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[转载文章] 测试和检查

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发表于 2007-10-16 15:40:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
USB-6009数据采集卡首发
从检查的角度来看,在PCB组裝件中有两种焊点:看得见的和隐蔽的。AOI系统是用来检查看得见的焊点,而AXI系统是用来检查隐蔽的焊点。把这两种技术合并成一个系统(AOXI),就能降低总价格。一些精密的系统甚至能够用AOI和X射线同时检查双面PCB,显著地提高PCB的生产速度。
* G( i4 c8 h- m# t' J作者:Udo E. Frank博士! s9 l& m8 i( J4 I8 H

; Z8 E* @* W+ Z* F% _- x$ T, e自动光学检查(AOI)和自动X射线检查(AXI)使用的都是数字图像分析技术。不论图像是怎样形成的,AOI所使用的图像处理技术同样也可以很容易地用在AXI上。对AOI来说,在检查设备(摄像头)中,通过吸收或者反射可见光,在检查目标发亮的表面上会形成一个看得见的图像(灰阶图案)。对AXI来说,是吸收X射线,目标的辐射会在检查设备中(一般是图像增强器和摄像机)形成一个看得见的灰阶图像。因此,AOI和AXI之间唯一的区别在于图像是怎样形成的;在图像的分析方法方面,它们并没有本质上的差别。7 x4 r( c# |+ Q# b: _' q. r1 g, g0 ~
利用标准的检查样品库,能够得到包含有AOI和AXI的检查程序,这样就可以使用统一的AOXI方法。缺陷分类软件不去区分图像是怎样形成的,起作用的只是缺陷的标准。; x1 }! h% R' B6 ?# ~
9 s# E8 y6 Z3 l/ i% ?- v
AOI能够检查看得见的缺陷/ e0 a4 `9 P/ C' p" q
在这些方法中哪个最好呢?我们可以用一些例子来回答这个问题,检查目标的可见性根据不同的例子有差别。AOI是用来检查电路板表面的方法。光垂直或倾斜地照射在表面上,用摄像头拍下来,得到一幅二维图像。因为在这个图像中,空裸电路板是二维的平面圆像,沿着X轴和Y轴把电路板真实地显示出来了。缺陷表现在X轴和Y轴的变化上,通过垂直观察可以很容易地辨别和分析这些缺陷,在这里,摄像头的光轴是垂直于电路板表面。
2 Z6 E! [3 w. u0 i电路板装上元件后,它的表面就会变得不平,是三维的,而图像仍然是二维的(图1)。从垂直的角度来看,一般都能够看出X/Y的偏移。然而,要想找出所有的焊点缺陷,有必要使用沿着Z轴的第三维,摄像头角度是倾斜的。把这两种观察方法结合起来就能够检查所有的缺陷。
* W1 V! z+ P- k根据定义,因为SMT是表面化的,所以适合使用AOI。在焊接之前,首先要把元件放到焊膏上,而且焊点通常是看得见的。尽管元件的密度越来越高,从侧面观察就能够把缺陷检查出來。只有当元件高度随着封装密度的提高而增加时,光学检查的局限性才会表现出来。阴影使它越来越难看清电路板表面上的焊点。
8 t  V0 a/ b. S& n$ B" B翼形引脚焊点是在元件外面,很容易看见,例如,QFP和SOIC封装,它们的引脚是向外弯曲的。J型引脚元件,例如,PLCC,它的引脚是向内弯曲,虽然它的焊点仍然在元件外面,但这些焊点已经移到元件的下面。然而,外部镀了锡的地方仍然是看得见的。" H! G( F# [2 G" s8 X
+ f' V7 s7 M( R' R9 x2 |" u
AXI能够检查出隐蔽的缺陷6 ~6 {* r( G  [7 }
重的元件或者受力大的元件,安装时要求更加牢固,所以使用插装技术(THT)。在这里,把要焊接的插针或引脚插入电路板的安装孔中,并且焊接。元件本身通常把焊点的正面遮住,而且通孔中的焊料填充的程度是不知道的。只有焊点的背面是看得见的。
% {. ^- G- z4 h$ J" P像BGA、μBGA、CGA或者MLF等封对,焊点完全在下面,是看不見的,用AOI根本看不到。只能用X射线来检查这些焊点。就拿BGA来说,它的引脚不是在伸在外面的一排引脚,而是呈阵列分布的焊球,隐藏在下面,把元件与电路板连接起来。这里,必须用AXI技术,除此之外没有其他方法能够检查BGA的焊接质量,同時速度达到生产的要求。
7 Y) p1 l: G: T5 t/ o/ w/ Y  N: Q& `" |- C1 ^
从第三维来观察元件
9 ]9 w$ G6 f& H3 j: q: bAXI是一种立体的检查方法。X射线穿透待检查的三维目标,把二维阴影图像投射到显示器上。AOI和AXI之间的根本差别是AOI看到的是平面图像,而AXI看到的是立体图像。AOI显示焊点的表面结构,而AXI显示焊点的内部结构,例如,焊点气泡。AXI揭示隐蔽的焊点和它们的形状。对于可以看得到的焊点,还可以用X射线来形成焊点的第三维。从垂直的角度来看,BGA焊球是有规则的黑色圆点。桥接、不充分焊接或者过度焊接、焊料溅散、没有对正和气泡都能够很快地检查出来。以倾斜的角度看,可以看到焊点的第三维。BGA的良好焊点呈桶形,从则面可以看到焊点的形状是不是这样的,还可以检查焊球的锡是否充足,以及焊点是否开路(图2)。4 B+ t) {! p9 R( [5 [' G
