Автоматическая оптическая инспекция с применением 3D-технологии

Термин «3D-технологии» стал популярным в отрасли, однако на сегодня у него нет общепринятого значения или определения. Что в действительности стоит за этим термином и какие подходы в данном контексте предлагаются сегодня производителям электроники?

3D-технологии успешно применяются в целом ряде систем, но изначально их использовали для контроля качества нанесения паяльной пасты (solder paste inspection, SPI) или, если точнее, измерения объема нанесенной паяльной пасты.

Применение 3D-технологии измерения объема нанесенной паяльной пасты в последнее десятилетие значительно повлияло на усовершенствование технологических процессов производства электроники, в особенности на процесс трафаретной печати. Для глобальной отстройки и усовершенствования процесса трафаретной печати инструмент в виде 3D-инспектирования дал возможность очень точно определять нанесенный отпечаток паяльной пасты, то есть появилась возможность в цифрах оценить проведение инспекции, объем нанесенного отпечатка. Благодаря простым расчетам на основе прогнозируемого объема отпечатка и полученного после трафаретной печати реального значения процесс отстройки процесса стал прозрачным и более простым. Применение 3D-технологии стало прорывом в технологии поверхностного монтажа. Десять лет назад системами 3D-инспекции качества нанесения паяльной пасты в Европе было оснащено лишь 15% технологических линий поверхностного монтажа, а сегодня доля таких линий выросла до 60%!

Компания Koh Young не остановилась на достигнутом и шагнула дальше. Инспектирование с использованием 3D-технологий было применено для контроля паяных соединений. В чем же ее преимущества по сравнению с технологией двумерного оптического контроля, которая применяется на протяжении последних 25 лет? Двумерная автоматическая оптическая инспекция (АОИ) до настоящего времени была единственной технологией, позволявшей заменить визуальный контроль печатных плат человеком. Поскольку в 2D АОИ освещение печатной платы, компонентов и паяных соединений производится под несколькими углами, результаты контроля по всем параметрам зависят либо от контрастности изображения, либо от местоположения отражающих участков. На рис. 1 показаны примеры SMD-резисторов с различным объемом припоя, освещенных под разными углами.

Рис. 1. SMD-резисторы, освещенные: а) нижним угловым светом; б) средним угловым светом; в) верхним угловым светом

Даже когда используется несколько углов съемки или обзора, результаты все равно зависят от освещенности. И здесь возникает проблема: более высокие компоненты отбрасывают тени на другие компоненты и паяные соединения. Разница в условиях освещения, обусловленная затенением, вынуждает программиста системы 2D АОИ устанавливать пороги отдельно для каждого компонента. Вследствие того что для однотипных компонентов на одной и той же плате используются разные пороги, варьируется полнота обнаружения дефектов и вероятность ложных срабатываний. По этим причинам помимо физических ограничений двумерного инспектирования, которые с большой вероятностью приводят к пропуску системой реальных дефектов, процесс программирования 2D-инспекции представляет собой совокупность сложнейших алгоритмов, ограничений по инспекции «сложных» (с точки зрения оптической инспекции) и труднодоступных компонентов, а также особых требований к узконаправленным знаниям программиста системы. Нехватка инженерного состава в области поверхностного монтажа на большинстве российских предприятий, не говоря уже об узконаправленных знаниях программирования 2D-инспекций, делает применение подобных систем практически нецелесообразным.

На рис. 2 показана типичная ситуация, когда для однотипных выводов ИС требуются разные параметры 2D АОИ из-за тени от алюминиевого конденсатора. И таких мест на печатной плате может быть множество. На каждый из подобных участков печатной платы необходимо прописывать индивидуальные настройки инспектирования, которые опять же зависят от программиста 2D АОИ. Выходит, при программировании «нестандартной» для инспектирования печатной платы качество конечных результатов полностью зависит от человеческого фактора и уровня подготовки программиста.

Рис. 2. Высокий конденсатор отбрасывает тень на соседние компоненты, вынуждая корректировать параметры 2D АОИ

Все ли аспекты монтажа компонентов и качества паяных соединений можно проконтролировать с помощью трехмерного измерения? Действительно ли оно необходимо в каждом случае? Можно ли отказаться от двумерного контроля, который использовался на протяжении многих лет, в пользу трехмерного?

Преимущества трехмерного измерения кроются в самом слове «измерение». Если можно измерить объем каждого паяного соединения у каждого компонента, зачем довольствоваться лишь подсчетом светлых пикселей — отражений света расположенного под углом источника от криволинейной поверхности припоя? На рис. 3 показаны примеры контроля паяных соединений по объему нанесенного припоя.

Рис. 3. SMD-резистор: а) с объемом припоя 15%; б) с объемом припоя 95%

Зачем выделять края по цветам или оттенкам серого, если их местоположение можно определить в третьем измерении без помех, связанных с цветом компонентов или печатной платы? На рис. 4а показано типичное 2D-изображение SMD-резистора. Компонент может иметь разный цветовой контраст с фоном печатной платы, а та, в свою очередь, может иметь разные оттенки. На рис. 4б показано трехмерное изображение того же компонента, где измерена высота каждого пикселя.

Рис. 4. Местоположение резистора: а) на двумерном изображении; б) в трех измерениях

В настоящее время системы АОИ обеспечивают разный уровень полноты трехмерного контроля компонентов и паяных соединений. Во всех трехмерных системах по-прежнему предусмотрены двумерные подсветка и контроль. Решение о том, в каком объеме следует внедрить новую технологию, остается за программистом системы или отделом контроля качества.

В противовес распространенному мнению, полярность компонентов (размеры фасок, углублений и углов) можно легко определять в третьем измерении, не полагаясь на вариации цвета и яркости отпечатка на поверхности.