Технологии за 3D автоматизирана оптична инспекция в електронното производство

В електронното производство от години се използват триизмерни измервателни технологии, предимно при инспекцията на нанесената спояваща паста (флюс) - solder paste inspection, SPI - например за измерване дебелината на нейния слой. Тези 3D системи използват различни техники за изчисляване обема на пастата, депозирана върху всяка контактна площадка, сред които лазерна триангулация, профилометрия с фазово изместване (phase shift profilometry) и др.

Прилагането на такива технологии през последното десетилетие е довело до значително оптимизиране на процеса по отпечатване на спояваща паста, сочат данните от проучване на списание Global SMT & Packaging. Темповете на внедряване на триизмерни SPI системи в електронната индустрия са нараснали от 15% за всички SMT линии за повърхностен монтаж на печатни платки в глобален мащаб през 2006 г. до близо 60% покритие на пазара през 2016 г.

Предизвикателства при инспекцията на спойки
Дали начините за измерване, използвани за изчисляване обема на спояващата паста, могат да бъдат приложени и в инспекцията на спойките, зависи основно от технологията, на която са базирани. Сред факторите, усложняващи инспекцията, са кривината на спойките, както и лъскавата им, отразяваща повърхност. Тези особености затрудняват лазерите при "картографирането" на всички зони от инспектирания обект. При използването на бяла или цветна светлина като елемент от набора измервателни технологии, се наблюдава директно отражение (specular reflection). Този ефект възпрепятства получаването на достатъчно информация за дадени зони при инспекцията на печатната платка. С цел преодоляването му се използват множество светлинни проекции на лазерния лъч с различна посока.

Двуизмерни технологии за автоматизирана оптична инспекция
Двуизмерната автоматизирана оптична инспекция се прилага в електронното производство от повече от четвърт век. AOI технологията е алтернатива на ръчната инспекция на асемблираните печатни платки, която се е наложила в практиката през годините. Големият брой компании, които предлагат решения за автоматизирана оптична инспекция, е доказателство за важността на процеса по инспектиране на спойките на печатните платки в края на линията за асемблиране. По данни на списание Global SMT & Packaging, такива технологии днес са интегрирани в над 90% от линиите за повърхностен монтаж на компоненти по целия свят.

При 2D системите за автоматизирана оптична инспекция светлинните лъчи се насочват към инспектираната зона от платката от множество различни ъгли, а качеството на инспекцията зависи от контраста (например при измерването на разположение и полярност на елементите) и от местоположението на отражателните точки (при инспекцията на спойки). Дори AOI системата да използва множество камери и ъгли на видимост, резултатите от инспекцията зависят до голяма степен от това до каква степен инспектираните обекти могат да бъдат осветени.

Компонентите с по-голяма височина хвърлят сянка върху тези с по-малка височина, както и върху спойките. Различните условия на осветеност, които се получават в резултат на това, изискват при програмирането на AOI системата да се зададат настройки на инспекцията за всеки отделен компонент в зависимост от осветяването. Така един и същи вид компоненти на една и съща печатна платка могат да бъдат инспектирани с различна прецизност по отношение откриването на дефекти и така да се допуснат пропуски или некоректна оценка на находките.

3D измервателни приложения
Предимствата на триизмерните системи за автоматизирана оптична инспекция са свързани с възможностите на измервателните технологии, на които са базирани. Те са в състояние да измерят обема на всяка видима спойка и всеки електронен компонент върху печатната платка на базата на габаритните им размери. Измерванията в триизмерното пространство не зависят от цвета и яркостта на пикселите, отразени от кривината на спойката при осветяването (както е при двуизмерните технологии).

На пазара на AOI системи в наши дни са достъпни решения с различна 3D функционалност. Всички те предлагат възможности за 2D инспекция и осветяване, както и допълнителни инструменти и технологии за измерване в триизмерното пространство. Противно на общото схващане, полярността на компонентите (например на резисторите) обикновено е геометрична особеност, а не просто характеристика, свързана с печата. Скосяванията, гънките или ъглите могат лесно да бъдат измерени в триизмерен план, вместо да се разчита на инспекцията на разликите в цветовете и наситеността на печата върху повърхността на платката.

3D AOI инспекцията като алтернатива на двуизмерната технология
Някои AOI системи за електронното производство предлагат възможности за триизмерна инспекция само на някои характеристики на компонентите, например на тяхното разположение върху платката. Останалите характеристики трябва да бъдат измервани чрез конвенционални 2D методи. Този подход не е съвършен от гледна точка на прецизността на измерването, тъй като спойките са триизмерни структури, и то доста комплексни. Прилагането на двуизмерни технологии за инспекция на спойките – едни от най-критичните елементи на печатните платки, отдавна не е рентабилно, тъй като 3D технологиите гарантират много по-прецизна инспекция.

Усъвършенствано качество на инспекцията
Прилагането на техники за триизмерна инспекция на възможно най-много характеристики на електронните компоненти осигурява по-добро качество на инспекцията и технологичния контрол при насищането на печатни платки. Чрез измерване на размерите на компонентите посредством 3D техники лесно може да се установи дали надвишават зададените прагови стойности и съответно дали са дефектни. При тази методика резултатите са буквални и не подлежат на интерпретация, не се изискват познания по обработка на изображения и рискът от погрешно разчитане на данните от инспекцията е сведен до минимум. Това позволява директно транслиране на изискванията към качеството на компонентите в универсални прагови стойности на габаритните размери, подлежащи на AOI измерване.

При 2D системите невъзможността за измерване на височината прави откриването на по-високи от допустимото компоненти и схеми сравнително трудна. Технологиите за триизмерна автоматизирана оптична инспекция позволяват измерване на величини и по оста Z, следователно осъществяване на профилометрия на цели асемблирани печатни платки.

В някои приложения данните от 2D и 3D AOI инспекцията се обединяват с цел по-добро визуализиране на елементите на печатната платка. Сред факторите, обосноващи закупуването и внедряването на система за триизмерна оптична инспекция в линиите за повърхностен монтаж на компоненти, са възможностите за свеждане до минимум на дефектната продукция и отпадъчните материали от процеса, елиминиране на разходите и времето за повторна инспекция.