Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Не для распространения Введение в технологию поверхностного монтажа

11. Автоматическая оптическая инспекция

11.1.Введение

Впоследнее десятилетие электрическое тестирование в виде внутрисхемного контроля было доминирующим методом для определения качества печатных узлов в крупносерийном производстве. Однако миниатюризация компонентов, увеличение плотности монтажа и переход на технологию двусторонней пайки оплавлением значительно осложнили применение этой технологии. Потеря в значительной степени доступа к печатному узлу для электрического контактирования явилась мощным толчком для развития автоматической оптической инспекции как бесконтактной альтернативы внутрисхемному тестированию. Как только АОИ стала общепринятой заменой внутрисхемному контролю, стало ясно, что она несет в себе и другие существенные преимущества.

Компоненты малых размеров, такие как 0201 или даже 01005 и выводы QFP с шагом 0,3 мм едва различимы невооруженным глазом, а уж о детальном контроле их паяных соединений не может быть и речи. Визуальный контроль оператором потерял жизненные перспективы. Даже если он возможен, визуальный контроль часто не отражает объективного состояния печатного узла. Известно, что после двух часов работы способность контролера к концентрации уменьшается в два раза по сравнению с первоначальной. Влияние внешних факторов – повышенная температура, шум могут уменьшить оставшуюся концентрацию еще на 40%.

Системы АОИ снимают эти ограничения. Кроме этого применение систем АОИ исключает необходимость изготовления дорогостоящих адаптеров, требуемых при внутрисхемном контроле. Благодаря этим заметным преимуществам автоматическая оптическая инспекция из просто желаемой стала практической необходимостью. Для многих сборочных линий системы АОИ являются идеальным решением по сравнению с визуальной инспекцией и внутрисхемным контролем. Качественные компоненты плюс качественная сборка практически всегда означают хорошее качество печатных узлов. АОИ предоставляет возможность высокопроизводительного и тщательного контроля печатных узлов и обеспечения их качества. На сегодняшний день во всем мире эффективно используются тысячи систем АОИ.

11.2.Место системы АОИ в линии поверхностного монтажа

Системы АОИ могут устанавливаться в линию поверхностного монтажа после автомата трафаретной печати, после автоматов установки компонентов и после печи оплавления.

Система АОИ, установленная после операции нанесения пасты, обнаруживает следующие виды дефектов:

∙недостаток/избыток пасты на контактных площадках;

∙смещение пасты относительно контактных площадок;

∙перемычки;

∙смазывание пасты.

Система АОИ, установленная после операции установки компонентов, обнаруживает

следующие виды дефектов:

∙отсутствие компонента;

∙линейное и/или угловое смещение компонента;

∙неправильная полярность компонента;

∙переворот резистора;

221

∙неправильный номинал компонента (надпись на корпусе компонента).

Будучи установленной после печи оплавления, система АОИ может определить все

виды дефектов, известные в поверхностном монтаже:

∙отсутствие компонента;

∙линейное и/или угловое смещение компонента;

∙неправильная полярность компонента;

∙переворот резистора;

∙неправильный номинал компонента (надпись на корпусе компонента).

∙недостаток/избыток припоя;

∙неправильное формирование галтели;

∙Billboard (компонент на ребре);

∙Tombstone (эффект могильного камня);

∙приподнятый вывод микросхемы.

Системы АОИ, установленные после операции трафаретной печати и установки

компонентов, реализуют метод контроля, направленный на предупреждение возникновения дефектов. Системы АОИ, установленные после пайки оплавлением, констатируют наличие дефектов. Какой метод контроля предпочесть? Идеальным вариантом является, конечно, наличие систем АОИ на каждом из этапов технологического процесса. Ведь своевременное предупреждение дефектов гораздо дешевле, чем их устранение на последующих этапах. Однако это означает серьезные инвестиции, к которым большинство производств не готово. В случае если речь идет только об одной системе АОИ, то, очевидно, следует предпочесть систему, устанавливаемую после печи оплавления. Такая система АОИ представляет собой не только средство для обнаружения дефектов, но и инструмент для оценки стабильности всего технологического процесса изготовления печатных узлов. Имея информацию об обнаруженных дефектах, можно поставить им в соответствие технологическую операцию, которая «виновна» в их возникновении. Например, недостаток припоя связан с операцией трафаретной печати, отсутствие компонента, переворот резистора связаны с операцией установки компонентов и т.д. Таким образом можно своевременно распознавать негативные тренды в технологическом процессе и принимать корректирующие воздействия.

