SMT行業(yè)外觀檢測設備的發(fā)展趨勢
摘要：隨著SMD元件小型化的發(fā)展趨勢及SMT工藝越來越高的要求，電子制造業(yè)對檢測設備的要求也越來越高。未來SMT生產車間配置的檢測設備應該比SMT生產設備多。最終的解決方案應該是SPI+爐前AOI+爐后AOI+AXI的組合。
1、SMD元件小型化的趨勢及對AOI設備的需求
隨著社會的進步，科技的發(fā)展，滿足人們各種愿望的便攜設備越來越多，制作越來越精細，如藍牙耳機，PDA，上網本，MP4，SD卡等等。這些產品的需求刺激了SMD元件小型化的發(fā)展，而元件的小型化也促進便攜設備的發(fā)展。 SMD無源元件發(fā)展趨勢是這樣的，1983年出現(xiàn)了0603元件，1989年出現(xiàn)了0402的元件，1999年開始有了0201的元件，在今天我們已經開始使用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醫(yī)療設備上，隨著01005元件生產的規(guī)模化，01005元件的價格已經比剛推出時的價格下降了5倍，這樣01005元件的使用范圍隨著成本的降低不斷地擴大到別的領域的產品上，從而刺激新的產品的不斷出現(xiàn)。
SMD的元件從0402，發(fā)展到0201再到了01005，尺寸變化如下圖所示：
01005芯片電阻的尺寸為0.4 mm×0.2 mm×0.2 mm，面積僅分別為前兩者的16%、44%，體積則僅為前兩者的6%、30%。對于尺寸敏感的產品來說，01005的普及給產品帶來生機。當然，同時也給電子制造業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)與機遇! 01005元件和0201元件的生產，給SMT生產設備從前端到后端都提出極高的精準度要求。
對于0402的元件來說，用肉眼檢查都已經是很吃力，難以持久的事情，更別說正在普及的0201的元件和正在發(fā)展中的01005的元件。所以SMT生產線需要AOI設備來做檢查已經是行業(yè)共識。對于0201這樣的元件來說，如果發(fā)生缺陷，只能放在顯微境下，用專用的工具維修。所以維修成本變得比0402 的高很多，對于01005這樣尺寸(0.4x0.2x0.13mm)的元件來說，單用肉眼是很難看到的，使用任何工具來操作和維修就更困難了。因此 01005元件如果在工藝上出現(xiàn)缺陷幾乎是不能返修。所以隨著器件的小型化發(fā)展，我們更加需要AOI機器來對工藝進行過程控制，而不僅是檢查出產生了缺陷的產品。這樣我們就能在工藝中盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，改善工藝，減少錯誤的發(fā)生。
2、SMT外觀檢測設備的使用現(xiàn)狀
雖然AOI設備起源于20年前，但是在很長一段時間，因為價格昂貴，難以掌握，檢出效果不盡人意，AOI只是作為概念存在而已，并未得到市場的認可。但是，自從2005年以后，AOI發(fā)展迅猛，AOI設備供應商如雨后春筍，紛紛涌現(xiàn)，各種新概念，新產品層出不窮，特別是國內的AOI設備廠商是我國SMT 界的驕傲，國產的AOI設備在使用效果上與國外產品已經不想上下，而因為國產AOI的崛起，使AOI整體價格下降到以前的1/2～1/3，因此就AOI代替人工目視所節(jié)省的人力成本來說，購買AOI也是值得，更不用說用AOI還能提升產品的直通率，得到比人工更加穩(wěn)定的檢測效果。所以對目前SMT加工廠家來說AOI已經是必備的設備了。
