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  AOI光学检测仪的检测原理以及技术应用

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前言
随着SMT技术的普及，SMT元器件的密集化及细小化，自动光学检测设备（AOI）正被广大电子制造厂商用来监测和保证产品质量。
相对于人工目视检查来说，AOI具有更高的可重复性和更快的检测速度。八十年代曾有研究表明，当两个人检查相同的板四次时，他们的相互认同率少于28%，认同自己的只有大约44%左右。而尽管如此，在2005年前，绝大部分电子制造厂商依然依赖于人工目视检查。
因为早期引进的进口AOI设备，给电子制造业界的朋友的感觉是：使用繁琐、复杂，价格昂贵；或者说因为AOI设备编程调试繁复，令工程师不能充分发挥AOI设备的性能，导致AOI未能达到预期的检测效果，从而觉得AOI设备只是一种“昂贵的摆设品”。本文将从AOI的工作原理、如何评估AOI系统和如何根据具体情况配置AOI系统等几个方面作探讨。
一、    认识AOI及其工作原理
1、  定义：
自动光学检测仪（AOI-Automated Optical Inspection）是应用于表面贴装（SMT-Surface Mounted Technology）生产流水线上的一种自动光学检查装置，可有效的检测印刷质量、贴装质量以及焊点质量。通过使用AOI作为减少缺陷的工具,在装配工艺过程的早期查找和消除错误,以实现良好的过程控制。早期发现缺陷将避免将不良品送到后工序的装配阶段,AOI将减少修理成本将避免报废不可修理的电路板.
2、主要特点：
1）高速检测系统，不受PCB贴装密度影响；
2）快速便捷的编程系统，图形化界面，所见即所得，运用贴装数据自动进行检测程序编制；
3）针对不同的检测项目，结合光学成像处理技术，分别有不同的检测方法（检测算法）；
4）在被检测元件的贴装位置有偏移的情况下，检测窗口会自动化定位，达到高精度检测；
5）显示实际错误图像，方便进行工人进行最终的目视核对；
6）统计NG数据分析导致不良原因，实时反馈工艺信息。
二、AOI工作原理：
AOI经过十几年的发展，技术水平仍处于高速发展阶段，如何实现最佳的检测效果，一直是各AOI厂商不断攻关的技术话题。目前国内市场上可见的AOI品牌众多，每种AOI各有所长；每个品牌的AOI优势主要体现都取决于其不同的创新核心软件算法，通常采用的软件算法有:模板比较、边缘检查、灰度模型、特征提取、固态建模、矢量分析、图形配对和傅里叶氏分析等，但尽管算法各异，AOI的运作原理基本相同。如图所示：
 
    从上图看到，塔状的照明系统给被检测的元器件予以360度全方位照明，然后利用高清晰的CCD摄像机高速采集被检测元器件的图像并传输到电脑，专用的AOI软件根据已经编制的检测程序进行比较、分析；判断被检测元器件是否符合预订的工艺要求。简单来说AOI检测元器件的过程就是模拟工人目视检查SMT元器件，是将人工目视检测自动化、智能化、程序化。

    图像获取就是用CCD摄像机把物体表面的光信号转换成为电信号送入图像采集卡。图像采集卡将图像数字化送入计算机，这个过程很直观，容易理解。那把图像送入计算机之后，AOI是如何检测元件的质量呢？下面以ALeader  AOI举例说明：
ALeader AOI是“东莞神州视觉科技有限公司”在2002年开始研发的，2004年便制造出中国第一台可以媲美国外的AOI设备，在国内AOI发展中起到了不可替代的作用，他们完全摒弃一些传统AOI的计算模式，采用自主创新的统计建模技术、光学原理以及图像比对原理：
1、光学原理：
   采用环形塔状的三色LED光源照明，由不同的角度射出红（R）、绿（G）、蓝（B）以及三色光组合得到的白色（W）光分别投射到PCB上，对被测元器件予以360度全方位照明。通过光的反射、斜面反射、漫反射分别得到元件本体、焊点、焊盘的不同颜色信息。如下图所示：

 

   焊盘的表面光滑，红色光在其表面产生镜面反射，而大部分蓝色光则反射出，因此焊盘得到的颜色为红色或者黄白色。
蓝色与黄色光都在其表面产生漫反射，根据调色原理，蓝色与黄色调和得到白色光，相当于原件本体接受了白色光照，因此原件本体显示为本身的颜色
焊点（锡膏）通常形成一个斜面，这样，大部分黄色的光通过斜面反射出去，而蓝色的光则通过反射进入镜头，所以得到的焊点颜色为蓝色

 
2、图像比对原理：
它是通过CCD摄像机抓取，再经过图像处理（即根据像素分布、亮度和颜色等信息转化成为我们所需要的数字信号）。将这些数字信号通过某种数学计算方法得到一个标准的误差阀值，然后将每个被测试的图像得到的阀值与系统中已修正好的标准阀值进行比较，如果比较结果小于标准阀值则该图像通过检测，否则判别为不合格。
3、 统计建模技术：
上面提到的一个待测图像需要与系统中的标准图像进行比较，那么标准图像就是通过“统计建模”所得到的。通常，ALeader AOI经过学习一系列合格图像的模板，让计算机自动记忆所有OK图像的大致特征，得到图像的外形变化以及未来可能发生的变化方式特征，生成一副多元化的合格图像模型。如下图所示：

收集了所有OK样本的变化规律
 


三、如何评估和配置AOI系统：
我们知道，目前的AOI分为离线式AOI（Off line）和在线式AOI（In line）两种。笔者在与客户沟通时，经常会与工程师们谈起选择用在线AOI还是离线AOI的话题；其实，具体用在线AOI还是离线AOI的必须要根据自身的实际情况去权衡；如果是小批量、多Model，转线频繁的厂家采用离线式AOI是最佳选择，因为检测速度可以满足1.5条高速贴片线的需要，且易搬动，可以灵活对应对任何工序的检查需要；在线式往往固定于某一工序检查，一般应用于长期固定的品种检测上面，这样免去了程序调试的时间、提高了设备的使用率和稳定性。
另外，把AOI运用在哪个工序进行检测的话题也始终在讨论。AOI在SMT中的应用主要有三个典型的位置，分别是：锡膏印刷或点胶后、贴片后以及回流炉后。应用在不同的工序，所检测的项目和重点也不一样，如何运用AOI来提高品质、降低不良，应该根据自身的工艺水平和难点进行配置，如下图所示：

印刷机后：通常来说，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PCB上的焊接缺陷。大多数2-D的检测系统便能监控锡膏的偏移和歪斜、不足的印刷区域以及溅锡和短路等。

贴片后检测：可以有效防止元件的缺失、极性、移位、立碑、反面等等。
回流焊接之后：位于生产线的末端，检测系统可以检查元件的缺失，偏移和歪斜的情况

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