【正文】 半自動與自動系統(tǒng) 半自動 X。使用手工系統(tǒng)，操作員在視覺上分析 X 光影像和決定什么代表缺陷，可是，由于任何決定只是基于操作員的判斷，結(jié)果將隨操作員水平、工作時間、產(chǎn)量要求和個人因素而變化，個人因素諸如操作員注意力持續(xù)時間和特別的日子 (檢查在星期五下午比星期一上午更缺乏效率 )。 手動系統(tǒng) 手動系統(tǒng)一般為那些不要求完全檢查的 X 光檢查提供最靈活和最經(jīng)濟的解決方 案。有一個公司 *已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個非在線的、高清晰度的、 X 光檢查系統(tǒng)對甚至最大的 PCB 應用都是最佳的選擇。 現(xiàn)在，考慮價格。還有另一個重要的考慮 ：競爭性的優(yōu)勢。在作決定之前，重要的是考慮對系統(tǒng)的所有要求和來自于將系統(tǒng)結(jié)合到制造過程中的估計成本節(jié)約。這些發(fā)生在焊錫與對應的焊盤不接觸或者它們之間的焊錫沒有適當流動的時候 (圖一 )。雖然有空洞的 BGA 焊接點可以正常工作，但是空洞表示可能導致今后失效的工藝問題。第三是不對齊 BGA錫球沒有與 PCB 焊盤適當對準。關(guān)注的首要地方是一旦 BGA 安裝到PCB 上它的無效的或錯位的焊錫和錫球。只有 X 光檢查有效地找到這些問題，除了監(jiān)測過程品質(zhì)和提供過程控制所要求的即時反饋之外。傳統(tǒng)的方法，諸如人工視覺檢查和電氣測試，包括制造缺陷分析 (MDA, manufacturing defect analysis)、 ICT 和功能測試，已經(jīng)足夠。這些節(jié)約的產(chǎn)生可通過縮短測試時間、減少要求診斷的失效 PCB 的數(shù)量、減少熟練技術(shù)員的使用 (和成本 )、和實質(zhì)上消滅導致板 報廢的“致命”缺陷。在某些制造運行中，這個合格率的改善已經(jīng)是如此戲劇性的以至于制造商取消在線測試 (ICT)，從而節(jié)約勞力、固定資產(chǎn)和工廠空間。通過使用 X 光檢查，隱蔽的焊接點的特性可以一個簡單的、可靠的和成本低廉的方式進行檢查。 BGA 與 X 光檢查 X 光檢查很快成為 PCB 與電子合約制造商 (CM)使用的主要工具，因為在這里 BGA、微型 BGA、芯片規(guī) 模包裝 (CSP)、倒裝芯片 (flip chip)和其它隱蔽的連接元件已經(jīng)成為一個標準的 PCB 設(shè)計元素。迅速確認、收集、分析與返修即是優(yōu)勢也是所希望的，因為每個都減少由于混亂與偏離所引起的響應時間 (和成本 )。隨著自動檢查儀器的改進，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增長。在這個比較新的機器視覺 (machinevision)市場背后的動力是球柵陣列(BGA, ball grid array)與其它區(qū)域排列元件的增加使用，以及希望合格率改善和作為對印刷電路板 (PCB)制造商的首要利益關(guān)注的迅速返工修理。這些系統(tǒng)通常是非在線的 (offline)，放在SMT 工藝裝配線的后面，用于在價值增加之后但剛好通孔 (throughhole)工藝之前的檢查。其挑戰(zhàn)存在于將要用于制造合格率的新數(shù)據(jù)的快速收集與分析。該技術(shù)也可用來查找可能引起短路的錫橋。它也可計算焊錫量。這個現(xiàn)象類似于“穿過”飛機旋轉(zhuǎn)的螺旋槳來看。 在成像的過程中，感應器和光源兩者都繞一軸轉(zhuǎn)動，穿過視覺區(qū) (FOV, field of view)。不象陰影圖技術(shù) (shadowgraph)，分層的 X 光束以一 個角度穿過板。 