Sommario
1.Che cos'è una macchina per l'ispezione ottica automatizzata nell'assemblaggio di circuiti stampati?
2.Ispezione visiva manuale vs. ispezione ottica automatizzata
3.Dove si colloca l'AOI nella linea di produzione SMT
4.Come funziona una macchina automatizzata per l'ispezione ottica
5.Difetti comuni di assemblaggio di PCB rilevati tramite AOI
6.Parametri chiave delle macchine AOI che gli acquirenti dovrebbero comprendere
7.AOI vs. SPI, raggi X, ICT e FCT
8.Cosa dovrebbero chiedersi gli acquirenti prima di scegliere un produttore di PCBA con AOI
9.L'approccio di PCBasic all'AOI nella produzione di PCBA in piccoli e medi lotti
10FAQ
Ogni componente su un circuito stampato (PCB) deve essere posizionato con precisione. L'utilizzo di una resistenza errata, la mancata individuazione di una saldatura difettosa o un disallineamento dei componenti oltre la tolleranza specificata possono comportare tassi di guasto sul campo più elevati, rilavorazioni più costose o persino richiami di prodotti. Con l'aumentare della complessità dei PCB e della densità dei componenti, è diventato impossibile rilevare i difetti in modo affidabile tramite la sola ispezione manuale.
La soluzione a questo problema è l'ispezione ottica automatizzata (AOI).
Le macchine AOI sono diventate silenziosamente uno dei componenti più critici nelle moderne linee di assemblaggio SMT (Surface Mount Technology) e, sebbene non siano l'elemento più visibile dell'intero processo produttivo, forniscono risultati di ispezione rapidi, coerenti e altamente ripetibili che superano di gran lunga quelli ottenuti con le ispezioni manuali su produzioni ad alto volume.
Questa guida spiegherà come i sistemi AOI rilevano i difetti; quali tipi di difetti possono e non possono rilevare; i parametri operativi che potrebbero comportare la mancata rilevazione di alcuni tipi di difetti; e quali domande gli acquirenti dovrebbero porsi prima di valutare i sistemi di controllo qualità offerti da un fornitore di PCBA.
Che cos'è una macchina per l'ispezione ottica automatizzata nell'assemblaggio di circuiti stampati?
Significato di AOI nella produzione di SMT e PCBA
Ispezione ottica automatizzata (AOI) Si tratta di un metodo automatizzato utilizzato per ispezionare un circuito stampato (PCB) assemblato tramite telecamere ad alta risoluzione e illuminazione strutturata. Il sistema confronta le immagini acquisite del PCB con uno standard di riferimento e segnala eventuali discrepanze.
Le macchine AOI vengono in genere posizionate in punti chiave della linea di produzione. Solitamente si trovano subito dopo il posizionamento dei componenti o dopo la saldatura a rifusione, e ciascuna posizione ha uno scopo diverso nell'individuazione dei difetti il prima possibile.
La tecnologia AOI viene indicata in diversi modi, tra cui Ispezione Visiva Automatizzata (AVI) o Sistemi di Ispezione Ottica. Indipendentemente dalla terminologia utilizzata, tutti questi termini descrivono la stessa tecnologia di ispezione automatizzata impiegata nella moderna produzione di PCB.
Ispezione visiva manuale vs. ispezione ottica automatizzata
La pratica dell'ispezione visiva manuale (MVI) è presente nell'industria elettronica fin dai primi circuiti stampati (PCB). Un ispettore qualificato utilizza una lente d'ingrandimento per esaminare una scheda alla ricerca di difetti o potenziali difetti. Questo metodo è piuttosto efficace per schede semplici con componenti a foro passante di grandi dimensioni; tuttavia, le moderne schede con tecnologia a montaggio superficiale (SMT) rappresentano una sfida.
