Системы автоматического оптического контроля монтажа печатных плат
Tyco Electronics Automation Group
Многое изменилось с тех пор, как первые системы технического зрения были представлены на рынок в начале 80-х годов прошлого века. Теперь такие системы стали называть системами автоматического оптического контроля (Automated Optical Inspection — AOI). Совсем недавно рынок оборудования AOI, имея более 30 поставщиков, не был точно определен. Большинство их потенциальных потребителей не обладало достаточными знаниями о технологии оптического контроля, чтобы использовать ее в производстве. Автоматизированный оптический контроль получил плохую репутацию, так как многие системы работали некорректно. Бытовало мнение, что никогда не будет системы, которая отвечала бы всем требованиям промышленного производства, быстрого программирования, высокой производительности и обладала бы низкими показателями отказов и ошибок. В большинстве систем все еще применялась технология корреляции полутонов (Grey Scale Correlation), которая имела ряд очевидных недостатков, но альтернативы не было. С 1996 года ViTechnology (Dyamant) начала работать с компанией Cognex (США) — мировым лидером в поставке программного обеспечения для систем оптического контроля и аппаратных средств (ViTechnology входит в состав Tyco Electronics Automation Group).
Используя некоторые новые решения от Cognex, ViTechnology развивает новую технологию под названием Vectoral Imaging™ Technology (технология векторных изображений), которая произвела революцию в секторе AOI-оборудования. Преимущества Vectoral Imaging были ясны с самого начала: система использовала синтетические модели, которые не были связаны с окружающей средой, и поэтому не зависели от изменений цвета, фона или освещения. Технология Vectoral Imaging позволяет не только определять присутствие, отсутствие и полярность установленных компонентов, но также измерять отклонения по координатам X, Y и по координате вращения q, поскольку обеспечивает анализ вращения.
![](/images/arhiv/03_03/172_1.gif)
В то же время система способна осуществлять точные измерения на уровне подпикселей. С 1999 года компания ViTechnology продвигает на рынок систему автоматического оптического контроля Vi-3000 (рис. 1), которая может использоваться в поточной производственной линии не только после операции оплавления припоя для обнаружения дефектов, но и перед печью оплавления припоя, а также после операции нанесения паяльной пасты — чтобы выявить дефекты прежде, чем они окажут неблагоприятное воздействие на процесс. По мере того как ViTechnology продолжала продвигать новую технологию и само использование систем AOI, все больше скептиков убеждались, что системы AOI должны использоваться после операции оплавления припоя для оптического осмотра не только компонентов, но и паяных соединений, формы контактных дорожек, а также определения размера и качества паяных соединений. Теперь не стоит вопрос, стоит ли применять системы автоматического оптического контроля. Главный вопрос — где их применять? Если производитель желает избежать затрат, связанных с возвратом бракованных изделий, то применение системы AOI в конце производственной линии является вполне логичным. Но проблема в том, что в этом случае такая система не обеспечивает всестороннего анализа. Дополнительно требуется система рентгеновского контроля, которая обеспечивает контроль качества паяных соединений, а также выявляет их наличие. Применение системы оптического контроля в конце производственной линии не исключает затрат на переделку бракованных изделий, которые могут быть значительно минимизированы в случае применения AOI для мониторинга результатов каждой операции производственного процесса. Производственная линейка, укомплектованная системами автоматического оптического контроля для предотвращения брака, выполняет операции, представленные в таблице 1. Если не брать в расчет затраты на организацию этой линии, такое размещение систем автоматического оптического контроля, предотвращающее возникновение брака, считается оптимальным. Такая стратегия базируется на философии мониторинга процесса или предотвращения брака и требует внедрения до 9 систем AOI.