通常情況下，可將AOI放置在SMT生產過程中的3個位置，印刷焊膏后，回流焊前和回流焊后分別監(jiān)控不同的工段的品質。雖然AOI的使用已經是潮流，但是目前大多數(shù)的廠家仍然只是在爐后安裝了AOI，將AOI作為產品流入下一個工段的最后把關者，僅是代替人工目測而已。另外，很多的的使用廠家對于AOI的認識還是存在誤區(qū)的。沒有AOI可以做到沒有誤測，也沒有 AOI可以做到沒有漏測，大多數(shù)的AOI都是在誤測與漏測之間選擇合適的平衡點，因為不管哪種方式的AOI的算法都是在當前樣本與電腦樣本(既可以是圖像也可以是參數(shù))之間做比較，根據(jù)相似度作出判斷。
目前使用爐后AOI還有很多檢測死角，如單鏡頭的AOI只能檢測部分QFP,SOP翹腳，虛焊。但是多鏡頭的AOI對QFP和SOP的翹腳與少錫的檢測率僅比單鏡頭的AOI提升了30%，但是卻增加了AOI的成本及操作編程的復雜程度，這些利用可見光的影像制作的AOI對不可見焊點如BGA缺球，PLCC假焊的檢測無能為力。
放置于錫膏印刷之后，檢測錫膏印刷質量的AOI被行業(yè)人士稱為SPI。目前僅少數(shù)上規(guī)模的企業(yè)或做軟板(FPCB)的企業(yè)配備了此種設備。速度，精準性，誤判率及價格是制約此種設備普及的原因。
目前放置于爐前的AOI使用非常少，僅用于有些爐后不能檢測(如某些手機板帶屏蔽罩過爐，必須在裝屏蔽罩之前檢測)或檢測效果不好的產品(如軟板)。
另外，有一種近年來興起的外觀檢測設備AXI，正在高速發(fā)展中。2009年NEPCON的展會已經新出現(xiàn)了多家在線式的AXI設備，多家檢測設備供應商都看好AXI的未來的發(fā)展，是因為AXI能真正解決單鏡頭AOI的檢測盲點，在線式AXI的興起使多鏡頭的AOI變得沒有意義。AXI是利用不可見光 Xray來檢測PCB裝配。它的優(yōu)點如下：可檢查的缺陷包括：虛焊、橋連、立碑、焊料不足、氣孔、器件漏裝，IC翹腳，IC少錫等等。尤其是X-RAY對 BGA、PLCC,CSP等焊點隱藏器件也可檢查。因為圖像是二值化圖像，圖像識別相對來說容易完成，誤測低。它的缺點是：速度慢，價格貴，真正在線使用非常少，大部分以離線使用為主。目前在線式的機器還不太成熟，還沒有被使用廠家認識與接受。
3、各類SMT外觀檢測設備功能分析
a) 用于測量印刷機后的錫膏印刷質量檢測機SPI: SPI檢查在錫膏印刷之后進行，可發(fā)現(xiàn)印刷過程的缺陷，從而將因為錫膏印刷不良產生的焊接缺陷降低到最低。典型的印刷缺陷包括以下幾點：焊盤上焊錫不足或過多;印刷偏移;焊盤之間存在錫橋;印刷錫膏的厚度、體積等。在這個階段必須有強大的制程監(jiān)控資料(SPC)，如印刷偏移和焊錫量信息，而有關印刷焊錫的定性信息也會產生，供生產工藝人員分析使用。以此改善工藝，提高工藝，降低成本。此種設備目前分為2D和3D兩種類型。2D不能測量錫膏的厚度，只能測量錫膏的形狀。3D既可以測量錫膏的厚度也能測量錫膏的面積，從而能算給出錫膏的體積。隨著元件的細微化，如01005的元件所需的錫膏厚度僅為75um，而其它普通的大元件錫膏厚度130um左右�？梢杂≈撇煌a膏厚度的自動印刷機一進分出現(xiàn)了。所以只有3D的SPI才能滿足未來錫膏制程控制的需要。那么我們未來要怎樣的SPI才能真正滿足制程需要呢?主要是這些方面的要求：
