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1、应用AOI对IC进行零缺陷检测策略在印制电路板组装制造的自动贴片和焊接过程中，各种制造缺陷不可能完全避免。为了发现这些缺陷并保 证质量，需要应用自动光学检测系统（ AOI ）。由于在回流炉后的缺陷覆盖率能达到最大，所以这些系 统通常放在回流炉后，以实现焊后检验。在各种缺陷中，与 I C 相关的缺陷占了较大比重。 IC 包括 QFP 、TSOP 、 PLCC 、 SOIC 、 BGA 、 QFN 等，通常它们的间距最小为 0.5mm ，有些 IC 间距更小。在后续的电气测试和功能检测中，有些 缺陷通常很难甚至不可能被检测出来。即便使用 AOI 系统进行检测， IC 焊点缺陷和 IC 组装缺陷对检
2、测设备的性能也有较高需求，同时对AOI 检测深度有决定性的影响。所以有必要区分装备纯粹垂直式相机和倾斜式相机的 AOI 设备的不同IC 缺陷类型 典型 IC 缺陷类型可以根据不同制造阶段分为：焊膏印刷缺陷、元器件贴放缺陷和焊接缺陷。需要说明的 是：大部分焊接缺陷是元器件本身特征缺陷。以下缺陷是焊膏印刷或焊膏缺陷： （ 图 1）1、焊料不足或焊点过薄2、连锡3、焊料滴以下缺陷是元器件贴放缺陷： （ 图 2）1、少件2、元器件位置错3、元器件偏位4、元器件扭转5、元器件极性反6、错件7、IC 引脚变形以下缺陷是焊接缺陷或元器件本身缺陷。 （ 图 3）1、引脚抬高，即 IC 引脚向上抬高或弯曲2、I
3、C 引脚共面性3、焊膏未熔IC 种类不同，其发生某种缺陷的概率也不同，如细间距 QFP 就比 SOIC 更容易出现引脚抬高和引脚共 面性缺陷。AOI 检测目的是覆盖检测上述各类缺陷，也就是说生产过程中出现的所有缺陷都可以被检测出来。与此同 时，必须将各种缺陷误报降到最低，以最大化设备产出率。当 A O I 系统进行焊点和元器件的检测时，有些外部客观因素，也就是与 AOI 无关的因素，也不得不要 考虑进来，因为它们会有利于或妨碍上述检测目标的实现。其中影响最大的因素之一就是焊盘设计。如果不同单板及同类封装能使用统一的焊盘设计，那就有助于 AOI 检测，因为这样焊点外观的一致性就好。好焊点的外观越
4、一致，焊点缺陷被检测出来的可能性就越大， 误报率就会越少。如果焊盘过小，会导致焊点的润湿面不可见，是不利于检测的。 另外一个重要的影响因素是元器件质量，主要体现在待焊部位的可焊性和元器件的尺寸稳定性要好。好的 可焊性会使焊点更好、更一致。好的尺寸稳定性，如 QFP 引脚长度尺寸的稳定性，会使编程更容易。其它影响因素包括印制电路板和阻焊膜的颜色、印制电路板变形塌陷量等。由于不可能改变所有外部客观 条件，所以 AOI 系统必须在设计上（传感器、软件及系统设置）充分考虑，具备弥补各种负面影响因素 的能力。零缺陷 IC 检测的 AOI 架构 目前市场上各种 AOI 系统之间最至关重要的参数区别就是相机
5、观测方式，共有两种：垂直式相机观测（俯 视）和倾斜式相机观测（斜视）。原则上，大多数缺陷类型可以用垂直式相机检测出来，垂直式相机能检测的临界缺陷类型是引脚共面性和 引脚抬高缺陷，这些缺陷从俯视角度只能在有利的环境下才能发现。有利的环境是指焊点发生毛细作用， 在毛细作用下， IC 引脚待焊部位会润湿吸引焊料形成好的焊点。如果焊盘设计良好，在焊盘外延部边缘 是不会有焊料的，所以如果有合适的光源照射，焊盘外延部边缘看上去是光亮的。如果引脚没有被润湿（或 存在共面性问题），或某个引脚向上弯曲变形（引脚抬高），焊锡就会均匀地铺展在焊盘上，这样得到的 图像就会完全不同（如图 4 所示）。这种情况对于 PL
6、CC 引脚焊点尤其明显，其焊点本身位于元器件引 脚下部，如果从上面俯视，焊点本身是不可见的。只有焊盘外延离元器件轮廓足够远，才能利用毛细作用 来检测。然而，对于那些焊盘设计不当或出现微连锡的细间距 IC ，使用上述方法则无能为力，很难区分出是好焊 点还是差焊点，如图 5A 和 5B 所示。nsA：焊劇证讦希再陷弓I卿存吞挂面性嗣初垂直式用机观测图微连镐的垂直式相机邂测这样就不可能实现零缺陷检测了，与实际缺陷数对应的最大缺陷检出率为5075 %,同时缺陷误报率 也不够理想。使用倾斜式观测的效果显著提升，倾斜式观测与手工光学观测所用方法一样，可以与水平成 45 度观测印制电路板。观测角度越小，使用
