自动光学检查

自动光学检查（英语：Automated Optical Inspection，简称AOI），为高速高精度光学影像检测系统，运用机器视觉做为检测标准技术，作为改良传统上以人力使用光学仪器进行检测的缺点，应用层面包括从高科技产业之研发、制造品管，以至国防、民生、医疗、环保、电力…等领域。

简介自动光学检查(AOI, Automated Optical Inspection) 为工业自动化有效的检测方法，使用机器视觉做为检测标准技术，大量应用于LCD/TFT、晶体管与PCB工业制程上，在民生用途则可延伸至保全系统。自动光学检查是工业制程中常见的代表性手法，利用光学方式取得成品的表面状态，以影像处理来检出异物或图案异常等瑕疵，因为是非接触式检查，所以可在中间工程检查半成品。

AOI是最近才兴起的一种新型测试技术，但发展迅速，很多厂家都推出了AOI测试设备。以SMT检测为例，当自动检测时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整。1

定义运用高速高精度视觉处理技术自动检测PCB板上各种不同帖装错误及焊接缺陷。PCB板的范围可从细间距高密度板到低密度大尺寸板，并可提供在线检测方案，以提高生产效率,及焊接质量。

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坏板送到随后的装配阶段，AOI将减少修理成本将避免报废不可修理的电路板。

优点PCB的检测最早采用人工目测方式, 随着高密度电路布线和高产量的要求, 人工目测方式不能满足可靠性的要求, 重复、单调、严格的检测任务的最好解决方案是采用自动检测系统。而 AOI 可满足在生产线上对 PCB 全面检测。 AOI 系统能够检测下面错误: 元件漏贴、钽电容的极性错误、焊脚定位错误或者偏斜、引脚弯曲或折起、焊料过量或者不足、焊点桥接或者虚焊等。 AOI 不仅能检查人工目测无法查出的缺陷外,AOI 可检测到在线测试中针床无法接触到的元器件和焊接点, 提高缺陷覆盖率。 AOI 还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集, 反馈回来, 供工艺控制人员分析和管理, 降低 PCB 废品率。

光源和镜头在对物体的检测过程中, 光源起着决定性的作用。常见光源有: 白炽灯、卤钨灯、气体放电灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯、脉冲灯、 LED 光源, 激光等。

从性价比来考虑, 白炽灯光源 AOI 是一般企业较佳选择, 如果参数编辑恰当, 假缺陷误报会大幅度降度, 漏检率也很低。选用高亮度 LED 作为光源有以下优点: 光的单色性好, 便于提高测量精度, 安装空间较小, 可以根据对照明光强的实际需要方便地增加和减少 LED 数目。至于冷光源, 是一种近段时间发展起来的新型照明光源, 用光导纤维传光束( 简称光缆) 将其发出的光束传至照明的地方。它的输出的可见光具有基本上无热量、高强度、无阴影、无震动、多级可调光等优点。激光 (Laser) 光源是当前的 AXI 检测系统采用的光源, 利用激光光源可以检测出 BGA封装的内部缺陷。

比较当前一些著名 AOI 生产厂家对镜头的选择。Omron, MVP 和 Agilent 的 AOI 都采用了单一镜头。其中,Omron 镜头摄像采用了 CHS ( Color Highlight System ) 专利技术; MVP 的公司 AOI 采用的是高灵敏度和性能的镜头; 安捷伦 SJ50 采用 SSM 技术的单一高解析度镜头; 而 Teradyne 的 AOI 通常有 5 个摄像头, 四个倾斜的和一个垂直的, 由于其 AOI 在同一位置扫描5 次, 因此极大的提高了测试的覆盖率; CyberOptics 的AOI 采用一组或两组镜头, 可以多达 9 个到 18 个。

放置位置AOI 被放在 SMT PCB 生产线上的四个不同生产步骤后的应用。 (1) 锡膏印刷之后, 主要检查焊膏印刷的情况; (2) 片式元件贴放之后, 以检查贴片的正确与否, 可以较早地发现错误, 减少成本; (3) 芯片贴放之后, 检测系统能够检查 PCB 上缺失、偏移、歪斜的芯片及芯片极性的错误; (4) 回流焊接之后, 在生产线的末端。可以检测系统可以检查出元件的缺失, 偏移和歪斜及元件极性缺陷。AOI 四个检测位置中, 锡膏印刷之后、 ( 片式 ) 器件贴放之后和元件贴放之后的检测目的在于预防问题,在这几个位置检测, 能够阻止缺陷的产生; 在回流焊接之后的检测, 则目的在于发现问题。预防问题 AOI放置在炉前, 发现问题 AOI 放置在炉后。当前来说, 炉前的 AOI 比炉后的 AOI 重要, 但炉后的检查特别是焊点类不良的检查是 AOI 的检查的难点, Teradyne 的Optima7000 系统就侧重于炉后的检测。更多的 AOI 都具有很大的弹性度, 安捷伦的 SJ50 与 SP50 ( 三维) 焊膏检测系统使用统一化平台, 可以互换照明头。 Omron和 Teradyne 的 AOI 都可以移到其它测试位置。

软件及其检测算法和SPCAOI 应用软件的开发是用户使用后体现其效果的关键。大多 AOI 检测系统采用了 PC 和 windows 操作系统, 而 MVP 选择了 LINUX和 UNIX 操作系统, 以增强其软件系统的稳定性。

