矢量图象，SPC，闭环通讯：另缺陷SMD贴装生产线
摘 要：灰度级对比正让位于矢量图象新技术。在印制板组装过程中，这些鉴别与检查的新方法正在解决SMD生产线上存在的一些主要问题；编程时间，程序转用能力与可靠性。这些与SPC能力组合的新方法，给制造厂在问题发生之前，能及时发现一些倾向并最终找到缺陷的根源。为了能全面应用这些新的功能，AOI系统制造商与印刷机与贴片机制造厂共同努力，致力于使用软件将AOI与制造过程通讯闭环连接。
关键词：AOI，检查，矢量图象，合成图象处理，SPC，拾取/贴放，闭环。
1. 引 言
自动光学视像检测（AOI）系统，取代灰度级对比的一种检测印制板新方法，正被人们所接受。多年来，灰度对比与成象象数是大多数AOI系统采用的主要技术。面对在线检测需要快速，精确性，AOI制造商作出响应仍需要一段时间。
SMT生产线配置AOI系统重要性是十分清楚的，已被人们普遍接受。然而能够正确完全地掌握推行这项技术的却为数不多。在SMT生产线终端再流焊后，进行光学视觉检查，发现印制板焊装缺陷并非真正解决问题。目检可以检查漏贴，反极性，器件数值差错，碑立及其他明显的缺陷，以利于ICT使用的优化。但这样做是不够的，其不能真正实现过程控制及实时SPC能力的评价。现在一些制造厂已越来越多地认为必须将AOI系统纳入SMT整个组装过程，替代以往仅在过程终端配置。如今我们已经看到AOI系统用于焊膏印后检查，器件贴后及再流焊前检查。为获得检测仪器的最大支持，AOI系统不仅在线检查发现缺陷，使得SMT工艺过程在偏离允受条件时，能及时与上下工序通讯作出响应，保证SMT过程各工序始终在过程控制上下标准界限内。对软件系统的设计要求，能迅速告知上道工序发生的问题，提示上道设备应该做些什么。组装厂与设备制造商共同努力达到这个目标，我们将能真正地看到AOI系统无比的优越性，实现另缺陷SMT生产线。
2. 灰度级对比
使用灰度级对比技术,大多数系统予先存贮一张被检测合格器件的图像作为合格品的标准,在生产期间用来与其他图像比较,将每个像素的灰度级及图像的像数与存贮标准图像比较,判别其是否很好地与后者相符。
图 1 电容器灰度对比像素图像
图 2 被检印制板贴装实时图像
在检查印制板时，使用存贮图像进行对比（如图2所示），虽然检测角度转动器件会有些问题，也是可以接受的。
图 3 黑体器件封装体
图 4 白色器件封装体
有些器件使用这种方法检查（图3），（图4），就很难以判别。这些器件相同，但是系统最终成像完全不同，对制造厂在器件设计，封装体颜色或某些形状存在明显差别，在制造业这是个标准问题，系统如何进行判别。
图 5 相同器件贴装位置的差异，系统得到不同的图像
使用灰度级对比方法另有一些问题是图像背景颜色及其他图形等
（从图5可见），在印制板不同部位贴装相同规格器件，图像中的背景颜色及图形不同，容易判别不正确，得出虚假的缺陷信息。
有关使用灰度对比的不同方法详细信息及各种方法的优缺点，请看作者以前的文章。
3. 矢量图像技术
上文对使用灰度级对比方法检测不同对象作了介绍,清楚地看到使用现有的方法检查印制板器件贴装质量,都存在一定难度,也很难达到工业标准重复性及稳定性的要求。过去两年，一种新的图像检测技术问世，真正地解决了与高速SMT生产线相匹配的高速印制板检测技术。
此项新技术称之为矢量图像技术。
3.1 定位矢量与像数计数比较
图 6可见,图像像素原理的检测技术是通过目标图像的像素计数及与系统存贮图像比较进行判别。这项技术测试速度相对比较慢，而且受到器件的颜色，背景，尺寸及定位角度转动等因素的不利影响。
图 6 目标的象数图像
矢量图像分析排除了栅格图形分析所碰到的问题，是一种完全不同的图像判别技术。通过图像传感器采集到目标像素栅格图形转换为图形几何特征。
