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AOI技术在电路板检查中的应用

1、简述
   AOI技术在许多不同的制造业领域使用,自从电子影像技术开始发展,就被各种人利用在不同的应用领域。大家最熟悉的数字相机、数字摄影机是大家生活中最常用到的器材之一,而工业产品的生产也大量使用这些技术,所不同的是AOI系统除了影像产生之外,还多了比对、判断等等额外功能。
电子工业加速朝向于更小、更密、更快的先进构装发展,早期依赖人工检查产品的作法已经无法符合需求。业者大量引用AOI技术辅助生产工作,已经成为必然的趋势,如:电子组装使用进行锡膏印刷、漏件检查、接点状况判断等等工作就是大家耳熟能详的作法。而许多印刷、平面影像产品,也引用这种技术进行生产工艺、成本、半成品的检查,我们尝试整理这些技术的应用状态,希望提供给大家作为参考。
2、电路板制造使用的典型AOI检查技术
   目前电路板制造业所使用的典型AOI检查技术,包括:底片检查、钻针检查、孔位检查、线路检查、盲孔检查、凸块检查、外观检查等等。不同的检查应用,所涵盖的技术内涵就不相同,所使用的AOI辅助设备也有不小差异。
目前电路板制造业使用量最大的AOI检查技术,以电路板外观线路状况的检验最多,这类的技术应用已经在业界发展超过二十年。虽然面对电路板的线路特性尺寸缩小超过十倍,但是光学系统与搭配的软硬件系统也都有长足进步。多数的电路板产品仍然可以依赖现有的AOI技术来进行线路检查,但确实有部分的高阶构装载板产品面对着检验困难的困扰。
AOI用在电路板线路检查的方式,已在前述的内容中进行简述,至于其它的AOI应用依据其制程的顺序在后续内容中进行简介。
3、AOI的底片检查
  电路板制作当中,底片一向是相当重要的影像转移工具。如果底片产生瑕疵,重复性的缺点是制造者所不能承受的,因此如何防止底片的各种缺点就成为生产工厂的生要课题。
光学自动底片检查机,可以利用光学感测与影像数据比对,将底片中的瑕疵与尺寸筛检出来,以确保制造工艺的质量稳定性。比较严谨的工厂,还会在每次底片使用与固定期曝光次数后,进行中间检查以防止质量变异。浙江欧威科技有限公司生产的“菲林检查机”为典型的底片检查机范例。

            图3.1欧威公司生产的菲林检查机(底片AOI)


  面对电路板的线路密度不断提高,单价的下滑速度也空前的快,如何提升产品的良率成为业者的另外一个竞争重点。许多电路板厂因为质量的压力,在影像转移制程方面做出了不少的改变。
例如:因为线路逐渐普及,已经不再透过设计中心绘制底片再送片,而是采用直接在制程内进行底片制作的模式运作。另外也有业者在制程内增加底片检查机,每固定曝光次数后,就要求作业人员将底片取下进行缺点检查。特定的厂商,还将AOI线路检查系统装置到制程内,在各套新底片开始制作电路板时,进行首件产品的检查工作。这些改变,都让电路板线路生产的良率得以提高。
        
                图3.2典型的电路板曝光底片缺点现象
  

  目前相关的检测设备采用了不同的检验模式设计,不论在检验速度、漏检率、价位等都有相当大的差异,业者在采用前应该要进行仔细的比较。
4、AOI的钻针检查
  电路板通孔的制作,钻针的品质是关键的因素之一。新进料的钻针并不需要百分之百检验,经过验证的有效钻针进料检验方法是采取可接受的质量水平(AQL)进行钻针检查(例如:依据MIL-STP-105标准)。
   这类的取样计划可以帮助使用者决定检验的百分比,用来进行整批钻针质量水平的评估。使用这种方法如果发现一定量的不良钻针,就应该将全数钻针退回供货商,如果取样量的钻针经过检验都通过规格,整批的钻针就应该可以允收。
