航天電子產品表貼印制板組件的AOI檢測分析論文
雖然AOI檢測技術在航天型號產品表貼印制板組件檢測的使用還不成熟，且還有很多困難需要解決。但為提高產品的質量一致性和檢測效率，AOI設備的使用已經迫在眉睫。如何將已經在民用產品成熟使用的AOI檢測技術，成功地應用于航天電子產品表貼印制板組件檢測，來取代人工目視檢測的方法，提高產品的質量和生產效率是每一個航天電子產品生產企業面臨的難題[1].
本研究選擇航天型號產品表貼印制板組件中片式器件回流爐后的AOI檢測這一重點，著重討論爐后片式器件的AOI檢測程序的設定要求及程序，統計分析檢測誤報、漏報較高的缺陷，并提出解決思路。
1 AOI技術原理
自動光學檢測（AOI）技術，是利用光源相機獲取圖像，再將實際影像進行顏色和像素分析，并與模板影像特征進行對比，屬于一種外觀檢測技術[2].AOI設備通過攝像頭，用CCD照明光源從不同角度采集印制板電路板的圖像，再利用設備自身的光學鏡頭將器件發射的光收集起來，最后通過軟件的各種算法與之前儲存的標準模板信息進行分析，判斷印制板電路板組件的各種缺陷。
2 AOI技術在SMT生產中的應用
在SMT生產過程中，AOI技術具有印制板光板檢測、焊膏印刷檢測、元件檢驗和焊接后印制板組件檢測等功能。AOI設備放置的位置不一樣，其檢測的側重點也有所不同[3].將AOI設備放置于SMT生產線的絲印設備后，對印制板的印刷質量進行檢測。將AOI設備放置于貼片設備后，對印制板的元器件貼裝質量進行檢測。將AOI設備放置于回流爐后，對印制板組件焊接的最終情況進行檢測，該檢測為SMT生產的最終檢測，其他的檢測均為過程控制檢測。
3 航天型號產品表貼印制板組件片式器件檢測標準
要想利用AOI設備進行印制板電路板組件檢測，首先要了解檢測的工藝標準，不同的檢測標準對設備的程序設置是完全不同的。公司型號產品表貼貼裝印制電路板組件檢測依據的是科工集團的檢測標準Q/QJB177《表面貼裝印制電路板組裝件裝配質量檢驗工藝規范》[4].工藝規范中對片式器件的檢測相關標準有兩個方面要求，其一是片式器件焊接端與焊盤的相對位置標準，如圖1所示：元器件沿Y向偏移，最小搭接量L應大于元器件焊接端長度T的75%;元器件沿X向偏移，側面偏移A應小于或等于元器件焊接端寬度W的15%或焊盤寬度P的15%;元器件在焊盤上有旋轉偏差，側面偏移A應小于或等于元器件焊接端寬度W的15%或焊盤寬度P的15%其中的較小者，且不違反最小電氣間隙。
其二是片式器件焊接點外觀標準，焊點寬度C大于或等于元器件焊接端寬度W的75%,焊接端有良好的潤濕，焊料偏少時焊點高度F大于三分之一元器件本體的高度H,焊料偏多時焊料超出焊盤或爬升至金屬鍍層的頂部，但不應接觸元器件本體。側面可焊接元器件焊點質量圖例如圖2所示。
4.片式器件焊接缺陷AOI檢測程序的設定
4.1 片式器件AOI圖像特征區域的識別
AOI設備檢測流程中最為關鍵的步驟是如何設CG F置片式器件的檢測區域和檢測參數。為解決這一問題，首先要將片式器件在光學檢測下的檢測關鍵特征點轉化為AOI設備圖像中的特征區域。
根據Q/QJ1B77標準，片式器件焊點的光學檢測有幾個重要指標：焊錫應覆蓋至少焊盤寬度的85%;爬錫高度至少為器件本體高度的33%;器件的上下邊緣焊錫應有潤濕。根據這幾個特征建立片式器件的檢查特征區域：電極區（內側的兩個矩形區域）、焊錫形態主檢測區（圖中最外側的兩個綠色矩形區域），器件側面爬錫檢測區（圖中器件本體周圍的四個小尺寸矩形框），如圖3所示。
4.2 片式器件缺陷的AOI檢測程序具體設定
根據公司以往生產數據統計并結合國內相關企業的數據，片式器件的焊接缺陷種類有，丟件（缺件）、錯件、翻件、多錫、少錫、偏移和歪斜等。
4.2.1 片式器件的丟件和翻件檢測
對于片式器件的丟件和翻件，可通過AOI生成圖像的本體區域的灰度與正常情況不同進行檢測，如出現丟件時，灰度值應接近255（接近白色）與正常情況差距很大，通過分析圖像的本體區域的平均灰度值可以檢測出該缺陷。
4.2.2 片式器件焊點少錫缺陷檢測
少錫缺陷可分析AOI生成圖像的'主焊錫檢測區域，對比與合格品的焊錫存在區域及焊錫在AOI下反應出的平均灰度值的不同來進行檢測。需要對焊錫主檢測區（圖3中的最外側兩個綠色矩形）的面積、主檢測區的灰度值進行設定。
