12天突破英语语法:AOI在01005元件组装过程中的应用

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AOI在01005元件组装过程中的应用
(时间:2008-4-14 14:54:41共有156人次浏览)   作者:Owen Sit (薛弈桉)博士 and Joshua Petras of YESTech Inc  San Clemente, California, USA
摘要
印 製电路板组装行业在使用01005器件的过程中将会遇到很多质量方面的挑战。在生產过程中,回流焊之后的检测需求已不再是一个可有可无的工序。随著元器件 尺寸的缩小,人工目检变得越来越困难,而AOI检测将成為保证高质量產品產出的唯一手段。本文中我们将著重阐述AOI设备製造商所面临的挑战和 YESTech的最大程度提升01005器件检测能力的创新设计。
简介
不断进行中的移动式產品小型化的趋势促使元器件从上 世纪90年代的0402向当今的01005封装过渡。使用如此小的元器件对於SMT(Surface Mount Technology表面贴装技术) 生產过程来说是一个巨大的挑战。SMT设备的製造商们正在努力升级他们的设备以适应01005元器件的生產。对於AOI设备製造商而言,01005的封装 形式既是机会又是挑战。01005器件的使用一方面可以促进AOI设备的广泛使用,而另一方面它需要有更高精度和更先进的检测技术作保障,才能确保高质量 的產能。
 
01005
发展前景
首 先,让我们来看一下01005 器件的尺寸大小。一隻常见蚂蚁的长度和宽度分别约為2毫米和1毫米。一个0402器件的尺寸约為蚂蚁的慼C一个01005器件的长宽高分别是0.4毫 米,0.2毫米和0.13毫米。16个01005的器件的大小才抵得上一个0402 的器件。如此小的器件单靠肉眼是很难看到的,使用任何手工工具进行操作也是不太可能的。01005器件的成本也很高,大概比0402的器件贵100倍以 上,2007年,01005的电容每个约值50美分左右。
在大批量生產时,01005的成本将随时间而降低。目前情况下,由於01005的高价格,它们只是在真正需要节省空间的场合下才会使用。
SMT生產过程中的挑战
组装这些既小又昂贵的电阻和电容意味著许多设计和组装过程的挑战。设计者必须特别关注电路板的设计、器件的选择、模板的设计、焊膏的组成和印刷、元器件的贴装、回流焊接和检测等等。
让 我们仔细地看一下模板的设计。為了得到更高的效率,必须使用非常薄的模板,约76微米。这将确保印刷后焊膏不会残留在模版开孔中。然而,如此薄的模板无法 提供足量的焊膏以满足焊接较大尺寸器件的需要。一种解决办法是使用成本昂贵的两个模板和两个印刷过程。為避免高成本,设计者也许能试著找到合适的模板厚度 以适应电路板上所有尺寸的元器件。而这种“妥协”的办法将不可避免地提高缺陷率。
缺陷的种类
缺乏经验,设备的局限性和妥协 的设计都会导致PCB的缺陷。对於01005,组装过程中最常见的缺陷是锡连 (桥接) 和立碑。锡连的產生通常是因為过於密集的焊盘(焊盘之间的间距小於150微米),或者是模板没有对齐。当焊盘尺寸变小,模版的排列对齐将变得更加重要。 01005器件需要分毫无误的对齐。立碑的產生是由在回流过程中焊锡表面张力的不平衡性造成的。由於无铅生產中需要更高的焊接温度,这将增加焊锡表面张力 不平衡的可能,从而导致立碑。
                         