  检查的标准应该要包括尖点的几何缺点、损伤(碎片)、直径(钻刀与刀柄)、排屑沟长度,以及套环安装的正确性、尺寸的标示(必须与实际的直径与包装盒上的标示相符)等。一般的人工检查处理方式,在钻针制造厂的部分是采取20~40倍的放大镜做全数的检查,对各项容许值的判定是由工具放大镜来测量。为了确认钻针的进料及研磨后的质量状况,必须使用钻针检查机作钻针端面检查。目前对于这些钻针质量的掌控,多数的厂商仍然经人工抽检的方式进行管制。但是由于光学系统的逐浙发达,目前已经有半自动的检验管理系统可供使用并渐渐普及。
这些年来电子影像技术的进步,要将影像转换到荧屏上进行半自动或自动的检查已经相当容易,同时数据可以即时储存并进行分析管理,这对于钻针品质的稳定化有一定的帮助, 当电路板的钻孔孔径逐渐缩小,钻针品质对于机械钻孔加工的影响愈来愈大,钻针的搬运、持取、操作所产生的影响也更明显。为了能够提升整体的品质控制能力,业者发展出自动化上下环、钻针整理、自动检查的系统,将需要人工作业的步骤降到最低,而影像处理检查的系统也设计得更为简易方便。
5、AOI的孔位检查
  一般机械钻孔的品质,主要的品质检查项目是以孔径大小、是否漏钻、孔壁状况三个部分为主。以往传统的检查方式,是以孔针与工作底片来作人工比对,以确认整体的钻孔品质。
  拜电子与光学科技的进步之赐,现在有所谓的“读孔机”可以辅助钻孔品质的检查。只要将数位的钻孔资料读入机械内,机械会经由光学判读来比对资料与实际的读取光点间是否有差异就可以发现缺点。因为速度快同时失误率相对低,因此目前已有不少的厂商使用这类的技术以取代传统的检查方式。
6、AOI的小孔、肓孔检查
  自1995年以后各种微孔技术产品开始进入电路板领域,这些技术的引进让电路板的设计产生变化,开始强调采用肓孔技术来取代传统的小通孔设计,特别是在高密度的应用方面如:行动电话、笔记本电脑、适配卡模块、IC构装载板等。高纵横>8:1与直径低于0.3mm以下的通孔也变得更多,特别是在侍服器板、背板、工作站板方面较为明显。这些技术的引进导致电路板的制作良率降低,许多研究报告预示HDI产品的缺点率都明确较高,而通孔需要更大的孔圈来避免产生孔圈破的问题。在盲孔方面情况更为严重,多层堆叠的盲孔结构产品良率与对位公差都更难处理,这种现象趋势并没有地区性的差异。
这种发展需要一些新的制程控制项目:
 最佳化钻孔参数
 确认清洁度的影响
 临近设备的整体表现
 测量设备能力的确认
 在进行下一个步骤前先确认缺陷状况
这些管控的工作可以帮助降低成本、增加良率,同时也可以改善钻孔的制程成果。
6.1、不同的微孔制作程序
以往光学成孔与电浆成孔,是比较针对高孔数电路板制作所使用的技术。不过由于雷射成孔技术的进步,目前多数的高密度电路板产品都已经采用这种技术生产。虽然目前仍然有少部分的微孔是采用UV雷射制作,不过CO2钻孔制程到目前为止仍然是业界的主流。
钻孔品质检查的需求
不论是哪一种微孔技术所产出的微孔,在检查的时候比较典型的缺点侦测项目为:
 漏钻孔
 孔塞
 半闭合孔
 孔加工过度/孔径过小
 孔加工对位不良
 孔径大小检查
 孔缘有突出物
 树脂的凹陷与伤痕
比较普遍的微孔侦测能力是在直径2mil以上,而侦测的解板度比较常见的是12um。
6.2、小、微孔的缺陷
小、微孔缺陷可能是因为环境变化、温湿度变化,或钻钆、清洁、电镀采用了不当的作业方法所导致。或许操作设备设定错误、安装了旧的程序、用了不对的钻针、放进错误的钻头、电路板安放不正确、电路板操作错误或者没有在作业前清除残渣等,又或者是设备的气动轴承损坏、雷射检流计(Galvanometer)或作业台面需要校正、压力脚不正常、操作参数不当、集尘系统堵塞等等。也可能材料超出了公差范围,如:钻针损伤、树脂过厚、底面脏点、基材变形等等。这些问题可以分类为五大群组,而问题则可以区隔为三类:成孔状况不正常、孔位置偏移、孔径或形状不正常。这些缺陷可以针对产品的X-Y位置偏移、真圆度、尺寸或品质缺陷来侦测。