图 7 矢量图形分析显示相同目标图形的几何特征的关系，
这些关系与目标的大小，位置无关。
矢量图形分析是一种图形位置搜索技术 ，基于图形的几何特征，不是图像像数绝对灰度值水平，图像与像数栅格无关。图形表示图像不同区域间的边界特征。这些图形特征是线段，弧度，角度及几何形状论廓线的开口或闭合。
使用图形几何特征，图像分析不会受到由于器件制造工艺的不同，产生器件封装体颜色或尺寸变化的影响。
JEDEC/IPC标准允许器件封装的一些变化，在SMT制造过程是可接受的。检测使用的视觉系统必须将这些变量以及因供应商或制造过程的更改等因素必须考虑进去。
3.2 合成模型
矢量图像分析使用图形几何特征及算法来表示一个实际图像模型。这样有可能建立真正检测图形的算术模型或合成模型。使用这些合成模型能最大程度降低光照或背景变量的影响。使得模型与环境无关。模型从IPC/JEDEC器件技术标准的数据，或由设备实测器件图像得到。
图 8 SO器件实体及器件合成模型
给用户建立非常可靠的器件合成模型库，数据可方便从网上下载或更改。
合成模型最大的优点是具有为多种用途使用及转用的能力。当用户有几台设备运作时，可使用相同的合成模型数据库。此数据库可存贮，需要时下载。
3.3 视象数据采集
使用快速可靠的新方法,我们可通过光学视象实现全部检测目的。在SMT贴装设备上直接采集工艺数据，在维修工作台上为返修或缺陷分析及深入的研究采集数据，以及为进一步SMT生产线的SPC控制采集过程数据。
3.4 AOI系统获得信息
图 9 AOI系统生产模式屏幕
SMT操作人员正确操作,在整个生产过程中必须获得所需的全部信息，这一点无疑是极其重要的。操作者只需要一看信息，就知道过程的实际状态，决定是否需要纠正上游设备的操作，如贴片机，印刷机。图 9 所示SMT生产线上配置的AOI系统屏幕提供的实时生产过程信息。在屏幕图像界面上，操作者可获得全部生产过程的信息。GUI提供多个重要的信息资源。屏幕的右上角是SMT生产线的FPY%，一次通过率，整个过程能力的既时状态。下面有一表格，显示近十块印制板的检测信息。各栏表示器件漏贴，错贴及极性等差错。兰色条表示印制板无缺陷，黄色条表示过程状态仍在公差之内，接近技术条件的标准界限。红色条表示发生缺陷，两个连续相同的缺陷，导致闪光红色条。通过击打红色条监视器显示缺陷分析屏幕（图 10）。
图 10 AOI系统的缺陷分析屏幕
从缺陷分析屏幕上可得；发生缺陷的器件编号，贴装设备，送料器位置。
屏幕的左下角是AOI检测的缺陷实像，操作者更详细观察缺陷形貌，决定采取何种纠正方法。通过这些信息能得到空仓送料器，贴片机贴装头被快速检测，究其根源。
回过头来再看图9，在屏幕的右下角显示器件贴装位置X，Y，Θ轴向贴片的平均偏差，标准偏差。
屏幕的左边，可见到散布图，图示器件贴装相对于标准界限范围（公差）的准确度。散布图可显示全部器件的贴装准确度，某台设备，某个送料器，，某个贴装头及某个JEDEC标准封装器件的详细信息。这些信息可由贴装设备送料器文件输入，印制板编程时予编程输入系统。
这些数据由工艺工程师或操作者用户定义或配置，也可通过网络有关网址搜寻得到。
3.5 AOI维修工作台
搜寻缺陷及数据是AOI系统的功能,帮助操作者提供附加数据及图像也是AOI系统软件必需具备的。显示信息必须清晰，这样有利于操作者决定执行何种维修操作，并存入系统供以后参考。图 11所示维修工作台提供的印制板缺陷有关信息。
图 11 维修工作台印制板缺陷屏幕
屏幕左上角显示PCB有关信息面板，红色表示印制板发现缺陷，
其下方是条形码，程序名称，器件编号及印制板布局。表格右面图形为印制板特征图像，显示红色是缺陷实际位置，十字线框是缺陷参考范围。
屏幕右下角显示放大的缺陷图像。沿屏幕底部一排操作钮，供操作者记录有关操作，返修，合格或报废等，记录全部维修操作流程，并存入系统。包括；操作者姓名，时间/日期。
