Печатная плата – это база (основа) любого современного электронного оборудование.
Неисправности этого узла зачастую приводят к поломкам и другим негативным последствиям, в том числе и на готовых изделиях.
По этой причине к качеству несмонтированных печатных плат и предъявляются очень высокие требования.
Как правило, тестирование «голых» плат включает два вида контроля:
- Оптический (или визуальный)
- Электрический
Для электрического контроля, традиционно, используются системы с летающими пробниками. Имеющиеся на рынке решения, в целом, схожи по функционалу (кто-то быстрее, кто-то точнее). За исключением некоторых специализированных функций, например, таких как поиск латентных дефектов (запатентованная IBM технология, которая применяется в японских тестерах Microcraft), которые всем недоступны.
С оптическим контролем, дела обстоят сложнее, так как различают два типа:
- Автоматическая оптическая инспекция (АОИ)
- Автоматическая визуальная инспекция (АВИ)
Применяемые технологии (АОИ и АВИ) аналогичны, но сами алгоритмы работы (обработки изображения), аппаратные узлы и решаемые задачи разные. Давайте рассмотрим их детальнее.
Как работает АОИ
Объект тестирования АОИ - это несмонтированная печатная плата (включая слои и фотошаблоны) до момента нанесения финишного покрытия (защитной маски, золота, олова и прочее), в том числе и гальванической меди.
Рис1. Объект тестирования АОИ
Дефекты, обнаруживаемые АОИ - это различные «нарушения металлизации» печатных проводников (утонения, сколы, трещины, избытки меди и многое другое).
Рис2. Дефекты обнаруживаемые АОИ
Локализация дефектов осуществляется с помощью видеокамеры (как правило, монохромной). Для повышения тестового покрытия иногда применяется цветная (красная или синяя) подсветка диффузного или зеркального типа*.
* Зеркальная подсветка отражает свет под прямым углом Ее недостаток – при контроле деформированного объекта существует вероятность того, что свет не попадет на сенсор видеокамеры и мы не видим дефект. Диффузная подсветка светит под разными углами, что облегчает поступление света на сенсор камеры и, соответственно, значительно повышает вероятность обнаружения неисправности.
Обработка изображения выполняется с образом:
Рис3. Алгоритм обработки изображения на АОИ
Полученное изображение анализируется с помощью гистограммы*.Область с более темными пикселями определяется как текстолит, светлая – медь. Это все что нужно для определения дефектов проводящего рисунка.
* Гистогра́мма (в фотографии) — это график статистического распределения элементов цифрового изображения с различной яркостью, в котором по горизонтальной оси представлена яркость, а по вертикали — относительное число пикселей с конкретным значением яркости.
Чем АВИ отличается от АОИ
При сканировании плат с финишным покрытием получить настолько контрастное изображение уже не получится, так как появляется цвет (причем различного тона). И в случае применения АОИ мы получим 1000-и ложных срабатываний или пропущенные дефекты. Соответственно, использовать АОИ для полноценного контроля дефектов поверхности печатных плат согласно ГОСТ Р 56251-2014 – Нельзя!
Рис4. Объект тестирования АВИ
Для соблюдения всех требований ГОСТ есть два пути:
- Дооснастить участок оптического тестирования микроскопами и выполнять часть операций с помощью оператора
- Дооснастить участок оптического тестирования системами Автоматической оптической Инспекции (АВИ)
При контроле плат оператором всегда присутствует человеческий фактор – недосмотрел, заболел, не та подсветка, не тот угол обзора. Вероятность пропустить дефект очень высокая.
В случае с АВИ будет работать полностью автоматический инструмент.
А почему для этого нельзя использовать АОИ? Обработка цветного изображения это совсем другое дело, по сути, система должна обладать аналогом человеческого зрения и аналитическим мышлением. При этом гистограмма цветного изображения это множество пикселей, без явных затуханий (как на Ч/Б изображении).
Рис5. Пример гистограммы цветного изображения
Для выполнения качественной АВИ инспекции необходимо разделить тестируемый объект на категории - маска, площадки, BGA площадки, переходные отверстия, легенда и др.
Рис6. Пример обработки изображения на АВИ
Затем подобрать цветовой спектр (красный, синий, зеленый или их попарное сочетание), где каждая категория будет наиболее различима для оптического сенсора системы (подобно Ч/Б изображению на АОИ). Добавив к этому, информацию из САПР (или по эталонной Золотой плате) -запускается сложный алгоритм сопоставления каждого пикселя. При выявлении отличий пикселей друг от друга в каждой категории, система условно помечает это место как дефект. В среднем тестовая программа ориентировочно создается в течении одного часа (при наличии всех данных).
Благодаря технологиям машинного зрения - АВИ позволяют улучшить качество инспекции и находить такие дефекты как:
- дефекты поверхности (например, заусенцы, выбоины, царапины, выемки, разрывы волокон, обнаженная стеклоткань, пустоты);
- дефекты под поверхностью (например, посторонние включения, точечная пятнистость, микротрещины, расслоения, розовое кольцо, пустоты в полимерном основании);
- дефекты в проводящем рисунке (например, отсутствие адгезии, уменьшение ширины или толщины проводника вследствие выбоин, проколов, царапин, дефекты после гальванических операций и нанесения защитных покрытий);
- дефекты маркировки (например, положение, размер, читаемость, достоверность);
- дефекты отверстия (например, диаметр, ошибка совмещения, посторонний материал, дефекты после гальванических операций и нанесения защитных покрытий, царапины);
- дефекты паяльной маски (например, ошибки совмещения, вздутия, пузыри, расслоения, физические повреждения, толщина) и иммерсионного покрытия;
Среди производителей систем АВИ качественно выделяется японская фирма Kurabo.
В отличие от OEM подхода (т.е. изготовление оборудования из готовых серийных компонентов), компания пошла по пути 100% локализации разработки оборудования. Так все узлы системы АВИ BBmaster ( модули обработки изображения, видеокамеры, система подсветок, алгоритмы и программное обеспечениe) это результат кропотливого труда инженеров компании. Благодаря этому получилось достигнуть высоких результатов в области визуальной инспекции и существенному сокращение ложных срабатываний. По последним данным Бенчмарка - системы АВИ BBmaster оказались в среднем в 8 раза умнее ближайших конкурентов.
Рис7. АВИ BBmaster1100 (Kurabo, Япония)
При этом разрешение каждого пикселя достигает 3.3 мкм (недоступный другим производителям уровень) с точностью порядка 0.5 мкм. А инспекция одной стороны платы выполняется за 10 секунд (платы размером 250х330 мм).
Более того, BBmaster позволяет выполнять контроль геометрических размеров элементов платы (например, площадок или обнаруженных дефектов).
В заключение считаем необходимым повторить то, что системы АОИ и АВИ представляют собой схожее по архитектуре оборудование, но они не могут заменить друг друга. У каждой из этих систем свое назначение и точное место в технологическом процессе. Поэтому для обеспечения высокого качества выпускаемой продукции на современном производстве печатных плат мы рекомендуем следующий набор тестового оборудования: