JET PCBA 檢測設備

光學檢測技術在SMT產線之應用



前言

對電子產品的而言，電路板組裝PCBA(Printed circuit board assembly)是最基本也是最重要的環節。電路板組裝基本上是透過焊錫將電子零件焊接於電路板上，組裝過程可藉由人工插件焊接或以自動化方式來完成。自從電子消費市場普及化後，產量、產值、市場佔有率以及規模逐年不斷的提升，以往人工穿孔插件的方式已不符合產能與成本的考量，而表面組裝技術(Surface Mount Technology，以下簡稱SMT)就是改變傳統插件組裝方式的重要變革，也是近二十年來電子工業最重要的發展之一；其兼具構裝技術與自動化生產的優勢取代傳統的手焊組裝，滿足現今廣大的電子消費市場需求。

1. SMT 產線

SMT是將電子零件快速的黏著於電路板表面上，主要製程設備以錫膏印刷機(Screen printer)、打件機(Pick-place，或稱置件機)與迴焊爐(Reflow oven)為主，被視為生產必要設備。錫膏印刷機是將錫膏透過鋼板(Stencil) 印刷在需要焊接零件的焊墊上，再經由打件機以精密的機械動作，將零件快速搬移並貼裝在設定的焊墊位置，使零件輕微黏住焊墊上的錫膏。最後，將電路板送進迴焊爐，依序經過預熱區、浸潤區、迴焊區與冷卻區。其目的是熔融焊墊上的錫膏(無鉛焊錫Sn/Ag/Cu 96.5/3.0/0.5的熔點為 217^oC)，使零件腳與電路板形成共金現象(Intermetallic compound，IMC)，最後將電子零件固定焊接在電路板上。焊接過程是SMT製程中重要的技術之一，焊點所呈現的焊錫性（Solderability）直接影響組裝品質與可靠度。



1.1 製程管制

1980年代中期全球SMT產線規模逐年增加，當時為了確保產品的品質，大多數產線會排定目檢人員，以目測或藉由手工視覺檢驗(MVI)方式檢查重點零件的缺件或極性等外觀缺陷；甚或利用在線測試機(In-circuit tester，簡稱 ICT)量測或檢測電路板上電子零件的電阻、電容、電感等基本特性以及開短路(Open-short)測試，以判斷這些零件經過高溫迴焊爐之後功能有否損壞。而隨著電路板多功的設計需求， BGA 與 CSP等封裝晶片IC廣泛應用於電路設計中。ICT 除了零件的基本特性測試之外，更提供電路板電源模擬電路板實際開機的情況，啟動程式執行功能測試(Function test)並測試IC 元件的開路與短路，藉以提升電路板製作之品管能力。在AOI出現以前，ICT為SMT產線主要的測試設備，但隨著元件小型化，電路板設計的高集成度及高密度化趨勢，使ICT測試點、下針點的空間不足，造成測試覆蓋率低，這些因素加快了AOI的導入及市場需求。到了1990年代，應用於電路板外觀瑕疵檢測的AOI設備已初具規模，但複雜的操作介面與繁複的編程調試，使產線工程師往往刻意逃避不使用，或者無法充分完整的編程調試，導致設備性能無法達到預期的檢測效果。而其昂貴的價格更使一般的電子製造廠敬而遠之。所以，儘管AOI檢測優於人工目檢，具有更高的可重複性與更快的檢測速度，但在2000年代前期，仍有大部分電子製造廠商依然依賴於人工目視(或 MVI)檢查。
2000年代中後期，由於消費市場傾向輕巧與性能兼具的電子產品，於是0201與 01005細小被動元件(電容、電阻及電感等)以及微細腳距(fine pitch)IC廣泛應用於電路設計中。直到2018 年，甚至出現了更為細小的03015((0.3 x 0.15mm)元件，而這樣的微型化製程導致電路板組裝過程容易產生缺陷；這些缺陷可能來自於錫膏印刷機、打件機或迴焊爐等三個主要生產環節。因此，對每個環節進行品質監測愈來愈受重視。再者，由於電腦視覺的發展加速影像與訊號處理的速度、以及軟體演算法與使用介面技術的成熟，大大提高AOI的性價比(性能/價格)。不同於過去被電子製造廠商或操作工程師所詬病之情況，現今大部分SMT產線已將AOI視為生產與品質保證的技術手段，被廣泛應用在各種離線(Off line)和在線(In line)用途上。


