Asigurarea Calitatii In Productie cu Ajutorul Inspectiei Optice Automate

Introducere

În zilele noastre, tehnologia avansată necesită sisteme avansate de producere a acesteia. Producerea plăcilor electronice se face într-un mediu automat sau semi-automat. În oricare din aceste situații calitatea produselor ieșite la capăt de linie este și trebuie sa rămână cea mai mare prioritate într-o companie respectabilă. Pentru aceasta, companiile din acest domeniu destul de vast, adoptă anumite reguli cu care se pun de acord toate firmele ce vor sa creeze astfel de produse.

Un exemplu destul de interesant si foarte ușor de înțeles este acordul făcut între companiile ce produc plăci de bază, atât în domeniul automotive cât și a bunurilor electronice de larg consum (EMS). Acestea au convenit ca principiile de calitate pe care se bazează să fie descrise într-un glosar denumit IPC. Scopul acestui glosar este să standardizeze cerințele de producție si asamblare a echipamentelor electronice. Astfel, versiunea ce se ocupa de producția electronicelor este denumită IPC-A-610, fiind folosită in toată lumea de către companiile producătoare de produse electronice.

Exemplul de mai sus este unul foarte bun, deoarece ne arată că ceea ce se intâmplă în procesul de producție, trebuie să fie foarte bine cunoscut, trensparent si standardizat. Pe baza acestui document, în liniile de producție, s-au introdus așa numitele puncte de verificare, în care produsul este testat si verificat chiar in fazele de producție, eliminându-se sau corectându-se defectele apărute din cauza procesului sau al materiei prime. Astfel, în liniile de producție putem întâlni verificări manuale ale produsului făcute de către operatori sau tehnicieni specializați în calitate, verificări semi-automate făcute parțial sau total de către o mașină cu ajutorul unui operator sau verificări automate si complete făcute doar de către o mașină specializată în astfel de măsurători. Acest lucru a dus la o calitate mult mai ridicată a produselor obținute.

Obiectivul lucrării de față are este de a prezenta scopul și rolul pe care îl are o astfel de mașină automată în producția de serie a pieselor electronice cât si aportul adus de aceasta la determinarea calității produslui, credibilitatea clientului față de furnizorul produsului finit, precum și ușurarea muncii personalului angajat într-o astfel de companie. Pe parcursul lucrării, sunt prezentate în principal aspecte tehnice legate de echipamentele de inspecție optică, dar sunt amintite și alte tipuri de verificări. Deasemenea, vor fi atinse puncte legate de noțiuni de calitate folosite, dar vor fi dezbătute și tehnicile măsuratorilor făcute pe baza acestora.

Capitolul I. Integrarea sistemului de inspectie optică în linia de producție

Inspecție optică automată (AOI) funcționează ca un instrument automat de inspecție vizuală pentru un număr mare de produse, cum ar fi plăci cu circuite integrate (PCB), capace sau etichete pe pachete de produse, produse agricole (semințe de porumb sau fructe) și piese auto. Această metodă este considerată ca fiind procesul de inspecție cel mai de încredere pentru PCB-uri în cele mai multe dintre industriile electronice.

AOI a fost introdusă pentru prima dată în mijlocul anilor '90, iar acum este folosit în întreaga lume, în cea mai mare parte pe liniile de producție SMT. Sistemul AOI poate capta milioane de puncte de pe suprafață, iar aceste puncte sunt utilizate ulterior pentru a analiza defectele din produs. Este folosit pentru a detecta o varietate de defecte de suprafață, cum ar fi componente incorecte, circuite deschise, scurtcircuite, zgârieturi și pete, componente incorect plasate și subțierea aliajului de lipit, precum și componente lipsă.

Piața AOI este segmentată pe baza tipului, tehnologiei, produselor, cererii, și pe bază zonelor geografie. Piața este segmentată în sectoare importante, cum ar fi: aplicații industriale, medicale, agricole, auto, industria aerospațială și de apărare. Pe baza produselor avem o segmentare în funcție de modul de iluminare, imagistica, și stocare a datelor. Piața în funcție de tipul echipamentelor a fost segmentată în stand-alone sau inline, închise sau deschise, și sisteme AOI combinate. Între timp, în plan geografic, piața este segmentată în regiuni, cum ar fi America de Nord, Europa, Asia, si restul lumii.

Linia de producție pentru plăcile elctronice poate fi categorizată în două mari părți: SMT și Asamblare finală. În amble cazuri, sistemul AOI poate fi implementat cu foarte mică ușurință, asigurând calitatea la cele mai înalte standarde.

Pentru zona SMT sunt mai multe sisteme AOI ce pot fi implementate, după cum urmează:

SPI – Inspecția pastei

AOI Pre-reflow – Inspecția componentelor înainte de cuptor,

AOI post-reflow – Inspecția lipiturilor dupa cuptor,

AXI / MXI – Inspecția automată sau manuală cu raze X (X-ray) pentru BGA si QFN

Fig. I.1 – Linia SMT și legătura dintre sistemele de inspecție

Zona de asamblare finală nu este o zonă standard, astfel că echipamentele pot fi personalizate în funcție de necesități. La fel si echipamentele AOI, pentru această zonă pot fi standard, dar și echipamente personalizate, după cum urmează:

AOI Post-soldering – Inspecția pinilor după lipirea selectivă

MXI – Inspecție manuală cu raze X pentru pini si componente THT

Inspecția AOI personalizată pentru carcase si coduri de bare.

Deoarece pentru zona de asamblare finală, inspecția AOI este diversificată și mai ales personalizată în funcție de necesități, în continuare mă voi axa pe tipurile de inspecție standard ce le putem regăsi pe aproape orice linie de producție SMT.

I.1. SPI – Inspecția automată a pastei

Odată pasta printată pe suprafața padurilor de pe placă, primul pas de calitate îl reprezintă inspecția automată a pastei. Acest tip de inspecție se realizează de către mașini specializate în acest sens. Aceste mașini folosesc inspecție optică 3D bazată pe inspecție cu laser sau inspecție Moire. Aceste echipamente se întalnesc pe liniile SMT în aproximativ 70% din cazuri, acolo unde producătorul de plăcuțe electronice vrea sa asigure o calitate ridicată a produselor sale. Domeniile în care întalnim echipamentele sunt: industria automotivelor, aerospațială, EMS.