近年来软件方面, 使用了很多电路板图像的检测算法, 这些算法大致可分为三大类: 有参考比较算法、无参考校验法以及混合型算法。有参考比较算法分为两大类, 图像对比法和模型对比法。这类方法算法简单, 容易实现, 但是它不容易检测线宽、线距违例等瑕疵。无参考校验法不需要任何参考图象, 它依据预先定义的 PCB 的设计规则来判断待检 PCB 图象是否有瑕疵, 如果它不符合设计规则, 就认为有瑕疵, 因此也称为设计规则校验法。这类方法虽然在榆测线宽、线距违例这类瑕疵时能够收到很好的效果, 但是其算法复杂, 运算量很大, 而且易漏柃线、焊盘丢失等大瑕疵。混合型方法是将有参考比较算法与无参考校验法混合使用, 在一定程度上克服了前两类方法的缺点,从而发挥它们各自的优点。比如, 模板匹配法与数学形态学方法结合使用, 或者连接表方法与数学形态学方法结合使用等。但当前这种方法还不足很成熟, 其算法复杂, 不能满足实时检测的要求, 且自适应性不够, 系统扩展能力差。当前 AOI 检测系统图像处理基本上采用的是参考算法, 国外进口品牌大多使用图像匹配、法则判别登多种组合手段。

AOI 检测系统的软件具有统计分析功能, 为工艺技术人员提供 SPC ( Statistical Process Control ) 资料。AOI 检测系统监控工艺流程质量, 与 SPC 工艺管理技术的结合, 及时提供反馈信息, 从而不断地优化生产流程中的各个参数, 使 SMT 生产工艺更加完善, PCB装配的成品率进而得到显著提高。随着现代制造业规模的扩大, 生产的受控性越来越重要, 对 SPC 资料的需求也不断增长。

公司AOI产品特点介绍和AOI国内发展情况安捷伦公司最新推出的 SJ50 系列 II 型 AOI 设备中应用了三维立体形状模型( SSM ) 技术, 它运用多角度成像, 生成逼真三维影像。由于采用了 SSM 技术, 因此在缺陷报警准确率方面有了很大的提高; 以一个单一、高分辨率的数码相机和高速的精密支架使分辨率始终保持在 20- 25 微米 / 像素, 兼顾速度和分辨率性能。

Cyberoptics 的 AOI 的一个特点在于其分析软件 ,只使用一个软件编程方法, 无论针对焊前或焊后, 都可使用完全相同的设备和软件, 无需进行镜头或传感器的更换; 另一个特点是机械设计非常简单, 由于镜头是固定不动的, 能减少由于运动部件过多引起的偏差或校准工作。

MVP 的第五代 AOI 平台 1820 ULTRA 采用了最新的数字相机技术。 1820 ULTRA 继承了 MVP 以往AOI 系统独特的单一镜头不停歇拍摄图像、简单机械结构等特点。 MVP 的 AOI 操作系统采用的是 Unix 或Linux , 拥有较高的稳定性和可靠性。

欧姆龙产品的主要特点在于它采用 CHS ( ColorHighlight System ) 的专利技术, 是仅此一个同时采用彩色光源, 彩色 CCD 摄像头和彩色图像处理的 AOI , 其采集到的包含了三维信息的图像, 作为检测判断的标准, 从而使它能实现对 0201 组件和无铅焊的检测。

Orbotech 的 VT- 9000E 系列在线光学检测系统,可以应用于电子组装的各检测阶段, 它同时具备 2D和 3D 技术。 Orbotech 同时拥有与其 AOI 产品配套的自动化智能制程控制的集成软件工具, 为制程工程师和管理人员提供更多的信息, 使其 AOI 产品在 SMT生产线中起到预防错误的发生的作用。

Teradyne 的 Optima7300 系统以检测面积大、密度高, 速度快为主要特点。一台 Optima7300 每小时可检测 250 块电路板。针对测试过程中板晃动的问题,Teradyne 的 AOI 通过激光校准和软件追附, 做到较好的补偿或抽样补偿。

国内的首台 AOI 检测系统品牌 Aleader 的 ALD-H- 350 , 2004 年 5 月在广东省东莞研发成功, 经过现场使用后 2005 年已经投入市场。该台 AOI 系统采用单一摄像头和特殊环形 RGB LED 光源相结合, 应用彩色图像比对方法和统计建模技术 . 可以高速准确检测如下缺陷: (1) 焊点缺陷: 锡多、锡少、连锡等; (2) 锡膏印刷缺陷: 有无、偏斜、少锡多锡、断路、污染等; (3) 零件缺陷: 缺件、偏移、歪斜、立碑、侧立、翻件、极性反、错件、破损等。它能够检测 450×350mm 超大检测范围, 最小高速检测组件大小为 0402 , 测试速度每秒超过 60 个组件。由于采用中文, 学习快捷; 图形化编程接口, 编程简单。并且可以终身保修。 Aleader 的 ALD-H- 350 是国内第一台真正意义上的电子贴片生产线自动光学检测设备。

另外, 北京星河公司已研制出 AOI 样机, 正在进行测试和改进。厦门福信光电集成有限公司也称其公司的 AOI 系统研制项目完成了控制软件的开发, 首台样机已经制作成功。1

应用AOI技术领域非常广泛，广义的AOI设备为结合光学传感系统、讯号处理系统及分析软件，应用层面可包括宇宙探测、航空、卫星遥测、生物医学、工业生产品质检测、指纹比对、机器人控制、多媒体技术。

狭义的AOI设备则指工业上急需使用，在IC及一般电子业、机械工具/自动化机械、电机/电子工业、金属钢铁业、食品加工/包装业、纺织皮革工业、汽车工业、建筑材料、保全/监视系统等。2

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学