Оборудование 3D-инспекции для автоматизации контроля качества сборочно-монтажного производства

Сегодня становится очевидным, что при использовании компонентов типоразмера 030015 (300×150 мкм) совместно с другими компонентами проведение визуального контроля вызывает все большие затруднения, к тому же очень сильно замедляет весь процесс сборки. В режиме массового выпуска изделий настольные инспекционные установки просто неприемлемы, да и установки 2D, к сожалению, в реалиях современного производства пропускают отдельные дефекты, поиск которых невозможно настроить на подобной аппаратуре. Такие выводы были сделаны по результатам проверки, основанной на анализе полученных изображений, нередко очень различных.

Вот почему все больше производителей электронных изделий обращают внимание на машины автоматического контроля. К ним относятся встраиваемые в линию (INLINE) 3D автоматические оптические инспекции с функцией измерения и оптические инспекции нанесения паяльной пасты и установки компонентов (SPI и AOI).

За последние 10 лет данные установки шагнули далеко вперед: количество ложных срабатываний удалось сократить во много раз, а скорость инспекции увеличить настолько, что теперь эти машины неплохо справляются со своей сложной работой прямо в линии.

Основное достоинство 3D-инспекций с функцией измерения — отсутствие так называемой золотой платы, столь необходимой при программировании инспекций 2D. В ходе программирования данной установки обозначаются поля обзора и в них задаются соответствующие пороги в микрометрах. Анализ изображения используется только при программировании маркировки компонента. Таким образом, на установке можно запрограммировать и печатные платы с различными дефектами. Причем время выхода готовой программы на рабочую стадию значительно сокращается, поскольку оперировать реальными измерениями в микрометрах значительно проще, нежели градациями серого на изображении.

Данное оборудование способно в режиме реального времени не только выявлять различного рода дефекты изделия, но и собирать разнообразную статистику, которая помогает отладить процесс производства в целом.

Одним из известных производителей автоматических оптических инспекций, который также выпускает INLINE 3D-установки SPI и AOI с функцией измерения, является корейская компания Pemtron Corporation (рис. 1, 2).

Рис. 1. Встраиваемая в линию установка 3D-инспекции нанесения паяльной пасты серии TROI — 7700Н от компании Pemtron Corporation

Рис. 2. Установка автоматической оптической инспекции АОИ EAGLE 3D 8800 от компании Pemtron Corporation

Так же, как и у многих мировых производителей, принцип действия 3D-установок компании Pemtron основан на методе многочастотного муара, соответственно, и устройство инспекционной головы (а это основной рабочий элемент всех инспекционных установок) практически полностью идентично. Однако установки имеют и свои отличия. Что касается приводов перемещения инспекционной головы, то в установках Pemtron используются линейные двигатели (рис. 3). Вследствие этого перемещение головы осуществляется быстрее и точнее, чем в установках с ШВП-приводами. Также данный тип привода имеет больший ресурс работы и не слишком прихотлив в обслуживании по сравнению с тем же ШВП.

Рис. 3. Механизм позиционирования по осям x и y

Еще одно отличие машин компании Pemtron заключается в применении функции Color Mapping.

Большинство инспекций, в которых используется технология многочастотного муара, не в состоянии распознать объект высотой менее 40 мкм. В итоге машина не имеет возможности правильно определить нулевую точку отсчета, ведь для всех инспекций данного типа подобной точкой является основание печатной платы. Очевидно, что на разных участках профиль печатной платы может быть различным, к тому же исключена ее деформация, например после оплавления в печи. Все это приводит к погрешности результатов инспекции.

Рис. 4. Нахождение нулевой точки отсчета на печатной плате (установка SPI)

Функция Color Mapping, предусмотренная в оборудовании Pemtron, позволяет четко определять нулевую точку отсчета (рис. 4), деформацию печатной платы (рис. 5, 6), исключить из области инспекции такие вещи, как шелкография, печатные проводники, полигоны, что способствует получению более точных инспекционных результатов (рис. 7).