3.6 管理软件
管理软件安装在工厂网络的任一位置，通过AOI系统采集数据。工程师们只需鼠标击打，就可获得所需时间的某台设备或某条生产线的全部缺陷记录。按缺陷类型，器件类型显示缺陷显示前一小时，前一天，或周/月的信息，对现有的缺陷进行分析，决定采用何种正确的方法。图 12 是缺陷分析数据管理软件屏幕，显示在给定周期内，生产线的缺陷。使用简单的柱状3D图表，清楚看到生产线上实时缺陷状况。
图 12 缺陷分析数据管理软件屏幕
3.7 统计过程控制 SPC
在机器,维修台或离线使用管理软件采集实时数据,今天的电路组装厂是向真正过程控制迈出了着实的一步；另缺陷SMT生产线的目标是不够的。就数据采集方法而言，只是提供过程中发现缺陷的实际数据，操作者在缺陷产生后能给以解决。我们的目标是实时SPC数据采集系统，在缺陷苗子对过程质量产生不利影响之前，操作者就能及时发现问题。
‘ 我们会做的，视象系统不做。我们不会做的，他能做。’
将SPC纳入AOI系统，操作者能在实时跟踪焊膏印刷，器件贴装，这些信息将有助于我们对偶然发生的问题进行分析或自动推测发展的趋势。
按SPC计划的七次测量数据所推测的发展趋势，SPC软件便锁定此趋势的发生，并将此信息发送到需要的地方。即发送到操作者的计算机。工程师可在计算机屏幕上显示SPC数据。如软件推测到趋势，屏幕显示实际数据与图像。图 13 屏幕显示器件不正确贴装发生的趋势。如果仅偶然发生六次，在此情况，该趋势不必记录。
图 13 SPC计划的X/R图
SPC数据的设计及采集与算法的规范由工程师定义或选择。
图 14 可见第七次发生，此趋势被记录下来，并即刻发送给工程师，作出是否纠正操作的决定。
图 14 SPC计划X/R图分析（第七次超出SPC控制界限）
从图 14可见，虽然被检测第七次超出控制界限，过程仍在上下标准界限之内，生产线仍生产合格产品。这意味着在问题影响生产之前，我们能检测到问题可能发生的原因。
工程师使用系统提供的其他数据，可跟踪趋势的成因，作出正确的纠正决定。如更换缺陷吸嘴，清洗模板或维护保样设备等。如问题发生了，工程师又不在现场，离开他们的计算机，一时不了解情况。可通过对SPC工具编程，在检测到趋势时，软件自动发送电子邮件到予指定接受器，发送SMS文本信息给移动电话，或最坏的情况指令停止生产。
图 15 可见经正确的纠正操作，过程返回到控制线之内，没有影响稳定生产及产生不合格品。
3.8 另缺陷生产线的目标
为达到将来的目标,AOI系统制造商与其他设备供应商必须连手共同努力。我们使用AOI系统采集数据建立另缺陷生产线，生产能自动正确地运行。需要使用AOI系统，将上游与下游设备进行实时通讯连接。我们来设想一下将来的功能；从AOI系统接受到信息，印刷机得知模板必须清洗，或贴片机自动完成贴装头或真空吸嘴与摄像机偏差的校正。再如印制板上屏蔽的安装或焊接存在缺陷，以后AOI系统可指令下游设备在安装屏蔽之前，先对印制板进行返修。
4. 结 论
今天,应用现有的技术建立另缺陷SMT生产线，无论设备制造商一起致力开发软件通讯工具的能力如何。软件开发商成为发展这项技术的一员能够起到重要的作用，
SMEMA等一些组织在保证设备制造商同意合作协议起到很大作用，使得所有的AOI系统能与所有SMT其他设备实行通讯连接。同时，组装厂应很好明确他们需要什么，弄懂AOI系统的正确使用,仅在SMT生产线的终端使用AOI系统已经落伍。AOI系统的作用不是在缺陷发生后用来检查缺陷，而是在缺陷发生前解决如何防止缺陷的发生。
当我们认识这一点，正确的检测工位设置应该是将AOI配置在再流焊工序之前，这样才能真正地实行SMT的生产质量控制。紧接着整个电子制造过程真正实现；‘另缺陷生产线“的目标。