Fig. I.2. – Placă printă, imagine reală

După cum se poate vedea din figura I.2, nu putem ști exact dacă cantitatea de pastă ce o avem pe placă este suficientă. Aici intervine inspecția 3D și verificarea pastei cu ajutorul algoritmilor. În acest fel se pot vedea diferențele între printarea pe care dorim sa o avem și anumite anomalii ce pot apărea.

Fig. I.3 – Inspecția 3D a pastei

O inspecție corectă și concretă poate califica placa ca fiind bună sau nepotrivită pentru a putea fi folosită în producția de serie.

I.1.1 Principiul de funcționare

Principiul de inspecție este unul relativ simplu, bazat in foarte mare parte pe decizia algoritmilor de inspecție. Se achiziționează imaginea cu ajutorul unei camere CCD, după care această imagine este analizată de către algoritmii de inspecție. În timpul achiziționării, placa este luminată cu ajutorul unei lumini normale, astfel încât imaginea achiziționată să fie una cat mai apropiată de realitate. Dupa achiziția imaginii 2D de catre cameră, se trece la achiziționarea imaginilor 3D, care vor fi pe urmă verificate de către algoritmi specializați.

Fig. I.4 – Achiziția imaginii 3D, diferențe între achiziția cu 1 sau 2 proiectoare

După cum se poate vedea din Fig. I.4, pentru achiziționarea imaginii 3D, se folosesc proiecții Moire din diverse ungiuri, despre care vom vorbi mai pe larg in capitolul II. Pentru o astfel de achiziție se folosesc 2 sau 4 poziții de proiecție, pentru a elimina efectele de umbră.

I.1.2 Avantajele sistemului, defecte ce pot fi găsite

Sistemul SPI poate detecta o multitudine de defecte ce apar din cauza printării defectuase și în același timp poate optimiza procesul de printare prin însăși rezultatele ce le oferă spre analiză, fiind un bun ajutor în rezolvarea acestor probleme și reducearea cantității de plăci printate necorespunzător. În continuare vom aminti câteva din defectele ce pot fi găsite de acest sistem.

Defecte de printare excesivă

Acest tip de defect apre atunci când se depozitează prea multă pastă prin aperturile șablonului pe padurile plăcii.

Fig.I.5 – Printare excesivă, vedere 2D + 3D

Defecte de printare insuficientă

Acest tip de defect apare atunci când pasta depozitată este prea puțină, insuficientă sau lipsește cu desăvârșire de pe placă. Cauzele pot fi multiple: aperturi infundate, presiune insuficientă de apăsare, pastă întărită, uscată, pastă cu granulație prea mare, expirată sau chiar lipsa pastei de pe șablon.

Fig I.6 – Printare insuficientă

Defecte de poziție

Aceste defecte pot apărea din cauză că șablonul nu este aliniat perfect cu placa. Această nealiniere este cauzată de plăci de prastă calitate, fiduciali deplasați sau probleme cu masca de acoperire (soldermask).

Figura I.7 – Defect de poziționare

Defecte de scurt circuit

De cele mai multe ori, acest defect este cauzat de printarea in exces si necurățarea șablonului în mod regulat.

Fig I.8 – Defect de scurt circuit

Defectele de arie

Aceste defecte sunt destul de des întalnite, deoarece se referă la aria unui pad pe care este creat depozitul de pastă. Deși o printare perfectă este cea de 1:1 ( apertura șablonului este complet umplută cu pastă la înalțimea lui), de nenumărate ori se întamplă ca apertura sa nu fie umplută, rezultând defecte de arie mică, sau să fie supraumplută, rezultând defecte de arie mare. Aceast lucru se întamplă din cauza necurățirii conforme a șablonului sau ca rezultat al impurităților lasate pe acesta: scame, resturi de pastă sau flux, etc.

Fig. I.9 – Defecte de arie mare și mică

I.2 – AXI/MXI – Inspecția optică automată sau manuală cu raze X (X-ray)

Radiațiile X (numite mai târziu radiații sau raze Roentgen) au fost descoperite în anul 1895 de către fizicianul german Wilhelm Conrad Röntgen în mod întâmplător, în timp ce experimenta cu razele catodice (fascicul de electroni) provenite de la un tub de sticlă vidat cu 2 electrozi. (În germană litera ö se mai scrie și oe.) Ele sunt radiații electromagnetice ionizante, invizibile, cu lungimi de undă cuprinse între 0,1 și 100 Å (ångström). Datorită lungimii de undă mici, aceste radiații sunt foarte penetrante, putând trece prin diferite materiale cum ar fi corpul uman, lemnul, piese metalice (nu foarte groase) etc. Radiațiile sunt absorbite de către corpuri în funcție de densitatea lor: cu cât densitatea este mai mare, radiațiile sunt absorbite mai mult. Pe acest principiu se bazează radiodiagnosticul.

Razele X se pot obține în tuburi electronice vidate, în care electronii emiși de un catod incandescent sunt accelerați de câmpul electric dintre catod si anod (anticatod). Electronii cu viteză mare ciocnesc anticatodul care emite radiații X. Electronii rapizi care ciocnesc anticatodul interacționează cu atomii acestuia în două moduri:

Electronii, având viteză mare, trec prin învelișul de electroni al atomilor anticatodului și se apropie de nucleu. Nucleul, fiind pozitiv, îi deviază de la direcția lor inițială. Când electronii se îndepartează de nucleu, ei sunt frânați de câmpul electric al nucleului; în acest proces se emit radiații X.

La trecerea prin învelișul de electroni al atomilor anticatodului, electronii rapizi pot ciocni electronii atomilor acestuia. În urma ciocnirii, un electron de pe un strat interior (de exemplu de pe stratul K) poate fi dislocat. Locul rămas vacant este ocupat de un electron aflat pe straturile următoare (de exemplu de pe straturile L, M sau N). Rearanjarea electronilor atomilor anticatodului este însoțită de emisia radiațiilor X.

Acest tip de inspecție este unul aparte deoarece este folosit foarte puțin într-o linie de producție SMT, inline, dar devine din ce in ce mai folosit ca și echipament offline. Într-o companie care produce electronice, indiferent de natura acestora nu este neaparat nevoie ca fiecare linie să fie dotată cu un astfel de echipament. Deaceea uneori, firmele achiziționeaza unul sau două astfel de echipamente automate sau manuale pentru SMT.

