摘要:本文首先概括了自动光学检测AOI和X射线检测AXI的在SMT生产中应用的必要性，然后阐述了AOI测试和AXI测试的原理、优点、缺点并介绍了国外这方面的先进技术及设备及其在SMT生产中的具体应用，最后结合具体产品讨论了AOI 和AXI的互相结合的最新技术和发展。
关键词:自动光学检测；AOI；X射线检测；AXI；PCB

 

1 引言
在微电子组装和制造业，元器件的微型化和密集化是长期以来的发展趋势。表面贴装技术(SMT)，是目前应用最为广泛的电子组装技术，它直接将元件无导线贴装在PCB基板上，取代了传统的插孔元件安装、导线连接。技术特点是轻、薄、短、小；高频性能好、可靠性高；成本低；可以使元器件体积大大减小、安装密度加大、可靠性提高、生产自动化。目前大部分SMT设备工艺越来越先进，最小线条宽度和间距已从0.3 mm～0.2 mm提高到0.15 mm～0.10 mm，贴片元件也微型化。然而，SMT在取得高速发展的同时也面临着巨大的挑战，那就是SMT生产线的检测技术问题，随着SMT的产品组件之间的间隔变得越来越小，出现的缺陷也就越来越多，因此必须使用先进的检测设备来检测缺陷。目前常用的就是自动光学检测  (Automated Optical Inspection，AOI)和自动X射线检测(Automated X-Ray Inspection，AXI)两种检测技术。

2 AOI测试原理及优缺点
AOI即自动光学检查是运用高速高精度视觉处理技术自动检测PCB板上各种不同帖装错误及焊接缺陷。PCB板的范围可从细间距高密度板到低密度大尺寸板，并可提供在线检测方案，以提高生产效率，及焊接质量。通过使用AOI作为减少缺陷的工具，在装配工艺过程的早期查找和消除错误,以实现良好的过程控制。早期发现缺陷将避免将坏板送到随后的装配阶段，AOI将减少修理成本将避免报废不可修理的电路板。

2.1 AOI测试原理
在SMT中，采用AOI技术的形式虽有多种，但其基本原理是相同的，都是用光学手段获取被测物图形，然后以某种方法进行检验、分析和判断。常用的检验、分析和判断方法有设计规则检验  (Design Regulation Checkout，DRC)法和图形识别法两种。DRC法按照一些给定的规则检测图形，可以从算法上保证被检验图形的正确性，而且具有相应方法的AOI系统制造容易，算法逻辑容易实现高速处理，程序编辑量小，数据占用空间小，为此AOI系统采用该检验方法的较多。但是该方法确定边界能力较差，往往需要设计特定的方法来确定边界位置。图形识别法，即模板比较，是将A01系统中存储的数字化图像与实际检测到的图像比较，从而获得检测结果。这种方式的检测精度取决于标准图像、分辨力和所用检测程序，可取得较高的检测精度，但具有采集的数据量大，数据实时处理要求高等特点。由于图形识别法用设计数据代替DRC中的设计原则，因此具有明显的实用优越性。
（1）模板比较
首先决定一个物体图像看上去象什么，如片状电容或QFP，并用该信息来产生一个基于像素的模板。然后在预计物体位置的附近，找出相同的东西。当有关区域的所有点评估之后，找出模板与图像之间有最小差别的位置，停止搜寻。为每个要检查的物体产生这种模板，通过在适当的位置使用适当的模板，建立对整个板的检查程序，来查找所有要求的元件。因为元件很少刚好匹配模板，因此在确定元件对象时可以和模板有一定数量的容许误差。
（2）运算法则
通常几种图像分析技术结合在一起，形成一个运算法则，特别适合于特殊的元件类型。在有许多元件的复杂板上，这可能造成众多的不同运算法则，要求工程师在需要改变或调整时做大量的重新编程。当供应商修改一个标准元件时，对该元件的运算法则也需要调整，消耗珍贵的编程时间。还有，相同元件类型的外形可能变化很大，用户必须调整运算法则来接纳所有可能的变化。传统的、基于运算法则的A01方法经常太过严格，以致于不能接纳合理的变化，如对比度、尺寸、形状和阴影。甚至不重要的元件也可能难以可靠地查找和检查，因此造成有元件而系统不能发现的“错误拒绝”。还有，因为可接受与不可接受图像的差别相当细小，运算法则不能区分，引起“错误接收”，真正缺陷不能发现。为了解决一些问题，用户在图像分析领域中要有适当的见识。
（3）有自调性、基于知识的A0I
几个AOI供应商已经打破图像处理的传统方法，而使用有自调性的软件技术。通过显示一系列要确认物体的例子，使用统计外形建模技术来自动计算出怎样识别合理的图像变化，将用户同运算法则的复杂性分开。不象基于运算法则的方法，统计外形建模技术使用自调性、基于知识的软件来计算出变量，这样可以减少编程时间。事实上，这个方法通常返回误报率比现有的AOI方法好10～20倍。

