近年来，随着人们对电子产品（如手机、MP4、摄像机、笔记本等）轻、小、薄及多功能化的要求越来越高，印刷电路板（PCB）产品也向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展。电子元件的封装尺寸越来越小，主流封装尺寸已从0402(1.0mm×0.5mm)过渡到0201(0.6mm×0.3mm)，更小的是01005(0.4mm×0.2mm)。IC的引脚间距也发展到了0.3 Pitch IC(mm)。在微电子组装和制造业，元器件越来越趋向于微型化和密集化，表面贴装技术SMT(Surface Mounting Technology)正是为了适应这种趋势而出现的一种新技术，由于其可以减少元器件体积、提高安装密度和安装可靠性，现在已经基本取代了传统的插孔元件安装和导线连接。

目前大部分SMT设备已经进入较成熟阶段，贴片元件也微型化。然而，SMT在取得高速发展的同时也面临着巨大的挑战，那就是SMT品质控制的检测技术问题，随着SMT的产品组件之间的间隔变得越来越小，出现的缺陷也就越来越多，使用0201组件的实例中就清楚地证明了这一点，因此必须使用先进的检测设备，检测SMT产品的质量，才有可能最终消除缺陷。AOI系统可以对PCB元件的贴装和焊点进行反复、一致的检测，具有较低的误判率和较快的检查速度，这使得AOI设备已成为电子产品生产线上越来越重要的设备，因此，SMT生产线上使用的仍以AOI纯光学检测系统占多。

一、SMT生产线上常用的检测方法

1、人工目检

人工视觉目检是一种传统的检测方法，即利用人的眼睛和简单的光学放大器件对电路板、焊膏印刷、贴片、焊点等进行人工检查。由于人工目检效率低、工艺水平主观性强，速度慢而容易使生产线出现停顿，且人工目检无法检测0201器件、01005器件等和其它各种新型封装的细密引脚，因此现在已经被自动光学检测(AOI)和自动X射线检测(AXI)所取代，其中AXI设备在功能上优于纯光学系统，然而在售价上是AOI产品的3～4倍，因此一般应用在产品开发研制阶段。

2、在线测试（ICT）

通过对电性能的检测，判断元件是否到位，是否焊接良好。在线测试的位置通常位于回流炉后，人工目检之后。由于ICT需要针对不同的电路板制作不同的模板，制作和调试的周期较长，故只适用于大批量生产。

3、功能测试（FUNCTIONAL TESTING）

在生产线的末端，利用专门的测试设备，对电路板的功能进行全面的测试，用以确认电路板的好坏。功能测试需要专门的设备及专门设计的测试流程，故对绝大多数电路板生产线并不适用。

二、先进的自动光学检测系统

什么是AOI检测系统？

AOI系统是一个比较综合的检测系统。整个AOI检测系统包括光源、PCB板和镜头精密移动机械、光学镜头、CCD光传感器、数字图像处理软件模块、模式识别软件模块等几个主要部分组成，主要工作原理是用光学手段获取被测物图形，然后以某种方法进行检验、分析和判断，其工作流程如图1：

图1 AOI系统工作流程

AOI作为一种有效的控制工具，它的主要作用是检测线路板制作过程中的缺陷或者防止缺陷的产生，进行过程控制，可以帮助制造商提高在线测试(ICT)或功能测试的通过率、降低目检和ICT的人工成本、避免ICT成为产能瓶颈。AOI不但可对焊接质量等进行检查，还可以对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。它可以帮助制造商提高在线测试或功能测试的通过率、降低成本、缩短新产品产能提升周期以及通过统计过程控制(SPC)改善成品率。一般AOl放置在SMT贴片安装生产线上有三个重要位置，分别是：焊膏印刷后、再流焊前和再流焊后。具体的安放位置可以根据实施目标、生产线上的特殊生产问题来确定，例如在生产线上应用时可以结合自动光学检测模块化设计的特点，利用生产中的时间差，在一条SMT生产线上用一台自动光学检测实现炉前检测和炉后检测的一机两用，既节省资金又保证产品质量。