Inspecția cu raze X este folosită ca o unealtă avansata de inspecție acolo unde ochiul uman nu poate sa vadă. Având în vedere faptul ca inspecțiile AOI convenționale înlocuiesc defapt ochiul uman, acestea se și comportă astfel: pot să inspecteze, doar ce pot să vadă. De cele mai multe ori, acest sistem de inspecție AOI este utilizat pentru a verifica lipiturile componentelor BGA și QFN dar și a acelor componente care nu pot fi inspectate cu ajutorului inspecțiilor convenționale.

Dorința de miniaturizare a placilor a dus la micșorarea componentelor și implicit a lipiturilor acestor, rezultând componente ale căror lipituri sunt sub ele sau sunt foarte minuscule.

În ultimii ani, nevoia de echipamente automate de control X-Ray a crescut considerabil și, ca urmare, o gamă mult mai largă de echipamente este disponibilă. În plus, tehnicile utilizate în echipamente automate de control X-Ray s-a îmbunătățit și acest lucru a permis un nivel mult mai mare de detecție realizat pentru circuit imprimat.

AXI este capabil să găsească defecte cum ar fi pini ridicați, circuite deschise, scurturi, lipire insuficientă, lipire excesivă, lipsa pieselor electrice și componente deplasate. Aceste sisteme de control sunt mai costisitoare decât sistemele optice obișnuite, dar sunt în măsură să verifice toate conexiunile.

I.2.1 Proprietățile razelor X

Ele prezintă următoarele proprietăți:

în vid ele se propagă cu viteza luminii;

impresionează plăcile fotografice;

nu sunt deviate de câmpuri electrice și magnetice;

produc fluorescența unor substanțe (emisie de lumină); Exemple de substanțe fluorescente: silicat de zinc, sulfurǎ de cadmiu, sulfurǎ de zinc, care emit lumina galben-verzuie.

sunt invizibile, adică spre deosebire de lumină, nu impresionează ochiul omului;

pătrund cu ușurință prin unele substanțe opace pentru lumină, de exemplu prin corpul omenesc, lamele metalice cu densitate mică, hârtie, lemn, sticlă ș.a., dar sunt absorbite de metale cu densitatea mare (de exemplu: plumb). Puterea lor de pătrundere depinde de masa atomică și grosimea substanței prin care trec.

ionizeazǎ gazele prin care trec. Numǎrul de ioni produși indica intensitatea radiațiilor. Pe această proprietate se bazeazǎ funcționarea detectoarelor de radiații.

au acțiune fiziologicǎ, distrugând celulele organice, fiind, în general, nocive pentru om. Pe această proprietate se bazeazǎ folosirea lor în tratamentul tumorilor canceroase, pentru distrugerea țesuturilor bolnave.

Acest proces de inspecție poate verifica lipituri pentru QFN, BGA sau chiar cantitatea de pasta de sup componente cu pini mari dupa cum urmeaza:

Fig I.10 – Inspcție cu raze X ale unui QFN (stanga – componenta bună, dreapta – componentă defectă (lipsă pastă))

Fig. I.11 – Inspecția BGA

Fig I.12 – Inspecția găurilor în lipitură

I.3 Inspecția AOI

Inspecția optică automată este o metodă standard unanim acceptată pentru controlul calității procesului de producție, a liniilor SMT. Aparatura de inspecție optică automată post-reflow se poate conecta in-line (în cazul liniilor automate) sau offline atunci când inspecția vizuală se realizează prin sampling sau când se produc o variație mare de plăci electronice. Având în vedere faptul că echipamentele AOI sunt mult mai ieftine decât echipamentele cu raze X, acestea intră ușor în componența a peste 90 % din liniile SMT.

Piața echipamentelor de inspecție AOI este una foarte vastă și de aceea exista mulți producători de asemenea echipamente. Fiecare producător are modul său de gândire și de programare a acestor echipamente. Din aceasta cauză, modalitatea de inspecție diferă de la un echipament la altul. Astfel avem inspecții bazate pe nivele de gri, inspecții bazate pe algoritmi 2D, inspecții 3D, inspecții bazate pe nivele de gri ce utilizează filtre de culori RGB sau inspecții color bazate pe nuanțe RGB.

Aceste echipamente pot fi folosite în linia de producție pre-reflow, în acest caz acestea având rolul de verificare a componentelor plasate, dezavantajul fiind că în acest caz se pot detecta doar problemele de prezență și poziție. De cele mai multe ori însă, echipamentul este plasat post-reflow, putând detecta atât problemele de prezență și poziție cât și cele legate de lipituri.

I.3.1 Principiul de funcționare

Echipamentele de inspecție AOI se bazează pe o cameră principală numită și cameră de top, care are rolul de a achiziționa imaginile de pe placă. Pe lângă această cameră mai pot fi folosite încă 4 până la 8 camere unghiulare pentru a avea posibilitatea de achiziționare a imginilor din unghiuri. În timpul achiziției imaginilor, placa este iluminată cu ajutorul diferitelor surse de lumină: lumina orizontală, verticală, difuză, color RGB ce sunt dispuse in jurul camerei principale in forma de inel, în mai multe colțuri, în diferite unghiuri sau cu ajutorul prismelor. Lumina provine din surse de lumină ce folosesc fie neon, fie iluminare cu LED.

Unele mașini pot sa folosescă și inspecție 2D + 3D sau inspectează toată placa doar în 3D. Pentru a crea imaginile 3D se pot folosi lasere pentru a verifica înalțimile, dar unele dintre cele mai precise măsurători pot fi obținute doar cu ajutorul generatorului de linii Moire. Acesta genereaza linii negre pe un fundal de lumină, ce sunt modificate cu o anumită frecvență, iar camera principală catureaza aceste imagini ce sunt mai apoi analizate de algoritmi specializați în acest tip de măsurare.