Таблица 1
Обработка платы с одной стороны |
Обработка платы со второй стороны |
Трафаретный принтер или автомат диспенсорного нанесения паяльной пасты |
Трафаретный принтер или автомат диспенсорного нанесения паяльной пасты |
AOI |
AOI |
Установщик чипов |
Установщик чипов |
AOI |
AOI |
Установщик компонентов с малым шагом выводов |
Установщик компонентов с малым шагом выводов |
AOI |
AOI |
Печь оплавления припоя |
Печь оплавления припоя |
AOI |
AOI |
Установка для монтажа компонентов в отверстия |
Установка пайки волной |
|
AOI |
Применение системы AOI после автомата установщика компонентов с малым шагом выводов обеспечивает выявление ошибок, связанных с работой автомата. Однако отсутствует мгновенная обратная связь, посредством которой можно подкорректировать его работу. Ключевая проблема — обеспечение передачи информации сразу же после выполнения определенной производственной операции, чтобы возможный сбой был вовремя отслежен и были предприняты соответствующие корректирующие действия, прежде чем брак достигнет крупных масштабов. Если для обработки с другой стороны платы перенаправляются через те же самые автоматы-установщики, то требуется только 5 систем AOI.
Если в производственном процессе нет операции пайки волной, то всего 4. Таблица 2 отражает выявляемые типы дефектов в зависимости от места применения системы AOI.
Таблица 2
Тип дефекта |
После принтера трафаретной печати |
После установки компонентов |
После операции оплавления припоя |
После операции пайки волной |
Недостаточное нанесение паяльной пасты |
х |
х |
|
|
Блокированные отверстия |
х |
х |
|
|
Короткое замыкание (паста) |
х |
х |
|
|
Смещение пасты |
х |
х |
|
|
Пропущенный компонент |
|
х |
х |
х |
Перекошенный компонент |
|
х |
х |
х |
Полярность |
|
х |
х |
х |
Смещение компонента |
|
х |
х |
х |
Установлен не тот компонент |
|
х |
х |
х |
Отогнутый или сломанный вывод |
|
х |
х |
х |
Избыточное количество пасты |
|
|
х |
х |
Вздыбливание компонентов |
|
|
х |
х |
Непропаянное соединение |
|
|
х |
х |
Короткое замыкание после операции пайки |
|
|
х |
х |
На основе этой таблицы можно провести анализ дефектов и частоту их возникновения в определенной производственной линии и сделать вывод, в каком месте применение систем AOI наиболее оправдано, определить какие дефекты система должна выявлять и какие дефекты она могла бы выявить. Другими словами, результатом анализа будет соотношение желаемого и необходимого.
Внедрение замкнутого контура управления процессом посредством применения систем автоматического оптического контроля в производстве обеспечивает не только улучшение качества изделий и производительность всей линии, но и экономию средств, несмотря на то, что эти системы относительно дорогостоящи. В расчет включается экономия средств от оплаты труда производственным рабочим, затрат на исправление брака, затрат на осуществление гарантийного ремонта, оплаты труда вспомогательных рабочих, связанных с осуществлением оптического осмотра, затраты на обучение операторов и стоимость ремонтного оборудования. Это достаточно большая сумма, если учесть, что в развитых странах, например, рабочее место оператора, осуществляющего визуальный осмотр, должно быть оснащено дорогостоящей эргономичной рабочей станцией. Таким образом, затраты на внедрение систем AOI окупаются в среднем за несколько месяцев.
Компания Tyco Electronics Automation Group предлагает широкий диапазон оборудования AOI фирмы ViTechnology, от начального уровня до профессиональных систем.
Библиотеки синтетических моделей позволяют клиентам быстро и эффективно программировать автомат, получая снижение вероятности отказов и возможность переносить модели и библиотеки с машины на машину. Эта гибкость также отражает возможность использования этих машин в любом месте поточной линии, одна и та же машина может использоваться для осмотра паяльной пасты до оплавления или после отверждения припоя, что очень важно для производителей, осуществляющих контрактное производство, которые изменяют планировку линии в зависимости от заказа и изделия.
Тот факт, что машины начального уровня могут быть модернизированы до полной Vi-3000 версии — главное преимущество для клиентов, которые, возможно, сегодня нуждаются в системе начального уровня, а завтра — в более полной системе. Все системы способны использовать ремонтные станции и системы автономного программирования. Системы Vi-3000, Vi-5000 и Vi-6000 могут использоваться с SPC-инструментами для анализа тенденций изменения параметров, а также могут импортировать файлы питателя и конфигурацию линии, чтобы отслеживать источники дефектов.
Особенности
- Оснащен технологией векторных изображений.
- Осмотр до 200 тыс. компонентов в час.
- Осмотр пасты в 2-х измерениях, площадок, регистрация координат XY, натеков и пустот.