Componenti come i passivi 0201, i BGA (Ball Grid Array) a passo fine e i QFN (Quad Flat No-Lead) richiedono un livello specifico di ingrandimento, illuminazione e lunghezza focale, difficili da mantenere per tutta la durata di un turno di otto ore. Inoltre, l'operatore umano si affatica e, di conseguenza, il tasso di difetti non rilevati aumenta significativamente dopo le prime due ore di ispezione e ulteriormente durante la quinta ora. Questo non è un giudizio sulle capacità individuali, ma piuttosto un'indicazione di come funziona l'attenzione visiva durante compiti ripetitivi.
Al contrario, l'ispezione ottica automatizzata (AOI) non risente di questi effetti. La macchina utilizza lo stesso algoritmo per valutare sia la scheda numero 1 che la scheda numero 5,000. L'illuminazione è la stessa, la posizione della telecamera rimane invariata e i criteri di valutazione non cambiano durante l'intero ciclo di produzione.
Dove si colloca l'AOI nella linea di produzione SMT
Nella maggior parte delle linee SMT, l'ispezione ottica automatizzata (AOI) viene eseguita in due punti chiave: dopo il posizionamento dei componenti e dopo la saldatura a rifusione.
Il sistema AOI post-posizionamento viene utilizzato prima che la scheda entri nel forno di rifusione. In questa fase, la macchina AOI verifica se i componenti sono mancanti, spostati, ruotati o orientati in modo errato. Ciò consente di individuare i problemi di posizionamento prima che vengano formate le saldature.
La posizione AOI post-rifusione è la più comune. Dopo che le schede escono dal forno di rifusione e si sono formate le saldature, la macchina AOI esegue una scansione per individuare difetti di saldatura visibili, errori di posizionamento, componenti mancanti, "tombstoning" (segni di saldatura anomali), ponti di saldatura e problemi di polarità. Questa è la principale fase di controllo qualità in molti ambienti di produzione SMT.
Alcune linee ad alta complessità aggiungono un secondo passaggio di ispezione ottica automatizzata (AOI) dopo la saldatura selettiva o la saldatura a onda per i componenti a foro passante. La posizione specifica dipende dalla complessità del circuito stampato, dalla storia dei difetti e dal volume di produzione.
Come funziona una macchina automatizzata per l'ispezione ottica
Acquisizione dell'immagine, illuminazione e allineamento della scheda
L'allineamento di un circuito stampato avviene dopo che questo viene caricato in una macchina di ispezione ottica automatizzata (AOI). La posizione del PCB è determinata da una serie di piccoli punti di riferimento o marcatori fiduciali che l'AOI utilizza come riferimento. Un disallineamento invaliderà tutti i confronti.
Una volta completato il processo di allineamento, la macchina AOI utilizza una o più telecamere (a seconda delle dimensioni del PCB) montate sopra il circuito stampato per acquisire immagini del PCB in sezioni definite, o campi visivi (FOV). La qualità dell'immagine può dipendere in larga misura dall'illuminazione utilizzata. La maggior parte delle macchine AOI attualmente in uso è dotata di illuminazione a LED multicolore e multi-angolo per creare ombre che forniscono un'indicazione visiva della forma e della finitura delle saldature, nonché dell'altezza e della finitura dei componenti. Nei sistemi AOI 3D, la qualità delle immagini è ulteriormente migliorata utilizzando schemi di luce strutturata, che forniscono misurazioni verticali precise dell'altezza dei componenti, oltre alle informazioni visive.
Area di interesse 2D e area di interesse 3D
L'ispezione ottica automatica 2D (AOI) utilizza immagini bidimensionali per esaminare i circuiti stampati dall'alto, acquisendo l'immagine su un piano. Lo scopo dell'AOI 2D è verificare la presenza dei componenti, il loro corretto posizionamento e la corretta polarità, oltre a controllare l'aspetto generale delle saldature. Inoltre, la versione 2D dell'AOI è molto veloce ed economica. La maggior parte dei circuiti stampati standard presenta la maggior parte dei difetti rilevabili con i sistemi di ispezione AOI 2D.
