Table des Matières
1.Qu'est-ce qu'une machine d'inspection optique automatisée dans l'assemblage de circuits imprimés ?
2.Inspection visuelle manuelle vs. inspection optique automatisée
3.Place de l'AOI dans la chaîne de production SMT
4.Fonctionnement d'une machine d'inspection optique automatisée
5.Défauts d'assemblage courants des circuits imprimés détectés par AOI
6.Paramètres clés des machines AOI que les acheteurs doivent connaître
7.AOI vs. SPI, rayons X, ICT et FCT
8.Questions à poser avant de choisir un fabricant de cartes de circuits imprimés avec AOI
9.L'approche de PCBasic en matière d'AOI pour les PCBA en petites et moyennes séries
10.QFP
Chaque composant d'une carte de circuit imprimé (PCB) doit être positionné avec précision. L'utilisation d'une résistance inadaptée, une soudure froide négligée ou un défaut d'alignement des composants dépassant les tolérances spécifiées peuvent entraîner une augmentation du taux de défaillance sur le terrain, des retouches plus coûteuses, voire des rappels de produits. Avec la complexification croissante des PCB et l'augmentation de la densité d'espacement de leurs composants, la détection fiable des défauts par simple inspection manuelle est devenue impossible.
La solution à ce problème est l'inspection optique automatisée (AOI).
Les machines AOI sont discrètement devenues l'un des composants les plus critiques des lignes d'assemblage de la technologie de montage en surface (SMT) actuelles, et bien que les machines AOI ne soient pas l'élément le plus visible du processus de fabrication global, elles fournissent des résultats d'inspection rapides, cohérents et hautement reproductibles qui dépassent considérablement les résultats obtenus par les inspections manuelles des séries de production à grand volume.
Ce guide explique comment les systèmes AOI détectent les défauts ; quels types de défauts ils peuvent et ne peuvent pas détecter ; les paramètres de fonctionnement qui peuvent entraîner la non-détection de certains types de défauts ; et les questions que les acheteurs doivent se poser avant d’évaluer les systèmes de contrôle qualité proposés par un fournisseur de cartes de circuits imprimés.
Qu'est-ce qu'une machine d'inspection optique automatisée dans l'assemblage de circuits imprimés ?
Signification de l'AOI dans la fabrication SMT et PCBA
Inspection optique automatisée (AOI) Il s'agit d'une méthode automatisée d'inspection des cartes de circuits imprimés (PCB) équipées de composants, utilisant des caméras haute résolution et un éclairage structuré. Le système compare les images capturées de la PCB à une norme de référence et signale toute anomalie.
Les machines AOI sont généralement placées à des étapes clés de la chaîne de production. Elles sont couramment positionnées soit immédiatement après le placement des composants, soit après le brasage par refusion, chaque emplacement ayant une fonction différente dans la détection précoce des défauts.
La technologie AOI est désignée par différents termes, notamment Inspection visuelle automatisée (AVI) ou Systèmes d'inspection optique. Quelle que soit la terminologie employée, tous ces termes désignent la même technologie d'inspection automatisée utilisée dans la fabrication moderne de circuits imprimés.
Inspection visuelle manuelle vs. inspection optique automatisée
L'inspection visuelle manuelle (IVM) est une pratique courante dans l'industrie électronique depuis l'assemblage des premiers circuits imprimés. Un inspecteur qualifié utilise une loupe pour examiner une carte et y déceler les défauts, avérés ou potentiels. Cette méthode est très efficace pour les cartes simples comportant de grands composants traversants ; cependant, les cartes modernes utilisant la technologie de montage en surface (CMS) représentent un défi.
Les composants tels que les transistors passifs 0201, les BGA (Ball Grid Arrays) à pas fin et les QFN (Quad Flat No-Leads) nécessitent un niveau spécifique de grossissement, d'éclairage et de distance focale, difficiles à maintenir pendant un poste de huit heures. De plus, la fatigue de l'inspecteur entraîne une augmentation significative du taux de défauts non détectés après les deux premières heures d'inspection, et encore une fois à la cinquième heure. Ceci n'est pas lié aux capacités individuelles, mais plutôt au fonctionnement de l'attention visuelle lors de tâches répétitives.
À l'inverse, l'inspection optique automatisée (AOI) ne présente pas ces inconvénients. La machine utilise le même algorithme pour évaluer la carte numéro 1 et la carte numéro 5 000. L'éclairage est identique, la position de la caméra reste fixe et les critères d'évaluation demeurent inchangés tout au long de la production.
Place de l'AOI dans la chaîne de production SMT
La plupart des lignes SMT effectuent un contrôle AOI à deux points clés : après le placement des composants et après le soudage par refusion.
