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光学显微镜在电子制造工艺的应用
作者: 揭丽娜
责任编辑: 发布日期: 2008年07月04日
  /Vision工程有限公司ColinWells

一个受到严格控制的检测规程对于保证生产质量来说始终是非常必要的,这也是市场所期待的。然而,在当今的电子世界里,我们如何在结合了普通显微镜的人工检测规程,以及使用精密的自动检测系统之间取得良好的平衡呢?

在电子产品生产线中实施检测工作,是整个制造工艺中至关重要的一部分,由于元器件和制造技术的发展,产生有了各种各样的检测方案,从简单的显微镜一直到先进的全自动检测系统。如今,引入复杂的质量方法论已经不再是一种遥不可及的了。

随着电子制造工艺的不断发展,自动检测规程也随之不断发展。首先,从通孔元器件发展为表面贴装器件后,意味着传统的ICT不再有足够的测试连接点,这样也就不能提供足够高的测试覆盖率。其次,随着几何尺寸越来越小的元器件被更快地应用,迫切需要一个高测试点数的自动测试解决方案。

PCB检测系统有各种各样的形式:自动光学检测系统(AOI);自动X光检测系统(AXI);自动红外线检测系统;人工影像和人工光学检测系统——这些系统被应用在印刷前,贴装前,焊接前和成品的各个工序阶段。

尽管各种自动检测解决方案随着技术的进步被发展出来,但是依旧存在人对程序进行干预的基本需要,以及需要调试自动检测系统来达到针对某些特定产品的缺陷覆盖率水平。一个高质量的人工检测工艺对于完善和稳定一个自动检测程序是非常必要的,尤其在多品种产品的装配和测试中显得尤其重要。

当今工业生产中人工检测方式的应用

光学检测手段一般为研发工程师所使用,尤其是在样板的精度和设计符合检测阶段。此时,自动检测规程尚未建立,也没有缺陷的历史记录,所以需要依靠工程师的经验和工具的精度,通过人工检测的方法来保证这些板的质量。

通常,除了自动检测系统外,在生产线焊接质量检测上还要进行产品抽检,这是为了强化质量流程,以保证自动检测系统能够稳定地运作。

为了平衡成本和质量,新的元器件通常是从相互竞争的供应商处获得,新的供应商常常被要求提供新的和改进型器件。当这种情况发生时,极为重要的是要对这些元器件进行质量认证,而这些认证所需要的检测手段中,人工检测是优先考虑的方式。

对于定制板的设计和制造,光学检测是比较理想的方案,不一定要大量投资购买自动检测设备。

人工检测系统有多种形式,从简单的台式放大镜到高分辨率的摄像机,但是简单的立体显微镜已经成为主要的人工检测工具,因为虽然影像系统的分辨率在十年内有了巨大的提高,但是依旧只能给操作员提供二维的图像。不过,显微镜的设计决定了操作员必须采用一种不舒服的坐姿,而且常常一坐就是很长时间,这将导致操作员疲劳,从而带来出错的风险。

人体工程学和人工光学检测

在需要人工光学检测的地方,高水平的人体工程学应用是关键,这样可以使操作员的舒适度达到最大化,以及使由于紧张的身体姿势带来的疲劳度最小化,从而优化检测精度和生产率。传统的光学显微镜有两片目镜,看上去和使用上就像一台普通的显微镜一样。这种操作员和显微镜的结合可以为任意的电子制造操作提供强有力的和高度灵活性的检测方案,但是大量的操作员的疲劳问题并由此产生的出错,却是一个非常现实的并且天天会遇到的难题。

Vision工程公司的专利光学技术是设计用来克服传统显微镜的基本问题——目镜图像太小不易读取。对于有目镜的显微镜来说,从目镜取出的图像尺寸(射出瞳孔)大约是3mm,这意味着操作员必须将他们的眼睛与目镜对齐。这将导致了操作员僵硬地固定在一个不舒服的位置上。“无目镜”技术可以放大从目镜取出影像的尺寸。

Vision工程公司专利的立体检测显微镜利用了两项不同的光学技术来克服舒适性问题。Mantis利用了“空间成像”技术,此技术是两个独立的光路穿过个专利的光学元器件,射出到单个的取景镜头上,就像有两条(立体的)光通路一样。大直径的射出光线意味着使用者为了能看到图像不必严格地将眼睛与取景镜头对齐。这个技术打破了显微镜和放大镜之间的隔阂,通过提供先进的检测特性和人体工程学来提高生产率。

Mantis这种光学立体观测仪可以提供真正的线性放大能力,最高到20倍,这远远超过了传统的放大镜的能力,一般情况下放大镜屈光度在2.5左右(1.5倍的放大倍数),还可以为装配和返修提供较大的工作距离。通过引导光线照射到被测物体上,特别设计的取景罩可以让使用者轻松地工作,减轻眼睛的紧张度。

Vision工程公司使用的第二种用来优化人体工程学的技术是一种复杂的Dynascope取景头,此技术用在Lynxx产品上——一种先进的变焦显微镜。这种专利光学技术利用一个148mm直径的多透镜圆盘,表面是由350万个独立的小透镜组成的,每个透镜的尺寸只有70微米(见图3)。Dynascope会以34,000rpm的速度旋转来将成百万个独立的光路合成为一个平滑、扩展的立体图像,能够提供非常深的焦距和宽广的视野。

 

在使用中,多透镜圆盘用来扩展系统的内部孔径。合成的影像被反射后通过物镜到达操作员的眼睛。高分辨率的影像被投射到一个非常大的取景区域,这是为了能够使观察时的舒适度达到最大化。

当操作员频繁地在放大的图像和实际物体之间切换视线时(尤其在返修和操作部件时),看上去较远的影像距离使得每次切换时眼睛不需要重新聚焦(见图4)。事实上,放大的图像到眼镜的距离和实物到眼镜的距离几乎相等,这样一个实实在在的优点就是减少了眼睛的紧张度和疲劳度。

 

此外,使用一个观测仪而不是普通显微镜可以使操作员获得更多的头部活动自由度和正确的身体姿势,除此之外还可以允许使用眼镜。操作员摘掉眼镜来看显微镜的时候眼睛会因为不同的距离进行重新聚焦,这很快会使眼睛产生疲劳。有散光的操作员情况会更糟:快速拿掉眼镜会损坏他们的视力。

显著的人体工程学优点就是可以提高生产率降低废品率,因为操作员可以工作更长时间而不会产生视觉疲劳和身体疲劳。

结论

当上面提到的这些光学技术与自动检测工艺并行使用的时候可以使PCB质量达到最好的水平。在技术不断发展,元器件不断改进的时候,人工检测设备无论是与自动系统共同承担检测工作抑或是在某些自动系统不是很经济的情况下,都在扮演着一个非常重要的角色。光学检测可以为工程师提供放大了的图像,这样他们可以将专业技术和知识运用到各种场景和分析中。

 

 
 
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