L'ispezione ottica automatizzata 3D (AOI) aggiunge la terza dimensione all'ispezione del circuito stampato, acquisendo non solo le immagini dei giunti di saldatura su un piano, ma anche creando una mappa altimetrica dell'immagine del giunto di saldatura e del componente. Questa aggiunta di informazioni sull'altezza all'ispezione consente un rilevamento più preciso dei difetti, poiché alcuni difetti sono molto evidenti nei dati di altezza, anche se non erano rilevabili nell'immagine 2D o piana. Alcuni difetti che richiedono una caratterizzazione 3D per essere rilevati includono terminali ondulati, quantità insufficiente di saldatura nel giunto e lievi deformazioni.
In sintesi, l'ispezione ottica automatizzata 3D (AOI) offre funzionalità molto diverse rispetto all'ispezione ottica automatizzata 2D. Vi è inoltre una notevole differenza di prezzo: i sistemi AOI 3D costano molto di più, spesso da due a tre volte di più, rispetto ai sistemi AOI 2D equivalenti per volumi di produzione comparabili.
Configurazione del programma AOI e confronto con Golden Board
Ogni macchina AOI necessita di un programma prima di poter ispezionare un nuovo progetto di scheda. Esistono due approcci principali. Il primo è la programmazione basata su CAD, in cui i file Gerber, i dati BOM e i file dei centroidi vengono importati direttamente. Il secondo è l'apprendimento tramite scheda di riferimento, in cui una scheda verificata e priva di difetti viene scansionata e la macchina apprende da tale set di immagini.
Entrambi i metodi presentano dei compromessi. La programmazione basata su CAD è più rapida da impostare per i nuovi progetti. I metodi basati sulla scheda di riferimento possono essere più precisi per schede con finiture insolite o componenti speciali, ma dipendono interamente dal fatto che la scheda di riferimento sia effettivamente priva di difetti, cosa non sempre garantita.
Difetti comuni di assemblaggio di PCB rilevati tramite AOI
Difetti di posizionamento dei componenti
Il sistema automatizzato di ispezione ottica è particolarmente efficace nell'individuare i problemi di posizionamento. I difetti più comuni che rileva includono:
· XNUMX€ Componenti mancanti: il pad è presente, il componente non c'è.
· XNUMX€ Componenti inclinati o ruotati che superano la tolleranza angolare programmata
· XNUMX€ Polarità errata su condensatori, diodi e circuiti integrati
· XNUMX€ Tombstoning: fenomeno per cui un'estremità di un componente passivo si solleva durante il processo di rifusione.
· XNUMX€ Componenti spostati laddove l'offset di posizionamento supera i limiti di sovrapposizione dei pad
Difetti di saldatura
La tecnologia AOI (Autological Optical Inspection) può fornire una funzione molto utile per rilevare i ponti di saldatura, un difetto pericoloso che si verifica quando una quantità eccessiva di stagno collega due piazzole che NON dovrebbero essere collegate se viste dall'alto. In genere, l'AOI è in grado di rilevare i ponti di saldatura quando questi sono ben visibili dall'alto.
Quando non viene applicata una quantità sufficiente di stagno al componente, il cordone di saldatura risultante sarà di piccole dimensioni o non presenterà un'adeguata "bagnatura" del pad, che impedisce allo stagno di aderire correttamente. Anche le sfere di stagno, i residui di flussante e le giunzioni fredde (spesso identificabili tramite opacità e/o rugosità) rientrano nelle capacità di rilevamento del sistema AOI.
Difetti di superficie e di marcatura
Oltre al posizionamento e alla saldatura, l'AOI segnala anche problemi a livello di PCB: piazzole danneggiate, serigrafie mancanti, tracce sollevate vicino ai bordi dei componenti ed etichettatura errata dei componenti quando il riconoscimento dei caratteri è abilitato.
Difetti che AOI non è in grado di rilevare completamente
È opportuno essere onesti riguardo ai limiti. L'ispezione ottica automatizzata (AOI) rileva solo la superficie. Non può vedere all'interno di una saldatura, sotto un package BGA o all'interno di un via. I vuoti nelle sfere di saldatura BGA, un problema comune di affidabilità, sono invisibili all'ispezione ottica. Cortocircuiti sotto package a basso ingombro, giunzioni aperte sotto QFN e qualsiasi difetto nascosto dal corpo stesso del componente richiedono un'ispezione a raggi X. I difetti funzionali, come valori errati dei componenti, programmazione errata dei circuiti integrati e prestazioni parametriche al limite, sono completamente al di fuori della portata dell'AOI.