i.一定是3D。
ii.高速檢測，目前的激光SPI測厚度準確，但速度還不能完全滿足生產的需要。
iii.正確的或可調的放大倍率(光學和數(shù)碼放大倍率是非常重要的參數(shù)，這些參數(shù)能夠決定設備最終的檢測能力。要精確的檢測0201，01005的器件，光學和數(shù)碼的放大倍數(shù)是很重要的，必須保證能夠提供給AOI軟件的檢測算法足夠的解析度和圖像信息)。但是在相機像素固定的情況下，放大倍率與FOV 是成反比的關系，F(xiàn)OV的大小又會影響到機器的速度。而同一片板上，大小元件同時存在，所以根據(jù)產品上元件的大小選擇合適的光學分辨率或可調的光學分辨率是重要的。
iv.光源的可選性：可編程光源的使用將是確保最大缺陷檢出率的重要手段
v.更高的精確度和重復性：元器件的微型化，促使生產過程中所使用設備的精確性與重復性變得更加重要。
vi.超低的誤判率：只有控制住基本的誤判率才能真正發(fā)揮機器給工藝帶來的信息的可用性和選擇性以及操作性
vii.SPC制程分析及與其它位置AOI之間的缺陷信息共享：強大的SPC制程分析，外觀檢測的最終目的是改善制程，使制程合理化，達到最優(yōu)的狀態(tài)，從而控制制造成本
b)爐前的AOI：由于元件的小型化，0201元件缺陷在焊接之后的維修已經很困難，01005元件的缺陷基本是不能維修的。所以爐前AOI會變得越來越重要，爐前的AOI可以檢測貼片元件的偏位，錯件，缺件，多件，極性反等貼片工藝的缺陷。所以爐前的AOI一定是在線的，最重要的指標就是高速，高精準度及重復性和低的誤判。同時還可以與上料系統(tǒng)聯(lián)網共享數(shù)據(jù)信息，只檢測換料時段的換料元件的錯件，減少系統(tǒng)誤報，另外還可將元件的偏位信息傳給SMT編程系統(tǒng)，即時修正SMT機器程序。
c)爐后的AOI：爐后的AOI按照上板方式分為在線的和離線的兩種形式，爐后的AOI是產品最后的把關者，所以是目前應用最廣泛的AOI,它需要檢測整條生產線PCB缺陷，元件缺陷與所有的制程缺陷。只有三色高亮度的穹頂LED光源能充分顯示出不同的焊接浸潤曲面，才能較好的檢出焊接缺陷，所以未來也只有這樣光源的AOI才有發(fā)展的空間，當然未來，為了應對不同的PCB顏色，三色RGB的順序也是可編程的。那就更加靈活了。那么未來什么樣的爐后AOI可以滿足我們SMT生產發(fā)展的需要呢?那就是：
i.高速。
ii.高精度及高重復性。
iii.高分辨率的相機或可變分辨率的相機：同時滿足速度與精密度的要求。
iv.低的誤判與漏判：這需要在軟件上提升，檢測焊接特性最容易帶來誤判與漏判。
d)爐后的AXI: 可檢查的缺陷包括：虛焊、橋連、立碑、焊料不足、氣孔、器件漏裝，IC翹腳，IC少錫等等。尤其是X-RAY對BGA、PLCC,CSP等焊點隱藏器件也可檢查，它是可見光AOI的一個很好的補充。
4、未來生產線上AOI設備的使用
SMT生產的大部分缺陷分別產生于錫膏印刷機和回流焊，這是行業(yè)共識，只是缺陷比例各家各有不同。