雖然不同的生產環節，AOI的檢測項目各有差異，然其目的都是用來預防和發現各種與焊接有關的缺陷。而如何針對各環節可能產生的缺陷進行有效的檢出，則取決於不同類型AOI所體現的核心技術與演算法。


1.2 AOI 的工作原理
AOI是藉由光源與CCD感測器的方式獲得元器件的圖像，經數位化處理與分析後，以圖像比對技術進行產品生產時的檢驗、量測、辨識、導引與定位等功能。在不需電子量測且不破壞產品的情況下，為有效檢出元器件或焊點缺陷以提昇SMT產線良率，通常配置AOI在印刷後、爐前與爐後等三個位置。印刷後的AOI常被稱為SPI (錫膏檢測機，Solder paste inspection)，因為它被用來監控錫膏印刷的品質；而配置在爐前與爐後的AOI分別以爐前AOI(Pre-reflow AOI)與爐後AOI(Post-reflow AOI)。錫膏印刷是SMT決定產品最終焊接品質的關鍵步驟。印刷錫膏所須調適的參數(變數)就高達40個，每個參數之間的相關性很難去連結，是一個複雜又很難處理的製程。印刷品質的最好的預測元素就是錫量，如何保持不斷重複且連續一致的印刷錫量是一個挑戰。



電路板元件微小化趨勢，使0201 與01005等被動元件、以及QFP、TSOP、PLCC、SOIC、BGA、QFN 等微細腳距封裝等級的IC大量被採用。細小零件與零件間距的微小變化，使鋼板開孔、錫膏流變與程式控制也必須隨之調適，維持製程穩定並不容易。為確保焊接點的可靠性，這些微小零件與微細腳距在焊墊位置的錫量(Solder paste volume)必須隨時掌握。錫量就是錫膏體積，而體積的計算必須藉由三維檢測先取得高度資訊，同時搭配二維檢測功能取得錫膏印刷面積；由此可得知錫量的多寡，其目的在於印刷品質的管控。而錫膏印刷偏位、貼片製程的準確性以及爐後焊點（Solder joint）的缺陷判定，則由二維檢測來達成。
 

1.2.1. 二維檢測技術 (2D inspection)

在電路板組裝的貼片和焊接過程中，缺陷不可能完全避免。打件機貼片過程可能造成的缺陷包括缺件、錯件、偏移、極反、扭轉(Skew)以及IC 引腳翹曲變形等。而焊接過程可能造成的缺陷包括空焊、冷焊、少錫、無錫與短路等。為檢出缺陷，爐前或爐後配置AOI是最常見的解決方案。

AOI大多採用環形塔狀的LED照明方式，對待測物件予以高低不同角度的環狀照明。光源大致分為白光和彩色光兩種；白光採用 256(0~255)層次的灰度，彩色是用紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色光。光線照射到元器件/焊點的表面之後，反射(或漫射)到CCD感測器中，取得元器件本體、焊點與焊墊(Pad)的圖像資訊。根據所設定之檢測範圍(檢測框)的圖像分佈、亮度和顏色等訊號特徵建立標準數位化圖像(或圖像資料庫)，再與實際檢測到的圖像進行比較，從而獲得檢測結果。標準數位化圖像是將使用者認定合格(OK)的元器件/焊點(合格樣本)，利用圖像數位信號以數學方式設定一個標準閥值；之後，每個被測試的圖像得到的閥值與系統中所界定的標準閥值進行比較，根據比較結果判定該圖像為通過檢測(OK)或是不合格(NG)。此法被稱為圖像比對原理(Pattern recognition)，常被應用在SMT爐前與爐後檢測。
一般情況下，單一樣本無法滿足複雜製程，完整的AOI編程必須經過一系列合格圖像樣本的學習。也就是說，合格圖像必須同時考慮圖像的外形特徵，以及未來可能發生的變化方式，在演算邏輯上加強顏色分析、灰階分析與相似性分析(統計樣本技術，Statistical template modeling)使圖像資料庫成為多元化的合格圖像模型，提高AOI檢出效能。

1.2.2. 三維檢測技術 (3D inspection)