X 射線分層法，或 3 維 X 光，是一個用于隔離 PCBA 內(nèi)水平面的技術(shù)，使得它們可以分別檢查?？墒牵粋€簡單的 X光影象會被分布在 IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的和多層電路板層中的金屬導體所混淆。 當焊接點隱藏于大的集成電路 (IC)包裝下面，檢查就要求 X 光。理論上，只要正確的元件以正確的方向放在正確的位置，并以良好的焊點電氣連接， PCBA將按設(shè)計一樣運行。雖然這些技術(shù)幫助簡單程序生成時間，但高節(jié)點數(shù)測試程序的論證還是一個費時和技術(shù)挑戰(zhàn)性的努力。 用于大型復雜板的測試程序的人工是很大 的。一個傳感器板靠住測試中的元件表面壓住，與元件引腳框形成一個電容，將信號偶合到傳感器板。額外的電路設(shè)計到 IC 內(nèi)面，允許元件以簡單的方式與周圍的元件通信，以一個容易檢查的格式顯示測試結(jié)果。例如，當集成電路變得太大以至于不可能為相當?shù)碾娐犯?蓋率提供探測目標時， ASIC 工程師開發(fā)了邊界掃描技術(shù)?？墒?，它可發(fā)現(xiàn)短路的電容和開路的電感器。 ICT 可以確認導電路線的存在，排除短路的可能性，測量單個電阻和電感器，檢查二極管、三極管和集成電路的存在與方向。 大量管理資料下載 帶有成百上千彈簧針的苯酚板構(gòu)成一個針床，測試工程師采用了“針床夾具”名詞來叫這個板。對于自動測試，探針是安裝于一塊厚的苯酚板上的彈簧加力的“針”，分別連線到一個開關(guān)矩陣。簡而言之，用復雜性更低的程序與夾具可達到更好的缺陷覆蓋率。測試焊盤減少的一個附加優(yōu)點是板面資源節(jié)省，使得布局任務(wù)更加容易。 理想地，軟件可產(chǎn)生 X 光和在線測試技術(shù)， ICT 測試程序應該相當?shù)匦　＿@時，對高節(jié)點數(shù)的原理圖，我們可決定哪些節(jié)點應該用 ICT，哪一些節(jié)點應該用 X 射線。另一方面， ICT 可決定元件的方向和數(shù)值但不能決定焊接點是否可接受，特別是在大的表面貼裝元件包裝下面。 X 射線主要集中在焊點的質(zhì)量?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)升級幾乎每一個測試達到 3900 或 5200 個節(jié)點的設(shè)備，傾向于 5200 個節(jié)點的系統(tǒng)。 早在九十年代，我們決定標準化 ICT 系統(tǒng)的選擇，我們的測試工程師可作三種配制，而不是一種開口測量。 還有，隨著我們?nèi)〉媒?jīng)驗和增加 X 射線的能力，我們可能將我們新的測量應用到節(jié)點數(shù)低至 2500 個節(jié)點的 PCBA。 X 射線 /ICT 測量的未來 現(xiàn)在，在我們生產(chǎn)線上只有一少部分的板超過 5200 個節(jié)點的 ICT 限制。使用 X 射線 /ICT 結(jié)合的測量已經(jīng)降低整體成本，改善可靠性和輸出產(chǎn)品的品質(zhì)。 ICT 節(jié)點數(shù)減少，降低夾具的復 雜性和成本，也得到更少的誤報，這使得板更快速地通過我們的返修和制造工序。 ICT 將不需要切換每一個 ASIC 引腳來確定其是否開路。如果成功，邊界掃描顯示 ASIC 在位置上并方向正確。這是由 X 射線檢查來完成的。對于通過 X 光系統(tǒng)確認的焊點完整性的元件，我們假設(shè)遵循了前面的工序保證板 上貼裝正確的元件。在使用 X 光之前，大板上的覆蓋率在 60~70%之間。例如，旁路電容和 ASIC 元件的電源與接地引腳對 DC 級的測量是不可見的。而且，我們沒有裝配可在在線測試機上完全測試。在適當?shù)臏y試之后， 系統(tǒng)發(fā)送到最終用戶。