AOI检查03015元件能力的研究

                                                                                                   


SMT业內最具人气，最活跃，最有影响力的——SMT顶级人脉圈微信公众号SMT制造业实力派移动互联网营销第一媒体 SMT顶级人脉圈前言长期以来，印刷电路板组装（PCBA）行业一直坚持把电子器件做得更小、更轻、更快的理念，特别是在最近的几年里，更是如此。随着使用的元件尺寸越来越小，需要进行更深入的研究，适应和推动这个变化；不仅是对SMT工艺还是测试，这一点都很重要。我们针对SPI（锡膏检查）用03015元件做了一些研究，但是，关于AOI的推荐实践方面的研究非常少。
03015（0.3毫米x 0.15毫米）器件是一种微芯片元件。以人类的头发为参照物，人类的头发的直径大约是0.1毫米。为成功确保03015元件的使用，除了三个关键领域（贴装设备、组装材料和工艺控制能力）之外，用来测试这些元件类型的机器的能力是另一个关键因素。现在，在SMT工艺中使用三维焊锡膏检查很常见，三维AOI正在快速迎头赶上。
在研究的最初阶段，我们首先在我们的Milpitas制造工作站里用我们的二维AOI机测试这五种带有03015元件的电路板。紧接着，我们向五家AOI供应商的研究实验室提供这些电路板，他们都有三维AOI机。我们和各种不同的研发工程师一起展开工作，我们注意到，就他们现有的AOI系统而言，尤其是三维AOI系统，由于元件对光的反射，这个任务充满挑战。我们的测试数据和结果表明，不同的二维AOI机器在针对03015检查像对正偏差、碑立效应和短路这类缺陷方面的能力各不相同。随着缺陷逃脱检查百分率的下降，每百万元件错误呼叫次数也随之增加，因此，需要根据对测试数据分析结果优化编程。
实验总体说来，我们邀请了五家AOI供应商（的研发工程师）在这个项目上展开合作。我们收到了四组测试数据，AOI系统3的数据将稍晚些提供。所有机器都使用相同的程序来测试五组电路板。
测试工具在AOI的机器上测试这五种带有03015元件的电路板。图1是我们的测试工具，它有三个区域，分别对应三种不同的元件间距。不同间距的区域用不同颜色的箭头表示：红色（A区-100微米），黄色（B区-150微米），蓝色（C区-200微米）。
这里的03015元件是工业电阻，如图2所示，其长、宽和高分别为292微米、143微米和100微米，其中，A区没有阻焊膜（fab mask）。在A区、B区和C区的元件总数分别是87个、81个和78个。在PCB晶片上的焊盘尺寸（长和宽）是150微米×150微米。在图3的照片中，右边一列是A区，中间一列是B区，左边一列是C区；上面一行是印刷后的情况，中间一行是完成元件贴装后的情况，下面一行是再流焊后的情况。由于03015元件的光学反射作用，光学照片呈现出不同的颜色，这增加AOI测试的难度。

图一 企业提供的小型测试工具。

图二 三个区域中的03015元件。其中，C区：元件间距200微米，78个元件；B区：元件间距150微米，81个元件；A区：元件间距100微米，87个元件。

图三 光学照片：印刷后（第一排），贴放后（中间一排），回流后（底部一排）。其中，C：间距200微米；B：间距150微米；A：间距100微米。
测量系统的可重复性与可再现性特性我们在四号电路板上使用78个间距为200微米的元件，用它研究来测量系统的可重复性与可再现性的特性；该电路板总共经过九次测试（三个操作人员分别对该测试电路板各进行三次测试）。然后，我们使用生产统计软件获得测量系统的可重复性与可再现性的特性数据。图4是AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6的测量系统的可重复性与可再现性的特性数据的结果（在评估测试范围内、评估测试和标准测试的对比）。
表1列出了AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6针对评估测试的百分比的测量系统的可重复性与可再现性的特性的结果，以及针对各评估协议和标准百分率对比的测量系统的可重复性与可再现性特性的结果。标准结果根据从AOI机器获得的图像并用显微镜再次检查得到的结果；这些结果还要经过AOI工程师讨论并认可。很显然，所有这五台AOI机都具有非常好或者极佳的测量系统的可重复性与可再现性的特性。在对每个评估协议和与标准百分率的对比中：AOI系统1的结果是正常的；AOI系统2和AOI系统4的结果都很不错。AOI系统6的结果非常好，而AOI系统5的结果最好。