Parametri chiave delle macchine AOI che gli acquirenti dovrebbero comprendere
Pixel della fotocamera, risoluzione dei pixel e campo visivo
La risoluzione della telecamera determina quanto piccolo sia un difetto che la macchina può rilevare in modo affidabile. La risoluzione è tipicamente espressa in micron per pixel; minore è il numero, più fini sono i dettagli visibili. Per ispezionare componenti 0201 e circuiti integrati a passo fine con passo dei pin di 0.4 mm o 0.5 mm, in genere è necessaria una risoluzione compresa tra 10 e 15 micron.
Dimensioni, spessore, spazio libero e deformazione del PCB
Ogni macchina automatizzata per l'ispezione ottica ha una dimensione massima delle schede che può gestire. I limiti comuni vanno da un minimo di circa 50×50 mm fino a 510×460 mm o più per i pannelli. La tolleranza alla deformazione è una specifica spesso trascurata. Un massimo di 1-2 mm è tipico; le schede fortemente deformate necessitano di dispositivi di fissaggio, altrimenti l'ispezione non sarà affidabile.
Velocità di ispezione e adattamento alla produzione
La velocità di ispezione viene solitamente espressa in cm²/secondo o in schede all'ora per una dimensione di riferimento. È importante che la produttività della macchina sia adeguata alla velocità della linea di produzione, non solo a quella indicata nella scheda tecnica. Una macchina AOI che impiega il doppio del tempo del forno a rifusione crea un collo di bottiglia.
Esempi tipici di parametri AOI
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Parametro
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Gamma tipica
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Risoluzione fotocamera
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8–20 µm/pixel
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Dimensione massima del PCB
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510 × 460 mm
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Spessore minimo del PCB
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0.5 mm
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Deformazione massima del PCB
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≤ 1.5 mm
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Velocità di ispezione
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60–150 cm²/sec
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Ripetere Precisione
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±15 µm o migliore
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AOI vs. SPI, raggi X, ICT e FCT
AOI vs. SPI
Il sistema SPI (Solder Paste Inspection) controlla il volume, l'area, l'altezza e l'offset della pasta saldante prima del posizionamento dei componenti. L'SPI individua tempestivamente gli errori di stampa della pasta, prima che si verifichino costi aggiuntivi per i componenti. Il sistema AOI post-rifusione rileva invece gli effetti di tutto ciò che è accaduto dopo la stampa della pasta. I due sistemi sono complementari, non intercambiabili.
Ispezione ottica automatizzata contro ispezione a raggi X
L'ispezione a raggi X è lo strumento per vedere ciò che l'AOI non può vedere. BGA, QFN, CSP: qualsiasi package in cui le saldature sono nascoste al di sotto necessita di raggi X per verificarne la qualità. L'AOI è più veloce ed economica per scheda; i raggi X sono più lenti e costosi, ma rivelano ciò che i sistemi ottici non possono fisicamente vedere.
AOI vs. ICT e FCT
Il test in-circuit (ICT) utilizza un dispositivo a letto di chiodi per sondare i singoli nodi e verificare i valori dei componenti, i cortocircuiti e le interruzioni. Il test funzionale del circuito (FCT) alimenta la scheda e la testa come un dispositivo reale. In un programma di qualità ben progettato, AOI, ICT e FCT si completano a vicenda, ognuno individuando ciò che gli altri non riescono a rilevare.
Cosa dovrebbero chiedersi gli acquirenti prima di scegliere un produttore di PCBA con AOI
AOI è in linea o offline?
Il sistema AOI in linea si collega direttamente al nastro trasportatore SMT; le schede passano automaticamente senza bisogno di intervento manuale. Il sistema AOI offline, invece, richiede agli operatori di caricare le schede a mano. "Abbiamo un sistema AOI" e "abbiamo un sistema AOI in linea" sono risposte significativamente diverse. Chiedete informazioni specifiche.