2.2 AOI测试优、缺点
优点：AOI最大的优点是极短的测试程序开发时间和灵活性。现在的AOI系统采用了高级的视觉系统、新型的给光方式、增加的放大倍数和复杂的算法，从而能够以高测试速度获得高缺陷捕捉率。AOI系统能够检测下面错误：元器件漏贴、钽电容的极性错误、焊脚定位错误或者偏斜、引脚弯曲或者折起、焊料过量或者不足、焊点桥接或者虚焊等。AOI除了能检查出目检无法查出的缺陷外，AOI还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集、反馈回来，供工艺控制人员分析和管理。　　
缺点： AOI系统不能检测电路错误，同时对不可见焊点的检测也无能为力。并且经过调研，发现AOI测试技术在实际应用过程中会会存在一些问题：1）AOI对测试条件要求较高，例如当PCB有翘曲，可能会由于聚焦发生变化导致测试故障，而如果将测试条件放宽，又达不到测试目的。2)AOI靠识别元件外形或文字等来判断元件是否贴错等，若元件类型经常发生变化（如由不同公司提供的元件），这样需要经常更改元件库参数，否则将会导致误判。

2.3 AOI检测设备在SMT中的应用
AOI检测设备主要用来检测焊膏和器件缺陷:焊膏检测难度最大，主要有彩色3色光源和多视角两种技术类型。焊膏检测通常是在焊膏印刷之后进行，要进行有效的焊膏检测，检测系统必须不仅能提供印刷焊膏的面积信息，还应能提供其精确的体积和高度信息，如果仅考虑面积信息而不顾及高度信息，焊盘上焊膏量不足时也会导致不可靠的检测通过。在印刷焊膏固化以后，采用多级摄像工艺技术、多照明角度和2-D系统，就能快速、灵敏地捕捉到PCB、焊接掩膜和焊膏外观的颜色变化，采用3-D系统，则能提供有关焊膏面积、以及焊膏高度和体积的精确信息，还能根据金属痕迹、PCB或焊接掩膜的表面，确定焊膏厚度，作3D测量的厂家以美国的RVSI、比利时的ICOS和美国的ScannerTech为代表，2011年中国3D SPI第一品牌复蝶智能也已面市（值得一提的是复蝶独创技术部分：首先它是采用GPU加速PMP运算；多角度双投影；Win7 64 位操作系统；多点触摸操作界面；），其中ICOS的BGA3D检测用的是双相机系统。
目前国外的AOI设备可以做到焊膏检测，如美国的 Agilent、YesTech、以色列的Orbotech和台湾TRI等公司的AOI设备采用的是单一白色环绕LED冷光源、多个镜头多视角位置差异的办法来检测焊膏厚度，OMRON VT系列AOI VT-RBT系列采用橙、兰两色光，用于再流焊前后对位置和焊点的检测，以及焊膏印刷检测，还有一些国外厂家的焊膏A01设备采用的是用激光三角法来检测焊膏的厚度，而国内对于焊膏检测还只有赫立电子能做到。
针对器件的检测，通常是SMT生产线的再流焊前和再流焊后安装AOI检测系统。采用的是基于合格样板的学习和基于SMT的CAD数据检测，具体技术主要是基于预处理后的图像的模式识别，前者主要采用统计模式识别，通过学习建立合格图像模式，然后通过检测对象的图像和样例图像的对比处理和运算来得到检测识别结果，现在国内外采用这项技术的有美国的CyberOptics以及中国深圳Aleader，后者则对CAD数据进行归纳，总结出检测规则，然后根据规则进行句法模式识别，如韩国Phoenics公司生产的AOI设备。
（1）再流焊前:检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和PCB送入回流炉之前完成的。这是一个典型地放置检查机器的位置，因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷。在这个位置产生的定量的过程控制信息，提供高速片机和密间距元件贴装设备校准的信息。这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准。这个位置的检查满足过程跟踪的目标。
（2）再流焊后:在SMT工艺过程的最后步骤进行检查，这是目前AOI最流行的选择，因为这个位置可发现全部的装配错误。回流焊后检查提供高度的安全性，因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误。
3 AXI测试原理及优缺点
3.1 AXI测试原理（见图1）

 

 

图1 AXI测试原理
AXI是近几年才兴起的一种新型测试技术。当组装好的线路板（PCBA）沿导轨进入机器内部后，位于线路板上方有一个X-Ray发射管，其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器（一般为摄象机）接受，由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比，照射在焊点上的X射线被大量吸收，而呈黑点产生良好图像（如图2所示），使得对焊点的分析变得相当直观，故简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。
 
图2 呈现良好图像的BGA焊点
3.2 AXI测试的优、缺点
优点：
(1)对工艺缺陷的覆盖率高达97%。可检查的缺陷包括：虚焊、桥连、立碑、焊料不足、气孔、器件漏装等等。尤其是X-RAY对BGA、CSP等焊点隐藏器件也可检查。
(2)较高的测试覆盖度。可以对肉眼和在线测试检查不到的地方