微孔缺陷也可能会因为开铜窗的底片对位偏移而产生,或者会因为机械钻孔与外层影像的偏差而产生。要有效的检查构装载板上逐渐增加的微孔结构,就必需要有可以选择性定义各种孔径规格的系统。当微孔具有轻微的不完美现象时,如:不理想的孔圈,就应该被分开认定,而其它的关键缺点也可能需要用类似的方式进行处理。
6.3、检查盲孔的技术
  电路板产业已经发展出一些先进的检查测量技术来检验现有问题,线路影像的部分采用基本的允收规则平行采用电脑与多组感应器来检查。电路板以批次的方式送入温湿度控制的房间,之后以人工或自动设备送入AOI系统进行检查,之后利用比较低成本的验证工作站进行验证与修补作业。如果面对高精度的产品,则利用精密坐标测量设备进行首件与小公差产品的检查。
两种主要的技术都已经在多数的电路板生产厂完整建立,但是这些系统对于检查微孔结构方面则效率相当低,相对的成本、产出、检查能力也都表现不佳,因为它们并不是为了这样的检查目的而设计。之后设备业者针对机械与雷射钻孔开发了一些内藏式的感应器解决方案,希望帮助钻孔制程的管制并监控制程变娄或样品的特性状况。这些工具提供了钻孔制程的及时资讯,但是缺点在于需要额外的特殊配件并要在每一个钻轴上安装的,这不但增加成本也可能会降低生产效率。这些方案似乎有用,但是仍不足以控制HDI的产品品质。
因此有其它的视觉设备被发展出来,用在半导体构装载板与电子组装的产业上。这些产业的公差需求比较紧,同时控制的方式是采取在线的监控模式,应用的范围则以关键的控制点为主。制程会采用统计制程控制工具来维持制程状况,这样可以采取优先顺序式的制程改进,同时也可以验证整体设备的制程能力。这些方面的发展,主要的用途仍然以HDI类产品领域为主。
  检查测量的方式比较以实际状况为主,测量的结果会产生变异的数据,可以作为制程品质预防性处理的依据。AOI的影像工具一般会用规则性的定义来归类缺陷,并不提供任何的测量资料。测量系统需要不同的设计或采购策略,包括考虑使用的马达、编码系统、更好的光源与光学机构、可以追踪的校正工具等。这些设备多数都是为了用在工厂的一般场所,并不一定会安装在无尘室中。希望能够在最接近缺陷产生的位置进行检查,因此作业必需要在制程的环境中进行。如:钻孔区或电镀区。它们都是全自动的作业而不是以手动的方式支持批次作业,作业人员一般都只有在进行设定、失控调整与处理可修补新产品时才需要出现。
多彩的LED光源从不同的角度射入,利用光电元件与测量镜头来产生影像,利用高解析度的单色数位相机来撷取影像。对位点与钻孔程序可以用来验证孔的位置及直径状况,机械的礼觉器技术可以用来测量每个孔的位置精度、直径、真圆度。
智能型的视觉运算系统可以发现缺陷并进行分类,同时缺陷的特征也可以进行测量。因为不同的微孔技术可能会产生不同的特征,缺陷归类的规则应该要依据制程方式分别订定,当然制程中检查的位置也应该要列入考虑。
到目前为止,电路板的局部缺点是无法在每一个制程内检查出来。例如:对于CO2雷射钻孔加工,孔内烧焦的碎屑与局部的遮蔽状况都很难判定是好或坏,如果经过清洁的步骤会让这种检查比较稳定可信。高纵横的微孔如比例大于1:1也相当难判定,因为光源与光学系统都不容易接近侦测点,实际上其光的反射能力也相当受限。
6.4、材料的类型
  虽然各种制程类型的微孔缺陷相当类似,但是需要检查的材料与影像却有差异,需要进行有规则的检查程序测试而不是只靠基本的规则来进行。采用特别强化的雷射检测技术,可以提升微孔缺点需求的侦测能力,让微孔制作程序有更好的表现。