11.3. Классификация систем АОИ

11.3.1.Системы АОИ сканерного типа

Системы сканерного типа представляют собой простейшие системы АОИ. Принцип их действия состоит в простом сканировании печатного узла с последующей обработкой полученного изображения. Из-за особенностей оптических систем установок этого типа они имеют ряд существенных недостатков:

∙параллакс, из-за чего изображение краев печатных узлов может искажаться;

∙фиксированный фокус и малая глубина резкости, из-за чего может оказаться проблематичным распознавание относительно высоких объектов;

∙обработка одновременно очень большого объема информации, что резко снижает производительность системы.

Системы этого типа обеспечивают достоверный контроль только плоских объектов небольшой высоты, например столбиков паяльной пасты. Достоверный контроль паяных соединений проблематичен.

222

11.3.2.Системы АОИ с камерами

Системы АОИ с камерами отличает практическое отсутствие параллакса из-за уменьшения области инспектирования. Кроме того, благодаря этому же уменьшается объем одновременно обрабатываемой информации, что повышает производительность систем такого типа. При необходимости определенные участки печатного узла могут сниматься с различным разрешением и глубиной резкости. Все это делает системы такого типа пригодными для контроля паяных соединений.

Различают системы АОИ с одной камерой и с несколькими камерами. Системы АОИ с одной камерой реализуют 2D-контроль. Для систем с одной камерой нет необходимости в компенсации прогиба печатного узла, т.к. оптическая ось камеры перпендикулярна плоскости печатного узла. Недостатком систем данного типа является сложность контроля с их помощью приподнятых компонентов и выводов микросхем (см. рис.11.1).

Рис. 11.1 Приподнятый компонент с верхней и угловых камер

С помощью систем АОИ с несколькими камерами возможен 3D-контроль. Как правило, системы такого типа оборудованы пятью камерами, одна из которых «смотрит» на печатный узел сверху, а четыре оставшихся наклонены к плоскости печатного узла и расположены по всем четырем сторонам. Для таких систем очень важно компенсировать прогиб печатного узла. В противном случае, особенно при большом увеличении, даже незначительный прогиб может привести к тому, что с угловых камер будут контролироваться области, не совпадающие с реальным положением паяных соединений. А это вызовет большое количество ложных срабатываний и пропуски реальных дефектов. Компенсация прогиба может быть проведена только после измерения реальной высоты, на которой находится печатный узел. В результате измерения система определяет высоту, на которой находится, например, точка, близкая к продольной оси симметрии печатного узла. А затем применяется, например, параболическая модель для расчета высоты точек от оси симметрии до краев печатного узла, зафиксированного в конвейере. Существуют и другие способы реализации компенсации прогиба, например, измерение высоты каждого тестового окна в отдельности. Этот способ более точный, однако сопряжен с дополнительными затратами времени.