既然这些形似骨头的结构十分清晰,那么从侧面还可以用AXI来检查插装元件的焊点。焊料的填充程度,焊点表面的上面和下面的焊锡的状态,甚至有多少气泡都可以分析出来(图3)。对于翼形引脚焊点,AOI能够得到最好的结果。不过,当焊盘几乎跟引脚差不多大时,在评价焊锡状态和气泡时,采用AXI更有利。在用AXI时,我们也可以从倾面观察来完成这项工作。
: `, j4 `" o7 q4 _* t, }  |$ W在AOI和AXI之间并没有非常明确的界线。就某些检查任务而言,AOI和AXI都可以得到很好的结果。总的说来,要检查的结构越容易看清,AOI就越有效;要检查的结构越隐蔽,AXI就越有效。
1 ?  ~1 l& S+ g; E在决定如何把AOI和AXI更好结合起来时,最好看看它的复杂性和噪音干扰,这很重要。AOI能够看清检查目标的表面,所有内部结构都不能直接看到,它的优点是不会使这个问题变得模糊不清。复杂性相对比较低。因此,图像中的特征比较容易辨别。因为光通量和光强度都很高,所以光学图像也不会受噪音干扰的影响。AOI通过高像素的摄像头可以在几毫秒内得到光学图像,而且可以同时检查双面PCB的两面,可以很快地进行检查,产量很高。能够利用AOI检查的典型缺陷包括极性不正确或者标记不正确(图4)。
7 A; e/ e' E  P6 t; D* c& N: X: k. A$ f7 ]- a& ?
检查范围和产量( A1 R0 b& Z* z- M/ C1 W
AXI能够显示检查目标的内部结构。对于表面结构,只有在吸收过程中出现变化时,才能观察到。对于实际元件,用什么特征,要考虑到它的位置。这是比较优复杂的。因为元件可能会重叠,因此有时必须综合地改变射线源、检查目标和图像检测器的位置。
- o+ \% F$ r1 j$ [7 l此外,在X射线图像上有明显的噪音。虽然在高放大倍率微焦范围内X射线辐射的强度足够,但是它不能与可见光波长的强度相比。计算出在一段时间内的灰阶平均值(积分),能够可观地减少噪音,虽然这需要花几毫秒的时间。AXI能够检查隐蔽的焊点,而且速度很快。内部结构特征只能用AXI来观察,包括BGA焊点的形状或者在插裝元件焊点中孔的填充情況。
% A6 X& E& A% d# D; a" Q自动高速大范围检查的一般经验是:尽量用AOI检查,以保持很高的生产速度,同时,用AXI检查所有隐蔽的焊点,全面地进行检查。AOXI系统包含两种检查方法,能够一步完成可视焊点和隐蔽焊点的检查和分析,因此是最理想的系统。AOXI系统使用并行检查来提高产量——用光学来检查一块PCB,同时用X射线来检查另一块PCB。AOXI系统把这两个分开的系统合二为一,将价格和空间减少一半,而且又同时拥有AOI和AXI的所有优点。
IDAQ-USB-6009数据采集卡
 楼主| 发表于 2007-10-16 15:40:46 | 显示全部楼层
在线课堂
第二部分:# ?0 l" Q- H1 {3 p+ v
假设选择三种不同复杂程度的板:低、中与高。低复杂性的板(LCB, Low-complexity board)特征是,50个元件,350个焊点和50~100个电气节点,并且是一个简单电路,如,可编程自动调温器、高级玩具、家用电器、磁碟驱动控制器等。中等复杂性的板(MCB, medium-complexity board)包括500个元件,3500个焊接点和500~1000个电气节点;典型的例子是台式计算机的主板。最后,高复杂性的板(HCB, high-complexity board)有2500个元件,17500个焊接点,典型的3000~4000个节点。伺服器、路由器和高级电信的板归于这类。
( {# V. r& i& L: e一、各类型板的合格率
! f4 P% i% o2 j
; \+ [; i, e& [: x# V  为了决定三种类型板的所希望的可靠的合格率,假设制造过程对元件和焊接点的缺陷水平是每百万分之200个缺陷(DPMO, Defect per million opportunities)。(对中和高复杂性的板,DPMO水平通常较高;200 DPMO用于所有三种情况是为了方便比较。)。N = 缺陷机会,合格率的公式为:合格率 = [ 1 - (DPMO/1000000)]N3 Y& R5 T) ~: [6 r
! s/ P8 y7 H6 o& t2 Y9 c
  低复杂性的板有400个缺陷机会(50个元件 + 350个焊接点);中等4000(500 + 3500);高20000(2500 + 17500)。应用到 公式 中,(SMT工艺)合格率结果为:低复杂程度92%,中等复杂程度45%,高复杂性的PCB只有2%。结论:几乎所有低复杂程度的板都将通过,而几乎所有高复杂程度的板将至少每个板上暴露出一个缺陷。
( m3 S! a! [& C* m4 t9 c
1 A) l5 E% K/ U  再假设对每个类型的板,SMT生产线每天运行24小时,每周五天,每年50周。对低复杂性的板,每年生产2,000,000块板,中等程度200,000,高等程度40,000。LCB的制造成本为$20;MCB为$400;HCB为$4,000。% s2 F+ n8 Q: n/ w' e5 q9 u! A3 J