  当结合使用反射与荧光取得影像的技术,是有可能可以比较树脂与铜金属来侦测关键性的缺点,且在同一个扫描处理中可以同时利用反射模式分析树脂的厚度。要分辨内部发亮的铜金属来侦测关键性的缺点,且在同一个扫描处理中可以同时利用反射模式分析树脂的厚度。要分辩内部发亮的铜衬垫与环绕在周边的铜皮,这确实是一个挑战。当采用专用的软件来进行计算判定,是可以利用视觉系统穿透雷射孔来进行检查。同时使用反射与荧光影像来检查,对于辨认内层衬垫而言是必要的。
7、AOI的凸块检查
  近年来各种SMT零件开始大量引用阵列接点的结构,其中最重要的结构要素就是焊接用的焊料凸块。凸块的高度会影响零件承受压力的能力,而焊料的体积也会影响连接组装后的强度,对于需要制作凸块的载板与电子构装业者而言,如何确认凸块确实存在并保有必要的体积与正确共平面性,就成为产品外观品质中重要的检查项目。当金属经过液态回焊处理,其外型就会受到自然产生的表面张力影响而变成球面外型。某些电子构装的晶片端采用球面凸块处理,某些晶片则采用平面的金属处理模式。相对的构装载板就会因晶片接触差异,做出压平凸块或是球面凸块处理。不论用哪一种处理,其凸块的共平面性与体积都是重要的特性项目,不同的检测设备会采用各自的方式进行凸块的外型特性检查。
焊锡处理后的凸块,并不会呈现完美的圆形,而多少会因为缘漆的边缘影响呈现轻微的不规则。此时影像系统取得的影像,可以经由最佳化处理模拟出一个虚拟的圆,之后利用面积=[π*(直径)2/4]的公式,可以计算出凸块占有的面积。取得影像模拟状况。
至于凸块的体积与高度,系统则利用另外一种模式来检测;系统利用有限元素的分析方式,将凸块切割成非常多小区块进行立体的积分处理,这样就可以做出体积的估算。如果凸块本身是平面的状态,处理起来当然相当的简单,但是如果出现球面的凸块结构,则计算的过程就会因为选取的区块大小而产生差异。如果影像系统的解析度不足,所能选取的最小区块就可能无法达到理想的水准。所测量出来的体积与实际状况会有比较大的差异,而测量的结果也可能不稳定。这种测量方式,被称为球体像素估算(VPA-Ball Volume Pixel Acquisition)。
8、AOI特性尺寸检查
  于内层与外层电路板蚀刻之制程,可运用线宽线距量测仪,进行线宽线距与上下线宽检测,进而确认参数是否合乎蚀刻标准。使用线宽线距量测仪之最大优点,在于使用视觉系统取代以人眼搭配显微镜,能有效撷取上下线宽及线距之数值,并制成报表输出,而得以分析比较蚀刻制程之能力与优劣。
9、AOI的产品外观检查
  电路板出货前所做的检查,其检查技术的挑战性相当的高。电路板成品与一般裸板相当类似,但因为多了一层止焊漆而使得其影像的取得与分析变得比较复杂。到目前为止,最终的检查仍然有相当的比例是依赖作业人员的人工检查。因为有了新的自动视觉检查技术加入,有更多的厂商与设备进入了生产线上。多数成品电路板与生产中的电路板面积差异比较大,而且产品间的差异也相当的大。这样的状况下所需要的视觉检查设备,就与裸板所需要的检验设备特性产生差异。
 这种外观检查系统,应该要有以下的特性:
  必须能够提供不同的自动视觉检查能力,同时必需要能够适应宽广的产品类型;设定时间必须短,因为更换产品批次相当频繁,生产线不可能等待长时间来更换测试产品
9.1、缺陷的类型
除了AOI可以侦测的缺陷外(内层裸板与外层板),构装载板有两个主要类型的缺陷必需要在最终的检查时进行侦测:
  表面的缺陷:变色、不平整的表面、止焊漆上或内的异物;
  止焊漆的对位问题:衬垫过度遮蔽、应该遮蔽的孔或线路暴露出来、应该露出的   衬垫或孔被遮蔽、应该有完整止焊漆保护的区域并不完整。
9.2、导入彩色CCD机能
