苏州众拓自动化科技有限公司

AOI检测设备的基本设置

2020-09-05

基本优化

每块PCB可以采用光学或者X-ray技术并运用适当的运算法则来进行检查。基于图像检查的基本原理是:每个具有明显对比度的图像都是可以被检查的。在AOI中存在的主要问题是,当一些检查对象是不可见的,或是在PCB上存在一些干扰使得图像变得模糊或隐藏起来了。然而,实际经验和系统化测试都表明,这些影响是可以通过PCB的设计来预防甚至减少的。为了推动这种优化设计,可以运用一些看上去很古老的附加手段(这些方法仍在很多领域被推崇),它的优点包括:

减少编程时间

限度地减少误报?改善失效检查。

制定设计方针,可以有效地简化检查和显著地降低生产成本。ViscomAG和KIRRONGmbH&CoKG合作开发出一项特殊测试方案,目的是为了从根本上研究和证明这些设计在检查中产生的效果。基于IPC-7350标准的PCB布局被推荐为针对这些测试的基准。首先,为了探究每一种布局的检查效果,建议在大量PCB布局上采用这种基准;之后,再有意地利用PCB错误布局,使得它产生一些工艺中的缺陷,如立碑和引脚悬空等。

布局建议

针对AOI检查的PCB整体布局

器件到PCB的边缘应该至少留有3mm(0.12”)的工艺边。片式器件必须优先于圆柱形器件。布局上建议考虑传感器技术,因为有时检查只能通过垂直(正交)角度,而其他时候又需要一个辅助的角度来进行。

元器件

对一个稳定的工艺过程来说,一个重要的因素是元器件,这不仅与PCB上直接的器件布局有关,而且或多或少也与“工艺流程设计”有关。元器件的采购趋势是尽可能地便宜,而不管它在颜色、尺寸等参数上的不同。不幸的是,这些选择在日后对AOI或AXI检查过程中造成的影响往往被忽略了。始终采用同样的材料和产品能够显著地减少检查时间和误报,而这些问题主要是通过元器件以及PCB的突然变化而出现的。

元器件尺寸

IPC-7350标准描述了器件的尺寸,并对某些焊盘的尺寸提出了建议。根据IPC标准,器件的长度和引脚的宽度可以有一个较大变化范围,相反,焊盘的尺寸却是相对固定的。此外,PCB制造公差的影响相对于这些器件的变化来说也是是很小的。

PCB的颜色和阻焊

通常,设备能够检查出所有不同单板的颜色,尽管检查中的某些细节处理是不倚赖于颜色的。例如,一块白色和一块绿色的PCB有着不同的对比度,因此设备需要一些特定的补偿。在一种极端情况下,桥接在亮背景下呈现黑色,而在另一种极端情况下,桥接在黑背景下却是呈现出亮色。这里我们建议使用无光泽的阻焊层。在我们的实践中,焊盘间(甚至是细间距引脚)的区域也应该覆盖着阻焊层,这个建议也已经被焊料供应商所响应。

印刷图案

所有印有图案的PCB也是能够被检查的,例如,当元器件的边框或元器

件本体上的字母单独出现在组件的某个区域从而干扰对其他部分的检查时,可以手工调整检查程序。尽管如此,在生产允许的范围内,图案的印刷范围仍然有一个较大的选择,因此,减少非反射性标识印刷(黑或暗黄)值得加以考虑。另外一个可能出现的情况是需要有选择地印刷标识:例如,当某些特定的器件(如霍尔传感器)正面向下时就必须印刷成白色;而另一种情况是印有极性标志的有倾斜角的钽电容器件;这样能使标识和背景形成鲜明的对比,使得检查的图像更加清晰。

基准点

设备可以检查所有类型的基准点,而且任何构件都可以被定义成一个基准点。

虽然三个基准点可以补偿一块单板的变形,但通常情况下只需要确定两个基准点就可以了。每个基准点至少离单板边缘5mm(0.2”)。十字形、菱形、星形等比较适用,并建议使用统一的黑背景。此外,十字形的基准点特别有优势,他们在检测光下的图像十分稳定且可以被快速和容易地判定。。

  
确认坏板

设备有能力检查所有已知类型的坏板标识。板上的任何构件都可以被定义为坏板标识。这里建议采用与上述基准点的判定相类似的方法,即在可能的情况下,首先通过检查整板或已完成组装的单板上的单个坏板标识来进行确认。板上每个单独的坏板标识只有在整板的坏板标识检查失败后才会被逐一检查;整板的坏板标识应该定位于PCB的边上。

避免焊点反射

焊点的形状和接触角是焊点反射的根源。焊点的形成依赖于焊盘的尺寸、器件的高度、焊锡的数量和回流工艺参数。为了防止焊接反射,应当避免器件对称排列。

波峰焊

经过波峰焊后,焊点所有的参数会有很大的变化,这主要是由于焊炉内锡的老化导致焊盘反射特性从光亮到灰暗,因此,在检查时算法上必须要包含这些变化。在波峰焊中,典型的缺

陷是短路和焊珠。当检测到短路时,假如印刷的图案或者无反射印刷这两种情况的减少以及应用阻焊层,就可以消除这些误报。如果基准点没有被阻焊膜盖住而过波峰焊,可能会导致一个圆形基准点上锡成了一个半球,其内在的反射特性将会发生改变;应用十字型作为基准点或者用阻焊层覆盖基准点,可以防止这种情况的发生。

片式元件、MELF器件和C-leads器件

在片式元件和MELF器件上,弯月状的焊点必须被正确地识别出来;而在器件本体两侧下方的焊点由于焊锡无爬升,很难检查。另外,焊盘边缘到焊端的间距Xc也需要注意。Xc(焊盘的外侧间距)对Xi(焊盘的内侧间距)的比率应选择>1。同样的规则也适用于C-leads器件的弯月型和器件本体两侧的焊盘设计。这里,我们建议Xc对Xi的比率稍微大于1.5。值得注意的是:任何元器件的长度变化也必须计算在内。

“鸥翼”型引脚器件

通常,这类器件的判定标准可以通过对毛细效应在垂直方向的作用的分析中找到。由于毛细力,焊锡从焊盘末端爬到引脚上形成焊点。由于工艺波动和器件边缘的阻挡作用,导致不能完全形成一个完整的上半月型焊点。尽管没有形成一个上半月型的焊点,但也可以被认为焊接得很好。“鸥翼”型引脚焊锡的侧面爬升情况由于器件变化或焊盘设计的原因,并不是经常能够被检查出来,这是由于焊锡的爬升方向必须用同引脚方向垂直的角度去检查。假如爬升很小,必须从其他角度来检查,而只有通过这样的辅助检查,才能提供丰富的图像信息去评估焊点的好坏。

斜角检测:PLCCs型器件

PLCCs器件的引脚的焊盘有着不同设计。如果是一个长焊盘设计,在PLCC引脚上焊锡的爬升效果是可以检查的。如果焊盘保持明亮,那么焊锡已经爬升到了引脚端,所以认为器件是焊上了。假如遵循这个设计原则,可以通过垂直检测来检查出缺陷。

对于PLCC焊点,有时会出现少锡的情况。由于引脚少锡的爬升情况和没有焊锡时是一样的,所以对PLCC焊点不能通过垂直检测,而要通过斜角检测的方式来检查少锡缺陷。

布局建议

PCB的整体布局对于普通的AXI测试PCB布局,所有的焊盘都必须进行阻焊处理。这是因为阻焊层和实际的焊盘并没有真正地接触到,在阻焊层和焊盘之间存在着一定的间隙。这样做的好处是:焊锡受热后就可以聚集在焊盘内,这也使得在XRAY影像中很容易再现焊料的爬升情况。

2Dx-ray

当应用2Dx-ray技术时,所有的器件都需要被布置在PCB的正面。而用2Dx-ray去检测这些器件时,还必须再定义出一块没有器件的地方为“禁区”。对于有些BGAs,会推荐使

用一种泪滴型的不对称焊盘设计,这使得焊锡的成型性质被系统错误的判断为一种几何的连接形态;此外,一些特殊的QFN向内或向外的弯月型焊盘设计也同样有这种情况。

QFN焊盘设计

QFN器件的焊盘尺寸、焊膏印刷面积与它的引脚尺寸是同样大小的,而且器件的引脚是交错排列在封装体底部的。

因此,QFN的焊盘设计建议为:焊盘伸出于器件引脚的外端,而

缩进于器件的内端,这样使得在器件引脚的内外形成弯月型焊盘。在这里很重要的一点是,在进行设计计算时必须考虑器件的公差范围。

BGA设计

在BGA设计时,焊点的形状(如泪滴型)可以通过特别的布局使其成为可见的;就是说,泪滴型的焊点除了具有奇怪的形状外,它的方向也是很随意的。总而言之,在器件面的焊盘和在PCB上的焊盘正好和BGA焊球的大小是一样的。在德国Erlangen大学,学者做了大量的研究去评价单个焊盘形状的模型;他们发现,无论焊盘是圆形还是非圆形的,焊膏印刷图形要保持为圆形不变。

结论

作为惯例,在生产中,测试系统应当根据生产批量的要求建立并优化。实际运作中无数次地证明,仅这样做是远远不够的。如果在两周的生产时间内要测试一个新批次的PCB,有可能会发生这样的情况:ELKO的颜色突然由黑色变为了黄色,或者晶体管的引脚变短了、是弯的;或是电阻的颜色由黄色变成了蓝色的,等等。

AOI检查程序必须而且能够处理这些不同的变化所带来的问题。但是,其中的一些变化需要花费时间进行处理,因为我们不能预先知道是否有一种新的元器件被使用,或是存在一个错误的元器件布局。同时,面对质量方面的困难,大量允许的可能出现的情况也需要一个一致的,确实可行的说明。


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