Pentru inspecție, placa este împarțită in mai multe bucăți numite zone de inspecție , ce nu depășesc dimensiunea camerei. Pentru o zonă de inspecție , se achiziționează până la 90 de cadre care mai apoi sunt analizate. Pentru fiecare componentă, se face mai întâi detecția poziției acesteia, cu ajutorul recunoașterii 1:1. Astfel, softul de inspecție are câteva fotografii ale componentei memorate și verifică raportul de potrivire între fotografiile memorate și cele capturate. Odată gasită componenta, se trece la următoarele verificări, care în cea mai mare parte sunt făcute de algoritmii de inspecție. Algoritmii pot verifica culoarea componentei, cantitatea de pastă pe care o are lipitura, dacă componenta este ridicată sau dacă are pinii ridicați, pot verifica deasemenea rotația sau modul în care este amplasată componenta.

Odata ce un defect este detectat de echipament, acesta v-a salva această imagine și o va arăta operatorului. Lucrul acesta se întamplă deoarece componentele pot veni de la diferiți furnizori, având diferențe înrte ele. Deasemenea precizia echipamentului este ușor influențată de ceea ce există în jurul respectivei componente, de lumina ambiantă sau chiar de umbrele ce pot apărea din cauza componentelor înalte. Astfel, operatorul are posibilitatea de a clasifica aceste defecte direct pe aplicația echipamentului sau pe o altă aplicație de la o stație de analiză. Această stație are rolul de a afișa imaginile considerate de mașină ca fiind defecte pentru clasificarea ulterioară a acestor. Opearatorul ia ultima decizie și clasifică defectul respectiv ca adevărat sau fals. Rezultatele sunt mai apoi salvate în baza de date a mașinii care poate fii accesată de o aplicație specializată in SPC – Controlul statistic al procesului. Această aplicație are rolul de a verifica calitatea procesului de inspecție, dar mai ales are rolul de a monitoriza defectele și procesele ce cauzează aceste defecte.

I.3.2 Tipuri de defecte ce pot fi detectate.

Având în vedere că inspecția se bazează pe ceea ce e vizibil de pe placă, aceasta este capbilă să detecteze orice modificare ce apare pe placă în zona de inspecție. Defectele ce pot fi găsite la AOI sunt comune și toate echipamentele de inspecție trebuie să fie capabile să le detecteze. În continuare sunt precizate câteva din defectele cele mai comune ce pot fi detectate de sistemele AOI.

Defecte de prezență și poziție

Fig I.13 – Componente lipsă sau poziționate greșit

Aceste defecte pot fi cauzate de echipamentul de plasare al componentelor sau de procesul de reflow. Oricare ar fi cauza acestor defecte, ele trebuiesc sa fie detectate de inspecția AOI.

Defecte de coplanaritate a componentelor sau a pinilor acestora

Fig I.14 Componente și pini ridicați

Aceste tipuri de defecte sunt foarte greu de detectat chiar și cu ochiul liber. Aici se poate dovedi adevărata eficiență a echipamentului de inspecție. De cele mai multe ori aceste defecte apar la componentele mici de tipul 0402 sau a pinilor cu o lațime mică de 300 um.

Defecte de polaritate

Fig I.15 Defect de polaritate

Componenta la care se face referire in figura I.15 este rotită, având un defect de polaritate cauzat de plasarea necorespunzătoare a componentei. În cele mai multe cazuri, acest lucru se întâmplă fie din cauza programării greșite a echipamentului de plasare, fie din cauza schimbării poziției în rolă a componentei de către producător și neanunțarea acestor schimbări. Componentele pentru care se verifică polaritatea sunt integrate, microprocesoare, diode, condensatori, relee, conectori sau oricare altă componentă ce poate avea o influență negativă asupra circuitului dacă e pusă pe placă greșit.

Defecte de lipire a componentelor

Fig. I.16 Lipire insuficientă

Aceste defecte pot apărea de cele mai multe din cauza nefolosirii în linia de producție a inspecției pastei dupa printare, în acest caz, placa gasită cu acest defect va costa mai mult dacă e rebutată lucru ce duce la creșterea ratei de defect calculată in valoarea acesteia. Un alt tip de defect este neaderarea pastei la componentă, cauzaat fie de oxidarea pinilor componentei, fie de un profil necorespunzător de temperatură al cuptorului.

Defecte de scurt circuit

Fig I.17 Defect de scurt circuit

Acesta este un alt tip de defect ce poate fi găsit uneori destul de greu, deoarece sunt componetele la care distanța între doi pini este de maxim 200 um. Aceste componente sunt considerate Fine Pitch, iar posibiliatea să aibă scurt circuit este foarte mare. Cauza apariției acestui tip de defect poate fi lipsa inspcției pastei din linie sau pentru componentele Fine Pitch, poziționarea greșită a componentei.

Defecte cauzate de componente în exces sau bile de cositor

Fig I.18 Componente în exces și bile de cositor

Aceste tipuri de defecte apar, fie când o componentă este scăpată pe placă de echipamentul de populare, fie când, în cazul bilelor de cositor, nu avem inspecție a pastei pe linie sau profilul de temperatură este incorect.

Capitolul II. Modalități de inspecție optică

Așa cum aminteam și în capitolul anterior, echipamentele de inspecție optică provin de la mai mulți furnizori. Acest lucru duce la o diversificare destul de majoră a modului de inspecție folosit de fiecare dintre aceștia. Astfel, bazându-ne pe modul de inspecție folosit putem face o clasificare a acestor echipamente.

La ora actuală, piața este oarecum împărțită în zone geografice. Astfel, dacă până acum, marile corporații care aveau nevoie de astfel de echipamente își indreptau atenția în mare parte către producătorii europeni cu tradiție, astăzi lucrurile au început sa se schimbe, și anume: Producătorii europeni vând echipamente tot mai scumpe deoarece piața de desfacere are încredere în ei, dar modul de programare și uneori chiar și tehnologia are la bază un concept învechit, folosit în urmă cu aproximativ 5 ani. Acest lucru este cauzat în mare parte de vânzările masive, investițiile minime în dezvoltarea algoritmilor de inspecție, prețuri mari ale componentelor de bază folosite și un accent tot mai mic pus pe simplitate. Echipamentele americane pe de altă parte par sa rezolve pe alocuri problema legată de modul de programare greoi și de cel al tehnologiei, însă uneori acești furnizori nu sunt capabili să susțină comenzi foarte ridicate de echipamente. A treia mare putere în această piață o au echipamentele asiatice care vin cu un concept total schimabt și un mediu de operare / programare foarte ușor și foarte prietenos. Deasmenea unele echipamente, vorbind de tehnologia folosită, au la bază inspecții 3D real, inspecții bazate pe culori RGB, care ajută foarte mult în detectarea și vizualizarea defectelor. Dezavantajul acestor echipamente este ca nu sunt foarte cunoscute și de cele mai multe ori este nevoie de dezvoltare continuă a strategiei de inspecție pe toată durata de viață a echipamentului.