Le contrôle optique automatisé (AOI) post-placement est effectué avant l'entrée de la carte dans le four de refusion. À ce stade, la machine AOI vérifie l'absence de composants manquants, décalés, pivotés ou mal orientés. Cela permet de détecter les problèmes de placement avant la formation des joints de soudure.
Le contrôle AOI post-refusion est le plus courant. Une fois les cartes sorties du four de refusion et les joints de soudure formés, la machine AOI recherche les défauts de soudure visibles, les erreurs de placement, les composants manquants, l'effet « tombstone », les ponts de soudure et les problèmes de polarité. Il s'agit du principal contrôle qualité dans de nombreux environnements de production CMS.
Certaines lignes de production à haute complexité intègrent une seconde passe d'inspection optique automatisée (AOI) après le brasage sélectif ou le brasage à la vague des composants traversants. Son emplacement précis dépend de la complexité de la carte, de l'historique des défauts et du volume de production.
Fonctionnement d'une machine d'inspection optique automatisée
Capture d'images, éclairage et alignement de la carte
L'alignement d'une carte de circuit imprimé a lieu après son chargement dans une machine d'inspection optique automatisée (AOI). La position de la carte est déterminée par un ensemble de petits repères utilisés par l'AOI. Un alignement incorrect invalide toute comparaison.
Une fois l'alignement terminé, la machine AOI utilise une ou plusieurs caméras (selon la taille du circuit imprimé) montées au-dessus de celui-ci pour capturer des images du circuit imprimé dans des sections définies, ou champs de vision (FOV). La qualité de l'image dépend fortement de l'éclairage utilisé. La plupart des machines AOI actuelles sont équipées d'un éclairage LED multicolore et multi-angles pour créer des ombres qui permettent de visualiser la forme et la finition des joints de soudure, ainsi que la hauteur et la finition des composants. Dans les systèmes AOI 3D, la qualité des images est encore améliorée grâce à l'utilisation de motifs lumineux structurés, qui fournissent des mesures verticales précises de la hauteur des composants, en complément des informations visuelles.
AOI 2D et AOI 3D
L'inspection optique automatique 2D (AOI 2D) utilise l'imagerie bidimensionnelle pour examiner les cartes par le dessus, en capturant l'image sur un plan horizontal. L'AOI 2D permet de vérifier la présence, le positionnement et la polarité des composants, ainsi que l'aspect général des joints de soudure. De plus, la version 2D de l'AOI est très rapide et économique. La plupart des défauts des cartes de circuits imprimés standard sont détectés par les systèmes d'inspection AOI 2D.
L'inspection optique automatisée 3D (AOI) ajoute une troisième dimension à l'inspection des cartes en acquérant non seulement des images des joints de soudure sur un plan, mais aussi en créant une carte de hauteur du joint et du composant. Cet ajout d'informations de hauteur permet une détection accrue des défauts, certains étant parfaitement visibles sur les données de hauteur alors qu'ils étaient indétectables sur l'image 2D. Parmi les défauts nécessitant une caractérisation 3D pour être détectés, on peut citer les broches ondulées, un volume de soudure insuffisant au niveau du joint et une légère déformation.
En résumé, l'inspection optique automatisée 3D (AOI) offre des capacités très différentes de l'inspection optique automatisée 2D. Il existe également un écart de prix important : les systèmes AOI 3D coûtent beaucoup plus cher, souvent deux à trois fois plus, que les systèmes AOI 2D équivalents pour des volumes de production comparables.
Configuration du programme AOI et comparaison avec la carte de référence
Chaque machine AOI nécessite un programme avant de pouvoir inspecter une nouvelle carte. Deux approches principales existent. La première est la programmation CAO, où les fichiers Gerber, les données de nomenclature et les fichiers de centroïde sont importés directement. La seconde est l'apprentissage par carte de référence, où une carte vérifiée et sans défaut est scannée, et la machine apprend à partir de cet ensemble d'images.
Les deux méthodes présentent des avantages et des inconvénients. La programmation assistée par ordinateur (CAO) est plus rapide à mettre en œuvre pour les nouveaux modèles. Les méthodes utilisant une carte de référence peuvent être plus précises pour les cartes aux finitions inhabituelles ou comportant des composants spéciaux, mais elles reposent entièrement sur l'absence de défauts de cette carte, ce qui n'est pas toujours garanti.
Défauts d'assemblage courants des circuits imprimés détectés par AOI
Défauts de placement des composants
Le système d'inspection optique automatisé est particulièrement performant pour détecter les problèmes de positionnement. Parmi les défauts courants qu'il détecte, on peut citer :
• Composants manquants : le support est présent, mais pas le composant.
