Inhoudsopgave
1.Wat is een geautomatiseerde optische inspectiemachine bij de assemblage van printplaten?
2.Handmatige visuele inspectie versus geautomatiseerde optische inspectie
3.Waar past AOI in de SMT-productielijn?
4.Hoe werkt een geautomatiseerde optische inspectiemachine?
5.Veelvoorkomende printplaatmontagefouten gedetecteerd door AOI
6.Belangrijke parameters van AOI-machines die kopers moeten begrijpen
7.AOI versus SPI, röntgenfoto, ICT en FCT
8.Wat kopers moeten vragen voordat ze een PCBA-fabrikant met AOI kiezen.
9.De aanpak van PCBasic voor AOI in kleine en middelgrote PCBA-batches
10.FAQ
Elk onderdeel op een printplaat (PCB) moet nauwkeurig worden geplaatst. Het gebruik van de verkeerde weerstand, het negeren van een slechte soldeerverbinding of het toestaan van een verkeerde uitlijning van componenten buiten de gespecificeerde tolerantie kan leiden tot een hoger uitvalpercentage in het veld, duurdere herstelwerkzaamheden of zelfs productterugroepacties. Naarmate printplaten complexer worden en de pitchdichtheid van de componenten toeneemt, is het onmogelijk geworden om defecten betrouwbaar te detecteren door middel van handmatige inspectie alleen.
De oplossing voor dit probleem is geautomatiseerde optische inspectie (AOI).
AOI-machines zijn stilletjes uitgegroeid tot een van de meest cruciale onderdelen in de huidige SMT-assemblagelijnen (Surface Mount Technology). Hoewel AOI-machines misschien niet het meest zichtbare onderdeel van het algehele productieproces zijn, leveren ze snelle, consistente en zeer reproduceerbare inspectieresultaten die de resultaten van handmatige inspecties bij grootschalige productie aanzienlijk overtreffen.
Deze handleiding legt uit hoe AOI-systemen defecten detecteren; welke soorten defecten ze wel en niet kunnen detecteren; de operationele parameters die ertoe kunnen leiden dat bepaalde soorten defecten onopgemerkt blijven; en welke vragen kopers moeten overwegen voordat ze de kwaliteitscontrolesystemen van een PCBA-leverancier evalueren.
Wat is een geautomatiseerde optische inspectiemachine bij de assemblage van printplaten?
Betekenis van AOI in SMT- en PCBA-productie
Geautomatiseerde optische inspectie (AOI) Dit is een geautomatiseerde methode om een geassembleerde printplaat (PCB) te inspecteren met behulp van hogeresolutiecamera's en gestructureerde verlichting. Het systeem vergelijkt de vastgelegde beelden van de printplaat met een referentiestandaard en signaleert eventuele afwijkingen.
AOI-machines worden doorgaans op cruciale momenten in de productielijn geplaatst. Ze worden meestal direct na het plaatsen van componenten of na het reflow-solderen ingezet, waarbij elke locatie een andere functie heeft bij het zo vroeg mogelijk opsporen van defecten.
AOI-technologie wordt op verschillende manieren aangeduid, waaronder Automated Visual Inspection (AVI) of Optical Inspection Systems. Ongeacht de gebruikte terminologie, beschrijven al deze termen dezelfde geautomatiseerde inspectietechnologie die wordt gebruikt in de moderne printplaatproductie.
Handmatige visuele inspectie versus geautomatiseerde optische inspectie
De praktijk van handmatige visuele inspectie (MVI) maakt al deel uit van de elektronica-industrie sinds de eerste printplaten werden geassembleerd. Een getrainde inspecteur gebruikt een loep of vergrootglas om een printplaat te onderzoeken op defecten of potentiële defecten. Dit is zeer effectief voor eenvoudige printplaten met grote doorsteekcomponenten; moderne printplaten met oppervlaktemontagetechnologie (SMT) vormen echter een uitdaging.
