VT-WIN2培训教材 - 图文

A-MAX 自动光学检测（AOI）

编写 黄厚平

AOI概述

AOI（Automated Optical Inspection）即自动光学检测，它是一项最新的PCB结构检测技

术。AOI是利用软件来分析可见光拍摄到的图像，并根据程序中设定的参数阈值来判断印锡量是否良好、器件安装是否正确、焊点是否满足要求等等。

目前我司AOI设备放在SMT生产线上三个不同的位置进行相关的有效测试：

1 印刷机后（CKD），能够对锡膏的面积、少锡、多锡、拉尖、偏位、连锡、的印刷缺陷进行检测；

2 元件贴放之后（VT-RNS），PCB上贴装元件之后，能够检查PCB上缺失、偏移以及歪斜的元件，还能查出元件极性的错误，

3 焊后检测焊点（VT-WIN2），在检测焊点的过程中能够消除人眼疲劳、判断标准不一等人为因素，对虚焊、连锡、漏贴、器件极性错误等进行检测。

AOI能够实行在线检测，能够对单板在SMT的加工过程进行实时监控，及时的将缺陷信息传达到前工序。而在前工序中对产生这些缺陷信息进行分析，及时调整工艺或设备参数，这样就能够减少再次产生相同缺陷的几率，从而降低生产成本。

本文针对VT-WIN2型设备主要从成像原理、系统构成、编程步骤、焊点缺陷判断方法及准则、应用前景等几个方面对AOI进行了介绍。

第一章 VT-WIN2自动光学检测仪简介

1.1 VT-WIN2工作原理1.1.1 VT-WIN2工作原理概述

VT-WIN2通过一个垂直摄像机摄取PCB板上焊点的彩色图像并对其进行分析以判断焊点的好坏。其基本原理是在摄像机周围不同的高度上有红、绿、蓝三种颜色的LED灯，其光线

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照射在PCB板的焊点上。由于焊锡表面具有镜像反射光线特性，照射到焊锡表面的光线以与入射角相同的反射角进行反射，这样在拍摄到的焊点图像中不同的部位呈现不同的颜色，将三维的焊点外形变为二维的彩色图象。由于焊点有好有坏（即焊点形状不同），摄像机拍摄到的图像中红、绿、蓝三色的相对位置和面积不同，由此可以判断焊点是否有缺陷。

1.1.2 彩色高亮度成像 （一）彩色高亮度方式的基本构成

1个3CDD照相机，3色LED灯。红色、绿色、蓝色3种环行光线从不同的高度照射PCB板。在环行照明的中心线上，垂直方向配置一台彩色摄像机，摄取PCB板图像。

R（红光）：平坦部分，60°－80°

G（绿光）：较陡部分，45°－60° B（蓝光）：陡峭部分，15°－45°

（二）彩色高亮度方式的基本原理

1. 应用焊锡的特性

焊锡表面具有镜象反射光线特性。即照到焊锡表面的光线以与入射角相同的反射角进行

反射角反射。

入射角焊锡表面

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2. 照射红、绿、蓝三色光线

采用彩色高亮度方式时，红、绿、蓝3色光线分别从不同的角度照射至焊锡的表面。

彩色摄像机环行光线

3. 照射红色光线的场合

焊锡表面

以红色光线为例，由于红色光线比另两种颜色光线位于离PCB板面更远的位置（更高的位置）所以相对于PCB板平面的入射角较大（为60－80度）。即如图所示照射到平坦焊锡表面的光线向正上方的摄像机方向反射，而照射到倾斜的焊锡表面的光线不向正上方反

射。因此，对于平坦的焊锡表面部分，摄像机拍摄到是红色区域。

彩色摄像机焊锡表面

4. 照射绿色光线的场合

与红光的原理相同，如图只有照射到轻微倾斜（45-60度）的焊锡表面的向正上方反射，所以绿色区域为摄像机拍摄到的轻微倾斜的焊锡表面。

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彩色摄像机焊锡表面 5. 照射蓝色光线的场合 以同样的原理，照射到陡峭倾斜（15-45度）的焊锡表面光线向正上方反射，所以蓝色区域为摄像机拍摄到的陡峭倾斜的焊锡表面

彩色摄像机

焊锡表面 1.1.3 缺陷判断准则

除开焊锡、电极、引线部分的其它地方对照射光线进行漫反射，颜色与由红色、绿色、蓝色合成的白色光线照射下的图像颜色相同，即在彩色高亮度图像中只有必要的部分才可见。 而镜象反射存在于焊锡、电极、引线部分，所以焊锡接合部形成的是红、绿、蓝3色区别的图像，并且不同的部位呈现不同的颜色。我们将三维的焊点外形变为二维的彩色图象，将图像颜色分为等尺寸像素并将其量化，设定各检测参数阈值标准。 由于焊点有好有坏（即焊点形状不同），所以图像中红、绿、蓝三色的相对位置和面积不同，VT-WIN检测仪中的计算机会对光学图进行分析，计算三种颜色各自相对位置及面积的相关参数值，并与用户设定的参数标准（Criterion）进行比较，如果满足用户设定的参数标准，则焊点是好的，否则判定焊点有缺陷。

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1.2 VT-WIN2的硬件系统结构

1.2.1 VT-WIN2网络系统总体结构

在VT-WIN2系统以以太网连接，主要分为几个单元（如图【一】所示）：

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第四章 自动光学检测（AOI）的应用及发展前景 1 AOI的检测应用 1.1 品质控制

随着电路板上元器件封装尺寸、IC管脚间距越来越小（如0402、0201 Chip，0.4mm、0.5mmQFP器件）、密度越来越高，人工目检难度增加，目检电路板的装配缺陷变得十分困难。目前人工目检的故障覆盖率只有50~60%左右，难以满足生产过程控制及产品质量控制的需要。 而AOI可以将故障覆盖率提高到95%左右，覆盖一些人工目检常常漏检的缺陷包括：元件偏位、元件少锡、焊点短路、焊点虚焊、元件反向、元件错装、元件变形、元件漏装、元件竖起等。在实际应用中可结合相应的检验标准（如IPC610等）设置相关参数。例如对焊接质量要求较高的单板，将其阈值设置紧一些，就能检测出更多的焊接缺陷；相反对品质要求一般的单板，可适当放宽阈值，这样既能减少检测时间提高检测效率，又能检测出主要的焊接缺陷，从而达到品质控制的目的。 并且这有助于减轻对5DX的依赖，使5DX集中用于检测BGA、CSP等器件缺陷上。

1.2 工艺过程监控

在现代化大生产中，实时统计结果及反馈故障十分重要，及时发现及解决问题，可以降低生产中的损耗及避免严重的质量事故。因此实时统计结果已成为生产过程控制中的重要工具。人工目检的故障记录是由人工完成，录入时间长，信息不准确，加上需要进一步统计处理后才反馈回生产控制领域，因而难以帮助生产过程实现实时反馈及控制的要求。AOI配备有信息分析终端（IAT）可以实时监测焊点质量，实时生成统计图表，将故障发生的种类及频率等信息实时反馈给生产控制部门，以便使该部门及时发现生产过程中的问题并尽早修正，从而使时间和物料的损耗降到最低。

1.3 工艺参数验证及其它

AOI检测仪同样适合SMT、波峰焊工艺研究，即工艺参数验证，对于一种新的待加工的单板，从印刷工艺参数到回流焊工艺参数，都需精心设置调制，而这些参数的设置是否合理，最终取决于焊接质量的好坏，这一过程必定是要经多次试验才能实现。AOI提供了验证试验结果的有效手段，例如为了取得最合理的锡膏厚度参数，可以先通过改变印刷工艺参数得到不同的锡膏厚度并记录，然后通过回流焊进行焊接，再用5DX检测焊点质量，从中找出焊点焊接最好时对应的印刷工艺参数。此外，AOI也可用于其他的方面，如锡膏选型，波峰焊助焊剂选型，甚至焊盘设计的合理性分析等。

