簡介
自動光學檢查(AOI, Automated Optical Inspection) 為工業自動化有效的檢測方法，使用機器視覺做為檢測標準技術，大量套用於LCD/TFT、電晶體與PCB工業製程上，在民生用途則可延伸至保全系統。自動光學檢查是工業製程中常見的代表性手法，利用光學方式取得成品的表面狀態，以影像處理來檢出異物或圖案異常等瑕疵，因為是非接觸式檢查，所以可在中間工程檢查半成品。
AOI是最近才興起的一種新型測試技術，但發展迅速，很多廠家都推出了AOI測試設備。以SMT檢測為例，當自動檢測時，機器通過攝像頭自動掃描PCB，採集圖像，測試的焊點與資料庫中的合格的參數進行比較，經過圖像處理，檢查出PCB上缺陷，並通過顯示器或自動標誌把缺陷顯示/標示出來，供維修人員修整。
定義
自動光學檢測運用高速高精度視覺處理技術自動檢測PCB板上各種不同帖裝錯誤及焊接缺陷。PCB板的範圍可從細間距高密度板到低密度大尺寸板，並可提供線上檢測方案，以提高生產效率,及焊接質量。
通過使用AOI作為減少缺陷的工具，在裝配工藝過程的早期查找和消除錯誤以實現良好的過程控制。早期發現缺陷將避免將壞板送到隨後的裝配階段，AOI將減少修理成本將避免報廢不可修理的電路板。
優點
PCB的檢測最早採用人工目測方式, 隨著高密度電路布線和高產量的要求, 人工目測方式不能滿足可靠性的要求, 重複、單調、嚴格的檢測任務的最好解決方案是採用自動檢測系統。而 AOI 可滿足在生產線上對 PCB 全面檢測。 AOI 系統能夠檢測下面錯誤: 元件漏貼、鉭電容的極性錯誤、焊腳定位錯誤或者偏斜、引腳彎曲或折起、焊料過量或者不足、焊點橋接或者虛焊等。 AOI 不僅能檢查人工目測無法查出的缺陷外,AOI 可檢測到線上測試中針床無法接觸到的元器件和焊接點, 提高缺陷覆蓋率。 AOI 還能把生產過程中各工序的工作質量以及出現缺陷的類型等情況收集, 反饋回來, 供工藝控制人員分析和管理, 降低 PCB 廢品率。
光源和鏡頭
在對物體的檢測過程中, 光源起著決定性的作用。常見光源有: 白熾燈、鹵鎢燈、氣體放電燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、氙燈、脈衝燈、 LED 光源, 雷射等。
從性價比來考慮, 白熾燈光源 AOI 是一般企業較佳選擇, 如果參數編輯恰當, 假缺陷誤報會大幅度降度, 漏檢率也很低。選用高亮度 LED 作為光源有以下優點: 光的單色性好, 便於提高測量精度, 安裝空間較小, 可以根據對照明光強的實際需要方便地增加和減少 LED 數目。至於冷光源, 是一種近段時間發展起來的新型照明光源, 用光導纖維傳光束( 簡稱光纜) 將其發出的光束傳至照明的地方。它的輸出的可見光具有基本上無熱量、高強度、無陰影、無震動、多級可調光等優點。雷射 (Laser) 光源是當前的 AXI 檢測系統採用的光源, 利用雷射光源可以檢測出 BGA封裝的內部缺陷。
比較當前一些著名 AOI 生產廠家對鏡頭的選擇。Omron, MVP 和 Agilent 的 AOI 都採用了單一鏡頭。其中,Omron 鏡頭攝像採用了 CHS ( Color Highlight System ) 專利技術; MVP 的公司 AOI 採用的是高靈敏度和性能的鏡頭; 安捷倫 SJ50 採用 SSM 技術的單一高解析度鏡頭; 而 Teradyne 的 AOI 通常有 5 個攝像頭, 四個傾斜的和一個垂直的, 由於其 AOI 在同一位置掃描5 次, 因此極大的提高了測試的覆蓋率; CyberOptics 的AOI 採用一組或兩組鏡頭, 可以多達 9 個到 18 個。