Componenten zoals 0201-passieve componenten, BGA's (Ball Grid Arrays) met fijne pitch en QFN's (Quad Flat No-Leads) vereisen een specifiek niveau van vergroting, verlichting en brandpuntsafstand, wat moeilijk te handhaven is gedurende een acht uur durende dienst. Bovendien ervaart de inspecteur vermoeidheid, waardoor het aantal gemiste defecten na de eerste twee uur inspectie aanzienlijk toeneemt en in het vijfde uur verder stijgt. Dit zegt niets over de individuele capaciteiten van de inspecteur, maar geeft een indicatie van hoe visuele aandacht werkt bij repetitieve taken.
Geautomatiseerde optische inspectie (AOI) heeft daarentegen geen last van deze effecten. De machine gebruikt hetzelfde algoritme voor de evaluatie van zowel printplaat nummer 1 als printplaat nummer 5,000. De belichting is gelijk, de camerapositie verandert niet en de evaluatiecriteria blijven gedurende de hele productiecyclus ongewijzigd.
Waar past AOI in de SMT-productielijn?
De meeste SMT-lijnen passen AOI toe op twee cruciale momenten: na het plaatsen van de componenten en na het reflow-solderen.
Post-placement AOI wordt gebruikt voordat de printplaat de reflow-oven ingaat. In deze fase controleert de AOI-machine of componenten ontbreken, verschoven, gedraaid of verkeerd georiënteerd zijn. Dit helpt om plaatsingsproblemen op te sporen voordat de soldeerverbindingen worden gevormd.
De AOI-positie na het reflowproces is de meest voorkomende. Nadat de printplaten de reflowoven verlaten en de soldeerverbindingen gevormd zijn, scant de AOI-machine op zichtbare soldeerfouten, plaatsingsfouten, ontbrekende componenten, tombstoning, soldeerbruggen en polariteitsproblemen. Dit is de belangrijkste kwaliteitscontrole in veel SMT-productieomgevingen.
Bij sommige complexe productielijnen wordt na het selectief solderen of golfsolderen voor doorsteekcomponenten een tweede AOI-bewerking uitgevoerd. De precieze plaatsing hangt af van de complexiteit van de printplaat, de geschiedenis van defecten en het productievolume.
Hoe werkt een geautomatiseerde optische inspectiemachine?
Beeldopname, belichting en uitlijning van het bord
De uitlijning van een printplaat vindt plaats nadat deze in een geautomatiseerd optisch inspectieapparaat (AOI) is geplaatst. De positie van de printplaat wordt bepaald door een set kleine referentiepunten die het AOI-apparaat gebruikt. Een onjuiste uitlijning maakt alle vergelijkingen ongeldig.
Nadat het uitlijningsproces is voltooid, gebruikt de AOI-machine een of meerdere camera's (afhankelijk van de grootte van de printplaat) die boven de printplaat zijn gemonteerd om beelden van de printplaat vast te leggen in gedefinieerde secties, ofwel gezichtsvelden (FOV's). De beeldkwaliteit kan sterk afhangen van de gebruikte verlichting. De meeste AOI-machines die tegenwoordig in gebruik zijn, hebben meerkleurige, meerhoekige LED-verlichting geïnstalleerd om schaduwen te creëren die een visuele indicatie geven van de vorm en afwerking van soldeerverbindingen, evenals de hoogte en afwerking van componenten. In 3D AOI-systemen wordt de beeldkwaliteit verder verbeterd door het gebruik van gestructureerde lichtpatronen, die naast de visuele informatie ook exacte verticale metingen van de componenthoogte mogelijk maken.
2D AOI en 3D AOI
2D automatische optische inspectie (AOI) maakt gebruik van tweedimensionale beeldvorming om de printplaten van bovenaf te inspecteren en het beeld in een plat vlak vast te leggen. Het doel van 2D AOI is om te controleren of componenten aanwezig zijn, correct gepositioneerd zijn en de polariteit klopt, evenals om het uiterlijk van de soldeerverbindingen te controleren. Bovendien is de 2D-versie van AOI zeer snel en kosteneffectief. De meeste standaard printplaten kunnen met behulp van 2D AOI-inspectiesystemen worden opgespoord.