二維檢測只能檢測平面(X-Y平面)缺陷，三維檢測必須由側面照射光源以取得Z軸方向高度資訊。目前市場上應用在錫膏檢測的技術以雷射三角量測法與相位移法(Phase shifting) 最為常見，兩者都是以結構式光源的方法進行。相位移法是一種將光強度訊息轉換成相位訊息的方法，應用上可分為面掃瞄和線掃瞄；而雷射三角法只能以線掃描方式進行。雷射感測器之解析度與投射之雷射光線寬有關；越細的雷射線寬，解析度越高，但也相對縮短了雷射線的掃描長度，降低單位面積的檢測速度。再者，雷射的同調性易衍生光斑問題，使感測器得到的影像資訊不精確，造成高度計算錯誤。而相位移法兼具量測精度與檢測速度的方式，普遍受到SMT業界的認同。
相位移法是透過正弦光柵(Sine Pattern)投射一疊紋至待測物表面上，物體表面的高低起伏造成投射上去的疊紋圖案扭曲變形。利用CCD以面掃瞄或線掃瞄方式，在固定的位移量(相位移)取得干涉條紋的光強度分布並進行相位分析，依此推算每個像素的高度，重建整個物體表面之三維形貌，是一套精確且重現性高的量測方式。為了求得相位資訊，每個像素至少要取得三張不同相位偏移量之正弦光柵的光強度影像。而其量測解析度與疊紋間距、鏡頭放大倍率以及投光角度有關。
在考量產能與檢測精度情況下，四個相位的相位移法最適合應用在SMT產線。所謂四個相位就是將條紋週期分成四等分，相當於相位移量等於π/2。以此相位移量依序取得I_o、I_π/2、
I_π 與I_3π/2 等光強度資訊，錫膏高度便可依據下列計算式求得。Kc 為高度校正參數，由標準高度塊規反推求得。


1.3 AOI 的製程工序

所謂的爐前AOI，一般是打件機在電路板貼片之後，進入迴焊爐前做檢查；而爐後AOI，一般是在電路板過迴焊爐爐後做檢查。兩者其實是互補的，針對產品發展和生產需要而有所選擇。由於在爐後的缺陷覆蓋率能達到最大，所以大部分代工廠通常將AOI放在爐後，以實現焊後(焊點)檢驗，不合格的電路板就進行重工(Rework)或報廢。可是，重工所付出的成本代價同時導致生產週期的延宕，將更逐漸縮小本來利潤就不高(%3~%5)的SMT代工產業。如果缺陷在爐前發現，就沒有焊接點可靠性的問題，反而是一個節省成本和提高可靠性的機會。也就是說，爐前測試可以預防或者降低焊接缺陷，而爐後則負責最終焊接品質的檢測。特別是與IC相關的缺陷，細小間距使爐後缺陷的維修與重工困難，常會造成報廢，是一種無形的成本支出。
不論是爐前還是爐後檢測，有缺陷就必須維修或重工，之後還要重新檢查和測試。缺陷發現越晚，所付出的代價越高。回朔缺陷的根源，檢查(監控)錫膏印刷是一項最佳的選擇方案。有許多因素導致印刷製程不良。如錫膏開罐後放置時間過久，表面乾燥形成錫塊堵塞鋼板開孔；或者，印刷週期之間的延時(或印刷機停止運作時間過長)，引起殘留的錫膏或助焊劑幹結在鋼板開孔的側壁，減少開口尺寸，在進行下一次印刷時錫量會明顯偏低。因此，及時揭示不好印刷參數，事先採取調試步驟，可免於爐前或爐後耗時而繁瑣的重工程序。
 
1.3.1. 錫膏印刷檢測 (Solder paste inspection, SPI)

錫膏印刷是電路板組裝製程的第一個環節，也是電路板焊接好壞的基礎。錫膏的印刷品質與過迴焊爐之後的焊錫性息息相關。根據統計，電路板組裝約有50～60%的瑕庛出現在印刷階段，其中以空焊(錫量過多)、少錫、漏印(無錫)、偏移(Shift)與焊錫短路(Short)最為常見。錫量的多寡必須藉由三維(3D)檢測技術計算印刷錫膏的體積，而偏移與焊錫短路則屬於二維(2D)檢測的範疇。因此，一套完整的SPI系統應同時具備二維與三維檢測功能，方能對上述缺陷發揮檢出效果，確實監控印刷品質。
印刷缺陷若不提早預防，而在迴焊爐之後發現，將會導致維修上的困難而投入更多的人力與時間，同時也會影響維修後品質，嚴重的將會使整個電路板無法維修而形成廢板。因此，基於成本與品質考量，越來越多產線在印刷機之後配備SPI (Solder paste inspection) 監控錫膏印刷品質，並對缺陷數量和種類進行分析，早一步發現出可能導致不良發生的潛在原因，藉此調校設備與製程參數，預防未來可能發生的問題。
對於主機板製造商而言，由於微細腳距的IC 元件應用非常多，以SPI檢測BGA焊墊位置上的錫膏是必要選項--因為這是可藉由錫膏檢測以預測BGA錫球焊接品質的唯一機會。如果沒有配置 SPI，就必須要在迴焊爐後透過 X-Ray檢測BGA錫球的焊接效果，但檢測速度通常無法滿足100% 產品全檢的需求。
面對今日大量生產與多樣化的生產環境，線上SPI必須同時滿足快速、簡易操作，並提供符合成本效益與最高效能的檢測需求。目前市場上應用在錫膏檢測的技術以相位移法(Phase shifting) 為主，其精確與快速的演算方式，普遍為SMT業界所接受。
 