AOI检测设备通常采用CCD镜头作为主要的检测手段。在使用CCD镜头摄取图像进行处理时，图像比较直观，采集到的图像进行数字二值化处理时技术较为简单，可以很容易地检测到各种常见的缺陷，属于二维检测，另外它可以结合激光的检测手段，准确地裣测出高度，如焊膏的高度，元件的高度等，属于三维检测，目前三维测量的难点在于凸起圆片表面反射太强，导致成像不好，很多亮区。

SMT贴片安装生产线上的AOI设备分为焊膏检测和贴片检测两大类。

焊膏检测难度最大，主要有彩色3色光源和多视角两种技术类型。焊膏检测通常是在锡膏印刷之后进行，通过它可以发现印刷过程中的缺陷，主要包括：焊盘上焊膏漏印、焊膏不足、焊膏过多、边缘模糊、位置偏移、桥接等，由于60％～80％焊接缺陷源于焊膏印刷质量差，所以完善焊膏检测系统在努力提高生产率方面意义重大。

要进行有效的焊膏检测，检测系统必须不仅能提供印刷焊膏的面积信息，还应能提供其精确的体积和高度信息，如果仅考虑面积信息而不顾及高度信息，焊盘上焊膏量不足时也会导致不可靠的检测通过。在印刷焊膏固化以后，采用多级摄像工艺技术、多照明角度和2D系统，就能快速、灵敏地捕捉到PCB、焊接掩膜和焊膏外观的颜色变化，采用3D系统，则能提供有关焊膏面积、以及焊膏高度和体积的精确信息，还能根据金属痕迹、印板或焊接掩膜的表面，确定焊膏厚度，作3D测量的厂家以美国的RVSI、比利时的ICOS和美国的ScannerTech为代表，其中I COS的BGA3D检测用的是双相机系统。

目前国外的AOI设备可以做到焊膏检测，如美国的Agilent、YesTech、以色列的Orbotech和台湾TRI等公司的AOI设备采用的是单一白色环绕LED冷光源、多个镜头多视角位置差异的办法来检测焊膏厚度，还有一些国外厂家的焊膏AOI设备采用的是用激光三角法来检测焊膏的厚度。

如图2左边是欧姆龙的VT-RNS系列AOI的3色环绕光源示意图，图2右边是3色光源对焊膏厚度变化梯度的不同颜色反映示意图，通过改版R、G、B三色的环形照明的照射角度，照射在打印电路板上，经镜面反向，在其他摄录图象上收入焊锡的焊缝角。通过使用这种方法，可形成细微的自由曲面，焊接的3维形状，可对应部件的焊接强度进行高密度的检查。

图2 通过3色环绕光源来获取焊膏厚度的彩色图象

图3左边是激光三角法测量焊膏厚度的原理示意图，右边是激光三角法3D测量实拍图像。在测量时，AOI的激光器从测方向发射出几束平行条纹光，这些条纹光不是垂直，而是以与垂直方向呈一定的家轿的（如30度或者45度）发射的。当光束照射到PCB电路板和焊膏时，由于焊膏图形有高度，CCD镜头从上方摄取到图象上就可以看到照射在焊膏上的光束和照射在PCB板上的光束有了位移差，通过计算这个位移差就可以看到这束光束所在位置的高度。再通过算法将这些光束的高度组合起来就可以看到一幅三维高度图，进而可以算出面积和体积。高度则是将各光束侧得的高度值排列取中间值，用这种方法得到的高度值更接近真值，再配合每条光束细分出来的焊膏面积，这样计算出的体积値就更加接近实际值了。AOI的激光器和CCD镜头上的位置也可以互换，原理与上述相同。