3D geautomatiseerde optische inspectie (AOI) voegt een derde dimensie toe aan de inspectie van printplaten door niet alleen beelden van de soldeerverbindingen in een vlak te maken, maar ook een hoogtekaart van het beeld van de soldeerverbinding en het component te genereren. Deze toevoeging van hoogte-informatie aan de inspectie resulteert in extra defectdetectie, aangezien sommige defecten zeer duidelijk zichtbaar zijn in de hoogtegegevens, terwijl ze niet detecteerbaar waren in het 2D- of vlakke beeld. Enkele defecten die 3D-karakterisering vereisen om te detecteren, zijn onder andere scheefstaande aansluitingen, onvoldoende soldeervolume bij de verbinding en lichte kromming.
Samenvattend biedt 3D geautomatiseerde optische inspectie (AOI) heel andere mogelijkheden dan 2D geautomatiseerde optische inspectie. Er is ook een aanzienlijk prijsverschil: 3D AOI-systemen kosten aanzienlijk meer, vaak twee tot drie keer zoveel, dan een vergelijkbaar 2D AOI-systeem voor vergelijkbare productievolumes.
AOI-programma-instellingen en vergelijking met het Golden Board
Elke AOI-machine heeft een programma nodig voordat deze een nieuw printplaatontwerp kan inspecteren. Er bestaan twee belangrijke benaderingen. De eerste is CAD-gebaseerde programmering, waarbij Gerber-bestanden, stuklijstgegevens en centroid-bestanden direct worden geïmporteerd. De tweede is 'golden board teaching', waarbij een geverifieerde, defectvrije printplaat wordt gescand en de machine leert van die set afbeeldingen.
Beide methoden hebben voor- en nadelen. CAD-gebaseerde programmering is sneller op te zetten voor nieuwe ontwerpen. De gouden-printplaatmethode kan nauwkeuriger zijn voor printplaten met ongebruikelijke afwerkingen of speciale componenten, maar is volledig afhankelijk van de daadwerkelijke afwezigheid van defecten op de gouden printplaat, wat niet altijd gegarandeerd is.
Veelvoorkomende printplaatmontagefouten gedetecteerd door AOI
Plaatsingsfouten van componenten
Het geautomatiseerde optische inspectiesysteem is bijzonder goed in het opsporen van plaatsingsproblemen. Veelvoorkomende defecten die het detecteert zijn onder andere:
• Ontbrekende onderdelen — de pad is er wel, maar het onderdeel niet.
• Scheefstaande of gedraaide onderdelen die de geprogrammeerde hoektolerantie overschrijden.
• Verkeerde polariteit bij condensatoren, diodes en IC's.
• Tombstoning — waarbij één uiteinde van een passief component omhoog komt tijdens het reflow-proces.
• Verschoven componenten waarbij de plaatsingsafwijking de overlaplimieten van de pads overschrijdt.
Soldeerfouten
AOI kan een zeer nuttige functie bieden bij het detecteren van soldeerbruggen. Dit is een gevaarlijk defect dat optreedt wanneer overtollig soldeer twee contactpunten verbindt die, van bovenaf gezien, NIET met elkaar verbonden zouden moeten zijn. AOI is doorgaans in staat soldeerbruggen te detecteren wanneer de brug duidelijk zichtbaar is vanaf boven.
Wanneer er onvoldoende soldeer op het component is aangebracht, zal de resulterende soldeerverbinding klein zijn of onvoldoende contactoppervlak hebben met het soldeerpad, waardoor het soldeer niet goed aan het pad hecht. Soldeerbolletjes, fluxresten en koude soldeerverbindingen (die vaak te herkennen zijn aan hun doffe en/of ruwe oppervlak) kunnen ook door het AOI-systeem worden gedetecteerd.
Oppervlakte- en markeringsdefecten
Naast plaatsing en solderen signaleert AOI ook problemen op PCB-niveau: beschadigde pads, ontbrekende zeefdrukmarkeringen, losgeraakte sporen nabij componentranden en onjuiste componentlabeling wanneer tekenherkenning is ingeschakeld.