Какая видеосистема предпочтительна – монохромная или цветная? Видеосистема должна предоставлять для обработки изображение, в котором подчеркиваются отличительные особенности бездефектного паяного соединения по отношению к дефектному и обеспечивается максимальное отношение полезный сигнал/шум. Для этого информации, поставляемой монохромной видеосистемой вполне достаточно. При использовании монохромных систем освещения и камер обеспечивается спектральная чистота, что позволяет легко выделить и проанализировать индикативные признаки паяного соединения. Цветные системы поставляют значительно больше информации, значительная часть которой избыточна. Однако эта информация должна быть обработана и проанализирована, что означает дополнительные затраты времени. Цветная видеосистема может явиться источником дополнительных проблем. Классический пример

223

– ложные срабатывания при изменении цвета резисторов. Но он не единственный. Изменение цвета паяльной маски платы не влияет на работоспособность печатного узла, однако является обычной вариацией процесса изготовления плат. Цветные видеосистемы весьма чувствительны к изменению цвета, что приводит к появлению ложных срабатываний. Итак, монохромная видеосистема удовлетворяет всем требованиям для контроля паяных соединений, обеспечивая более высокую повторяемость и являясь менее чувствительной к вариациям процесса.

Для контроля современной элементной базы – микросхем с шагом до 0,3мм и чипкомпонентов типоразмером 0201 необходимо оптические системы с разрешение 20 -30 микрон на пиксель.

Системы АОИ с камерами могут быть с подвижной оптической головкой или с подвижным адаптером и неподвижной оптической головкой. Недостатком системы с подвижной оптической головкой является сложная и трудоемкая процедура калибровки оптической головки. Недостатком системы с подвижным адаптером является опасность смещения компонентов в случае контроля плат перед пайкой под действием сил инерции при перемещении адаптера, а также вибрация печатного узла. Поэтому перед началом контроля в системах такого типа должна быть предусмотрена задержка для успокоения печатного узла.

Еще одним важным элементом является система освещения. При контроле паяного соединения не достаточно просто обеспечить освещение обычным способом. Освещение должно выделить и подчеркнуть наиболее характерные участки паяного соединения, для того чтобы система смогла, оценив эти участки, отличить дефектное паяное соединение от бездефектного. Система освещения должна обеспечивать подсветку паяного соединения с требуемой интенсивностью со всех направлений по отношению к камерам. В качестве элементов систем освещения в современных установках АОИ используются ксеноновые вспышки, люминесцентные лампы и светодиоды.

В качестве примера приведем конструкцию оптической головки систем АОИ фирмы

Orbotech Symbion S36 и Vantage S22.

Системы АОИ Symbion S36 и Vantage S22 имеют пять камер – одну верхнюю камеру, оптическая ось которой перпендикулярна плоскости печатного узла, и четыре наклонных камеры, расположенных с четырех сторон (см. рис.11.2). Верхняя камера – цифровая камера высокого разрешения в 4 мегапикселя.

Рис. 11.2 Конфигурация оптической головки

Система освещения состоит из 24 ксеноновых вспышек, расположенных на нескольких уровнях, что позволяет создать световые потоки параллельно плоскости платы, наклонно к плоскости платы, сверху на плату и рассеянный свет (см. рис.11.3). Благодаря такому расположению вспышек паяное соединение может быть освещено с 18 направлений.

224

11.4.2.Измерение пороговых значений

Будучи наиболее широко используемой технологией обнаружения дефектов из применяющихся в системах АОИ, данная технология основана на распознавании контура компонента. Разработка данного метода отчасти производилась из-за сложностей, связанных с технологией золотой платы. Принятое допущение заключалось в том, что определение контуров компонента и базирование инспекции на характеристиках контуров и их отношениях может устранить трудности, вызываемые непостоянством внешнего вида компонентов. Путем извлечения контуров компонента из изображения варьированием цвета и структуры поверхности можно пренебречь. Идея, лежащая в основе технологии измерения порогов, заключается в том, что набор линий с повторяющимся соотношением является хорошим индикатором правильности установки компонента. Когда линии, для которых обычно имеется стабильное соотношение, не обладают им, тогда, вероятно, имеется дефект. Основное соотношение между линиями – это расстояние.

Технология измерения порогов понятна и проста во внедрении и не имеет некоторых основных недостатков принципа “золотой платы”. Однако применение данной технологии затруднительно в случае сильной рельефности поверхности (например, галтелей припоя) или когда контраст между ПП и компонентом очень мал, что может привести к слабовыраженным границам на изображении. Данный метод с успехом применяется для определения наличия/отсутствия компонента и позиционирования компонента. Однако гораздо в меньшей степени пригоден для оценки качества паяных соединений.