图3 激光三角法焊膏厚度检测示意图

针对器件的检测，通常是SMT生产线的再流焊前和再流焊后安装AOI检测系统。通常采用的是基于合格样例板的学习和基于SMT的CAD数据检测。具体技术主要是基于预处理后的图像的模式识别，前者主要采用统计模式识别，通过学习建立合格图像模式，然后通过检测对象的图像和样例图像的对比处理和运算来得到检测识别结果，统计建模的概念最早是由CyberOptics提出的，现在国内外采用这项技术的有美国的CyberOptics以及中国深圳Aleader，后者则对CAD数据进行归纳，总结出检测规则，然后根据规则进行句法模式，如韩国Phoenics公司生产的AOl没备。

三、AOI的优点

1、编程简单

AOI通常是把贴片机编程完成后自动生成的TXT辅助文本文件转换成所需格式的文件，从中AOI获取位置号、元件系列号、X坐标、Y坐标、元件旋转方向这5个参数，然后系统会自动产生电路的布局图，确定各元件的位置参数及所需检测的参数。完成后，再根据工艺要求对各元件的检测参数进行微调。

2、操作容易

由于AOI基本上都采用了高度智能的软件，所以并不需要操作人员具有丰富的专业知识即可进行操作。

3、故障覆盖率高

由于采用了高精密的光学仪器和高智能的测试软件，通常的AOI设备可检测多种生产缺陷，故障覆盖率可达到80%。

4、减少生产成本

由于AOI可放置在回流炉前对PCB进行检测，可及时发现由各种原因引起的缺陷，而不必等到PCB过了回流炉后才进行检测，这就大大降低了生产成本。

四、AOI检测系统的重要性

现在，没有必要再次证明AOI对SMT贴片加工生产线的好处。这些系统的投资回报率（ROI）目前已被多数PCB生产商的实践充分证明。在人工检验极其困难，而返修也是不太可能的情况下，AOI成为在01005组装过程中非常必要的一环，能为最终产品带来真正的附加值。AOI在标准SMT生产线最优使用，就是将设备放在SMT贴片加工生产过程中尽可能早的阶段。缺陷发现越早，那么返修费用越少。

由于01005元件的返修是不太可能的，很多SMT贴片加工厂会在标准生产线上选择AOI放置的位置需要适应01005元件检查的需要，重在预防，而不是发现，及早发现缺陷是非常重要的。印刷后的SPI和炉前AOI都放在生产流程的前期阶段，以使工艺控制快速、精确，做到过程控制而不仅是过程检查。然而，正如01005元件对于回流焊的设置更为敏感，回流焊后的检查有助于生产线在质量和成本方面获得最好的表现。

前面强调过，桥接、偏移和立碑是最常见的01005元件的缺陷类型。此外，01005元件的缺陷，通常有49％是在印刷过程中产生，43％是在回流焊时产生。显然，这表明将AOI（SPI）放到印刷后，有利于在生产过程中尽可能早地发现印刷缺陷。在这一阶段，PCB可以清洁并重新印刷，且印刷参数可实时调整。

焊膏检查设备提供两种不同方法，二维或三维。二维检查能够很好地提供焊盘上焊膏覆盖率和焊膏位置的信息。三维检查则增加了高度、体积和形状测量能力，为01005元件工艺提供更精确的数据。三维SPI是用于在批量生产中的过程监控，例如，网板清洗频率。在NPI（新产品导入）阶段，它对优化模板印刷参数有很大帮助。

1、炉前AOI

炉前AOI是非常重要的，因为返修是不可能的。一些研究表明，使用小颗粒焊粉的01005元件在回流焊时具有自对中效应。一些被检查到偏差小于0.050mm的片式元件或电阻，在组装生产线末端发现被正确贴装和焊接。即使观察到这一自对中效应，它不能被认为是一个常态的工艺条件。对于一个受控的过程，贴片机必须准确地贴装01005元件在焊盘上。

因此，炉前AOI在精确定位上发挥了根本性作用，因为它可反映贴片机XY方向的相关数据和角度偏差。事实上，在SPI和AOI系统中集成了强大的实时SPC，这是实行这个过程控制策略的核心。SPC必须记录准确的元件贴装偏差，并进行趋势分析，以指出潜在的缺陷。