- Селективный осмотр пасты в 3-х измерениях для измерения объема.
- Определение присутствия и отсутствия всех типов компонентов.
- Измерение положения в координатах X, Y и q для всех типов компонентов.
- Проверка полярности всех типов компонентов.
- Осмотр паяных соединений и быстрый осмотр схемы.
- Обнаружение непропаянных соединений и отогнутых выводов.
- OCV — способность считывать текст на поверхности компонентов.
- Полная SPC-совместимость (Statistical Process Control — сбор статистических данных о процессе).
- Малые габариты — возможность применения в любой производственной линии.
- Уникальное соотношение «цена — производительность».
- Одновременно с осмотром компонентов, уже установленных на плату, осматривает размещение пасты для компонентов с малым шагом выводов типа QFP, BGA, микро-BGA и всех компонентов типа флип-чип.
Осмотр после нанесения пасты
Производится оптический контроль контактных площадок на предмет точного нанесения паяльной пасты. С помощью различных режимов подсветки производится анализ смещения нанесенной пасты, выявляется недостаточное или избыточное количество пасты (рис. 2 и 3).
![](/images/arhiv/03_03/172_2.gif) ![](/images/arhiv/03_03/172_3.gif)
Осмотр после установки компонентов
Производится проверка на предмет присутствия и отсутствия компонентов. Анализируется точность установки и полярность (рис. 4), осуществляется оптический осмотр нанесенной пасты для компонентов с малым шагом выводов (рис. 5), CSP и BGA, а также производится проверка на предмет инородных предметов в этих местах (например, потерянных чипов) (рис. 6).
![](/images/arhiv/03_03/172_4.gif)
![](/images/arhiv/03_03/172_5.gif) ![](/images/arhiv/03_03/172_6.gif)
Осмотр после установки компонентов с малым шагом выводов
Проверка на предмет точности установки и правильной ориентации (рис. 7), а также выявление сломанных, отогнутых или скрученных выводов (рис. 8). Осуществляется оптическое распознавание маркировок на компоненте (OCV) для предотвращения некорректной установки дорогостоящих компонентов с малым шагом выводов или специальных компонентов (рис. 9).
![](/images/arhiv/03_03/172_7.gif) ![](/images/arhiv/03_03/172_8.gif)
![](/images/arhiv/03_03/172_9.gif)
Осмотр после печи оплавления припоя
Производится анализ целостности паяных соединений для выявления непропаянных соединений, коротких замыканий (рис. 10), смещение за пределами допуска (рис. 12) или вертикальное поднятие одного края чипа в результате неравенства сил поверхностного натяжения пасты на контактных площадках при оплавлении припоя (рис. 11).
![](/images/arhiv/03_03/172_10.gif) ![](/images/arhiv/03_03/172_11.gif)
![](/images/arhiv/03_03/172_12.gif)
Дефекты могут возникнуть в любом месте производственной линии — на стадии нанесения паяльной пасты, установки компонентов, установки компонентов с малым шагом выводов и после операции пайки. Применение систем оптического контроля только в конце производственного процесса не является оправданным с точки зрения экономических затрат на эту систему, потому что единственный путь в этом случае — сложный и дорогостоящий ремонт. Решение этой проблемы — применение систем оптического контроля в определенных критических точках сборочной линии.
Высокая скорость и точность позиционирования
Для осуществления перемещений XY платформы применяются линейные приводы, не требующие обслуживания, и оптические кодеры с зеркальной шкалой. Точность системы ±10 микрон, повторяемость ±5 микрон в 6 сигма при скоростях до 2 м/с. Все электронные и механические узлы легкодоступны для осуществления профилактических и калибровочных работ.
Система подсветки
Система оснащена четырьмя различными программируемыми источниками освещения для получения максимально контрастного изображения. В процессе наладки системы оператор может выбрать любую из неограниченного количества комбинаций интенсивности осевой и пирамидальной подсветки и сочетания желтого и зеленого цветов для получения четкого изображения в самой сложной ситуации. Выбранная комбинация автоматически записывается в рабочую программу, которая управляет режимами подсветки в процессе производства.