Come vengono creati e verificati i programmi AOI?
Un programma AOI configurato male è quasi peggio di nessun programma: genera un numero elevatissimo di falsi allarmi, gli operatori iniziano ad accettare le chiamate di intervento senza esaminarle e i difetti reali passano inosservati. Chiedete come vengono creati i programmi, come vengono impostate le tolleranze e con quale frequenza vengono verificati e aggiornati.
Come vengono registrati e tracciati i difetti AOI?
Per ogni errore segnalato da una macchina, è necessario creare una registrazione contenente il tipo di difetto, la posizione sul PCB, l'ora e la data dell'errore, l'ID della macchina e lo stato (o la risoluzione). Tutti questi dati andranno a fornire un quadro completo di dove si generano i difetti (quali processi presentano delle deviazioni) e dove si verificano perdite di resa complessive. Se un produttore è in grado di fornire report sull'andamento dei difetti, significa che sta utilizzando correttamente le informazioni relative all'area di intervento.
Come funziona l'ispezione ottica automatizzata (AOI) con le rilavorazioni e l'ispezione finale?
L'AOI è uno strumento di rilevamento, non di riparazione. Le schede con difetti accertati necessitano di rilavorazione. Chiedete come la rilavorazione viene autorizzata, documentata e ispezionata nuovamente. Una scheda che è stata sottoposta a rilavorazione dovrebbe avere la relativa cronologia allegata alla sua documentazione di viaggio. L'ispezione finale dovrebbe avvenire dopo qualsiasi rilavorazione, non prima.
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L'approccio di PCBasic all'AOI nella produzione di PCBA in piccoli e medi lotti
Presso PCBasic, l'ispezione AOI viene applicata sia all'assemblaggio SMT che a quello DIP. Nel processo SMT, dopo la saldatura a rifusione, vengono utilizzati 8 sistemi di ispezione AOI VCTA-A480 per verificare difetti visibili come componenti mancanti, disallineamento dei componenti, errori di polarità, effetto tombstoning, ponti di saldatura e aspetto scadente delle giunzioni di saldatura. Nel processo DIP, PCBasic utilizza un sistema di ispezione AOI DIP di Leichen Technology per ispezionare i componenti a innesto dopo l'inserimento e la saldatura.
Per i progetti di assemblaggio di PCB in piccoli e medi lotti, questa distinzione è importante. L'ispezione ottica automatizzata (AOI) per SMT si concentra sui componenti a montaggio superficiale ad alta densità, mentre l'AOI per DIP contribuisce a controllare la qualità dei componenti a foro passante, dei connettori e di altri componenti a innesto. Insieme, rendono l'AOI più adatta agli assemblaggi di PCB con tecnologie miste, piuttosto che alle sole schede SMT standard.
AOI nel flusso di controllo qualità SMT
Il controllo automatico dell'ossigeno (AOI) post-rifusione fornisce un feedback rapido dopo la saldatura. Se diverse schede presentano lo stesso ponte di saldatura sullo stesso componente, il problema potrebbe essere correlato al volume della pasta saldante, al design dell'apertura dello stencil, alla precisione del posizionamento o alle impostazioni di rifusione. Individuare tempestivamente questo schema ricorrente aiuta gli ingegneri a regolare il processo prima che il difetto comprometta un numero maggiore di schede nello stesso lotto.
Utilizzo flessibile dell'AOI per progetti di piccole dimensioni con varietà multiple.
Nella produzione di schede PCBA ad alta varietà e basso volume, la gestione dei programmi di ispezione ottica automatizzata (AOI) diventa una vera e propria disciplina. Passare da un progetto di scheda all'altro, anche con dieci diverse configurazioni, in un singolo turno di lavoro, significa dover disporre di dieci programmi di ispezione precisi e pronti all'uso. Librerie di dati di riferimento, modelli di tolleranza standardizzati per famiglia di componenti e file di programma con controllo di versione rendono tutto ciò gestibile.