图4a. AOI系统1的可重复性与可再现性的结果。
图4b. AOI系统2的可重复性与可再现性的结果。
图4d. AOI系统4的可重复性与可再现性的结果。
图4e. AOI系统5的可重复性与可再现性的结果。
图4f. AOI系统6的可重复性与可再现性的结果。

表一 AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6的GR&R成功率。

AOI测试结果在这个项目中，这五组电路板上共有1230个元件，用不同的AOI机测试所有的元件，其中，AOI 1是二维AOI机，其他的AOI机都具备三维检查能力。但是，在目前的这个研究阶段，没有使用三维检查。主要的两个检查项目（缺陷逃逸百分率，每百万元件错误呼叫次数）是用来评估各个光学检查机器的测试能力。存在缺陷的元件的位置由生产该产品的公司的工程师和AOI供应商的工程师根据AOI图像、光学照片和光学计量设备来确定。图5是由光学计量设备提供的图片。我们可以清楚地看到R1、R6和R7等元件的缺陷是没有对正；根据AOI图像、光学图像和工程师们的复核，确认R3，R9，R15，R72，R75和R78等元件存在缺陷。
图6列出四台AOI机在检查同一块电路板上的24个相同元件的照片，它们的焊盘间距是200微米。针对这24个元件的位置，9个位置存在缺陷。AOI系统1和AOI系统4出现一次错误呼叫，用红色的长方形标记，AOI系统6出现三次错误呼叫；不过，它和列表中AOI系统2和AOI系统5的标准100%相符。黄色的长方形表示元件在有缺陷的位置。它指出所有AOI机（AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6都是三维AOI机）使用的是它们的二维算法来测试这五种电路板，由于03015元件上的某种镜面材料导致其在机器检查过程中会产生噪声，因此无法用AOI机器来测量03015元件的高度。
表2列出AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6的AOI算法阈值。所有这些算法都只有在二维AOI中才起作用。AOI系统1的工程师在我们的工作站上，将AOI系统1机器的像素从19微米/像素调整到10.5微米/像素，以提高照相机的分辨率。AOI系统2的三维AOI机的分辨率是6微米，照相机的像素达到1200万。不过，AOI系统2利用其二维算法（焊盘匹配）来测试03015元件。阈值设置包括：相似性为55，旋转4度，X方向位移35微米，Y方向位移35微米。AOI系统4使用LW（长和宽）跟踪来测试03015元件，LW跟踪是二维算法，针对这个项目，它的阈值设置是：XY±35微米，Theta±10微米。AOI系统5的主算法是：分类匹配为180，旋转5度，X方向位移35微米，Y方向位移35微米。AOI系统6的主算法是：水平阈值为100微米，垂直阈值为50微米，倾斜阈值为40微米。
表3列出AOI测试的结果。AOI系统5和AOI系统6的缺陷检查的百分率都非常好。需要特别指出的是，所有机器的每百万元件错误呼叫次数都高于我们的预期，我们之前的预期是每百万元件错误呼叫次数低于5000 PPM。AOI系统1的数据是五种电路板中的四种的数据，由于它的功能受到限制，因此不包括其中焊盘间距为100微米的三块电路板。AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6的数据来自所有五种电路板上的所有03015元件。AOI系统4最近刚安装了一台新的相机，可能做了很大的改进。AOI系统2、AOI系统5和AOI系统6也在进行改造。AOI系统3在经过一些改动后将提供测试结果。



图6 AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6的照片。

表二 AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI 系统5 和AOI 的 AOI主算法阈值。



表三 AOI系统1、AOI系统2、AOI系统4、AOI系统5和AOI系统6的AOI测试结果。
结论用目前的AOI机器来测试03015元件，测试水平不一样；但是，由于元件的反射问题导致三维算法无法使用的原因，所有这个项目所用到的AOI机器都使用二维AOI函数。
这五台机器的测量系统的可重复性与可再现性结果是可以接受的（AOI系统5的结果极佳）。
根据我们现有的数据，在缺陷逃逸百分率方面，AOI系统5的性能最好；但是，所有机器的每百万个元件的错误呼叫数都没有小于5000次，即低于5000PPM。
这项研究只是一个开始。特别是在使用三维算法时，需要用AOI机器测试更多电路板（不包含反射电路板）。
本文选自《SMT China表面组装技术》杂志文章，作者来自FLEX INTERNATIONAL公司。
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