4.2.3 片式器件偏移缺陷檢測
片式器件的偏移是指器件在寬向水平、或者高向垂直偏出器件焊盤，可以通過分析器件中心偏移量，給出可接受的偏移量。
4.2.4 片式器件歪斜缺陷檢測
片式器件的歪斜指器件不是水平或者垂直偏出焊盤，而是存在某個角度，它的分析難點在于雖然在某個角度方向超出焊盤的長度，超出了可接受范圍，但分解到水平和垂直兩個方向有可能在可接受的范圍內，若僅用器件中心的偏移量的判斷會出現漏報的情況。需要分析其他參數來彌補這個情況。
4.2.5 片式器件焊點多錫缺陷檢測
多錫缺陷指器件焊盤上焊錫爬升到了器件的本體上，或者在器件可焊區域堆積過多造成潤濕角超過了90°，可能會引起潤濕不良。若焊錫未接觸到器件本體或者潤濕角未超過90°，均為可接受情況，與少錫一樣，需要對焊錫主檢測區（如圖3所示的最外側綠色矩形區域）進行分析。但在實際檢測過程中可接受的多錫情況經常被認為是少錫或者丟件，造成設備誤報。
4.2.6 片式器件錯件檢測
錯件缺陷是指焊接的器件不是此位置應該焊接的器件，對于片式電容，若是封裝一致但容值不同AOI設備無法識別此情況；對于片式電阻，通過分析本體字符的不同造成灰度值不同的特點，可以識別。主要需要分析器件本體字符在灰度處理后的圖片與模板圖片進行對比識別。
4.3 片式器件AOI設備檢測數據統計
根據公司某種AOI設備對多個批次印制板組件的片式器件進行檢測（統計近1年的SMT回流焊后AOI檢測報告，共1 000余塊印制板組件），得出設備對每種缺陷檢測誤報、漏報統計數據并進行分析：檢測程序對片式器件的丟件、錯件和偏移檢測成功率較高，而對少錫、多錫、歪斜誤報和漏報率較高。
5 片式器件檢測缺陷誤報和漏報率高原因分析及解決思路
5.1 片式器件少錫缺陷誤報較高原因分析及解決思路
5.1.1 片式器件少錫缺陷誤報較高原因分析
分析片式器件少錫缺陷的誤報的主要原因為檢測框的面積大小和平均灰度閾值的設置還不盡合理，使用了較小范圍框參數值，對參數設置過于嚴格了，沒找到工藝檢測標準的邊界條件，或者說檢測邊界條件不夠準確，造成未容納工藝檢測標準的最低可接受條件。
5.1.2 降低片式器件少錫缺陷誤報率高的思路
減少少錫缺陷檢測誤報率的最關鍵步驟是尋找到Q/QJ177標準對片式器件焊錫檢測標準最低可接受條件所對應的AOI設備生成圖像中檢測框參數值。需要用更加合理的試驗及數學推導方式來找到可接受的邊界條件，優化檢測框參數的設定。本次研究嘗試著從兩個方向尋找片式器件焊錫形態少錫情況下的最低可接受情況。其一是想辦法制作剛好滿足光學檢測臨界條件的片式器件樣品，再用此樣品在設備下生成檢測圖像，分析該圖像的檢測框相對應參數，從中得出檢測框的參數閾值。
其二是通過制作不同焊錫情況的片式器件樣品，并逐一在設備下檢測生成圖像，分析圖像的檢測框特征值與該器件在光學檢測下特征值之間的關系，再利用該關系式來求出邊界檢測條件下對應的檢測框參數值，作為閾值進行待測板相同器件的檢測。
5.2片式器件歪斜檢測漏報率高的原因分析及解決思路
5.2.1 片式器件歪斜檢測漏報率較高原因分析
AOI設備檢測片式器件歪斜是通過設定片式器件旋轉角度的閾值來檢測器件歪斜的，大于此角度閾值則為歪斜缺陷。由于Q/QJB177要求的器件歪斜長度不大于器件寬度的15%,經過多次試驗，發現有器件旋轉角度小于設備可設定的最小角度，而歪斜出焊盤的長度已經超出了器件寬度的15%的情況存在。對應公司航天型號產品檢測使用的工藝標準而言，單單用一個旋轉角度還不充分。漏報率高的原因即為設置參數不夠全面，漏掉了一些小角度旋轉的歪斜缺陷。
5.2.2 降低片式器件歪斜檢測漏報率高的思路
通過觀察片式器件小角度旋轉（旋轉角度小于設備可設置的極限情況）的樣品，發現一個可以利用的位置，如圖4所示。在圖中片式器件本體的四個角有一個檢測區域是用來檢測MELF封裝（圓柱體帽形端子元器件器件）上、下邊焊錫潤濕情況的檢測框，如圖4中內側綠色區域上下的四個小矩形區域。在片式器件歪斜缺陷檢測中，加入該四個小矩形檢測框，即使器件發生小角度的歪斜，小矩形檢測框內的平均灰度值會發生大的變化，如圖4右側圖像所示。因為器件發生旋轉時應該采集器件上下焊錫潤濕情況的檢測框（如圖4左側的四個小矩形檢測框采集圖像為暗色），采集到了一部分器件的電極區域（如圖4中右側上方的小矩形檢測框內有很明顯的亮色存在），由于器件電極區域的灰度值很大，一般情況要超過150,造成檢測框平均灰度值的直線上升，較未旋轉器件的檢測框灰度值有很大的變化，這個變化的小矩形檢測框正是我們可以利用的位置。