Combinazione dell'AOI con altri metodi di ispezione e collaudo
Un sistema di controllo qualità pratico per PCBA di media complessità prevede in genere una stratificazione che comprende l'ispezione della pasta saldante (per la qualità di stampa), l'ispezione ottica automatizzata (AOI) post-rifusione (per il posizionamento e la saldatura), il campionamento a raggi X (per la verifica di BGA e giunzioni nascoste) e il test funzionale (per la verifica elettrica). L'AOI è la fase con la maggiore produttività, in quanto elabora rapidamente ogni scheda. Gli altri metodi individuano i difetti non rilevati dall'AOI, ognuno con i propri compromessi in termini di costi e tempi.
Conclusione
I moderni produttori di schede a circuito stampato (PCBA) richiedono un sistema di ispezione ottica automatizzata (AOI) come requisito minimo per qualsiasi ambiente di produzione che dia priorità alla qualità. Tuttavia, nessun singolo sistema di ispezione è in grado di rilevare ogni difetto. Per questo motivo, un sistema AOI opportunamente programmato, integrato nella fase di rifusione, offre uno dei controlli di qualità più efficienti per i difetti visibili in superficie, la precisione del posizionamento e l'aspetto delle giunzioni di saldatura.
Se state valutando potenziali fornitori di schede a circuito stampato (PCBA), chiedere "Avete una macchina AOI?" non è la domanda giusta. Piuttosto, dovreste chiedere come la macchina AOI si inserisce nel flusso di qualità complessivo, come vengono aggiornati i programmi per soddisfare le mutevoli esigenze di produzione e come i dati sui difetti provenienti dalla macchina AOI vengono utilizzati per migliorare l'intero processo. Le informazioni che riceverete in risposta a queste domande vi forniranno una comprensione più approfondita della cultura della qualità del produttore rispetto a quella che si potrebbe ottenere semplicemente esaminando le specifiche della macchina AOI.
Se state cercando una macchina AOI 3D per il vostro stabilimento o state valutando i produttori a contratto, una migliore comprensione di ciò che l'AOI può e non può fare vi fornirà le informazioni necessarie per prendere una decisione consapevole.
FAQ
D: Cos'è l'AOI nell'assemblaggio di PCB?
L'AOI (Automated Optical Inspection) è un sistema automatizzato che utilizza telecamere e illuminazione per scansionare i PCB alla ricerca di difetti quali componenti mancanti, ponti di saldatura, disallineamenti ed errori di polarità, confrontandoli con uno standard di riferimento.
D: Qual è la differenza tra AOI 2D e 3D?
La tecnologia AOI 2D utilizza immagini dall'alto per rilevare difetti superficiali visibili. La tecnologia AOI 3D aggiunge la misurazione dell'altezza tramite luce strutturata, consentendo di rilevare problemi come saldatura insufficiente o terminali sollevati che non sono chiaramente visibili nelle immagini 2D.
D: Quali difetti non è in grado di rilevare l'AOI?
L'AOI non può ispezionare l'interno delle saldature o la parte inferiore dei componenti. Difetti come vuoti BGA, cortocircuiti nascosti o guasti elettrici richiedono radiografie o test funzionali.
D: Quanto costa una macchina automatizzata per l'ispezione ottica?
I prezzi variano a seconda del tipo di sistema. I sistemi 2D offline di base partono da circa 30,000-60,000 dollari, i sistemi 2D in linea variano da 80,000 a 150,000 dollari, mentre i sistemi 3D avanzati possono superare i 200,000-400,000 dollari a seconda delle funzionalità.
D: AOI è la stessa cosa di SPI?
No. Il metodo SPI controlla la pasta saldante prima del posizionamento, mentre l'AOI ispeziona i componenti dopo il posizionamento o la rifusione. Sono processi diversi ma complementari.
D: Cosa dovrei chiedere a un produttore di schede PCBA dotate di sistema AOI?
Chiedete se il sistema AOI è in linea o offline, come vengono creati i programmi di ispezione, come vengono utilizzati i dati relativi ai difetti e come vengono verificate le schede rilavorate. Questi dettagli sono più importanti del semplice possesso della macchina.