În continuare vom evidenția câteva tipuri de inspecție optică bazate pe diferite iluminări, diferite tipuri de algoritmi folosiți sau chiar diferite tipuri de camere folosite în achiziția de imagini

Diferențiere bazată pe tipul de senzor al imaginii folosit de cameră

O componentă importantă a echipamentului îl reprezintă camera de achiziție a imaginilor. În anii 1940, camerele puteau doar sa verifice daca sticla e plină sau goală. 10 ani mai târziu este inventat sistemul OCR, bazat pe analiza Fourier. Începând cu anii ’60, apar noi și noi idei, bazate pe conceptul că analiza Fourier nu este suficientă și că poate fi îmbunătățită. În 1969, Willard Boyle și George Smith, inventează ceea ce avea să fie una dintre cele mai mari descoperiri ale secolului XX: senzorul de achiziție imagini CCD.

Un senzor de imagine sau un senzor de imagini este un senzor care detectează și transmite informațiile ce constituie o imagine. El face acest lucru prin convertirea atenuării variabile a valurilor (în care acestea trec prin obiecte sau sunt reflectate de obiecte) în semnale, mici exploziile de curent care transmit informațiile. Valurile pot fi constituite din lumină sau alte radiații electromagnetice. Senzori de imagine sunt utilizați în dispozitive de imagistică electronice de ambele tipuri, analogice și digitale, care includ camere digitale, module camera, radiologie medicală, echipamente de viziune pe timp de noapte, cum ar fi dispozitivele de imagistică termice, radar, sonar, și altele. În timp ce tehnologia se schimbă, imaginile digitale tind să înlocuiască imagistica analogică.

Senzorii analogici primordiali pentru lumina vizibilă au fost tuburile pentru camerele video. Tipurile utilizate în prezent sunt dispozitive semiconductoare, dispozotove de încarcare cuplate (CCD) sau senzori de pixeli activi în special tehnologii de metal-oxid-semiconductor (CMOS) sau N-tip de metal-oxid-semiconductor (NMOS, Live MOS). Senzorii analogici de radiații invizibile au tendința de a implica tuburi vidate de diferite tipuri; senzorii digitali includ detectoare cu ecran plat.

În imaginile digitale, un pixel, Pel, sau elementul imaginii, este un punct fizic într-o imagine raster, sau cel mai mic element adresabil pe toate punctele de afișare adresabile; astfel că este cel mai mic element controlabil reprezentat de o imagine pe un ecran. Adresa unui pixel corespunde coordonatelor sale fizice. Pixeli LCD sunt fabricați într-o rețea bidimensională, și sunt adesea reprezentați folosind puncte sau patrate, dar pixelii CRT corespund mecanismele lor de sincronizare și baleiere. Fiecare pixel este o mostră a unei imagini originale; mai multe monstre oferă de obicei reprezentări mai precise ale originalului. Intensitatea fiecărui pixel este variabilă. În sistemul imaginilor color, o culoare este de obicei reprezentată de trei sau patru componente ale intensității, cum ar fi: rosu, verde, albastru sau cyan, magenta, galben și negru.

In anumite contexte (cum ar fi descrierea senzorului camerei), termenul de pixel este folosit pentru a desemna un singur element scalar al unei reprezentări multi-component (numit mai precis un fotosit în contextul senzorului aparatului foto), în timp ce în altecontexte, termenul se poate referi la setul intreg de componente ale intensități căutate pentru o poziție spațială.

Fig. II.1 – Pixeli pe un ecran LCD

Analiza Fourier

Seriile Fourier sunt o unealtă matematică folosită pentru a analiza funcțiile periodice descompunându-le într-o sumă ponderată de funcții sinusoidale, componente care sunt uneori denumite armonice Fourier normale, sau pe scurt armonice. Printre generalizări se numără seriile Fourier generalizate. Seriile Fourier au multe utilizări practice, pentru că manipularea și conceptualizarea coeficienților armonici sunt adesea mai ușoare decât lucrul cu funcția originală. Domeniile de aplicabilitate includ ingineria electrică, analiza undelor, acustică, optică, prelucrarea semnalelor și a imaginilor, și compresia datelor. Folosind uneltele și tehnicile spectroscopiei, de exemplu, astronomii pot deduce compoziția chimică a unei stele prin analizarea componentelor armonice, sau spectrului, stelei care emite lumină. Analog, inginerii pot optimiza proiectarea unui sistem de telecomunicații cu ajutorul informațiilor pe care le oferă componentele spectrale ale unui semnal de date pe care sistemul le transportă. Seriile Fourier sunt numite după omul de știință și matematicianul francez Joseph Fourier, care le-a folosit în importanta sa lucrare despre conducția termică, Théorie Analytique de la Chaleur (Teoria analitică a căldurii), publicată în 1822.

Proprietățile seriilor Fourier

Liniaritate

Pentru orice numere complexe a și b, dacă h(x) = aƒ(x) + bg(x), atunci

Deplasare în timp (translație)

Pentru orice număr real x0, dacă h(x) = ƒ(x − x0), atunci

Deplasare în spectru (modulație)

Pentru orice număr real ξ0, dacă h(x) = e2πixξ0ƒ(x), atunci   .

Schimbare de scală

Pentru un număr real a≠0, dacă h(x) = ƒ(ax), atunci  .

Convoluția în timp

Dacă , atunci 

Convoluția în frecvență

Dacă , atunci 

Derivarea în timp

Dacă , atunci 

Integrarea în timp

Dacă , atunci 

Concepte de optică Fourier sunt folosite pentru a reconstrui în faza de intensitate a luminii în planul spațial al răspunsului în frecvență.