• Composants obliques ou pivotés dépassant la tolérance angulaire programmée
• Polarité incorrecte sur les condensateurs, les diodes et les circuits intégrés
• Tombstoning — phénomène où une extrémité d'un composant passif se soulève lors du reflow
• Composants décalés lorsque le décalage de placement dépasse les limites de chevauchement des pastilles
Défauts de soudure
L'inspection optique automatisée (AOI) s'avère très utile pour détecter les ponts de soudure, un défaut dangereux qui survient lorsqu'un excès de soudure relie deux pastilles qui ne devraient pas être connectées, vues de dessus. L'AOI détecte généralement les ponts de soudure lorsqu'ils sont parfaitement visibles de dessus.
En cas d'apport de soudure insuffisant, le cordon de soudure obtenu sera trop petit ou ne mouillera pas correctement la pastille, empêchant ainsi une bonne adhérence de la soudure. Le système AOI détecte également les billes de soudure, les traces de flux et les soudures froides (souvent identifiables par leur aspect mat et/ou rugueux).
Défauts de surface et de marquage
Au-delà du placement et de la soudure, l'AOI signale également les problèmes au niveau du circuit imprimé : pastilles endommagées, marquages de sérigraphie manquants, pistes soulevées près des bords des composants et étiquetage incorrect des composants lorsque la reconnaissance de caractères est activée.
Défauts que l'AOI ne peut pas entièrement détecter
Il est important d'être honnête quant aux limitations de l'AOI. L'AOI examine la surface. Elle ne peut pas inspecter l'intérieur d'une soudure, sous un boîtier BGA, ni à l'intérieur d'un via. Les vides dans les billes de soudure BGA, un problème de fiabilité courant, sont invisibles à l'inspection optique. Les courts-circuits sous les boîtiers à faible dégagement, les joints ouverts sous les QFN et tout défaut caché par le corps du composant lui-même nécessitent une inspection aux rayons X. Les défauts fonctionnels, tels que les valeurs de composants incorrectes, la programmation de circuits intégrés erronée et les performances paramétriques limites, sont totalement hors du champ d'application de l'AOI.
Paramètres clés des machines AOI que les acheteurs doivent connaître
Pixels de la caméra, résolution des pixels et champ de vision
La résolution de la caméra détermine la taille minimale des défauts que la machine peut détecter avec précision. Elle est généralement exprimée en microns par pixel ; plus le nombre est petit, plus les détails visibles sont fins. Pour l’inspection de composants 0201 et de circuits intégrés à pas fin de 0.4 mm ou 0.5 mm, une résolution de 10 à 15 microns est généralement nécessaire.
Dimensions, épaisseur, dégagement et déformation du circuit imprimé
Chaque machine d'inspection optique automatisée possède une taille maximale de carte qu'elle peut traiter. Les limites courantes vont d'environ 50 × 50 mm minimum à 510 × 460 mm, voire plus, pour les panneaux. La tolérance au gauchissement est une spécification souvent négligée. Un maximum de 1 à 2 mm est typique ; les cartes fortement gauchies nécessitent un montage spécifique, sans quoi l'inspection ne sera pas fiable.
Vitesse d'inspection et adéquation à la production
La vitesse d'inspection est généralement exprimée en cm²/seconde ou en nombre de cartes par heure pour une taille de carte de référence. Assurez-vous que le débit de la machine corresponde à la cadence de votre ligne de production, et non pas seulement aux spécifications techniques. Une machine AOI dont le temps de cycle est deux fois supérieur à celui de votre four de refusion risque de créer un goulot d'étranglement.
Exemples typiques de paramètres AOI
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Paramètre
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Plage typique
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Résolution de la caméra
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8–20 µm/pixel
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Taille maximale du circuit imprimé
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510 x 460 mm
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Épaisseur minimale du PCB
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0.5 mm
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Déformation maximale du PCB
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≤ 1.5 mm
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Vitesse d'inspection
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60–150 cm²/s
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Répétez Précision
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±15 µm ou mieux
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AOI vs. SPI, rayons X, ICT et FCT
AOI vs. SPI
L'inspection de la pâte à braser (SPI) contrôle le volume, la surface, la hauteur et le décalage de la pâte avant la pose des composants. Elle détecte les erreurs d'impression de pâte dès le début, évitant ainsi le coût des composants. L'inspection optique automatisée (AOI) post-refusion analyse les résultats de toutes les opérations effectuées après l'impression de la pâte. Ces deux systèmes sont complémentaires, mais non interchangeables.