放置位置
AOI 被放在 SMT PCB 生產線上的四個不同生產步驟後的套用。 (1) 錫膏印刷之後, 主要檢查焊膏印刷的情況; (2) 片式元件貼放之後, 以檢查貼片的正確與否, 可以較早地發現錯誤, 減少成本; (3) 晶片貼放之後, 檢測系統能夠檢查 PCB 上缺失、偏移、歪斜的晶片及晶片極性的錯誤; (4) 回流焊接之後, 在生產線的末端。可以檢測系統可以檢查出元件的缺失, 偏移和歪斜及元件極性缺陷。AOI 四個檢測位置中, 錫膏印刷之後、 ( 片式 ) 器件貼放之後和元件貼放之後的檢測目的在於預防問題,在這幾個位置檢測, 能夠阻止缺陷的產生; 在回流焊接之後的檢測, 則目的在於發現問題。預防問題 AOI放置在爐前, 發現問題 AOI 放置在爐後。當前來說, 爐前的 AOI 比爐後的 AOI 重要, 但爐後的檢查特別是焊點類不良的檢查是 AOI 的檢查的難點, Teradyne 的Optima7000 系統就側重於爐後的檢測。更多的 AOI 都具有很大的彈性度, 安捷倫的 SJ50 與 SP50 ( 三維) 焊膏檢測系統使用統一化平台, 可以互換照明頭。 Omron和 Teradyne 的 AOI 都可以移到其它測試位置。
軟體及其檢測算法和SPC
AOI 套用軟體的開發是用戶使用後體現其效果的關鍵。大多 AOI 檢測系統採用了 PC 和 windows 作業系統, 而 MVP 選擇了 LINUX和 UNIX 作業系統, 以增強其軟體系統的穩定性。
近年來軟體方面, 使用了很多電路板圖像的檢測算法, 這些算法大致可分為三大類: 有參考比較算法、無參考校驗法以及混合型算法。有參考比較算法分為兩大類, 圖像對比法和模型對比法。這類方法算法簡單, 容易實現, 但是它不容易檢測線寬、線距違例等瑕疵。無參考校驗法不需要任何參考圖象, 它依據預先定義的 PCB 的設計規則來判斷待檢 PCB 圖象是否有瑕疵, 如果它不符合設計規則, 就認為有瑕疵, 因此也稱為設計規則校驗法。這類方法雖然在榆測線寬、線距違例這類瑕疵時能夠收到很好的效果, 但是其算法複雜, 運算量很大, 而且易漏柃線、焊盤丟失等大瑕疵。混合型方法是將有參考比較算法與無參考校驗法混合使用, 在一定程度上克服了前兩類方法的缺點,從而發揮它們各自的優點。比如, 模板匹配法與數學形態學方法結合使用, 或者連線表方法與數學形態學方法結合使用等。但當前這種方法還不足很成熟, 其算法複雜, 不能滿足實時檢測的要求, 且自適應性不夠, 系統擴展能力差。當前 AOI 檢測系統圖像處理基本上採用的是參考算法, 國外進口品牌大多使用圖像匹配、法則判別登多種組合手段。
AOI 檢測系統的軟體具有統計分析功能, 為工藝技術人員提供 SPC ( Statistical Process Control ) 資料。AOI 檢測系統監控工藝流程質量, 與 SPC 工藝管理技術的結合, 及時提供反饋信息, 從而不斷地最佳化生產流程中的各個參數, 使 SMT 生產工藝更加完善, PCB裝配的成品率進而得到顯著提高。隨著現代製造業規模的擴大, 生產的受控性越來越重要, 對 SPC 資料的需求也不斷增長。
公司AOI產品特點介紹和AOI國內發展情況