1.4 坏板维修

VT-WIN2可以实时记录检测到的有焊接缺陷的元件、元件管脚、 缺陷种类、数量及相对应的图象等，并可将这些信息传送到网络服务器上，再在联网的专用无纸维修计算机上

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进行判断分析并维修，最后记录判断维修结果。

2 AOI检测技术发展前景 2.1 AOI替代人工目检的趋势

1. 提高缺陷覆盖率

人工目检的缺陷覆盖率只有50~60%，而AOI可以将故障覆盖率提高到95%左右。对我司而言，这有助于减轻对5DX的依赖，使5DX集中用于检测BGA、CSP等器件缺陷上。

2. 提高检测的稳定性

人工目检存在的较大问题是检测结果的一致性及可重复性较差，不同的人对同一故障的判断结果不同，美国贝尔实验室对此的研究结果表明：二个目检人员的一致性为27.8%；三个目检人员的一致性为11.6%，并且同一个人在不同的时间判断结果也不相同，研究结果显示其一致性约为50%。而AOI系统在检测每一块电路板时，测试程序预先设定检测哪些位置、检测该位置有哪些故障、采用任件方式检测，并设定测试的好坏判断标准，从而可以以量化的标准来检测电路板的各类缺陷，提高检测的稳定性。

3. 缩短测试时间，提高生产效益

在目前的生产流程中，随着新工艺的不断采用，人工目检已无法在不增加人员以及相应的培训的条件下保持原有的检测指标，而AOI可以24小时测试，在无须增加人力的情况下可以消除人工目检时间对产品生产周期的制约，并使生产效率及检测可靠性、稳定性、重复性及控制的及时性成倍增加。

4. 提供实时统计结果，增强生产控制能力

AOI可以实时生成统计图表，将故障发生的种类及频率等信息实时反馈给生产控制部门，以便使该部门及时发现生产过程中的问题并尽早修正，从而使时间和物料的损失降到最低。AOI已成为大生产中生产过程控制的重要工具。

3 AOI与X-RAY相结合的测试策略

实事求是讲X-RAY检测的缺陷覆盖率要大于AOI。AOI不能检测BGA、CSP等器件的焊接缺陷。但X-RAY检测也有其不足之处。作为能在线使用的X-RAY检测仪，目前唯HP 5DX性能较好，但其价格过于昂贵，通常是AOI的2-3倍，很难做到普遍在线使用，只能用于检测重点单板或重点元器件的焊接缺陷（即离线使用）。另外，X-RAY检测速度较慢，若其上有3000个焊点，则检测时间大约需2-3分钟，难以保证生产节拍的需求。此外，X-RAY在检测器件极性方面的弱点较为突出，通常只能检测PCAP的极性，其他如常规元件极性、方向、表面破损等X-RAY均无能为力，而这恰恰是AOI的优势之一。 AOI与X-RAY结合可以大大提高缺陷覆盖率。AOI在检测常规焊点虚焊、BGA、CSP焊点等方面能力较弱，这些方面又是X-RAY的强项，将二者检测能力结合起来，就可以发现PCB生产中很大部分工艺问题。

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4 AOI独立检测策略及发展方向

1、适合于测度元件密度较高（特别是引脚间距较小的IC），较复杂的大批量单板的测试；元件越密，IPQC目检越难，而AOI则不存在此问题，AOI能对元件进行多种倍数放大，即使0.3MM的IC引脚间距也能很清楚地分辨，进而进行测试。

2、针对AOI测试应变能力强、测试速度快这一特点，其适于上线测试，替代现有IPQC，对单板进行检测和控制。

5、AOI不足（劣势）

1、AOI技术还不是很成熟，且只能进行外观检测，无法检测物料性能； 2、AOI受来料本色影响大，对物料颜色要求较严；

3、由于AOI采用普通三色光，无法进行“透视”，对内焊式器件无能为力。 以下图片为漏测缺陷或是其中一项参数无法测试：

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