7、倾斜式观测得到的信息越少，图 6A 和 6B 是用倾斜式相机 观测图 5A 和 5B 中同样的焊点。从上图可看出，好焊点和差焊点之间的光学图像区别表现的改善情况是非常明显的。图像处理的原理之一 就是：区别好与差焊点的能力越强，错误诊断能力越高，误报率就越低。与俯视图类似，最好是有可旋转 的光源，这样就可以实现不同的照射角度。固定的、不能旋转的光照系统不具备应付各种情况的柔性，以 得到图像的最佳对比度。如图 5 和 6 所示，采用垂直式观测时，在引脚之间内侧处的连锡在阴影中，这样它们就不可见。而在倾 斜式观测中，其可识别性就大大提高。使用倾斜式相机需要具有校准和灰度补充方面的知识。如果系统仅装备
8、一个倾斜式相机， AOI 系统本身 未必就一定需要具有持续监控校准的能力，因为相机能在一定范围内进行自我校准。然而，对于组合相机 系统，软件必须使相机之间保持校准平衡，同时监控其不超过基本的校准极限。如果软件不能进行简单、 准确和快速的校准， AOI 供应商将无法实现倾斜式观测的集成。可通过所谓机器能力调查（ MCI ）对检测结果进行检查，在 MCI 过程中，可安排合适的校正方式，如 检测 50 次，同时计算得到设置标称值和测量容限（ Cm/Cmk 值），计算时假设测量值符合高斯分布。 当Cmk值大于1时，至今可以接受（3o质量）,当今趋势是要求Cmk大于1.67甚至2 （ 5o或 6o质量）
9、。根据这些需求可看出：稳定的传感系统优势明显，在传感模块中的可移动部件会降低精度，重复性会大大 降低。在应用倾斜式相机时需要掌握的另一个技巧就是补偿印制电路板的变形塌陷，这种影响会导致焊点检测 时，视场看上去会 下滑 ，如 （ 图 7） 所示。补偿方法之一就是在单板上取足够点扫描它们的坍塌量，从而计算得到变形坍塌模型。然而这种方法需要花费额外的检测时间。集成补偿方法则更具优势，它不是进行大量点检测，而是通过软件寻找测量居中的 重要参考点。如果软件适合，该方法可以在不需额外时间的情况下得到可靠的结果。区分不同 AOI 系统能力的另一个重要指标就是 AOI 的相机像素分辨率。对于细间距 IC ，标
10、准的像素 是0.5mm ,在许多设计中，焊盘宽度和焊盘之间间距都会是250pm 。如果用至少15个像素覆盖焊盘 前面弯月面宽度，那倾斜式相机的标准分辨率应该小于20pm /像素，以得到包含最佳信息内容的图像。当然，相机分辨率越高，就意味着系统性能也要相应地提高，这样 AOI 才不会成为生产线的瓶颈。系统 性能体现在软件 自动的、最佳位置生成、使用 TSP （ Travelling-Sales-Man-Problem ）方法 、相 机技术（使用高帧频的兆像素相机）和定位技术（高速线性传动装置）方面。倾斜式 AOI 必须解决软件领域遇到的最大挑战，与垂直式相机观测容易控制相比，倾斜式相机观测存在
11、很大不同，因为它增加了区分不同观测角度的功能（至少 4 个主方向），所以向软件开发提出了更高的 数据计算需求。总结与展望要应用零缺陷 IC 检测策略，检测系统的图像获取、相机技术和 AOI 软件是决定性的判断依据。其中图 像获取作用非常重要，因为它是后续评价的基础。如果焊盘设计良好，垂直式相机观测虽然不能完成避免缺陷漏检，尤其是在 IC 引脚出现共面性缺陷时， 但总体上，其对IC缺陷还是具有较好的检测能力。如果焊盘设计不当，缺陷漏检率会升高到25 50 %，也就是主要缺陷类型的缺陷检出率只有5075 %，在现实应用中，这种情况通常是在焊盘尺 寸较小时出现的。而倾斜式图像获取则可以实现很高的检出率，即使对于临界缺陷也是如此。具有15pm /像素的高分辨率 相机，配合 AOI 软件可以清楚地反差出缺陷特征，这样就为零缺陷 IC 检测奠定良好基础。倾斜式相机观测的优势在未来应用中将继续发挥其作用。新的元器件如 QFN ，其引脚在元器件本体的侧 面和底部，从而节约了元器件占地空间，不能用垂直式观测进行充分检测。因此，倾斜式图像获取方式的 应用会日益增多。
