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从检查的角度来看,在PCB组裝件中有两种焊点:看得见的和隐蔽的。AOI系统是用来检查看得见的焊点,而AXI系统是用来检查隐蔽的焊点。把这两种技术合并成一个系统(AOXI),就能降低总价格。一些精密的系统甚至能够用AOI和X射线同时检查双面PCB,显著地提高PCB的生产速度。
图1只能用AOI检查缺陷的例子(SOIC的极性错了)。
自动光学检查(AOI)和自动X射线检查(AXI)使用的都是数字图像分析技术。不论图像是怎样形成的,AOI所使用的图像处理技术同样也可以很容易地用在AXI上。对AOI来说,在检查设备(摄像头)中,通过吸收或者反射可见光,在检查目标发亮的表面上会形成一个看得见的图像(灰阶图案)。对AXI来说,是吸收X射线,目标的辐射会在检查设备中(一般是图像增强器和摄像机)形成一个看得见的灰阶图像。因此,AOI和AXI之间唯一的区别在于图像是怎样形成的;在图像的分析方法方面,它们并没有本质上的差别。
利用标准的检查样品库,能够得到包含有AOI和AXI的检查程序,这样就可以使用统一的AOXI方法。缺陷分类软件不去区分图像是怎样形成的,起作用的只是缺陷的标准。
AOI能够检查看得见的缺陷
在这些方法中哪个最好呢?我们可以用一些例子来回答这个问题,检查目标的可见性根据不同的例子有差别。AOI是用来检查电路板表面的方法。光垂直或倾斜地照射在表面上,用摄像头拍下来,得到一幅二维图像。因为在这个图像中,空裸电路板是二维的平面圆像,沿着X轴和Y轴把电路板真实地显示出来了。缺陷表现在X轴和Y轴的变化上,通过垂直观察可以很容易地辨别和分析这些缺陷,在这里,摄像头的光轴是垂直于电路板表面。
电路板装上元件后,它的表面就会变得不平,是三维的,而图像仍然是二维的(图1)。从垂直的角度来看,一般都能够看出X/Y的偏移。然而,要想找出所有的焊点缺陷,有必要使用沿着Z轴的第三维,摄像头角度是倾斜的。把这两种观察方法结合起来就能够检查所有的缺陷。
图2用X射线从側面看bga焊点。 右边外侧中间的焊点是开路的。
根据定义,因为SMT是表面化的,所以适合使用AOI。在焊接之前,首先要把元件放到焊膏上,而且焊点通常是看得见的。尽管元件的密度越来越高,从侧面观察就能够把缺陷检查出來。只有当元件高度随着封装密度的提高而增加时,光学检查的局限性才会表现出来。阴影使它越来越难看清电路板表面上的焊点。
翼形引脚焊点是在元件外面,很容易看见,例如,QFP和SOIC封装,它们的引脚是向外弯曲的。J型引脚元件,例如,PLCC,它的引脚是向内弯曲,虽然它的焊点仍然在元件外面,但这些焊点已经移到元件的下面。然而,外部镀了锡的地方仍然是看得见的。
AXI能够检查出隐蔽的缺陷
重的元件或者受力大的元件,安装时要求更加牢固,所以使用插装技术(THT)。在这里,把要焊接的插针或引脚插入电路板的安装孔中,并且焊接。元件本身通常把焊点的正面遮住,而且通孔中的焊料填充的程度是不知道的。只有焊点的背面是看得见的。
像bga、μbga、CGA或者MLF等封对,焊点完全在下面,是看不見的,用AOI根本看不到。只能用X射线来检查这些焊点。就拿bga来说,它的引脚不是在伸在外面的一排引脚,而是呈阵列分布的焊球,隐藏在下面,把元件与电路板连接起来。这里,必须用AXI技术,除此之外没有其他方法能够检查bga的焊接质量,同時速度达到生产的要求。
图3用X射线从侧面观察插装元件的焊点。 其中两个焊点孔中的焊料不足。
从第三维来观察元件AXI是一种立体的检查方法。X射线穿透待检查的三维目标,把二维阴影图像投射到显示器上。AOI和AXI之间的根本差别是AOI看到的是平面图像,而AXI看到的是立体图像。AOI显示焊点的表面结构,而AXI显示焊点的内部结构,例如,焊点气泡。AXI揭示隐蔽的焊点和它们的形状。对于可以看得到的焊点,还可以用X射线来形成焊点的第三维。从垂直的角度来看,bga焊球是有规则的黑色圆点。桥接、不充分焊接或者过度焊接、焊料溅散、没有对正和气泡都能够很快地检查出来。以倾斜的角度看,可以看到焊点的第三维。bga的良好焊点呈桶形,从则面可以看到焊点的形状是不是这样的,还可以检查焊球的锡是否充足,以及焊点是否开路(图2)。
既然这些形似骨头的结构十分清晰,那么从侧面还可以用AXI来检查插装元件的焊点。焊料的填充程度,焊点表面的上面和下面的焊锡的状态,甚至有多少气泡都可以分析出来(图3)。对于翼形引脚焊点,AOI能够得到最好的结果。不过,当焊盘几乎跟引脚差不多大时,在评价焊锡状态和气泡时,采用AXI更有利。在用AXI时,我们也可以从倾面观察来完成这项工作。
在AOI和AXI之间并没有非常明确的界线。就某些检查任务而言,AOI和AXI都可以得到很好的结果。总的说来,要检查的结构越容易看清,AOI就越有效;要检查的结构越隐蔽,AXI就越有效。
在决定如何把AOI和AXI更好结合起来时,最好看看它的复杂性和噪音干扰,这很重要。AOI能够看清检查目标的表面,所有内部结构都不能直接看到,它的优点是不会使这个问题变得模糊不清。复杂性相对比较低。因此,图像中的特征比较容易辨别。因为光通量和光强度都很高,所以光学图像也不会受噪音干扰的影响。AOI通过高像素的摄像头可以在几毫秒内得到光学图像,而且可以同时检查双面PCB的两面,可以很快地进行检查,产量很高。能够利用AOI检查的典型缺陷包括极性不正确或者标记不正确(图4)。
图4 只能用AOI完成的缺陷 检查实例(检查标签)。
检查范围和产量AXI能够显示检查目标的内部结构。对于表面结构,只有在吸收过程中出现变化时,才能观察到。对于实际元件,用什么特征,要考虑到它的位置。这是比较优复杂的。因为元件可能会重叠,因此有时必须综合地改变射线源、检查目标和图像检测器的位置。
此外,在X射线图像上有明显的噪音。虽然在高放大倍率微焦范围内X射线辐射的强度足够,但是它不能与可见光波长的强度相比。计算出在一段时间内的灰阶平均值(积分),能够可观地减少噪音,虽然这需要花几毫秒的时间。AXI能够检查隐蔽的焊点,而且速度很快。内部结构特征只能用AXI来观察,包括bga焊点的形状或者在插裝元件焊点中孔的填充情況。
自动高速大范围检查的一般经验是:尽量用AOI检查,以保持很高的生产速度,同时,用AXI检查所有隐蔽的焊点,全面地进行检查。AOXI系统包含两种检查方法,能够一步完成可视焊点和隐蔽焊点的检查和分析,因此是最理想的系统。AOXI系统使用并行检查来提高产量——用光学来检查一块PCB,同时用X射线来检查另一块PCB。AOXI系统把这两个分开的系统合二为一,将价格和空间减少一半,而且又同时拥有AOI和AXI的所有优点。