Dacă un obiect emițător este pus la o distanță de focalizare în fața lentilei, atunci transformata Fourier va forma o altă imagine focalizată în spatele lentilei. Prelucrarea optică este utilă mai ales în aplicații în timp real în cazul în care este necesară prelucrarea rapidă a unor cantități masive de date 2D , în special în ceea ce privește recunoașterea modelului.

Senzorul CCD

Un dispozitiv de încărcare cuplat (CCD) este un dispozitiv pentru circulația sarcinii electrice, de obicei din interiorul dispozitivului într-o zonă în care încărcarea poate fi manipulată, de exemplu, conversia într-o valoare digitală. Acest lucru se realizează prin "schimbarea" semnalele dintre nivelel interioare ale dispozitivului la un moment dat. CCD-uri muta încărcarea între containerele capacitive în dispozitiv, permițând transferul de încărcare între containere. CCD este o parte impornatntă de tehnologie în imagistica digitală. Într-un senzor de imagine CCD, pixelii sunt reprezentați de condensatori MOS dopat-p. Aceste condensatoare pot influențâ peste pragul de inversiune, atunci când achizitia de imagine începe, permițând transformarea fotonilor de intrare în încărcări de electroni la interfața semiconductor-oxid; CCD este apoi folosit pentru a citi aceste încărcături. Deși CCD-uri nu sunt singura tehnologie pentru a permite detectarea luminii, senzori de imagine CCD sunt utilizați pe scară largă în aplicații profesionale, medicale, științifice unde este necesară achiziția de imagini de înaltă calitate. În aplicațiile cu cerințe mai puțin exigente de calitate, cum ar fi senzorii camere digitale profesionale sau chiar de larg consum sunt utilizați senzorii cu pixeli activi (CMOS).

Într-un senzor CCD pentru captarea imaginilor, există o zonă foto-activă (un strat epitaxial de siliciu), și o regiune de transmitere creată dintr-un registru de deplasare (CCD propriu-zis). O imagine este proiectată printr-o lentilă pe o matrice condensator (regiunea foto-activă), provocând fiecare condensator să acumuleze o sarcină electrică proporțională cu intensitatea luminii de la acea locație. Un tablou unidimensional, folosit la camerele de linie de scanare, surprinde o singură felie de imagine, în timp ce un tablou bidimensional, folosit în imaginile video și foto, surprinde o imagine bidimensională corespunzătoare scenei proiectate pe planul focal al senzorului. Odata ce matricea a fost expusă imaginii, un circuit de control face ca fiecare condensator să transfere conținutul ce îl are, vecinului său (care funcționează ca un registru de deplasare). Ultimul condensator în matrice descarcă sarcina sa intr-un amplificator de sarcină, care transformă sarcina într-o tensiune. Prin repetarea acestui proces, circuitul de control convertește întregul conținut al seriei din semiconductori într-o secvență de tensiuni. Într-un dispozitiv digital, aceste tensiuni sunt apoi eșantionate, digitalizate și de obicei stocate în memorie, într-un dispozitiv analogic (cum ar fi o cameră video analogică), acestea fiind transformate într-un semnal analogic continuu (de exemplu, prin alimentarea ieșirii amplificatorului de încărcare cu un filtru trece jos), care este apoi prelucrat și transmis altor circuite de transmisie, înregistrare, sau altui tip de prelucrare.

Fig. II.2 – Sony 2/3 " CCD ICX024AK 10A 494496 ( 816 * 606 ) pixeli, CCD scos din camera video Sony CCD – V88E din anul 1988, cu filtru dungi verticale galbene, verzi și cyan

Camere color digitale utilizează, în general, o mască Bayer peste CCD. Fiecare pătrat de patru pixeli are un filtru roșu, unul albastru și două verzi (ochiul uman este mai sensibil la verde decat la roșu sau albastru). Rezultatul acestui fapt este că informațiile de luminanță sunt colectate la fiecare pixel, dar rezoluția de culoare este mai mică decât rezoluția luminanței. O separare mai bună a culoarilor poate fi atinsă prin trei dispozitive CCD (3CCD) si o prismă de separare a fasciculului dicroic, care împarte imaginea în componente roșii, verzi și albastre. Fiecare dintre cele trei CCD este aranjat pentru a răspunde la o anumită culoare. Multe camere video profesionale, și unele camere video semi-profesionale, folosesc această tehnică, cu toate că progresele în domeniul tehnologiei CMOS concurente au facut senzori CMOS, ambele cu despărțitoare de fascicul si filtre Bayer, din ce în ce mai populare în aparatura video de înaltă performanță și aparate digitale cinematografice. Un alt avantaj al 3CCD peste un dispozitiv masca Bayer este eficiența cuantică mai mare (și, prin urmare, o mai mare sensibilitate la lumină pe o anumită apertură dată). Acest lucru se datorează faptului că într-un dispozitiv 3CCD majoritatea luminii care intră în apertură este capturată de un senzor, în timp ce o mască Bayer absoarbe o proporție ridicată (circa 2/3) a luminii care cade pe fiecare pixel CCD.

Pentru scene statice, de exemplu, în microscopie, rezoluția unui dispozitiv mască Bayer poate fi îmbunătățită prin tehnologia microscanning. În timpul procesului de prelevare a probelor de co-site-ul de culoare, mai multe cadre de pe scena sunt produse. Intre achiziții, senzorul este mutat în dimensiunile în pixeli, astfel încât fiecare punct în câmpul vizual este achiziționata consecutiv de elementele măștii, care sunt sensibile la componentele roșu, verde și albastru ale culorii sale. În cele din urmă fiecare pixel din imagine a fost scanat cel puțin o dată în fiecare culoare și rezoluția de trei canale devin echivalentă (rezoluțiile canalelor roșii și albastre sunt de patru ori, în timp ce canalul verde este dublat).

Fig. II.3 – Mărire de x80 la microscop a unui filtru RGGB Bayer pentru un senzor video CCD la un Sony CCD PAL 240

Senzorul C-MOS

Un senzor de pixeli activi ( APS ) este un senzor de imagine format dintr-un circuit integrat care conține o serie de senzori de pixeli , fiecare pixel conținând o celulă fotoelectrică și un amplificator activ . Există mai multe tipuri de senzori de pixeli activi, incluzând CMOS APS utilizați cel mai frecvent în camerele de telefon mobil, camere web, cele mai multe camere digitale de buzunar începând cu 2010 și bineînțeles în cele mai multe DSLR . Un astfel de senzor de imagine este produs de un CMOS (fiind cunoscut ca senzor CMOS ), și a apărut ca o alternativă la senzorii de imagine ale dispozitivelor de încărcare cuplate ( CCD ).