11.4.3. Стандартное сравнение с шаблоном и статистическое

сравнение с шаблоном

Из-за недостатков двух первых методов в новейших системах АОИ применяются более сложные технологии. Два из этих подходов – сравнение с шаблоном и статистическое сравнение с шаблоном, – имеют различную реализацию, но схожие характеристики. Обе технологии основаны на извлечении контуров из одного или нескольких эталонных изображений компонента (или из информации о геометрии компонента) и используют эти контуры для создания модели компонента. Контур разбивается на множество сегментов, и в модели определяются и оцениваются отношения между сегментами. Таким образом, если одна или несколько границ не будут обнаружены, например, из-за низкой контрастности, то оставшиеся границы могут обеспечить достаточно информации для проведения сравнения с шаблоном. Следовательно, при стандартном сравнении с шаблоном сумма отклонений сегментов линий полученного изображения от эталонного (называемая степенью корреляции) определяет, достаточно ли полученное изображение близко к эталонному. При этом степень корреляции сравнивается с предварительно заданной пороговой величиной. Путем правильного выбора пороговой величины варьирование во многих различных областях может быть легко компенсировано.

Технология статистического сравнения с шаблоном еще на один шаг продолжает данную идею. Ключевая разница между стандартным сравнением с шаблоном и статистическим сравнением с шаблоном заключается в том, что вместо одного стандартного отношения между граничными сегментами в эталонном шаблоне, в шаблонах, основанных на статистике, используется статистическое распределение отношения между граничными сегментами. Например, вместо хранения информации о расстоянии между двумя сегментами как 0,005 мм, при статистическом подходе хранится среднее расстояние 0,005 мм со среднеквадратическим отклонением 0,0007 мм. Когда разности между границами суммируются для определения итоговой степени корреляции, статистический подход может дать оценку того, попадает ли разность в допустимый диапазон или нет. Для этого расстояние умножается на весовой коэффициент среднеквадратического отклонения для данного сегмента. Таким образом, технология

226

статистического сравнения с шаблоном, может определить связь между полученным и эталонным изображением с большей достоверностью, потому что она основана на определении вероятности того, что компонент не имеет дефектов, исходя из соотношений границ.

Преимущества технологий сравнения с шаблоном в том, что они собирают больше данных о структуре компонента и менее чувствительны к изменениям. Трудности, имеющиеся при этих подходах, состоят в том, что они могут потребовать значительного объема программирования для обеспечения нахождения наилучших параметров распознавания контура для каждого типа компонентов. Также может быть затруднительно найти согласованность между корреляционными функциями, которые вычисляют общий коэффициент совпадения. Статистический подход требует большего количества эталонных изображений для разработки точной модели.

11.4.4.Интеллектуальные технологии

Последний класс технологий обнаружения дефектов, применяемых в АОИ, – это интеллектуальные технологии, которые для определения разницы между приемлемыми и дефектными компонентами используют методы искусственного интеллекта. Несмотря на то, что существует огромная разница между реализацией методов, используемых в системах АОИ на основе интеллектуальных технологий, имеется один общий момент. Методология, лежащая в основе данных систем, включает в себя стадию обучения и стадию работы. На стадии обучения интеллектуальная система АОИ снабжается набором эталонных плат, как с дефектами, так и без них. В результате строится модель, на основании которой в процессе работы система принимает решение хорошо-плохо.

Одним из методов искусственного интеллекта является метод принятия решения на основе нейронной сети. Нейронная сеть представляется собой модель программирования, которая используется для моделирования процесса принятия решения на основе имеющихся данных. Это достигается путем создания связей и зависимостей между данными.