SPI和AOI有什么区别呢？请参见这篇文章：SMT制程中SPI和AOI的区别是什么？

理想状况下，AOI会自动生成警报并反馈给贴片机以实现实时交互，从而修改贴片机设置。因为准确贴装这些元器件的工艺窗口非常小，所以这个由AOI与贴片机组成的闭环系统为贴装如此小的元件提供了很大帮助。

2、炉后AOI

炉后AOI是必要的，它能保证01005生产线最终产品质量，并确保充分识别在回流过程中造成的缺陷（通常是与焊点有关的缺陷）。炉后AOI确保这些目检不可能发现的缺陷没有被遗漏。AOI可以检查到偏移或虚焊这样的缺陷，因为它们的电气连续性可能仍然存在，而被ICT（在线测试）遗漏。

基于上述原因，01005生产线AOI最佳策略是使用多个AOI，即作为过程监测工具的印刷后SPI和炉前AOI，以及确保最终产品质量的炉后AOI。01005返修即使不是不可能也是非常困难的，所以节约生产成本的唯一途径是，彻底分析整个生产过程改善SMT贴片加工工艺，从而防止缺陷产生。

3、上游SPI/AOI和炉后AOI获取的数据整合

将上游SPI/AOI和炉后AOI获取的数据整合到SPC里是非常有用的，这可以确定最后的缺陷和早期工艺参数之间的关系，并改善SMT贴片加工工艺。因此，每个有强大SPC工具的多种AOI，可以在制造过程中追溯到每个元器件的缺陷，这使得制造商知道在哪个工艺过程中造成的缺陷，并就此采取纠正行动。

例如，当炉后AOI检查到偏移元器件，根据来自多台AOI的SPC实际数据，可以追溯到这一缺陷是由于焊膏印刷偏移，或贴装偏移，甚至由于这些过程因素结合造成。通过确定问题，马上采取纠正行动让工艺受控。

当建立缺陷产生过程模型，实时SPC与缺陷预警在持续自我改进中使用更有效。同样这可以适用于没有01005元件的过程。事实上，当返修不太可能和生产设置如此严格，这一策略非变得至关重要。

综上，生产中使用01005元件的状况将稳步增长。这些小封装元件组装的所有步骤必须优化：从电路板设计，到元件贴装到回流工艺。使用01005元件对AOI也是挑战，但技术上已准备到位且可应用，以实现精确定位和可靠的缺陷检查。由于视觉检查和返工不可能发现和返修这些非常小的组件，AOI不再是SMT贴片加工生产线的一个可选项，它已成为绝对必要的配置。

五、AOI的种类

由于设计思路及性能的不同，AOI系统可大致分为以下几种：

按图象拾取设备分类：

① 使用黑白CCD摄像头

② 使用彩色CCD摄像头

③ 使用高分辨率扫描仪

按测试项目分类：

① 主要检测焊点

② 主要检测元件

③ 元件和焊点都检测

按测试时的相对运动方式分类

① 电路板固定，摄像头或扫描仪移动

② 摄像头和电路板各往一个方向运动

③ 摄像头固定，电路板进行两个方向的运动

六、AOI的三种机型

结合以上的各种配置，形成了主要的三种机器类型：

①、回流炉前无气源，电路板固定，元件检测为主，连焊检测为辅。

②、回流炉后使用，需要气源，电路板动，进行元件、焊点、连焊检测。

③、可兼容以上两项的检测，无气源，电路板固定不动。

七、AOI系统在SMT生产线上的应用策略

1、AOI系统的实施目标

实施AOI的主要目标在以下几个方面：

最终品质。把注意力主要集中在产品下生产线时的最终状态。当生产问题非常清楚、产品混合度高、数量和速度为关键因素的时候，优先采用这个目标。AOI通常将放置在生产线最末端附近。在这个位置，设备可以产生大范围的过程控制信息。

过程跟踪。使用检查设备来监视生产过程，典型的监测内容包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息。当产品可靠性高、低混合度的大批量制造和元件供应稳定时，制造商优先采用这个目标。经常要求把检查设备放置到生产线上的几个位置，在线监控具体生产状况，并为生产工艺的调整提供必要的依据。