4 b# a5 a6 M- }8 c: _# \. I( b* n/ Y二、测试:一个无增值的行为?/ S( }4 `1 p9 Y1 G7 ?. `" m- p% W
0 A- [+ b" x1 b. V) h6 H
  这个说法有时听得到,如果是真的,那只需要调整一个策略 - 一个非常简单的过/不过的测试。一个公司致力于只发货那些工作正常的板,可能对那些失效的板不作任何修理,它会发现扔掉更便宜。这项策略的经济效应可从表中看到。4 Y9 C/ G2 y! Q! u
1 Q7 u. m2 ]+ @  U! n
+ \, K& X0 @/ i

5 d- }6 _4 v8 O, Y  使用报废失效品策略,可以看出对三种情况的报废成本有很大差别,甚至总的DPMO是相同的。如果测试和修理成本比报废成本低,那么测试将增加价值。表中所示,LCB比MCB用来开发与投资在测试和修理上的可用"空间"较小;而比HCB要小得多。% }. H( F' q+ |. O

1 ]5 K% _; Z: o, m/ s  选择测试策略的指导性原则是,找到产生最高经济回报的结合方法。这是高缺陷覆盖(较低报废率)与最佳诊断方法(较低修理成本)之间的交替换位,考虑测试检查系统的固定成本,编程和夹具成本,和操作员与修理人员的事务成本。" a1 F* K/ s* |+ u( Z: i  h& o
- r3 {/ }+ O3 M$ t1 k  S& G0 s* m
  低复杂性板。最佳的测试策略可能是手工视觉检查(MVI, manual visual inspection)或自动光学检查(AOI, automated optical inspection),跟着功能测试。如果假设每班次要求五个视觉检查员,并且MVI可发现和修理50%的所有缺陷,那么可节省$1.6百万。一个视觉检查员的年开支大约$30,000;这个方法的成本是每年450,000(每板5个检查员 x 3班 x $30,000 = $450,000)。一项$450,000的投资节省$1.6百万,似乎是一个好的策略。但是作为替换 - 使用AOI而不是MVI - 一个系统可跟上一条生产线的产量,产生的年成本会大大地低于$450,000。因此,在大多数情况下AOI是更好的策略。
6 @* W: H. A+ K& D4 s' [
9 Y$ A; ^. b' m6 O, E  如果MVI策略找出缺陷的效力是50%,功能测试的合格率应该是96%,这里剩下的缺陷的75%可以被测试并以少于每个$20来修理。(典型地,功能测试有95%的缺陷覆盖率。在低复杂情况,假设只有75%的所有查出的缺陷可以以少于$20的成本修理。如果测试和修理多于$20,那么报废板更便宜。)
! E" k: q4 g/ A4 q/ [; t3 H: Z
  应该加入在线测试(ICT, in-circuit test)吗?答案还不清楚,例如,如果板的种类很少,只需要开发一些夹具和测试程序;那么ICT可能是一个好的策略。可是,如果情况是需要很多程序和夹具,那ICT可能不是一个经济的策略。这个评估的关键是检查的合格率为96%。LCB情况如图一所示。
3 ^$ h7 Q3 A3 B6 v: A
4 @3 U1 m5 l' C4 h. b( u4 B# Y  H: [* D! N+ Z