Defecten die AOI niet volledig kan detecteren
Het is belangrijk om eerlijk te zijn over de beperkingen. AOI ziet het oppervlak. Het kan niet in een soldeerverbinding kijken, onder een BGA-behuizing of in een via. Holtes in BGA-soldeerballen, een veelvoorkomend betrouwbaarheidsprobleem, zijn onzichtbaar voor optische inspectie. Kortsluitingen onder low-clearance-behuizingen, open verbindingen onder QFN's en elk defect dat verborgen zit achter de componentbehuizing zelf, vereisen röntgeninspectie. Functionele defecten, zoals een verkeerde componentwaarde, onjuiste IC-programmering en marginale parametrische prestaties, vallen volledig buiten het bereik van AOI.
Belangrijke parameters van AOI-machines die kopers moeten begrijpen
Camerapixels, pixelresolutie en beeldhoek (FOV)
De resolutie van een camera bepaalt hoe klein een defect de machine betrouwbaar kan detecteren. Resolutie wordt doorgaans uitgedrukt in micrometers per pixel; hoe kleiner het getal, hoe fijner de zichtbare details. Voor het inspecteren van 0201-componenten en IC's met een fijne pitch van 0.4 mm of 0.5 mm is over het algemeen een resolutie van 10-15 micrometer nodig.
PCB-afmetingen, dikte, speling en kromming
Elke geautomatiseerde optische inspectiemachine heeft een maximale printplaatgrootte die hij kan verwerken. Gangbare limieten variëren van ongeveer 50×50 mm minimaal tot 510×460 mm of groter voor panelen. Krommingstolerantie is een specificatie die vaak over het hoofd wordt gezien. Een maximum van 1-2 mm is gebruikelijk; sterk gekromde printplaten moeten worden gefixeerd of kunnen simpelweg niet betrouwbaar worden geïnspecteerd.
Inspectiesnelheid en productie-afstemming
De inspectiesnelheid wordt meestal aangegeven in cm²/seconde of printplaten per uur, afhankelijk van de printplaatgrootte. Stem de doorvoer van de machine af op uw productiesnelheid, niet alleen op de specificaties. Een AOI-machine die twee keer zo lang nodig heeft als uw reflow-oven, vormt een knelpunt.
Typische voorbeelden van AOI-parameters
|
Parameter
|
Typisch bereik
|
|
Camera Resolutie
|
8–20 µm/pixel
|
|
Maximale PCB-grootte
|
510 × 460 mm
|
|
Min. PCB-dikte
|
0.5 mm
|
|
Maximale PCB-vervorming
|
≤ 1.5 mm
|
|
Inspectiesnelheid
|
60–150 cm²/sec
|
|
herhalingsnauwkeurigheid
|
±15 µm of beter
|
AOI versus SPI, röntgenfoto, ICT en FCT
AOI versus SPI
SPI (Solder Paste Inspection) controleert het volume, het oppervlak, de hoogte en de offset van de soldeerpasta voordat er componenten worden geplaatst. SPI spoort printfouten in de pasta vroegtijdig op, voordat er kosten voor componenten ontstaan. AOI (Automatic Order Inspection) na het reflowproces registreert alle gevolgen van wat er na het printen van de pasta is gebeurd. De twee systemen vullen elkaar aan, maar zijn niet uitwisselbaar.
AOI versus röntgeninspectie
Röntgeninspectie is hét instrument om te zien wat AOI niet kan zien. BGA's, QFN's, CSP's – elk pakket waarbij de soldeerverbindingen verborgen zitten – vereist röntgenonderzoek om de kwaliteit van de verbindingen te controleren. AOI is sneller en goedkoper per printplaat; röntgenonderzoek is trager en duurder, maar onthult wat optische systemen fysiek niet kunnen zien.
AOI versus ICT en FCT
In-circuit testen (ICT) maakt gebruik van een testopstelling met spijkers om individuele knooppunten te testen en componentwaarden, kortsluitingen en onderbrekingen te verifiëren. Functioneel circuit testen (FCT) schakelt de printplaat in en test deze als een echt apparaat. In een goed ontworpen kwaliteitsprogramma vullen AOI, ICT en FCT elkaar aan, waarbij elk onderdeel de fouten van de andere onderdelen detecteert.