Inspection AOI vs. Inspection aux rayons X
L'inspection par rayons X permet de voir ce que l'AOI ne peut pas. Les BGA, QFN, CSP – tout boîtier dont les joints de soudure sont invisibles en dessous – nécessitent un contrôle par rayons X pour vérifier la qualité des soudures. L'AOI est plus rapide et moins coûteuse par carte ; l'inspection par rayons X est plus lente et plus onéreuse, mais elle révèle ce que les systèmes optiques ne peuvent pas voir.
AOI vs. ICT et FCT
Les tests en circuit (ICT) utilisent un banc de test à pointes pour sonder chaque nœud et vérifier les valeurs des composants, les courts-circuits et les circuits ouverts. Les tests fonctionnels (FCT) mettent la carte sous tension et la testent comme un appareil réel. Dans un programme qualité bien conçu, l'inspection optique automatisée (AOI), les tests ICT et les tests fonctionnels (FCT) sont complémentaires et permettent à chacun de détecter les défauts que les autres ne peuvent pas identifier.
Questions à poser avant de choisir un fabricant de cartes de circuits imprimés avec AOI
L'AOI est-elle en ligne ou hors ligne ?
L'AOI en ligne se connecte directement au convoyeur CMS ; les cartes défilent automatiquement sans manipulation manuelle. L'AOI hors ligne nécessite le chargement manuel des cartes par les opérateurs. « Nous avons un système AOI » et « nous avons un système AOI en ligne » sont des réponses sensiblement différentes. Posez la question précisément.
Comment les programmes AOI sont-ils créés et vérifiés ?
Un programme d'inspection optique automatisée (AOI) mal configuré est presque pire que l'absence de programme : il génère un nombre considérable de fausses alarmes, les opérateurs acceptent les signalements sans les vérifier et de véritables défauts passent inaperçus. Renseignez-vous sur la manière dont les programmes sont créés, dont les tolérances sont définies et à quelle fréquence ils sont audités et mis à jour.
Comment les défauts AOI sont-ils enregistrés et suivis ?
Pour chaque erreur détectée par une machine, vous devez créer un enregistrement comprenant le type de défaut, son emplacement sur le circuit imprimé, la date et l'heure de l'erreur, l'identifiant de la machine et son statut (ou sa résolution). Toutes ces données permettront d'identifier l'origine des défauts (les processus qui dérivent) et les sources de perte de rendement. Si un fabricant est en mesure de vous fournir des rapports sur les tendances des défauts, c'est qu'il utilise correctement les informations de son système d'inspection optique automatisée (AOI).
Comment fonctionne l'AOI avec les retouches et l'inspection finale ?
L'AOI est un outil de détection, pas de réparation. Les cartes présentant des défauts confirmés nécessitent une reprise. Renseignez-vous sur la procédure d'autorisation, de documentation et de réinspection de cette reprise. L'historique de cette reprise doit être joint au dossier de suivi de chaque carte. L'inspection finale doit avoir lieu après toute reprise, et non avant.
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L'approche de PCBasic en matière d'AOI pour les PCBA en petites et moyennes séries
Chez PCBasic, l'inspection AOI est appliquée aux assemblages CMS et DIP. Pour les assemblages CMS, huit systèmes d'inspection AOI VCTA-A480 sont utilisés après le brasage par refusion afin de détecter les défauts visibles tels que les composants manquants, le décalage des composants, les erreurs de polarité, l'effet « tombstone », les ponts de soudure et l'aspect des joints de soudure. Pour les assemblages DIP, PCBasic utilise un système d'inspection AOI de Leichen Technology afin d'inspecter les composants enfichables après leur insertion et leur brasage.
Pour les projets d'assemblage de cartes électroniques (PCBA) en petites et moyennes séries, cette distinction est importante. L'inspection optique automatisée (AOI) SMT se concentre sur les composants à montage en surface à haute densité, tandis que l'AOI DIP permet de contrôler la qualité des composants traversants, des connecteurs et autres composants enfichables. Combinées, ces techniques rendent l'AOI plus adaptée aux assemblages de cartes électroniques à technologies mixtes qu'aux seules cartes SMT standard.
AOI dans le flux de contrôle qualité SMT
L'inspection optique automatisée (AOI) post-refusion fournit un retour d'information rapide après la soudure. Si plusieurs cartes présentent le même pont de soudure sur le même composant, le problème peut être lié au volume de pâte à braser, à la conception de l'ouverture du pochoir, à la précision de placement ou aux paramètres de refusion. La détection précoce de ce défaut récurrent permet aux ingénieurs d'ajuster le processus avant qu'il n'affecte d'autres cartes du lot.