 
1.3.2. 打件機的貼裝檢測 (Pre-reflow AOI)

打件機是以精密的機械動作，快速地將元件貼裝在焊墊位置。而快速的貼裝過程常使電路板出現拋料、缺件、錯件以及元件反面、側立、極反與偏移等瑕疵。雖然這些缺陷也可以在爐後進行檢出，但從成本的觀點來看，元件貼裝的缺陷若能提前在迴焊前先行檢出並修正，投入的維修人力與工時會更精簡。此外，爐前的檢修無需動用烙鐵並可避免高溫的操作，也相對降低影響品質的風險。再者，此時電路板上只有元件與錫膏兩種外加物件，圖像的判斷與處理比迴焊後複雜的焊點檢測所應用的邏輯與演算法相對簡單，因此誤判少檢出率高。尤其是應用較多0201與01005等被動元件或微細腳距IC元件之電路板，對迴焊前的瑕疵檢出特別重視。因為小零件在迴焊後的維修不易，工時成本增加，電路板品質與穩定性也會間接受到影響。尤其手機製造廠，除了微型元件的大量應用外，為減少電磁干擾，在電路板上安裝遮罩，使部分元件無法在爐後被檢測，這也是為何大部份手機廠都會配置爐前AOI的原因之一。



1.3.3. 迴焊爐後的焊點檢測 (Post-reflow AOI)

爐後的AOI檢測是SMT外觀檢查的最後一步，檢測著重在焊錫外觀，是最早被電子製造商應用在產線的光學檢測設備；藉由焊點外觀進而判斷空焊、冷焊、少錫、無錫、短路。由錫膏印刷、元件放置到迴焊過程總結的瑕疵，在這一站都可藉由爐後AOI全部一次檢出。
然而，爐後AOI最大的缺點是有些元器件/焊點因位在鄰近較大元件旁，導致照明無法完整投射，使感測器所取得的圖像灰階不明顯，此情況就比較容易出現誤判(False reject)。這些問題或許可以使用不同照明角度或顏色的光源來加以彌補，但如果被測物件被其他元器件完全遮蔽(如遮罩框架)，或是元件底下的焊點(如BGA)，往往就會因為AOI檢測不到而漏了過去。所以，電路板組裝生產線，通常在爐後AOI之後會配置ICT進行開、短路之功能測試。而針對BGA以及CSP等焊點隱藏之元件的檢測，有些產線甚至會額外配置 AXI(Auto-Xray inspection)隨線檢查焊點的品質。
儘管AOI有上述的限制，不過就時效性而言，AOI對製程問題的即時分析與回饋，可以有效提高SMT的產出良率。而經ICT測試所發現的問題，反應給產線到製程改善通常已是數小時之後，那時候的SMT製程狀況通常已經改變，甚至已經換線；所以就品質管控的角度來看，爐後AOI確實有其存在的必要。至於AXI，目前應用大多以離線式(off line)檢測為主，很少用到線上檢測。原因除了設備價格高之外，檢測速度慢、缺陷檢出能力差、誤判多也是主因。而隨著BGA的廣泛應用，對BGA的檢測甚至要求100%全檢測，採用AOI與AXI兩種技術相結合的測試策略已成為發展趨勢。
 
