如何对表面贴装印刷电路板进行缺陷检查

在过去的十年当中，锡膏印刷机和表面贴装技术(SMT)贴片机的性能得到了改善，这使得产品组装的速度、精确度和可靠性都得到了提高。大制造商的成品率也因此得以提高。元器件生产商提供的越来越多的表面贴装封装的元件，也推动了表面贴装印刷电路板(SMT PCB)组装线自动化的发展。而表面贴装元件的自动贴装几乎可以完全杜绝生产线上人工组装可能产生的错误。但是在表面贴装印刷电路板制造业，元件的微型化和密集化是一直以来的发展趋势。由此而产生的锡膏粘污、元件偏移等质量缺陷依靠人工已经不可能对分布细密的元件进行可靠而一致的检测，并且保存精确的检测记录。而自动光学检测系统(AOI)则可以进行反复而精确的检测，检测结果的存贮和发布还可以实现电子化。这就使得在最近十年，自动光学检测系统(AOI)被大量地运用在表面贴装印刷电路板生产线上。在这段时间内，自动光学检测系统也得到了长足发展。目前，从简单的摄像系统到复杂的 “3-D”X 光检测系统，众多自动光学检测系统生产厂已经能够提供可以适用于所有自动表面贴装印刷电路板生产线的自动光学检测设备。

在许多情况下，制程工程师对锡膏印刷机和组装进程的检测和调节可以保证生产线的锡膏粘污率(溅锡率)只有百万分之几(ppm)。对于一条高产量/低混合的生产线来说，比较典型的锡膏粘污数是百万分之二十至百万分之一百五十。实践证明，仅靠对印刷电路板样本进行抽样检测是难于发现每一个以及每一种锡膏粘污的。只有对所有的电路板进行100%的检测才能保证更大的检测覆盖率，从而实现统计过程控制(SPC)。很大程度上，特定种类的锡膏粘污只有很少一部分真正存在，这些锡膏粘污的产生可以同某些特定的生产设备联系起来。在许多情况下，可以将一种锡膏粘污的产生归结于某一台特定的设备。但是，对于某些变数，例如元件偏移(由于回流过程当中的自校正效应)，就无法回溯到某一具体生产步骤上。因此，为了能发现所有的锡膏粘污，就需要在生产线上对每一个生产步骤进行100%的检测。然而在现实当中，出于经济上的考虑，表面贴装印刷电路板制造商不可能在每进行完一道工序之后，对每一块电路板都进行一次测试。因此，制程工程师和质量控制工程师必须仔细考虑如何在检测成本和提高产量所带来的收益间取得最佳平衡。

一般说来，如图1 所示，表面贴装印刷电路板生产厂可以在一条生产线中四个生产步骤的任意一步之后有效地运用自动光学检测系统。以下几个段落将分别介绍自动光学检测系统在表面贴装印刷电路板生产线上的四个不同生产步骤后的应用。我们可以粗略地将自动光学检测系统分为预防问题与发现问题两类。在接下来的描述中，锡膏印刷之后、(片式)器件贴放之后和所有元件贴放之后的检测可以归为预防问题一类，而最后一个步骤——回流焊接之后的检测——则可以归于发现问题一类，因为在这个步骤检测并不能阻止缺陷的产生。

1.锡膏印刷之后：在很大程度上有缺陷的焊接均来源于有缺陷的锡膏印刷。在这个阶段，你可以很容易、很经济地清除掉印刷电路板上的焊接缺陷。大多数“2-D”检测系统便能监控锡膏的偏移和歪斜、不足的锡膏区域以及溅锡和短路。“3-D” 系统还可以测量焊锡的量。

2.(片式)器件贴放之后：这个阶段的检测可以检查出(片式)器件缺件、移位、歪斜和(片式)器件的方向故障。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。

3.所有元件贴放之后：在设备向印刷电路板上贴装元件之后，检测系统能够检查印刷电路板上缺失、偏移以及歪斜的元件，还能查出元件极性的错误。

4.回流焊接之后：在生产线的末端，检测系统可以检查元件的缺失，偏移和歪斜的情况，以及所有极性方面的缺陷。该系统还一定要对焊点的正确性以及锡膏不足、焊接短路和翘脚等缺陷进行检测。如果需要，还可以在第2、3 和4 步骤加入光学字符识别(OCR)和光学字符校验(OCV)这两种方法进行检测。

工程师和厂商对不同检测方法利弊的讨论总是无休无止，其实选择的主要标准应该着眼于元件和工艺的类型、故障谱和对产品可靠性的要求。如果使用许多球栅阵列封装(BGA)、芯片级封装(CSP)或者倒装芯片元件，就需要将检测系统应用到第一和第二步骤，以发挥其最大的功效。另外，在第四阶段后进行检测可以有效地发现低档消费品的缺陷。而对运用在航空航天、医学及安全产品(汽车气囊)领域的印刷电路板来说，由于对质量要求十分严格，则可能会要求在生产线上的许多地方都进行检测，尤其是在第二和第四步骤后。对这类印刷电路板则可以选用“3-D” X 射线来进行检测。通过在印刷或者贴装过程中安装自动光学检测系统，可以帮助工程师清除生产过程中积累的其它过程变量。假定在回流焊接之后测量元件是否发生了位置偏移，所收集的数据并不能够反映贴装过程的准确性。则应该对贴装后和回流焊接后的结果都进行测量。但该信息对于控制器件贴装几乎是没有用的。鉴于监测发展的趋势，只有在要监测的流程附近安装自动光学检测系统才能够迅速纠正一个快进入下一步的参数，同时近距离检测还可以减少在检测过程前不符规格的印刷电路板的数量。

总体说来，现在表面贴装印刷电路板生产厂运用的自动光学检测系统主要分为两种，即只能进行检测的系统和可以进行测量的系统。只能进行检测的系统只能寻找诸如元件缺失、位置放错等缺陷的检测，系统不能提供工艺控制的工具，所以不能用它们来提高印刷电路板的生产工艺。工程师还是必须手动来调整生产工艺。但是，这些检测系统既快捷又便宜。而可以测量的系统能够提供每一个元件的准确数据，对测量生产工艺参数十分重要。这种系统要比只能进行检测的系统昂贵，而且当将它们和统计过程控制(SPC)软件整合到一起，则还可以提供改善生产工艺所必须的信息。如果生产厂想运用来自自动光学检测系统的数据有效地帮助你控制生产流程，从而实现更高的产量和更大的利润。所采用的自动光学检测系统必须具备以下功能：(1)准确的测量数据;(2)可再现、可重复的测量;(3)在时间和空间上接近事件的测量;(4)实时的测量过程和所有的有关生产工艺的信息，即必须选用可以进行测量的系统。虽然大多数电子行业的表面贴装印刷电路板生产厂自动光学检测系统的应用仍然只重视焊接之后的检测，但是今后元器件和印刷电路板的小型化趋势会要求更有效的闭环的流程控制。能够提供有效的检测和测量方案的自动光学检测系统将会吸引越来越多的表面贴装印刷电路板生产厂，工程师们也会认为在这样系统上的投资更加物有所值。对于所有的表面贴装印刷电路板生产厂来说，自动光学检测系统将在改进产品生产线和提高成品率方面持续地扮演重要的角色。