5.3 片式器件多錫缺陷誤報率高原因分析及解決思路
5.3.1 片式器件多錫缺陷誤報率高原因分析
分析片式器件多錫缺陷檢測的誤報主要是因為把器件兩邊焊錫潤濕角度大于30°而小于90°（公司為防止潤濕不良，將標準加嚴到潤濕角部大于90°）的情況當作了缺陷。由于AOI設備的原理是回收反射的光線生成檢測圖像，最標準的片式器件兩邊的焊點潤濕角小于30°，如圖3所示，在設備生成圖像中半月板幾乎全部則為暗色（圖3中最外側檢測框區域）。但當片式器件的潤濕角大于30°時，其設備生成圖像中會在半月板的暗色中出現亮色，當潤濕角越接近90°，則亮色的面積及亮度越大（圖5中最外側矩形檢測框區域）。
設備檢測片式器件焊錫檢測框閾值是該面積下的平均灰度值，而無法識別亮色區域出現的位置，當出現亮色時，平均灰度值會很快變大，與少錫缺陷設定的平均閾值接近就判定為少錫缺陷，其實實際情況為多錫缺陷或者可接受焊點。通過分析，得出只通過焊錫主檢測框檢測無法準確判定多錫缺陷，合格的焊點易被認為是少錫缺陷而出現誤報情況，造成片式器件多錫缺陷誤報率高的原因。
5.3.2 降低片式器件多錫缺陷誤報高的思路
能不能針對多錫缺陷檢測時，AOI分析圖像特征為暗色區域中有亮色區域來制定解決方案。通過兩種方式：一種是劃定暗色區域與亮色區域的面積，再通過分析暗色與亮色的灰度差值來準確的判定多錫缺陷、合格情況，減少實際合格的焊點誤認為少錫的狀態；另一種是將靠近器件本體的可接受多錫的亮色部分過濾出來。
5.3.2.1 利用多錫情況時亮色與暗色的對比法分析
公司某AOI設備自帶的檢測算法，發現其中一種算法是用來檢測印制板組件上導線焊接焊點的，它的原理利用找暗色區域（導線上的焊錫）和暗色區域中的亮色區域（導線的中間線芯）的灰度差值來分析焊點焊接形態。導線焊接焊點與片式器件多錫形態很相似，能否利用該算法作為片式器件焊錫檢測算法的補充，來準確檢測多錫情況，得出真實的多錫缺陷和可接受的多錫情況的檢測方法。其他公司設備可尋找相應原理的檢測算法即可。
首先需要判斷是否為真實的少錫缺陷，若片式器件是真的少錫缺陷，則在圖3所示的最外側矩形檢測框區域內不可能存在暗色中有亮色這一特點，直接判定為少錫既可。若圖像存在暗色中包含亮色（如圖5所示）則對片式器件增加上述檢測算法進一步分析，劃定暗色與亮色的區域，如圖6所示，設備根據尋找的結果自動劃定暗色區域的半徑范圍和亮色區域的半徑范圍（外面的圓為暗色區域，內部的為亮色區域），也可人為設定暗色和亮色區域的半徑值。
再計算兩個圓內的平均灰度值，最后求出差值。由于焊點潤濕角大于90°后，其亮色區域的亮度會成倍提高，即亮色區域的平均灰度值會增大很多，只要差值的閾值設置合理則很容易檢測出真實的多錫缺陷，從而減少了對潤濕角在30°~90°之間的合格焊點誤報。
5.3.2.2 去除可接受多錫情況下靠近本體亮色區域方式
利用將焊錫檢測框中多錫產生的靠近器件本體邊緣的亮色位置和區域去除的方式。將檢測片式器件焊錫形態的檢測框去除一部分，去除的位置和面積要根據實際的檢測標準可接受多錫情況慎重選擇。再選擇過濾亮色的位置和面積后，可將可接受多錫與少錫缺陷分離開來，達到提高多錫檢測的準確度，如圖7所示，綠色框為焊錫檢測框，而紅色虛線區域即為可接受多錫情況的去除區域。在去除產生可接受多錫位置和面積后，再計算檢測框內平均灰度值，即可達到提高檢測準確度的目的。
6 結束語
本文以公司現有的某型號AOI設備為平臺，對片式器件的AOI檢測程序的設置給出了相應的參考標準，并針對幾種誤報、漏報較高的缺陷模式給出了對應的解決問題的思路�？梢越o其他航天企業應用AOI技術提供一定幫助。
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