Fig. II.4 – Senzor de imagine CMOS

Pixelul Standard CMOS APS, constă dintr-un fotodetector (o fotodiodă), o poarta de transfer, poartă de resetare, poarta de selecție și un tranzistor de citire a sursei, așa-numitele celule 4T. Fotodioda a fost utilizată inițial în CCD-uri de transfer inter-line, datorită răspunsului său redus pentru zone întunecate și a răspunsului bun pentru zone albastre. Atunci când este cuplat cu poarta de transfer, permite transferul de sarcină complet de la fotodiodă la transportorul difuziei (care este conectat în continuare la poarta de ieșire a tranzistorului) eliminând efectul de lag. Utilizarea transferului de sarcină intrapixel poate oferi zgomot redus prin utilizarea eșantionării duble (CDS).

Comparearea CMOS cu CCD

Pixelii APS rezolvă problemele de viteză și scalabilitate ale senzorului CCD. Ei consumă în general mai putina energie decat CCD-uri, au mai puțin lag în imagine, și necesită facilități de producție mai puțin specializate. Spre deosebire de CCD-uri, senzori APS pot combina funcțiile senzorului de imagine și de procesare a imaginii în același circuit integrat. Senzori APS au găsit piețe în multe aplicații de consum, în special telefoane cu camera. Aceștia au fost, de asemenea, utilizate în alte domenii, inclusiv radiografie digitala, domeniul militar pentru achiziție de imagini de mare viteză, camere de securitate. Ca și producătorii de top, amintim: Aptina Imaging, Canon, Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, OmniVision Technologies, Sony și Foveon. Senzorii APS tip CMOS sunt de obicei potriviți pentru aplicații în care ambalajul, gestionarea energiei și de procesarea on-chip sunt importante. Senzori de tip CMOS sunt utilizați pe scară largă, de la aparatură digitală profesională până la camere pentru telefoane mobile.

Cel mai mare avantaj al unui senzor CMOS este că acesta este de obicei mai ieftin decât un senzor CCD . O camera CMOS are, de asemenea, efecte Blooming mai slabe dacă o sursă de lumină a supraîncărcat sensibilitatea senzorului, provocând senzorul să satureze pixelii, supraîncărcând și alți pixeli. Pe de altă parte, ca și dezavantaje putem aminti: din moment ce un senzor normal CMOS capturează de obicei un rând la un moment dat în aproximativ 1/60 sau 1/50 dintr-o secundă (în funcție de rata de reîmprospătare) poate duce la un efect de "redeclanșare", în cazul în care imaginea este oblică (înclinată la stânga sau la dreapta, în funcție de direcția de mișcare a camerei sau a subiectului). De exemplu, atunci când urmărim o mașină în mișcare cu mare viteză, mașina nu va fi distorsionată, dar fundalul va părea a fi înclinat. Un senzor CCD nu are aceasta problemă, el va capta în schimb întreaga imagine dintr-o dată într-un cadru depozit. Circuitele active au, deasemenea, unele zone de pe suprafață care nu sunt sensibile la lumină, reducând eficiența cuantică a dispozitivului. Astfel, senzorii CCD sunt preferați în aplicații astronomice.

Diferențiere bazată pe tipul de optică și iluminare folosită la achiziție

Un alt parametru important în cadrul inspecției optice îl reprezintă iluminarea și optica folosită pentru a obține cele mai clare imagini. În paragraful anterior am văzut cum senzorii de imagini pot fi folosiți la adevărata lor capacitate, dar ca să avem cea mai bună perspectivă a imaginii este nevoie de o iluminare potrivită și mai ales de lentile performate ce pot îmbunătății calitatea imginii capturate.

Diferențiere bazată pe tipuri de inspecție folosit

Capitolul III. Studiu de caz

Pentru acest capitol voi evidenția modul de inspecție folosit de echipamentul de inspecție optică AOI de la compania Mirtec Koreea. Acest echipament este recent introdus pe piața din Europa, el fiind comercializat în volume mai mari pe piața asiatică.

Modelul prezentat este Mirtec MV-9DL, acest echipament fiind vârful de gamă al lor. Acest echipament se bazează pe inspecția optică realizată ȋn sistemul RGB folosind pentru aceasta iluminarea inel ȋn jurul camerei principale. Sistemul dispune de iluminare ȋn 6 faze. Astfel, cele 3 culori primare sunt așezate ȋnjurul camerei ȋn forma de inel, după cum urmeaază: ȋncepând de sus ȋn jos, primul inel va avea iluminare alb vertical normal și roșu, al doilea inel, dispus la un unghi de aproximativ 50° față de suprafața plăcii va conține lumina verde și galbenă, iar al treilea inel dispus la aproximativ 30° față de suprafața plăcii va conține luminile alb orizontal normal și albastru.

Inspecția se face cu ajutorul camerei principale, numită și camera de top și cu ajutorul celor 4 camre unghiulare dispuse la un unghi de 45° față de suprafața plăcii. Camera principală are o rezoluție de 15 Mega Pixeli, aceasta putând fi ȋnlocuită cu una de 25 Mega Pixeli, dacă este necesar. Camerele unghiulare, au o rezoluție de 10 Mega Pixeli. Pe lângă aceasta, echipamentul mai dispune și de inspecția 3D folosind generatoare de dungi cu care poate să detecteze defectele de coplanaritate a componentelor. Acest sistem se bazează pe tehnologia multi frecvență Moire, prezentată ȋn capitolul anterior.

Fig III.1 – Prezentare echipamentului

Ca și o prezentare a echipamentului din figura III.1, echipamentul dispune de o cameră de inspecție ISIS Vision de 15 Meaga Pixeli, având lentile telecentrice. Sistemul de inspecție este OMNI VISION, având posibilitatea să inspecteze atât 2D, cât și 3D. Pentru o precizie și stabilitate ridicată, sistemul dispune de motoare de precizie liniare, ce vor aduce camera de inspecție exact ȋn poziția dorită.