Предположим, что для проверки наличия/отсутствия компонента используется пять различных алгоритмов. В результате выполнения каждого алгоритма выдается результат: 1, если дефект не обнаружен, и -1, если предполагается дефект. Каждый из алгоритмов имеет весовой коэффициент, вычисленный на этапе построения сети (этап обучения). Результат в каждом из узлов сети представляет собой сумму произведений результата в связанных узлах на предыдущем уровне на весовые коэффициенты (см. таблицу 11.1).

Весовые коэффициенты на последующих уровнях вычисляются как среднее арифметическое весовых коэффициентов связанных узлов сети. Процесс повторяется до тех пор, пока не останется единственный узел, представляющий собой результат всех связанных узлов. Если результат положительный – дефекта нет, если отрицательный – имеется дефект. Численное значение результата представляет собой показатель того, насколько данный компонент «плохой» или «хороший».

Таблица 11.1

227

1 2.0

?2.25

1.25

?

5 1.5

Рис. 11.4 Пример нейронной сети

Преимущество данного подхода заключается в том, что в результате работы сети выдается однозначный результат. При статистическом подходе неизбежно появление области неопределенности, при попадании в которую система может неправильно классифицировать изображение.

Представим себе распределение яркостей для дефектов и приемлемых случаев. При попадании измеренной яркости изображения в область, в которой перекрываются оба распределения, может произойти ложное срабатывание или, что гораздо хуже, может быть пропущен реальный дефект.

228

Частота

попадания

ложные

срабатывания

пропуски

Яркость

Рис. 11.5 Статистический подход для определения дефектов

Современные системы АОИ часто используют для обнаружения дефектов не один, а сразу несколько методов.

Рассмотрим более подробно принцип работы системы АОИ фирмы Orbotech Symbion S36/Vantage S22. При создании программы печатный узел разбивается на определенное количество тестовых окон. Имея информацию о высоте компонентов, система рассчитывает возможные затенения и автоматически отключает вспышки, которые образуют тень, и камеры, изображение с которых затенено. Система делает снимок сразу всего тестового окна и анализирует компоненты, которые попали в его пределы. Рассмотрим последовательность тестирования чип-компонентов и микросхем.

При тестировании чип-компонентов сначала проверяется наличие компонента. Если компонент отсутствует, дальнейшее тестирование этого компонента не производится. Если компонент обнаружен, система определяет его местоположение относительно контактных площадок и проверяет, допустимо ли найденное смещение. Если найденное смещение недопустимо, тестирование данного компонента заканчивается. Правильное определение местоположения компонента с учетом возможных смещений очень важно, поскольку при смещении компонента меняется и положение точек пайки. Без учета смещений контролировать паяные соединения бессмысленно. Затем чипкомпоненты проверяются на Tombstone, Billboard (компонент на ребре), чип-резисторы проверяются на переворот, проверяется полярность танталовых конденсаторов. После этого, если дефектов не обнаружено, производится контроль паяных соединений. Контролируется количество припоя и форма спая.

Для анализа качества паяных соединений используется технология DPIX (Dimensional Picture Information eXtraction). Она заключается в том, что системой анализируется информация внутри областей поиска, автоматически устанавливаемых при проведении каждого теста. Размер поля поиска определяется в зависимости от размеров компонента, размеров контактной площадки и найденного положения компонента. При необходимости системой производится комбинирование изображений, полученных с различных камер. На рис.11.6 приведен пример алгоритма определения количества

229

припоя. Если уровень яркости в пределах поля поиска превышает заданную пороговую величину, система сигнализирует о предполагаемом дефекте.

Рис. 11.6 Алгоритм определения количества припоя

При тестировании микросхем система сначала проводит тест на наличие/отсутствие. Затем определяется точное местоположение микросхемы. На рис. 11.7 синими крестиками указываются окончания выводов микросхемы при отсутствии смещения (позиция, заданная CAD-файлом), зеленые крестики показывают найденные системой окончания выводов – места, где будут контролироваться паяные соединения.

Рис. 11.7 Определение местоположения микросхемы

230