，傾斜式觀測(cè)與手工光學(xué)觀測(cè)所用方法一樣，可以與水平成 45 度觀測(cè)印制電路板。觀測(cè)角度越小，使用傾斜式觀測(cè)得到的信息越少，圖 6A 和 6B 是用傾斜式相機(jī)觀測(cè)圖 5A 和 5B 中同樣的焊點(diǎn)。
從上圖可看出，好焊點(diǎn)和差焊點(diǎn)之間的光學(xué)圖像區(qū)別表現(xiàn)的改善情況是非常明顯的。圖像處理的原理之一就是：區(qū)別好與差焊點(diǎn)的能力越強(qiáng)，錯(cuò)誤診斷能力越高，誤報(bào)率就越低。與俯視圖類似，好是有可旋轉(zhuǎn)的光源，這樣就可以實(shí)現(xiàn)不同的照射角度。固定的、不能旋轉(zhuǎn)的光照系統(tǒng)不具備應(yīng)付各種情況的柔性，以得到圖像的佳對(duì)比度。
如圖 5 和 6 所示，采用垂直式觀測(cè)時(shí)，在引腳之間內(nèi)側(cè)處的連錫在陰影中，這樣它們就不可見。而在傾斜式觀測(cè)中，其可識(shí)別性就大大提高。
使用傾斜式相機(jī)需要具有校準(zhǔn)和灰度補(bǔ)充方面的知識(shí)。如果系統(tǒng)僅裝備一個(gè)傾斜式相機(jī)， AOI 系統(tǒng)本身未必就一定需要具有持續(xù)監(jiān)控校準(zhǔn)的能力，因?yàn)橄鄼C(jī)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行自我校準(zhǔn)。然而，對(duì)于組合相機(jī)系統(tǒng)，軟件必須使相機(jī)之間保持校準(zhǔn)平衡，同時(shí)監(jiān)控其不超過(guò)基本的校準(zhǔn)極限。如果軟件不能進(jìn)行簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和快速的校準(zhǔn)， AOI 供應(yīng)商將無(wú)法實(shí)現(xiàn)傾斜式觀測(cè)的集成。
可通過(guò)所謂機(jī)器能力調(diào)查（ MCI ）對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢查，在 MCI 過(guò)程中，可安排合適的校正方式，如檢測(cè) 50 次，同時(shí)計(jì)算得到設(shè)置標(biāo)稱值和測(cè)量容限（ Cm/Cmk 值），計(jì)算時(shí)假設(shè)測(cè)量值符合高斯分布。當(dāng) Cmk 值大于 1 時(shí)，至今可以接受（ 3σ 質(zhì)量），當(dāng)今趨勢(shì)是要求 Cmk 大于 1.67 甚至 2 （ 5σ 或 6σ 質(zhì)量）。
根據(jù)這些需求可看出：穩(wěn)定的傳感系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，在傳感模塊中的可移動(dòng)部件會(huì)降低精度，重復(fù)性會(huì)大大降低。
在應(yīng)用傾斜式相機(jī)時(shí)需要掌握的另一個(gè)技巧就是補(bǔ)償印制電路板的變形塌陷，這種影響會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，視場(chǎng)看上去會(huì) " 下滑 " ，如 ( 圖 7) 所示。
補(bǔ)償方法之一就是在單板上取足夠點(diǎn)掃描它們的坍塌量，從而計(jì)算得到變形坍塌模型。然而這種方法需要花費(fèi)額外的檢測(cè)時(shí)間。集成補(bǔ)償方法則更具優(yōu)勢(shì)，它不是進(jìn)行大量點(diǎn)檢測(cè)，而是通過(guò)軟件尋找測(cè)量居中的重要參考點(diǎn)。如果軟件適合，該方法可以在不需額外時(shí)間的情況下得到可靠的結(jié)果。
區(qū)分不同 AOI 系統(tǒng)能力的另一個(gè)重要指標(biāo)就是 AOI 的相機(jī)像素分辨率。對(duì)于細(xì)間距 IC ，標(biāo)準(zhǔn)的像素是 0.5mm ，在許多設(shè)計(jì)中，焊盤寬度和焊盤之間間距都會(huì)是 250μm 。如果用至少 15 個(gè)像素覆蓋焊盤前面彎月面寬度，那傾斜式相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)分辨率應(yīng)該小于 20μm / 像素，以得到包含佳信息內(nèi)容的圖像。
當(dāng)然，相機(jī)分辨率越高，就意味著系統(tǒng)性能也要相應(yīng)地提高，這樣 AOI 才不會(huì)成為生產(chǎn)線的瓶頸。系統(tǒng)性能體現(xiàn)在軟件 [ 自動(dòng)的、佳位置生成、使用 TSP （ Travelling-Sales-Man-Problem ）方法 ] 、相機(jī)技術(shù)（使用高幀頻的兆像素相機(jī)）和定位技術(shù)（高速線性傳動(dòng)裝置）方面。
傾斜式 AOI 必須解決軟件領(lǐng)域遇到的大挑戰(zhàn)，與垂直式相機(jī)觀測(cè)容易控制相比，傾斜式相機(jī)觀測(cè)存在很大不同，因?yàn)樗黾恿藚^(qū)分不同觀測(cè)角度的功能（至少 4 個(gè)主方向），所以向軟件開發(fā)提出了更高的數(shù)據(jù)計(jì)算需求。
總結(jié)與展望
要應(yīng)用零缺陷 IC 檢測(cè)策略，檢測(cè)系統(tǒng)的圖像獲取、相機(jī)技術(shù)和 AOI 軟件是決定性的判斷依據(jù)。其中圖像獲取作用非常重要，因?yàn)樗呛罄m(xù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。
如果焊盤設(shè)計(jì)良好，垂直式相機(jī)觀測(cè)雖然不能完成避免缺陷漏檢，尤其是在 IC 引腳出現(xiàn)共面性缺陷時(shí)，但總體上，其對(duì) IC 缺陷還是具有較好的檢測(cè)能力。如果焊盤設(shè)計(jì)不當(dāng)，缺陷漏檢率會(huì)升高到 25 ～ 50 ％，也就是主要缺陷類型的缺陷檢出率只有 50 ～ 75 ％，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，這種情況通常是在焊盤尺寸較小時(shí)出現(xiàn)的。
而傾斜式圖像獲取則可以實(shí)現(xiàn)很高的檢出率，即使對(duì)于臨界缺陷也是如此。具有 15μm / 像素的高分辨率相機(jī)，配合 AOI 軟件可以清楚地反差出缺陷特征，這樣就為零缺陷 IC 檢測(cè)奠定良好基礎(chǔ)。
傾斜式相機(jī)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)應(yīng)用中將繼續(xù)發(fā)揮其作用。新的元器件如 QFN ，其引腳在元器件本體的側(cè)面和底部，從而節(jié)約了元器件占地空間，不能用垂直式觀測(cè)進(jìn)行充分檢測(cè)。因此，傾斜式圖像獲取方式的應(yīng)用會(huì)日益增多。