AOI的对策
通 常情况下,可将AOI放置在SMT生產过程中的3个位置,印刷焊膏后,回流焊前和回流焊后。理论上说,将AOI放置在生產过程的前端可以更早的发现缺陷和 进行维修,越早发现缺陷就越能降低维修成本。修復一个焊膏的缺陷非常容易,因此,回流焊前维修成本小於回流焊后的维修成本。可是实际问题是缺陷会產生於整 个生產过程中的任何工序,而不只是在前端。器件缺陷只能在贴装了器件后才能发现,例如锡连或立碑等只有在回流焊后才能被检测到。如果AOI只是被放置在前 端,那麼,就会漏掉很多缺陷。既然01005的缺陷主要集中在锡连和立碑上,那麼,回流焊后放置AOI设备就是保证產品质量的关键手段了。
在很多情况下,AOI放置在前端是作為一种生產过程监控手段,而AOI放置在回流焊后就好像一个守门人,用来防止缺陷產品流向用户端。
对 於01005的组装来说,印刷焊膏后放置的AOI更多是作為过程监控的手段,因為除了重印整块损坏的基板之外没有其他有效的在线维修技术可以修復随机產生 的印刷缺陷,因為任何手工调整都可能会產生更多的缺陷。回流焊前放置AOI设备能够监控元器件的贴装,但是想要在线修復01005的放置缺陷却是不可能 的。此外,和其他表面贴装器件一样,01005会在回流焊后自行对齐。研究表明,01005器件只要在贴放时偏移不超过 45微米的话,在回流焊后仍旧会回復到正确的位置。在研究中同时还发现01005等器件在角度偏移不超过25度的情况下也可以回復到原位。由於01005 等小型器件的自行对齐的特点和回流焊前维修的困难性,炉前放置AOI设备进行检测并没有太大的意义,而作為生產过程的监控手段则比较合理。
01005组装的离线维修和返修设备已经上市,并可以修復很多种类的缺陷。然而,这些维修的价格是很昂贵的。
01005 组装的最佳检测方法就是将AOI设备同时放置於SMT生產过程的多个位置,既可以监控生產过程,又可以检测缺陷。因為在线维修并不总是可行的,这就需要前 端的AOI设备能够及时将缺陷数据传输到后端(炉后)的AOI设备,可疑的缺陷将会被再次确认,这将提高检测效率,降低误判率。   AOI实质检测能力
对於01005的检测来说,AOI设备必须具备多种实质特性。下面让我们详细的看一下这些特性。
1. 高放大倍率
比 较和评估不同厂商的AOI设备可能会是一个比较繁琐的过程,一些参数的比较就好像在购买数码相机一样。图像传感器的类型,像数值,光学和数码放大倍率是一 些非常重要的参数,这些参数能够决定设备最终的检测能力。要精确的检测01005的器件,光学和数码的放大倍数是很重要的,必须保证能够提供给AOI软件 的检测算法足够的解析度和图像信息。然而,我们必须明白这些并不完全是越多越好。较高的放大倍率造成了较小的视场(FOV),从而增加了图像捕捉的时间和 处理的数据。為了与日益缩短的生產过程同步,AOI设备必须能够平衡放大倍数和图像採集速度之间的关係,这一点很重要。
决定01005检测能力的 最主要的一个参数是像素大小。像素的大小是由AOI的图素传感器和光学系统的性质决定的。例如,一个典型的130万像素的CMOS传感器的像素阵列是 1280x 1024。如果装上一个一定焦距的镜头,產生的视场大小是32mm x 25.6mm,相对应的像素大小是25微米。如果我们认為某个01005器件的尺寸是200um x 400um,那麼,器件的图像大小将是8 x 16像素。对於检测算法来说这个大小可能不够。但是如果使用相同的传感器和另一个镜头并產生16mm x 12.8mm大小的视场,相应的器件图像就有16 x 32图元。这时四倍大的图像信息就可以提供足够的信息给检测算法以用来精确的检测缺陷。
在 选择AOI设备用於01005的检测时,平衡分辨率和检测速度之间的关係是很重要的。一些厂商会提供不同放大倍数的多个摄像头,在精确检测01005器件 时使用高放大倍数的摄像头,而在检测其他较大元器件时使用低分辨率的摄像头以保持快速的检测过程。在这种方式下,设备可以很灵活的处理不同种类的產品类 型,而不需要任何硬件上的修改。
      