Fig. III.2 – Dispunerea sistemului de iluminare

Fig. III.3 Sistemul 3D bazat pe tehnologia multifrecvență Moire

PE lângă sistemul de inspecție, echipamentul beneficiază și de o stație de analiză, unde operatorul poate verifica și identifica defectele arătate de către mașină. Având ȋn vedere faptul că inspecția se bazează pe verificare imaginilor, iar componentele vin de la diferiți furnizori, există posibilitatea interpretării greșite a unor fotografii, de unde rezultă necesitatea unei stații de analiză a defectelor, pentru a face sortarea ȋntre defectele reale și cele false.

Fig. III.4 – Interfața stației de analiză a defectelor

Programarea se face foarte simplu, având ȋn vedere faptul că interfața este una prietenoasă, dispunând de toate meniurile necesare la o simplă apăsare de buton. Odată pornit programul de inspecție, regăsim interfața prezentată in Fig. III.5.

Fig. III.5 – Interfața de inspecție

Ca și interpretare a interfeței, avem:

Zona de inspecție pe care ce dorim sa fie inspectată

Bara de meniu

Ecranul cu proprietățile inspecției ce se actualizează pentru fiecare componentă selectată

Butoane de lucru, tipuri de inspecție ce dorim să le folosim

Imaginea de ansamblu și selecția ferestrelor de inspecție

Ecranul unde vor fi prezentate rezultatele inspecției

Setari ale luminilor și camere laterale

Statusul inspecției și alte opțiuni

Pentru a creea un nou program de inspecție vom avea nevoie in primul rând de o placă pentru care sa facem acest program. Pe lângă placa propriu-zisă avem nevoie de un fișier CAD ȋn care sunt notate toate componentele ce sunt pe placă, cu coordonatele lor pe X și Y, rotațiile, denumirea și part numberul lor. Deasemnea, nu ȋn ultimul rând, avem nevoie de librăria mașinii, pentru a ȋnvăța noile componente și pentru a specifica ce anume trebuie să inspecteze mașina, la coordonatele ȋnvățate.

Pentru a crea programul, deschidem interfața de creare a programului, creem numele programului, stabilim dimensiunile plăcii, și ȋncărcăm fișierul CAD (Fig. III.6).

Fig.III.6 – Învățarea noilor componente bazat pe informațiile CAD

Odata ȋncărcat fișierul, va trebui sa ȋnvățam componentele pe care mașina nu le recunoaște, definind numele lor și atribuindu-le libraria corespunzătoare. După ce vom termina de ȋnvățat componetele, mașina va ȋmpărți ȋntreaga suprafață a plăcii in ferestre de inspecție pentru ca inspecția să se desfășoare ȋntr-un ritm controlat sși ușor de evidențiat.

Dacă avem componete ce nu sunt create ȋn librarie, va trebui să le creem și sa ținem cont ce anume vrem să fie detectat pentru aceste componente.

În continuare, voi evidenția modul ȋn care noile componente sunt create și mai ales cum putem stabili o inspecție corectă. Pentru aceasta voi folosi o placă care va avea pe ea diferite defecte predefinite, pentru a putea verifica libraria deja creată.

Concluzii

Sistemele de control sunt utilizate pe scară largă pentru a determina calitatea produselor electronice după secvențe de asamblare. In zilele noastre aceaste procese se fac, de obicei, în mod automat, fără contact și sunt non-distructive. Cea mai des întâlnită configurație este inspecția optică automată (AOI), suplimentată cu inspecția automata cu raze X (AXI) dacă este necesar. Aceste aparate pot inspecta produse finite sau incomplete, plăci imprimate în orice secvență tehnologică cum ar fi imprimarea de pastă, de plasare componentă sau lipire pentru a determina calitatea acestora. Dezvoltarea rapidă a componentelor electronice și mai ales a produselor rezultate pe linia de asamblare necesită dezvoltarea în paralel a procedurilor de testare.

Inspecția optică automată face parte dintr-un domeniu de cercetare multi-disciplinar, deoarece la achiziționarea imaginii se întrunesc mai multe ramuri: optică, fizică, matematică, programare, toate aceste ducând la executarea unor inspecții foarte precise și de neînlocuit. Toate aceste discipline pot fi optimizate pentru a ajunge la obiectivul căutat, și anume calificare în raport cu specificațiile a obiectului evaluat in domeniul de interes (FOI).

Majoritatea producatorilor sunt de acord că, dintr-un punct de vedere strategic, inspecția optică după lipire nu ar trebui să fie ignorată. Ca urmare, aceasta este cea mai importantă parte dintr-o inspecție AOI. Calitatea îmbinărilor sudate este determinată de geometrie și optică, punând în evidență proprietățile meniscului după lipire. Așa cum s-a descris mai sus, sursa corectă a iluminării este esențială. Există mai multe tipuri diferite de abordare: alb sau RGB; dirijată sau difuză; inel sau emisfera.

Acești parametri determină proprietățile reflectante ale meniscului format de aliajul lichid în timpul procesului de lipire. După răcire, meniscului devine solid și reflectă lumina sub diferite unghiuri, ceea ce înseamnă că putem avea o clasificare foarte bună. Din aceste modele de reflecție și cu ajutorul unor algoritmi de procesare a imaginii suntem capabili să determinăm calitatea articulațiilor lipite.

Dacă placa electronică se returnează de către client, din ansamblul final costurile de remediere sunt de 1000 ori mai mari. De aceea o strategie de inspecție și testare bine pusă la punct ne asigură calitatea produselor, ne diminuează costurile de producție, ne îmbunătățește imaginea în ochii clientului și ne deschide calea spre noi oportunități de afaceri.

Bibliografie

http://kohyoung.com/en – sectiunea training

https://en.wikipedia.org/wiki/Automated_X-ray_inspection

http://www.radio-electronics.com/info/t_and_m/ate/automated-x-ray-inspection-pcb-bga.php

https://ro.wikipedia.org/wiki/Radia%C8%9Bie_X

Automatic Optical Inspection of Soldering – Mihály Janóczki, Ákos Becker, László Jakab, Richárd Gróf and Tibor Takács

https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor

https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device

https://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_optics#Fourier_transforming_property_of_lenses

Vision Inspector (MV-9 Series) – User Manual