1.4  AOI與SPC 的整合應用

在生產過程中，由於人、機器、材料、方法和環境（4M1E）等基本因素的影響，產品製程的變異是不可避免的。這些因素對製程的影響較小，其變異符合穩定的隨機分佈且可被控制在規格範圍內。但有些因素所引起的異常變異卻對產品品質影響很大，如材料發生了變化、工具損壞或來自於經驗不足的操作，必須採取措施去避免和消除。SPC(統計製程管制，Statistical process control) 就是利用數理統計的方法對生產過程實施管制，透過數據分析，對製程的異常變異及時提出預警並採取改善措施，提供持續品質以及預防缺陷的製程決策依據，是生產過程中控制穩定產出的主要工具之一。將AOI測試結果，應用SPC系統建立一系列統計圖表，從統計資料上檢視製程的變化趨勢，並據此找到所對應的設備或製程缺陷的潛在風險，及時地排除以達到“預防問題發生”的目的。
為使AOI/SPC能有效應用於生產線上，AOI系統必須具備精確的檢測能力與低誤判率，方能提供線上工程師正確地調適設備製程參數。誤判率通常和缺陷的類型有關，如缺件和空焊屬於二元性缺陷，標準閥值(Threshold)界定明確；而元器件偏位和錫量不足等缺陷之標準閥值則有一個判定範圍，常因工程師經驗或其他主觀因素而有不同的判定結果。在一般的情況下，製程變數越多，範圍的界定也更複雜，誤判可能性也就相對提高。也就是說，爐後AOI的檢測誤判率相對高於爐前AOI與印刷機之後的SPI。因此，選擇在印刷、貼片、回焊爐後進行SPC製程管控，成效也會有一定程度的差異。



如之前提到的，錫膏體積(印刷品質)焊點品質之間有著直接的關係。雖然有些印刷缺陷可以藉由爐前AOI檢出，但其測試覆蓋率不如SPI完整。此外，對於BGA和CSP來說，貼片之後焊點就不可見，如果錫量不足將導致50%以上的返修成本、廢棄成本與整體產品品質的問題。因此，將整板焊點進行線上100% 檢測，可利用SPC線上系統隨時監控印刷製程的任何細微變異，對製程能力進行統計分析並提供最佳化參數回饋印刷機，以調適擦網頻率、刮刀壓力、刮刀速度、脫模速度、脫模距離等印刷參數。根據最佳化後的調試結果，將有助於提高直通率、維持穩定的印刷品質，並可避免印刷缺陷遺留到後道工序，從而減少廢棄和返修。再者，經SPC統計分析的錫膏印刷偏移的資訊，更可作為打件機進行元器件貼片時的位置補償，使貼片位置更接近錫膏的印刷位置。
 
1.5  結語

AOI自動光學檢測的應用市場規模正飛快擴大。2013年AOI業務在整個亞洲，特別是中國，幾乎呈直線倍增式增長。隨著加工製造業的發展，不論是自有品牌製造商或是OEM廠，在解決了生產自動化的問題以後，生產重點逐漸轉移到測量和零件識別等AOI相關的應用。設備性能的提升離不開自動化，AOI技術的發展必須結合實際生產情況來進行應用，才能真正提供一個完整的解決方案。
AOI導入SMT產線已有數十年時間，但分析處理的相關軟體技術仍持續不斷演進。雖然具有比人工檢測更高的效率，依然存在誤判、漏判的情況。目前AOI在實際使用上所出現的問題有：
(1)AOI編程複雜、繁瑣且調整時間長，不適合小型OEM廠、產品產量少種類多的生產單位。
(2)門檻值的標準界定不同，導致誤判。
(3)元器件上的字元顯示方式因不同製造商(供應商)而有較大差異時，易導致判斷準確性。
(4)電路板防焊層顏色與元器件顏色太相近，容易引起缺件的漏判。
(5)遮罩遮蔽點的檢測問題。
(6)嚴重的腳翹(或腳變形)可以經由光源反射的明暗不同來判斷。但輕微腳翹(或腳變形)的檢出則取決於工程師的經驗值，漏判時常引起爭議。 
在 SMT業界有很多不同組裝生產線上的應用實例。今天的AOI檢測系統透過檢測缺陷的手段改善製程，使用戶成本降低、增加利潤、提高組裝品質水準。而在節約成本的同時，所交付產品的長期可靠性提高所帶來的聲譽更是無價。因此，就市場層面來看，AOI的需求將會隨著終端使用者對品質的要求快速成長。然而，單藉由AOI加強檢驗來保證品質的方式，往往僅能對產品進行消極性的修護、報廢等方式處理，而無法真正達到預防製程不良的目標。而SPC統計製程管制的目的，在於將生產線的品質狀況以統計分析的手法，能夠及時發現並排除造成製程不穩定的因子，達到穩定製程和產品品質、降低不良率的目的。(以上 授權轉載自 捷智科技)