Рис. 5. Применение функции Color Mapping для гибких печатных плат (установка SPI)

Рис. 6. Определение искривления печатных плат благодаря применению функции Color Mapping (установка SPI)

Рис. 7. Исключение из области инспекции части линии от шелкографии способствует более точному определению высоты отпечатка паяльной пасты (установка SPI)

Компания Pemtron предложила решение проблемы распознавания переходных отверстий (установка SPI), заключающееся в том, что оборудование, применяющее метод многочастотного муара, не всегда правильно воспринимает любые отверстия на печатной плате, в том числе и переходные. Поскольку основная задача инспекционной установки состоит в нахождении перепадов по высоте на печатной плате (машина адаптирована для этого), любой перепад высоты, фиксируемый машиной, воспринимается как тело, имеющее объем. Этот объем прибавляется к основному объему отпечатка паяльной пасты, тем самым приводя к погрешности измерения. Применение функции Color Mapping совместно с улучшенным 3D цветовым алгоритмом, разработанным Pemtron, позволяет бороться с подобным явлением (рис. 8).

Рис. 8. Функция Color Mapping и улучшенный 3D цветовой алгоритм успешно применяются и в установках AOI компании Pemtron

Программисты AOI часто сталкиваются с проблемой цвета паяльной маски, наносимой на печатную плату, так как это вносит свои коррективы именно в проведение инспекции на наличие припоя. Предпочтительные цвета — зеленый, красный, желтый и белый — отражаются от блестящих галтелей, что способствует меньшему нахождению объема припоя, чем на самом деле, и увеличению ложных ошибок. Синий цвет, наоборот, может стать причиной пропуска недостатка припоя, а черный — ложного нахождения отсутствия или недостатка припоя, создавая ложную тень на галтелях.

Функция ColorMapping позволяет выбрать такую подсветку для печатной платы, которая может подавить основной цвет маски (подсветку можно выбрать из четырех основных цветов) и таким образом избавиться от влияния цвета маски на инспекционные результаты (рис. 9).

Рис. 9. Желательные цвета паяльной маски

Обычно инспекционные установки AOI оснащены инспекционными головами с четырьмя и восемью проекциями — такие машины могут стабильно распознавать компоненты высотой 5 и 7 мм соответственно.

Благодаря возможности использования новой инспекционной головы с десятью проекциями (рис. 10) установки AOI компании Pemtron четко и на 100% распознают компоненты высотой до 27 мм (рис. 11).

Рис. 10. Новая инспекционная голова с десятью проекциями

Рис. 11. Изображение, полученное с AOI Pemtron: на нем четко видно не только топологию печатной платы в 3D, но и саму текстуру печатной платы

Как и в установках других мировых производителей, в ПО инспекционных машин Pemtron есть информация из стандартов IPC. Данная информация применяется при программировании инспекционных условий для компонентов в установках AOI (рис. 12).

Рис. 12. Информация из стандартов IPC

С установками компании Pemtron, как с SPI, так и с AOI, поставляется программное обеспечение для сбора и анализа статистики — SPC. Это мощный набор функций, необходимых для анализа дефектов и помогающих формировать множество различных отчетов и графиков (рис. 13).

Рис. 13. ПО для сбора и анализа статистики SPC формирует множество различных отчетов и графиков

Компания Pemtron предлагает функцию замкнутого цикла Closed Loop (рис. 14), которая позволяет передавать информацию о качестве нанесения паяльной пасты с установки SPI на принтер пастопечати, на установщик компонентов. Вот один из примеров: если паста нанесена с некоторым смещением, то SPI передает об этом информацию на принтер пастопечати для корректировки смещения печатной платы относительно трафарета. В то же время идет передача данных на установщик компонентов, чтобы тот установил компоненты с тем же смещением (именно на нанесенную пасту), при оплавлении в печи компоненты выровняются на контактных площадках благодаря поверхностному натяжению расплавленного припоя.

Рис. 14. Решения для управления процессом и контроля качества в реальном времени

Использование современного автоматизированного оборудования контроля на различных этапах сборки изделий позволяет повысить качество выпускаемой продукции, достичь требуемой производительности сборочной линии и избавиться от низкоэффективного ручного труда.