Wat kopers moeten vragen voordat ze een PCBA-fabrikant met AOI kiezen.
Is AOI online of offline?
Inline AOI is direct verbonden met de SMT-transportband; printplaten passeren automatisch zonder handmatige tussenkomst. Bij offline AOI moeten operators de printplaten handmatig laden. "We hebben AOI" en "we hebben inline AOI" zijn wezenlijk verschillende antwoorden. Vraag daarom specifiek.
Hoe worden AOI-programma's ontwikkeld en geverifieerd?
Een slecht geconfigureerd AOI-programma is bijna erger dan geen programma. Het genereert enorm veel valse alarmen, operators nemen meldingen aan zonder ze te controleren, en echte defecten glippen erdoorheen. Vraag hoe programma's worden gemaakt, hoe toleranties worden ingesteld en hoe vaak programma's worden gecontroleerd en bijgewerkt.
Hoe worden AOI-defecten geregistreerd en getraceerd?
Voor elke fout die door een machine wordt gedetecteerd, moet u een record aanmaken met daarin het type defect, de locatie op de printplaat, het tijdstip en de datum van de fout, de machine-ID en de status (of afhandeling). Al deze gegevens vormen samen een beeld van waar uw defecten ontstaan (welke processen afwijken) en waar u over het algemeen opbrengstverlies ziet. Als een fabrikant u rapporten over defecttrends kan leveren, dan gebruiken ze hun AOI-informatie correct.
Hoe werkt AOI met herwerk en eindinspectie?
AOI is een detectietool, geen reparatietool. Printplaten met bevestigde defecten moeten worden herwerkt. Vraag hoe herwerk wordt geautoriseerd, gedocumenteerd en opnieuw geïnspecteerd. Een printplaat die is herwerkt, moet die geschiedenis in het bijbehorende orderdossier hebben. De eindinspectie moet na de herwerking plaatsvinden, niet ervoor.
Over PCBasic
Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCB-basis is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.
De aanpak van PCBasic voor AOI in kleine en middelgrote PCBA-batches
Bij PCBasic wordt AOI-inspectie toegepast op zowel SMT- als DIP-assemblage. In het SMT-proces worden na het reflow-solderen 8 VCTA-A480 SMT AOI-inspectiesystemen gebruikt om zichtbare defecten te controleren, zoals ontbrekende onderdelen, componentverschuivingen, polariteitsfouten, tombstoning, soldeerbruggen en een slechte soldeerverbinding. In het DIP-proces gebruikt PCBasic een DIP AOI-inspectiesysteem van Leichen Technology om insteekcomponenten te inspecteren na het plaatsen en solderen.
Voor PCBA-projecten in kleine en middelgrote series is deze scheiding belangrijk. SMT AOI richt zich op componenten met een hoge dichtheid die op het oppervlak worden gemonteerd, terwijl DIP AOI helpt bij het controleren van de kwaliteit van doorsteekcomponenten, connectoren en andere insteekonderdelen. Samen maken ze AOI geschikter voor PCB-assemblages met gemengde technologieën dan alleen voor standaard SMT-printplaten.
AOI in de SMT-kwaliteitscontroleprocedure
Post-reflow AOI biedt snelle feedback na het solderen. Als meerdere printplaten dezelfde soldeerverbinding op hetzelfde component vertonen, kan het probleem te maken hebben met de hoeveelheid soldeerpasta, het ontwerp van de stencilopening, de plaatsingsnauwkeurigheid of de reflow-instellingen. Door dit terugkerende patroon vroegtijdig te ontdekken, kunnen engineers het proces aanpassen voordat het defect meer printplaten in de batch aantast.
Flexibel AOI-gebruik voor kleinschalige projecten met meerdere variëteiten.
Bij de productie van PCBA's met een grote variatie aan componenten en een laag volume, wordt het beheer van AOI-programma's een ware discipline. Het schakelen tussen tien verschillende printplaatontwerpen in één shift betekent dat er tien verschillende inspectieprogramma's nauwkeurig en gereed moeten zijn. Bibliotheken met referentiegegevens, gestandaardiseerde tolerantiesjablonen per componentfamilie en versiebeheerde programmabestanden maken dit beheersbaar.