起初AOI技術是為了取代效果不穩(wěn)定的人工檢測而出現(xiàn)的，而如今先進的AOI系統(tǒng)提供了對缺陷趨勢的早期檢測，形成了做出正確工藝選擇所需的關鍵數(shù)據(jù)。對AOI系統(tǒng)產生的數(shù)據(jù)加以充分利用，解決生產過程中的問題，可以幫助大批量SMT生產線大大降低故障率、提升產品合格率并削減返修成本。
通常情況下，可將AOI放置在SMT生產過程中的3個位置，印刷焊膏后，回流焊前和回流焊后。
將AOI放置在生產過程的前端可以更早的發(fā)現(xiàn)缺陷和進行維修，越早發(fā)現(xiàn)缺陷就越能降低維修成本。修復焊膏缺陷只需要洗板及重新印刷，維修成本是最低的。
在爐前放置AOI也是非常必要的，雖然過回流焊時融化的錫膏的表面張力可以將貼片機貼裝元件時有輕微的坐標及角度偏移的元件拉回原位。在爐前放置 AOI，可以準確定位此種錯誤，改善制程，在這位置可以將元件的偏移信息提供貼裝設備編程系統(tǒng)校準的貼片設備的生產程序;在此位置還可以及早地發(fā)現(xiàn)元件的錯漏反，即時糾正工藝錯誤;而且在此位置發(fā)現(xiàn)的錯誤的維修費用比在爐后發(fā)現(xiàn)的維修費用低很多。比如現(xiàn)在使用的精密組件，發(fā)生少錫，偏位，墓碑等外觀不良，實驗表明發(fā)生在回流焊后維修的成本將會非常的大甚至導致整片PCB報廢;如果在回流焊前發(fā)生該錯誤，只需要花去一分鐘的時間就可將不良品改變?yōu)榱计�。某生產現(xiàn)場的關于檢測設備投入與維修成本的統(tǒng)計如下表：
某生產現(xiàn)場的檢測設備投入與缺陷維修成本的統(tǒng)計如下：
基本投入成本(萬元RMB) 修正缺陷付出的成本 投入產出比
印刷后缺陷成本 >20 0.2RMB 中
爐前檢測缺陷成本 >20 0.1RMB 低
爐后檢測缺陷成本 >10 0.5RMB 高
從上節(jié)各設備的分析可以看出，在爐后不僅要放置AOI，更要放置AXI,應該是AOI+AXI的組合，它可以不僅從速度上，也從檢測能力上滿足檢測幾乎所有外觀缺陷的要求。
如果產線檢測設備僅僅是檢測產品缺陷，那么整個設備的效能只發(fā)揮了一部分，只有當把產線檢測設備的SPC分析結果與產線工藝檢查節(jié)點的相互作用，不斷改善工藝水平，從而使生產達到一個較穩(wěn)定的狀態(tài)。
當整條線都配置AOI之后，在SPI，AOI和AXI系統(tǒng)中集成了強大的實時SPC，這是實行這個過程控制策略的核心。SPC必須準確記錄的各元件在各工位的形態(tài)，定位缺陷，并對工藝進行趨勢分析，以指出潛在的缺陷，及時改善。如圖：
5、AOI設備的培訓與服務的重要性
AOI設備的使用效果與編程技術人員的經驗，技能關系還是比較大，不管是采用圖像比對學習型的AOI還是特征矢量參數(shù)調整型的AOI，AOI要用得很好，還是有很多參數(shù)需要調整的，對于很有經驗的使用者來說，可以使AOI發(fā)揮到極致，而對于沒有經驗的使用者來說，有些廠的AOI設備就不會發(fā)生應有的作用，有的廠的AOI設備甚至因此而束之高閣。但是，與此相對應的是很多公司人員流動頻繁，AOI設備的使用經常受到影響，AOI供應商接到的客戶服務請求大多數(shù)都是培訓，指導，幫助客戶制作程序。為了AOI事業(yè)的更好的發(fā)展，勁拓自動化設備有限公司立志成為檢測設備的領頭羊，率先成立專門的AOI培訓服務中心，所有的客戶都可以派員到培訓中心來免費參加AOI的培訓，解決客戶使用AOI的后顧之憂 。