AOI系统在SMT生产线上的应用，其功能分两个方向：

（1）预防缺陷

（2）检测存在的缺陷

锡膏印刷之后、(片式)元件贴放之后和元件贴放之后的检测可以归为预防问题（1）类，其挽救成本与炉后相比，相对较低；回流焊接之后的检测则可以归于发现问题（2）类，因为在这个步骤检测并不能阻止缺陷的产生。

在生产中，有必要在印刷之后放置AOI系统，用于检测锡膏的印刷质量。此位置的AOI系统可检测出多锡，少锡，偏移，溅锡、桥接等缺陷。

在元器件贴装之后（即回流焊接前）放置AOI系统，可检测出缺件、错位、偏位、翻转、极反、IC引脚变形等缺陷。在此位置发现的缺陷，清除也是比较容易和经济的。这个检测系统同时还可以检查用于连接密间距和球栅阵列（BGA）元件的焊盘上的锡膏。在回流焊接之后放置AOI是比较通用的布局。它位于生产线的末端，可比较全面地检测出元器件焊接的缺陷，既可检测出经加热后而生产的焊接缺陷，也可检测出印刷锡膏时导致的缺陷和元器件贴放时产生的缺陷。但此环节发现的缺陷，相对而言，不易矫正，挽救成本比较高。

2、AOI系统应该在生产线哪个位置？

1）、第一个选择是将AOI系统放在锡膏印刷正后面。因为许多缺陷与锡膏量和印刷品质有关。这样一个系统应该监测什么呢？只有锡膏的X-Y尺寸，包括误印或锡膏体积(X-Y-Z)，锡膏体积测量将比X-Y测量慢，但可提供更有用的数据。这个在某些应用中比其它应用更为关键。例如，对于陶瓷排列包装，锡膏体积对达到所希望的焊点品质非常关键。

2）、第二个选择是把AOI系统直接放在射片机之后。这里，可检查误放或放错的小元件，包括电阻和电容，以及BGA和密间距元件的锡膏品质与体积，这些元件是用生产线内射片机之后的不同贴片机贴装的。使用其视觉能力，它们通常对较大的包装有更好的精度。

3）、第三个选择是将AOI系统放在密间距和BGA贴装机器后面(回流之前)，来检查误放的密脚、BGA和其它大元件。这是一个好位置，因为大多数缺陷与密脚元件有关。

4）、第四个选择是将AOI系统放在回流焊接之后，查找品质差的焊点。这样可以保证在发货给客户之前，做好最后一道质量关。

5）、第五个选择是将AOI系统放在每一个工艺步骤之后：锡膏印刷、射片机、BGA和密脚贴装和回流焊接。但这样将提高生产成本。

从节省成本出发，许多厂家只购置一台AOI系统，最好的位置是直接放在贴片机之后，这样可以检查两个主要问题：较小元件的误贴装或错误和BGA与密脚元件的锡膏品质与体积。这是决定产品品质的最关键的位置。

八、无铅化对AOI的影响

欧盟的两个指令WEEE(Waste Electrical and Electric Equipment)与RoHS《Restriction of Hazardous Substances)的实施意味着从2006年7月1日开始，销售到欧盟的所有电子产品都必须实现无铅化组装，因此现在各SMT加工厂家都逐步地开始采用去除了焊锡中铅成分的无铅焊锡。

焊锡中去除铅以后，焊点的外观发生变化不太大，和有铅焊点比起来，无铅焊点表面更粗糙、不平整，形成的圆角形状也不尽相同，这些视觉上的差异要求对AOI设备和软件进行重新校准。不过在检测无铅流程时，必须认真考虑流程中涉及的所有部件，包括无铅元件，而不只是无铅锡膏，当然，对于所有的AOI厂商和SMT制造商来说，肯定一直会有一个学习的过程，这是引入新产品和新流程时都要面对的问题。