1 x$ v$ P5 `) d! n9 }图一、对低复杂性板的手工视觉或自动光学检查加上功能测试的情况。
+ L! x5 v( z" C* q! C8 V2 W$ u+ q# D3 C- {
  中等复杂性的板。大多数成本有效的策略可能是某种形式的检查,跟着ICT和功能测试(图二)。使用一个缺陷覆盖率为50%的检查策略,结果将得到73%的检查合格率 - 太低而不能直接供给功能测试。(原则上,到功能测试的合格率应该大于90%。) 如果,在这种情形,加入对剩下缺陷有75%覆盖率的ICT,那么将有41,250块板将在ICT检查和修理。如果假设平均修理费用,包括在ICT的附加诊断每板$6和功能测试的每板$36,那么节约为$1.2百万(41,250 x ($36 - $6))。ICT设备的年固定成本,程序开发和夹具成本可能要少得多。(注:几个选项,包括MVI,AOI或自动X光检查(AXI, automated X-ray inspection),可以是这种情况下的检查策略的可替换选择。阐述哪种最有经济效益已超出了本文的范围。)4 w" e  z0 _- P0 p9 c- Y! w" K

; y& n! f8 S/ E$ Z# t6 G1 }
. O5 N$ [+ w6 Q3 x9 _6 ^; O
8 m3 \% Y1 m( v. l- W+ K图二、对中等复杂程度的板,最有经济效益的策略是某种形式
$ V3 E/ _# o8 B1 L) {* w$ I* ~的检查,跟着在线测试和功能测试。节约潜力达每年$1.2百万。2 i- U# V* \+ O9 V; L  ]* h4 F

' [8 }. l! N+ o9 n  高复杂性的板。没有检查的生产合格率为2%。这里,对每块板17,500个焊接点,一个高缺陷覆盖率的策略(AXI)可能是最有经济效益的替代方法(图三)。对一个典型的缺陷谱,AXI可以检查到所有失效的80%,或80%的合格率,这还太低,不能直接去功能测试。因此,用ICT补足这个情况是一个好的策略,并以简化ICT测试的机会得到强调。因为AXI具有非常高的短路与开路缺陷覆盖率,ICT夹具可以减轻对已经被覆盖的缺陷的测试。使用这个策略可以大大节约ICT夹具和程序开发的成本。
, K0 q( U- k$ \! f& k2 W& a! B! l, \/ }. v% o& F

% d# c% m, \1 X; s& u" N
4 R* V: W1 R; o' J& T图三、对高复杂性板的情形,使用自动X光检查的高缺陷覆盖率策略可能是最有经济效益的。
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三、产品寿命周期8 U8 U2 W# b# D) |

5 V; S) h, S' T0 }  在引用的三个例子中,假设了稳定的生产状态。可是,这是不正常的。从方程式中忽略的是原型测试、生产攀升和成熟生产工艺的发展。还有,在许多情况下,及时到达市场(time-to-market)和适量到达市场(volume-to-market)可能是一个产品成功(或失败)的关键。为满足这些关键产品时期的特殊需要,可能要加入另外的测试步骤。例如,在原型测试中,应该选择具有高覆盖率和编程快的测试/检查技术。AXI,AOI和飞针系统(flying probe system)是好的替代手段。通常,在产量增加和缺陷水平还高的攀升阶段,有经济意识的应该准备尽可能多的测试策略。
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" T& W7 }6 V! i2 Y$ m四、缺陷谱
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  选择正确测试策略的另一个关键因素是,对缺陷水平和缺陷谱的了解。如果大多数缺陷是焊锡有关的,那么,策略中应包括一个具有对这些缺陷高覆盖率的测试系统。简单地说,如果贴装错误普遍,那么应该有一个对这个区域高覆盖率的测试系统。事实上,一个测试系统不可能覆盖全部的缺陷谱。可是,为了选择正确的策略,应该把方程中缺陷谱和缺陷水平以及板的复杂性和板的产量,作为关键的考虑因素,来完成经济运算。
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5 a6 S$ d/ Y' K  z5 Q& i9 h. K# t五、总结7 f' g* k% X  |5 @
3 \% q9 h- G8 K$ c( f. W
  通过选择测试策略,作为PCB复杂性的函数,高复杂性板的潜在成本利益是比低复杂性板的高得多。鉴于元件数量与焊接点数量是关键的参数,重要的是记住,其它因素可能引起板的复杂性。板的密度,密间距元件,电气和视觉可达性,板的数量等,也是重要的,因为任何变化都可能重大的改变最优的测试策略。
发表于 2008-1-23 14:28:30 | 显示全部楼层
学习中,谢谢楼主!!!
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