2. 高位置精确性
由 於器件的尺寸变得更小,生產过程中所使用设备的精确性要求也变得更加重要。如果一台贴片机是不精确的,那麼,01005器件的缺陷将是不可避免的。贴片机 是组装生產线上必不可少的一部分,而AOI只是一种辅助手段。使用一台不精确的AOI设备并不会影响產品的生產,但是,如果它无法检测到一些位置上的缺陷 的话,它得到的检测数据将会变得毫无用处。 据经验来看,AOI设备应该具备亚像素级的精确度,这将能够保证设备具有足够的精度以检测01005器件的小幅位置偏差。
3. 可编程光源用来强调缺陷
在 任何机器视觉的应用中,光源都是最重要的组成部分之一。放大待测的物体只是等式的一半。等式的另一半是缺陷在现有的光源条件下能否被辨认出来。想要在不断 变化的电子生產环境中试图找到一种光源来检测所有的缺陷几乎是不可能的。為了确保电子元器件和PCB板上的最大缺陷覆盖率,採用动态的光源是很重要的。由 於LED(发光二极管)的价格降低,AOI设备生產厂商能够在检测软件中配置各种光源阵列。通过使用多种色彩和各种角度的光源,AOI的程序员能够灵活的 调整图像的对比度和清晰度,使判别各种类型的缺陷变得更容易。01005的器件家族内部也有不同的顏色和各种表面特性,再加上不同的焊膏成分,焊盘尺寸, 材料和PCB板顏色,可编程光源的使用将是确保最大缺陷检出率的重要手段。
4. Tele-centric lens1 远心镜头降低误判率
為了得到更高的精确度和重復性以及非常低的误判率,远心镜头在AOI设备中变得越来越流行。普通镜头通过调节物体和镜头之间的距离来得到不同的放大倍数,这会在设备的视觉系统和其他应用方面引起一些问题:

 物体的外观尺寸会随著与摄像头之间的距离的变化而变化;
 一些特徵点或物体可能会被距镜头较近的物体所遮挡;
 物体的外观形状会随著与视场中心点的距离变化而变化。物体靠近边缘的部分会產生角度误差,而靠近视场中心点的部分则相对好一点。(原本是圆形的物体从视场中心向外侧移动时,将会变成椭圆形)。
远心镜头在任何距离条件下都具有相同的放大倍数,其所创建的图像尺寸在任何距离下与物体尺寸相同,并在整个视场窗口中维持恒定的视角。当物体距离镜头太近或太远时可能会偏出焦距范围,但是所得到的模糊图像和进行焦距校正后的图像的尺寸仍将保持一致。
远心镜头的图像具有恒定的放大倍数和形状,因此被用於许多场合的计量用途。例如,当AOI设备必须在物体的位置在视场中不确定,或甚至他们的距离受到某种程度的未知波动的影响的情况下测定物体的精确尺寸。  
5. 网络软件使缺陷信息得以共享
在线AOI设备其中一个非常重要的功能就是数据的採集和恢復。这些数据可能包括多种形式,例如文本,数据库,图像或者几种格式的混合类型等等。採集数据是大部分AOI设备所具备的基本功能,而且使用简单。但是,数据恢復可能会略微复杂一点,并取决於生產线的不同配置。
在网络环境中,AOI设备可以同时检测PCB板并将先前的检测数据传输到后端的返修站中。而后端的返修站不仅可以和AOI设备进行数据传输,而且还可以存储检测结果,并将数据保存在一个SPC数据库中。操作员可以实时地瀏览检测结果或者保存数据以便将来的回顾。
返 修站,离线编程和SPC软件是常见的网络工具,通常是作為选件购买的。有一个最新推出的新功能在最大程度上利用了生產线的网络环境。通过将多台AOI设备 放置在同一条生產线上,可以任意分享检测数据,从而影响到每一台设备上进行的检测或瀏览。该功能展现了一种更加动态的检测技术,并确保最高的缺陷检出率。
因 為01005装配线没有一种有效的在线维修技术,因此,回流焊后的AOI需要能够利用前端AOI的检测数据来提高其检测缺陷的能力。总之,他们需要互相合 作,以得到最佳的检测效果。例如,焊膏检测设备可最有效的检测出少锡这种缺陷,但是对於回流焊炉后的AOI设备就比较困难了,而且容易產生较多误判。通过 综合从前端的AOI设备中得到的缺陷信息,后端的AOI设备可以确保不会遗漏该缺陷。在一个理想的状态下,生產线将配置3台AOI设备检测锡膏, AOI可检测模板的位置排列和少锡等问题,回流焊前AOI可检测器件本身的缺陷,例如缺件或极性等,回流焊后AOI可检测诸如锡连和立碑等缺陷。只有通过 合理分配任务,并综合检测结果才能获得最佳的检测效果。