其次， PCBA 安裝到架子內(nèi)，架子放入框內(nèi)，框與框連接。接收板的經(jīng)營單位選擇是否做整板的功能測試。測試程序保證正確的零件已經(jīng)以正確的位置和方向放在板上， X 光決定所有的焊接點已經(jīng)形成。 我們的 PCBA 使用自動貼片機器完成，手工連接器貼裝和手工面板裝配?，F(xiàn)在，為模型開發(fā)進行的制造測試趨向于大約與生產(chǎn)運行相同的規(guī)模。 使用生產(chǎn) X 光檢查進行模型評估，允許診斷技術(shù)員排除焊點有關(guān)的問題，如開路、短路、元件丟失、少錫和一些極性方向問題。這個策略在對現(xiàn)在生產(chǎn)中的先進技術(shù)裝配實施的最后階段。有缺陷的板經(jīng)過修理站進行改正行動和重檢查。我們采用的測試策略是使用自動 X 射線分層檢查系統(tǒng)確認整個板上每個焊接點的可接受性。許多元件在 ICT 不能確認，許多復雜的 ASIC 有許多必須確認的電源和接地引腳。我們決定使用傳統(tǒng)的 ICT 與 X射線分層法相結(jié)合是一個可行的解決方案。因此，我們著手將測試針的數(shù)量減少，而不是上升。意識到的增加 ICT 測試夾具內(nèi)的測試針數(shù)量不是要走的方向，我們開始觀察可代替的電路確認方法。使用傳統(tǒng)的針床測試這個尺寸 和復雜性的板， ICT 一種方法是不可能的。例如，現(xiàn)在正在畫電路板圖的一個設(shè)計，有大約 116000個節(jié)點、超過 5100 個元件和超過 37800 個要求測試或確認的焊接點。這些要求挑戰(zhàn)我們建造和測試這些單元的能力。可是，這個數(shù)迅速增長。我們現(xiàn)在制造大約 800 種不同的 PCBA 或“節(jié)點”。 在朗訊加速的制造工廠 (N. Andover, MA)，制造和測試藝術(shù)級的 PCBA 和完整的傳送系統(tǒng)。由于這樣的高成本，查找與修理裝配的問題現(xiàn)在比其過去甚至是更為重要的步驟。 為大型、高密度的印刷電路板裝配 (PCBA, printed circuit board assembly)發(fā)展一個穩(wěn)健的測試策略是重要的，以保證與設(shè)計的符合與功能。這改善了整個系統(tǒng)的性能，減少誤報，減少用戶編程介入，和實際上消除行進中軟件工程支持的需要。它們依靠軟件的運算法則，需要不斷的調(diào)整，并且要求專業(yè)的工程人員來保持其成功地運行。這個新的 AOI 技術(shù)已經(jīng)證明是理想地使用于精密和可靠的貼裝后 與回流前的元件確認和 PCB 檢查。然后這個照相鑲嵌圖合成地變平和實時地分析。 一些 AOI 機器使用一個標準板傳送帶來在攝像機下面移動 PCB，通過簡單高頻熒光管來照明。這些有角度的攝像機提供物體的兩個透視，然后計算 PCB 的高度地圖或三維 (3D)表面拓撲圖形。這造成重要的測量誤差和自動去掉有關(guān)板表面形狀的有價值信息。因為高度上的透視效果去掉了，在圖像邊緣上的物體看上去好象與中間的物體在同一平面上。 甚至物理上夾緊一塊板都不能保證絕對平面性。傳統(tǒng)的基于 OCR 的技術(shù)很難應付印刷質(zhì)量或外形的變化，但是 SAM 方法把這種變化識別為只是合理變化的另一種形式而已。因為 SAM 計算出所允許的圖像變更，所以使用者不需要依靠那些要求大量編程的運算法則，或者供應商供應的對不同元件的運算法則庫。通過將一個適當?shù)?SAM 模型吻合元件 其變量受控制，只允許實際上可發(fā)生的哪些外形 外形調(diào)節(jié)到最佳位置，而不要妥協(xié) X 和 Y 的位置。 當檢查一個特定元件類型時， SAM 的模型是內(nèi)在靈活的?？墒牵?SAM 技術(shù)提供標準偏差相當于 20 分之一像素的可重復性。 像素不能足夠小，以避免一些像素分割的影響，像素分割就是一個物體的細節(jié)坐落在兩個像素之間。