2002年英园的国家物理研究室对8种AOI系统的无铅焊检测能力进行了独立评估。这一研究使用专门设计的、具有广泛缺陷的测试电路板进行。结果展示了AOI系统良好的缺陷覆盖能力及通用的技术处理能力，当对无铅组件和常规有铅组件的检测使用相同的软件算法时，虽然在不同设备上测试结果略有差别，但是两者的错误检测率十分相似，大多AOI系统可以用于无铅表面安装组件的检测，有些使用彩色算法和依赖单色摄像机的系统在评估无铅焊点时会遇到问题。

九、AOI系统设备品牌介绍

目前国内AOI市场上品牌众多，欧、美、日、韩、以色列等均在我国推出了不同类型的AOI。但根据市场上的使用情况来看，日本的欧姆龙（ormon）公司、美国HP公司、泰瑞达（Teradyne）等在AOI市场上的占有率较高。特别是欧姆龙公司，被众多国内著名企业选用，包括苏州明基、深圳华为、建伍（惠州）、三洋（广州）等。

VT－WIN是日本欧姆龙公司最高档的光学自动检查系统，可应用于检测印刷线路板上的贴片及焊接等缺陷。它采用了欧姆龙的专利技术“CHS”（Colour Highlight Technology）和独特的判别逻辑，其技术历经10余年的不断改进和改善，已经非常成熟和先进。VT－WIN具有检测速度快、误判率低、编程简便快捷、缺陷覆盖率高、实时数据反馈等特点，因而在SMT领域得到广泛的应用，在制程能力和生产效率的提高、品质保障、降低成本等多方面发挥着积极的作用。VT－WIN核心结构包括一个彩色CCD镜头、交流伺服控制 X－Y工作台及影像处理装置。在检测进行时，X－Y工作台会将线路板送到镜头下面，镜头捕捉到彩色的线路板图像后，32位元的RISC处理器将会在X－Y工作台移至下一个位置时对捕捉到的影像分析处理，通过对图像进行连续处理，获得较高的检测速度。CHS及自动位置校准是“ORMON”独一无二的技术，它的优越性在于检测准确，误判率低。

适合检测波峰焊及回流焊后的印刷线路板，可对元件贴装（包括J型引线器件及旋转型元件）和焊点缺陷进行检测。

欧姆龙的专利技术“Color Highlight技术”可准确检测印刷线路板上的元件和焊点。此技术的基本原理是：环状萤光光源由不同角度射出红、绿及蓝光于印刷线路板，镜头及时捕捉从焊点的不同部分反射出的三色光，形成一个由三种颜色组成的二维影像，由于红、绿、蓝三色分别代表了焊点的三个立体组成部分：平坦部分、倾斜部分和陡峭部分，所以此二维图像包含了焊点的三维信息，因此可非常准确地判断焊点和元件缺陷。

VT－WIN的检测速度约为每20毫秒检测一元件或每300毫秒检测一个影像。采用变焦功能后，每一个画面可任意选择两个分辨率，以减少总的检测时间并确保高准确性。高分辨率可用于检测微小脚距的元件，低分辨率通常用于检测大多数体积较大的元件。VT－WIN的工作位置和方式：放置在波峰焊接后或回流焊接后，采用在线与离线方式。

十、AOI的未来

随着SMT产品向高密度化、微型化、品种多样化发展，相信AOI系统的测试范围必然越来越广，测试精度和速度也必然越来越高。但是AOI测试技术也存在不足，现在SMT生产线上的AOI系统只是能够对已经发生的缺陷进行检测，系统本身几乎不具有自动分析，诊断的功能，也没有办法发出信号给具体的设备，修改其程序。随着电子技术的进一步发展，需要检测的信息量大且复杂，无论是在检测反馈实时性方面，还是在分析、诊断的正确性方面，依赖人工对AOI获取的质量信息进行分析、诊断几乎已经不可能。为此，代替人工进行自动分析、诊断的智能AOI技术成为发展的必然。

SMT生产线上的AOI技术的研究.pdf