Het combineren van AOI met andere inspectie- en testmethoden
Een praktisch kwaliteitssysteem voor PCBA's van gemiddelde complexiteit bestaat doorgaans uit de volgende stappen: inspectie van de soldeerpasta (voor de printkwaliteit), AOI na het reflowproces (voor plaatsing en solderen), röntgenonderzoek (voor BGA- en verborgen-joint-verificatie) en functionele testen (voor elektrische verificatie). AOI is de stap met de hoogste doorvoer; elke printplaat wordt snel verwerkt. De andere methoden vangen de fouten op die AOI mist, met hun eigen kosten en benodigde tijd.
Conclusie
Moderne PCBA-fabrikanten vereisen een geautomatiseerde optische inspectiemachine als basisvereiste voor elke productieomgeving waar kwaliteit voorop staat. Geen enkel inspectiesysteem kan echter elk defect detecteren. Daarom biedt een correct geprogrammeerd AOI-systeem, geïntegreerd in de reflow-fase, een van de meest efficiënte kwaliteitscontroles voor zichtbare defecten, plaatsingsnauwkeurigheid en het uiterlijk van de soldeerverbindingen.
Als u potentiële PCBA-leveranciers evalueert, is de vraag "Heeft u een AOI-machine?" niet de juiste. U zou zich eerder moeten afvragen hoe de AOI-machine in het algehele kwaliteitsproces past, hoe programma's worden bijgewerkt om aan veranderende productie-eisen te voldoen en hoe defectgegevens van de AOI worden gebruikt om het algehele proces te verbeteren. De informatie die u als antwoord op deze vragen ontvangt, geeft u uiteindelijk een beter inzicht in de kwaliteitscultuur van een fabrikant dan wat u alleen kunt afleiden uit de specificaties van de AOI-machine.
Als u op zoek bent naar een 3D AOI-machine voor uw bedrijf of contractfabrikanten evalueert, geeft een beter begrip van wat AOI wel en niet kan u de nodige informatie om een goede beslissing te nemen.
FAQ
V: Wat is AOI bij PCB-assemblage?
AOI (Automated Optical Inspection) is een machinegebaseerd systeem dat camera's en verlichting gebruikt om printplaten te scannen op defecten zoals ontbrekende componenten, soldeerbruggen, verkeerde uitlijning en polariteitsfouten door ze te vergelijken met een referentiestandaard.
V: Wat is het verschil tussen 2D en 3D AOI?
2D AOI gebruikt beelden van bovenaf om zichtbare oppervlaktedefecten te detecteren. 3D AOI voegt daar hoogtemetingen aan toe met behulp van gestructureerd licht, waardoor problemen zoals onvoldoende soldeer of losgeraakte draden die niet duidelijk zichtbaar zijn op 2D-beelden, kunnen worden opgespoord.
V: Welke defecten kan AOI niet detecteren?
AOI kan geen inspecties uitvoeren in soldeerverbindingen of onder componenten. Defecten zoals BGA-holtes, verborgen kortsluitingen of elektrische storingen vereisen röntgenonderzoek of functionele testen.
V: Wat kost een geautomatiseerde optische inspectiemachine?
De prijzen variëren per systeemtype. Basis 2D offline-systemen beginnen rond de $30,000–$60,000, inline 2D-systemen variëren van $80,000–$150,000 en geavanceerde 3D-systemen kunnen, afhankelijk van de functies, meer dan $200,000–$400,000 kosten.
V: Is AOI hetzelfde als SPI?
Nee. SPI controleert de soldeerpasta vóór het aanbrengen, terwijl AOI de componenten inspecteert na het aanbrengen of na het reflowproces. Het zijn verschillende, maar complementaire processen.
V: Wat moet ik vragen aan een PCBA-fabrikant die is uitgerust met AOI?
Vraag of AOI inline of offline is, hoe inspectieprogramma's worden gemaakt, hoe defectgegevens worden gebruikt en hoe herwerkte printplaten worden geverifieerd. Deze details zijn belangrijker dan alleen het bezit van de machine.