  由于多变的外观侦测困难,比较可行的方案之一就是在侦测程序中导入彩色的CCD影像系统处理。传统的检查是使用单色或灰阶的影像系统来取得影像进行了判定,单色的系统只能提供二维的颜色来进行影像判定。
  考虑到需要侦测的材料类型:单纯的基材、基材与止焊漆的组合、铜金属与止焊漆的组合、衬垫上不同的金属处理等,这些状况豪无疑问的应该要提供更好的辨认能力系统才能发挥功效。因为导入色彩区隔方法,影像不会只有亮度与反射的差异而已,因此材料对比性不足的问题相对就可以明显降低。用色彩撷取影像,就算是比较低的对比与多种金属处理存在也有机会可以侦测载板的表面状况。不过彩色影像的资料量比较大,因此设备数据处理能力必需要适度的提升。
某些厂商经过研究,发现采用灰阶的辩视系统比彩色的CCD系统更能判断出电路板的表面缺点,因此尝试将彩色系统又转换为灰阶系统,这方面的改变也值得业者进一步了解。9.3 条状、片状的检验模式
  IC的功能性与I/O变得更多更复杂,电路板厂商必须在合理的成本下生产更高密度连结的产品,同时要在更短的时间内交出稳定具有高品质的产品。加上电路板技术与微孔技术导入,可以让这些复杂的需求得以满足。这种趋势已经成为电路板产业与先进电子构装载板技术的主流,彻底的改变了产业的生态。
  因为每一英吋的载板所配置的接点大幅增加,漏掉一个缺点所付出的代价会比以往的损失更大。所以电路板制造商都寻求自动化的检查方案,以作为品质管制的重要监控方法。
  用于先进构装的构装载板方式,包括:BGA(Ball Grid Arrays)、CSP(Chip Scale packaging)、覆晶BGA(FC-BGA-Flip chip BGA)、COB(Chip on Board)等。因为电路板的制作是以全板的方式进行,同时产品是以重复线路布局的方式配置,有相当多的单元会配置在一片电路板上,这样的特性使得生产的批量相对比较小。某些软性捲对捲构装载板,还需要特殊的AOI设备来检查。对于构装载板或模块板业者而言,时常会采用条状的配置方式生产出货。例如:一条CSP构装载板产品有四连片在一起,每片上包含有25个单元的CSP。假设业者规定只要缺点单元数低于20%就算通过检验,则系统应该要搭配此需求进行处理。此时就要注意确认产品单元的缺点状况,而不是只计算缺点数的状况。
当发现缺点数有超出规定的故障量时,应该要进行进一步的确认是否此产品应该报废。此时自动视觉检查系统需要有以下两种能力:
  能够确认各个单元的缺点数而不只是整条产品上的缺点数(两个故障问题出现在同一单元产品上应该要被认定为缺点单一产品,至于品质管制需要的资料可以另外进行统计);
  系统应该具有筛选整条产品的能力,不能只是侦测缺点数量而已。
10、AOI成型尺寸量测机  
  于PCB制程中运用尺寸量测,可有效提高制程中产品之良率。尤其在成型阶段,由于成型制程具有不可逆性,铣刀使用中磨耗产生的瑕疵,如果能够及时检出,可以免除大量报废的产生。另外由于使用自动光学检测为媒介,也可以避免前后或不同人员检测之结果有所出入。
11、小结
  AOI技术已经在过去的二十年间普遍用在电路板产业的生产,系统设计主要仍然以应对全板检查的市场目标来制作。不过在考虑一些新产品特性如:反覆的线路、细线路时,则必须要考虑其实际使用AOI的方式。
在电路板制造过程中,不同的生产程序需要有特定的检验方式。
 在制程中用AOI进行光罩、内层板、增层与外层的全板检查;
 制程中的雷射孔或其他技术制作的微孔,也可以用AOI检验所制作的增层结构;
 产品的最终视觉检查,则会依据出货的状况进行全面检查;
面对变化愈来愈多的产品应用,如何发展出更具智慧的AOI应用系统,仍将继续考验着业者的能力。

 

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