安捷倫公司最新推出的 SJ50 系列 II 型 AOI 設備中套用了三維立體形狀模型( SSM ) 技術, 它運用多角度成像, 生成逼真三維影像。由於採用了 SSM 技術, 因此在缺陷報警準確率方面有了很大的提高; 以一個單一、高解析度的數位相機和高速的精密支架使解析度始終保持在 20- 25 微米 / 像素, 兼顧速度和解析度性能。
Cyberoptics 的 AOI 的一個特點在於其分析軟體 ,只使用一個軟體編程方法, 無論針對焊前或焊後, 都可使用完全相同的設備和軟體, 無需進行鏡頭或感測器的更換; 另一個特點是機械設計非常簡單, 由於鏡頭是固定不動的, 能減少由於運動部件過多引起的偏差或校準工作。
MVP 的第五代 AOI 平台 1820 ULTRA 採用了最新的數字相機技術。 1820 ULTRA 繼承了 MVP 以往AOI 系統獨特的單一鏡頭不停歇拍攝圖像、簡單機械結構等特點。 MVP 的 AOI 作業系統採用的是 Unix 或Linux , 擁有較高的穩定性和可靠性。
歐姆龍產品的主要特點在於它採用 CHS ( ColorHighlight System ) 的專利技術, 是僅此一個同時採用彩色光源, 彩色 CCD 攝像頭和彩色圖像處理的 AOI , 其採集到的包含了三維信息的圖像, 作為檢測判斷的標準, 從而使它能實現對 0201 組件和無鉛焊的檢測。
Orbotech 的 VT- 9000E 系列線上光學檢測系統,可以套用於電子組裝的各檢測階段, 它同時具備 2D和 3D 技術。 Orbotech 同時擁有與其 AOI 產品配套的自動化智慧型製程控制的集成軟體工具, 為製程工程師和管理人員提供更多的信息, 使其 AOI 產品在 SMT生產線中起到預防錯誤的發生的作用。
Teradyne 的 Optima7300 系統以檢測面積大、密度高, 速度快為主要特點。一台 Optima7300 每小時可檢測 250 塊電路板。針對測試過程中板晃動的問題,Teradyne 的 AOI 通過雷射校準和軟體追附, 做到較好的補償或抽樣補償。
國內的首台 AOI 檢測系統品牌 Aleader 的 ALD-H- 350 , 2004 年 5 月在廣東省東莞研發成功, 經過現場使用後 2005 年已經投入市場。該台 AOI 系統採用單一攝像頭和特殊環形 RGB LED 光源相結合, 套用彩色圖像比對方法和統計建模技術 . 可以高速準確檢測如下缺陷: (1) 焊點缺陷: 錫多、錫少、連錫等; (2) 錫膏印刷缺陷: 有無、偏斜、少錫多錫、斷路、污染等; (3) 零件缺陷: 缺件、偏移、歪斜、立碑、側立、翻件、極性反、錯件、破損等。它能夠檢測 450×350mm 超大檢測範圍, 最小高速檢測組件大小為 0402 , 測試速度每秒超過 60 個組件。由於採用中文, 學習快捷; 圖形化編程接口, 編程簡單。並且可以終身保修。 Aleader 的 ALD-H- 350 是國內第一台真正意義上的電子貼片生產線自動光學檢測設備。
另外, 北京星河公司已研製出 AOI 樣機, 正在進行測試和改進。廈門福信光電集成有限公司也稱其公司的 AOI 系統研製項目完成了控制軟體的開發, 首台樣機已經製作成功。
套用
AOI技術領域非常廣泛，廣義的AOI設備為結合光學感測系統、訊號處理系統及分析軟體，套用層面可包括宇宙探測、航空、衛星遙測、生物醫學、工業生產品質檢測、指紋比對、機器人控制、多媒體技術。
狹義的AOI設備則指工業上急需使用，在IC及一般電子業、機械工具/自動化機械、電機/電子工業、金屬鋼鐵業、食品加工/包裝業、紡織皮革工業、汽車工業、建築材料、保全/監視系統等。