Ремонтная станция
Ремонтная станция ViTechnology (рис. 13) может быть непосредственно связана с системами оптического контроля в производственной линии. Все ошибки, выявленные системами оптического контроля в процессе производства, выгружаются в ремонтную станцию в реальном времени вместе с реальными изображениями компонентов, установленных с браком. На графическом изображении всей платы отмечены места, где компоненты установлены с предельно допустимыми параметрами, либо требуется ремонт, либо это возможный «ложный сбой». Оператор видит изображения компонентов, принимает решение, какое действие предпринять, когда должен быть осуществлен ремонт, и отслеживает причину брака.
![](/images/arhiv/03_03/172_13.gif)
Затем эти данные заносятся в систему. Существуют различные конфигурации ремонтных станций и вспомогательных конвейеров в зависимости от применения и производительности линии.
Используя информацию штрих-кодов, ремонтная станция заносит в журнал все необходимые ремонтные операции с описанием и ратификацией ошибок.
Доступны специальные ремонтные станции, предоставляющие оператору возможность исправлять ошибки непосредственно в процессе производства или удалять изделия из производственной линии для последующего ремонта.
Для анализа изображений в системах автоматического оптического контроля применяется самое современное программное обеспечение Patmax, работающее под управлением Windows NT 4.0. В большинстве случаев система программируется за 15 минут с использованием данных Gerber, CAD или ASCII. Имеется встроенная обширная библиотека синтетических изображений компонентов, с которыми производится сравнение и анализ. Библиотека содержит изображения наиболее часто используемых компонентов, однако, по необходимости, изображения компонентов можно загружать из Интернета.
Все системы оптического контроля производственной линии могут быть связаны через сеть с ремонтной станцией и периферийным оборудованием для осуществления удаленного доступа и контроля.
Таблица 3. Vi.3000: Система автоматического оптического контроля (AOI) для плат стандартных размеров
![](/images/arhiv/03_03/172_14.gif) |
Особенности |
• До 200000 компонентов в час |
• Осмотр пасты в 2-х измерениях, площадок, возможных пустот и натеков |
• Определение присутствия и отсутствия всех типов компонентов |
• Позиционирование в координатах X, Y и q для всех типов компонентов |
• Полярность компонентов |
• Выявление паяных соединений с коротким замыканием |
• Выявление непропаянных соединений |
• Распознавание текста на поверхности компонентов |
• Осмотр может быть выполнен в любом месте конвейерной линии |
• Одновременный осмотр нанесенной пасты для компонентов с малым шагом выводов, таких как QFP, BGA, Micro BGA и Flip Chip |
• Цифровая камера Hitachi |
Автономная станция программирования
Дополнительная автономная станция программирования обеспечивает удаленное программирование в процессе работы систем оптического контроля. Станция оснащается патентованным программным обеспечением, позволяющим настраивать рабочую программу и вносить в нее изменения, а также создавать и изменять библиотеку синтетических изображений. В дополнение, сетевое программное обеспечение на системах оптического контроля и на ремонтной станции сконфигурировано таким образом, чтобы было возможно загружать
и выгружать рабочие программы, а также производить обмен SPC-данными между системами.
Конвертирование данных CAD
Дополнительное программное обеспечение для конвертирования данных CAD автоматически импортирует данные проектирования платы непосредственно в машинный формат, используемый в системах автоматического оптического контроля. Программное обеспечение для конвертирования включает в себя такие программные продукты, как UniCAM, CIMBridge, FABmaster и CircuitCAM, а также обрабатывает данные Gerber и ASCII.
SPC-контроль
Во все системы автоматического оптического контроля может быть интегрировано дополнительное программное обеспечение Lighthouse SPC (Statistical process control), которое обеспечивает непрерывный обмен информацией в реальном времени с программным обеспечением систем оптического контроля и позволяет проводить полный анализ производительности автоматов, отражать входящие и исходящие данные и делать анализ тренда. Функция увеличения позволяет взглянуть ближе на специальные позиции измерений с существенной информацией. Диаграмма Парето отражает частоту и дисперсию результатов измерений. Программное обеспечение работает под управлением Windows NT и обладает удобным графическим пользовательским интерфейсом с разграничением уровней доступа для оператора и технических специалистов, работающих с SPC-данными.
Дополнительную информацию можно получить на сайте www.automation.tycoelectronics.com/europe/
Андрей Астрицкий
|