Utilisation flexible de l'AOI pour les projets multivariétaux en petits lots
Dans le domaine des cartes PCBA à faible volume et à forte mixité, la gestion des programmes d'inspection optique automatisée (AOI) prend tout son sens. Alterner entre dix conceptions de cartes différentes au cours d'une même équipe implique que dix programmes d'inspection distincts doivent être précis et opérationnels. Des bibliothèques de données de référence, des gabarits de tolérance standardisés par famille de composants et des fichiers de programmes versionnés facilitent cette gestion.
Combinaison de l'AOI avec d'autres méthodes d'inspection et d'essai
Un système qualité pratique pour les cartes PCBA de complexité moyenne comprend généralement l'inspection de la pâte à braser (pour la qualité d'impression), l'inspection optique automatisée (AOI) après refusion (pour le placement et la brasure), l'échantillonnage par rayons X (pour la vérification des BGA et des joints cachés) et les tests fonctionnels (pour la vérification électrique). L'AOI est la méthode la plus rapide ; elle traite chaque carte rapidement. Les autres méthodes corrigent les défauts non détectés par l'AOI, moyennant un compromis en termes de coût et de temps.
Conclusion
Les fabricants modernes de cartes électroniques (PCBA) exigent une machine d'inspection optique automatisée (AOI) comme condition de base pour tout environnement de production soucieux de la qualité. Cependant, aucun système d'inspection ne peut détecter tous les défauts. C'est pourquoi un système AOI correctement programmé, intégré à l'étape de refusion, constitue l'un des contrôles qualité les plus efficaces pour les défauts visibles en surface, la précision de placement et l'aspect des joints de soudure.
Lors de l'évaluation de fournisseurs potentiels de cartes électroniques (PCBA), la question « Disposez-vous d'une machine AOI ? » n'est pas pertinente. Il est plus judicieux de s'enquérir de la place de la machine AOI dans le processus qualité global, de la mise à jour des programmes pour répondre à l'évolution des exigences de production et de l'utilisation des données de défauts issues de l'AOI pour optimiser le processus. Les réponses à ces questions vous permettront de mieux appréhender la culture qualité du fabricant que la simple consultation des spécifications de la machine AOI.
Si vous recherchez une machine AOI 3D pour votre installation ou si vous évaluez des sous-traitants, une meilleure compréhension des capacités et des limites de l'AOI vous fournira les informations nécessaires pour prendre une décision éclairée.
QFP
Q : Qu'est-ce que l'AOI dans l'assemblage de PCB ?
L'AOI (Inspection Optique Automatisée) est un système informatisé qui utilise des caméras et un éclairage pour scanner les PCB afin de détecter des défauts tels que des composants manquants, des ponts de soudure, un mauvais alignement et des erreurs de polarité en les comparant à une norme de référence.
Q : Quelle est la différence entre une AOI 2D et 3D ?
L'AOI 2D utilise des images prises de dessus pour détecter les défauts de surface visibles. L'AOI 3D ajoute une mesure de hauteur grâce à la lumière structurée, permettant ainsi de détecter des problèmes tels qu'une soudure insuffisante ou des fils décollés, invisibles sur les images 2D.
Q : Quels défauts l'AOI ne peut-elle pas détecter ?
L'inspection optique automatisée (AOI) ne permet pas d'examiner l'intérieur des joints de soudure ni le dessous des composants. Les défauts tels que les vides dans les BGA, les courts-circuits cachés ou les défauts électriques nécessitent un contrôle par rayons X ou des tests fonctionnels.
Q : Quel est le prix d'une machine d'inspection optique automatisée ?
Les prix varient selon le type de système. Les systèmes 2D hors ligne de base coûtent entre 30 000 et 60 000 dollars, les systèmes 2D en ligne entre 80 000 et 150 000 dollars, et les systèmes 3D avancés peuvent dépasser 200 000 à 400 000 dollars selon leurs fonctionnalités.
Q : L'AOI est-il la même chose que le SPI ?
Non. Le contrôle SPI vérifie la pâte à braser avant le placement, tandis que l'AOI inspecte les composants après placement ou refusion. Ce sont des procédés différents mais complémentaires.
Q : Quelles questions dois-je poser à un fabricant de cartes PCBA équipé d'un système AOI ?
Demandez si l'inspection optique automatisée (AOI) est en ligne ou hors ligne, comment les programmes d'inspection sont créés, comment les données relatives aux défauts sont utilisées et comment les cartes retravaillées sont vérifiées. Ces détails sont plus importants que la simple possession de la machine.