因為元件邊緣不是 完全直線的，將一條直線去配合這種邊緣的企圖都是有問題的。一旦邊緣找到，利用這些邊緣的對稱模型通常產(chǎn)生元件在板表面上的坐標。軟件將標記看上去要失效的邊界線元件，要求使用者確認，以便 SAM 模型可以相應調(diào)整。 在現(xiàn)實環(huán)境中， SAM 系統(tǒng)必須看大約 20 塊 PCB，才可看到它將要遇到的大部分變化。這也增加系統(tǒng)區(qū)分可接受與不可接受圖像的能力，使得誤報率隨著系統(tǒng)的學習越多而改善。如果元件的外形在模型內(nèi)變化方式所定義的極限之內(nèi)，軟件肯定元件的存在，并且比較其位置的公差。這允許該 AOI 系統(tǒng)找出元件變化和未來可能變化方式的特征。通過觀察， SAM 軟件立即建立在一個可接受的物體 中尋找什么的詳細模型。當它檢查更多樣板的時候，軟件不斷地調(diào)整其估量，該物體應該象什么？由于自然尺寸、形狀、顏色和表面圖案的變化，其外形可怎樣地合理變化？不象現(xiàn)有的處方方法，它需要基于用戶認為他們了解元件變化的運算法則， SAM 是一個經(jīng)驗方法，不要求使用者的內(nèi)在理解或檢查系統(tǒng)的決定。事實上，這個方法通常返回誤報率比現(xiàn)有的 AOI 方法好 10~20 倍。不象基于運算法則的方法，統(tǒng)計外形建模技術(shù) (SAM)使用自調(diào)性、基于知識的軟件來計算出變量。一個方法 *是設(shè)計將用戶從運算法則的復雜性分開。所有這些可花上一到兩天作細小的扭轉(zhuǎn)，甚至幾周，當對一個新板設(shè)計與優(yōu)化一個檢查程序時。還有，傳統(tǒng)的 AOI 要求不斷的和廣泛的再編程。還有，因為可接受與不可接受圖像的差別相當細小，運算法則不能區(qū)分，引起“錯誤接收”，真正缺陷不能發(fā)現(xiàn)。 圖一、 0805 片電容的外形變化 傳統(tǒng)的、基于運算法則的 AOI 方法經(jīng)常太過嚴格 ，以致于不能接納合理的變化，如對比度、尺寸、形狀和陰影。 例如，一個 0805 片電容，可以分類為具有一定尺寸和矩形形狀，兩條亮邊中間包圍較黑色的區(qū)域。還有，相同元件類型的外形可能變化很大，一個不同一個。在有許多元件的復雜板上，這可能造成眾多的不同運算法則，要求工程師在需要改變或調(diào)整時作大 量的重新編程。如果模板松散到接受大范圍的可能變量，也會導致誤報。 因為元件很少剛好匹配模板，模板是用一定數(shù)量的容許誤差來確認匹配的，只要當元件圖像相當接近模板。當有關(guān)區(qū)域的所有點評估之后和找出模板與圖像之間有最小差別的位置之后，停止搜尋。 模板比較 (Templatematching) 模板比較決定一個所希望的物體圖像平均地看上去象什么，如片狀電容或QFP，并用該信息來產(chǎn)生一個剛性的基于像素的模板。 今天，有許多完善的圖象分析技術(shù)，包括：模板比較 (templatematching)(或自動對比 autocorrelation)、邊緣檢查 (edgedetection)、特征提取 (feature extraction)、灰度模型 (gray modeling)、傅里葉分析 (Fourier analysis)、形狀、光學特征識別 (OCR, 大量管理資料下載 optical character recognition)、還有許多。 傳統(tǒng) AOI 系統(tǒng)的局限 基本上，所有 AOI 方法可描述為，通過一列攝像機或傳感器獲得一塊板的照明圖象并數(shù)字化，然后分析和與前面定義的“好”圖象進行比較。 回流焊接后的 AOI 比用于焊點缺陷，如錫橋、破裂焊點、干焊點和其它缺陷，檢查的 X 射線檢查成本低。沒有早期檢查，重復的太多有相同缺陷的板將在功能測試和最后檢查期間被拒絕。實際的優(yōu)點包括：