針對(duì)AOI檢查的PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了便于檢查，一塊PCB能夠在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行優(yōu)化布局嗎？ 答案當(dāng)然是肯定的，我們?cè)诒疚闹刑峁┝艘恍┙ㄗh供參考。
每塊PCB可以采用光學(xué)或者X-ray技術(shù)并運(yùn)用適當(dāng) 的運(yùn)算法則來(lái)進(jìn)行檢查?；趫D像檢查的基本 原理是：每個(gè)具有明顯對(duì)比度的圖像都是可以 被檢查的。在AOI中存在的主要問(wèn)題是，當(dāng)一些檢查對(duì)象是 不可見(jiàn)的，或是在PCB上存在一些干擾使得圖像變得模糊 或隱藏起來(lái)了。然而，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)化測(cè)試都表明，這 些影響是可以通過(guò)PCB的設(shè)計(jì)來(lái)預(yù)防甚至減少的。為了推 動(dòng)這種優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以運(yùn)用一些看上去很古老的附加手段（這些方法仍在很多領(lǐng)域被推崇），它的優(yōu)點(diǎn)包括： 減少編程時(shí)間 最大限度地減少誤報(bào) 改善失效檢查。
制定設(shè)計(jì)方針，可以有效地簡(jiǎn)化檢查和顯著地降低生 產(chǎn)成本。Viscom AG 和 KIRRON GmbH &Co.KG 合作開發(fā) 出一項(xiàng)特殊測(cè)試方案，目的是為了從根本上研究和證明這 些設(shè)計(jì)在檢查中產(chǎn)生的效果?；贗PC-7350標(biāo)準(zhǔn)的PCB布 局被推薦為針對(duì)這些測(cè)試的基準(zhǔn)。首先，為了探究每一種 布局的檢查效果，建議在大量PCB布局上采用這種基準(zhǔn)； 之后，再有意地利用PCB錯(cuò)誤布局，使得它產(chǎn)生一些工藝 中的缺陷，如立碑和引腳懸空等。
針對(duì)AOI檢查的布局建議
針對(duì)AOI檢查的PCB整體布局
器件到PCB的邊緣應(yīng)該至少留有3mm（0.12”）的工 藝邊。片式器件必須優(yōu)先于圓柱形器件。布局上建議考慮 傳感器技術(shù)，因?yàn)橛袝r(shí)檢查只能通過(guò)垂直（正交）角度，而其他時(shí)候又需要一個(gè)輔助的角度來(lái)進(jìn)行。
元器件
對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的因素是元器 件，這不僅與PCB上直接的器件布局有關(guān)，而且或多或少 也與“工藝流程設(shè)計(jì)”有關(guān)。目前元器件的采購(gòu)趨勢(shì)是盡 可能地便宜，而不管它在顏色、尺寸等參數(shù)上的不同。不 幸的是，這些選擇在日后對(duì)AOI或AXI檢查過(guò)程中造成的影 響往往被忽略了。始終采用同樣的材料和產(chǎn)品能夠顯著地 減少檢查時(shí)間和誤報(bào)，而這些問(wèn)題主要是通過(guò)元器件以及 PCB的突然變化而出現(xiàn)的。
元器件尺寸
IPC-7350標(biāo)準(zhǔn)描述了器件的尺寸，并對(duì)某些焊盤的尺 寸提出了建議。根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，器件的長(zhǎng)度和引腳的寬度可 以有一個(gè)較大變化范圍，相反，焊盤的尺寸卻是相對(duì)固定 的。此外，PCB制造公差的影響相對(duì)于這些器件的變化來(lái)說(shuō) 也是是很小的。
PCB的顏色和阻焊
通常，設(shè)備能夠檢查 出所有不同單板的顏色， 盡管檢查中的某些細(xì)節(jié)處 理是不倚賴于顏色的。例 如， 一塊白色和一塊綠 色的PCB有著不同的對(duì)比 度，因此設(shè)備需要一些特 定的補(bǔ)償。在一種極端情 況下，橋接在亮背景下呈 現(xiàn)黑色，而在另一種極端情況下，橋接在黑背景下卻是呈現(xiàn)出亮色。這里我們建議使用無(wú)光澤的阻焊層。在我們的實(shí)踐中，焊盤間（甚至是 細(xì)間距引腳）的區(qū)域也應(yīng)該覆蓋著阻焊層，這個(gè)建議也已 經(jīng)被焊料供應(yīng)商所響應(yīng)。
印刷圖案
所有印有圖案的PCB也是能夠被檢查的，例如，當(dāng)元 器件的邊框或元器件本體上的字母單獨(dú)出現(xiàn)在組件的某個(gè) 區(qū)域從而干擾對(duì)其他部分的檢查時(shí)，可以手工調(diào)整檢查程 序。盡管如此，在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，圖案的印刷范圍仍 然有一個(gè)較大的選擇，因此，減少非反射性標(biāo)識(shí)印刷（黑 或暗黃）值得加以考慮。另外一個(gè)可能出現(xiàn)的情況是需要 有選擇地印刷標(biāo)識(shí)：例如，當(dāng)某些特定的器件（如霍爾傳 感器）正面向下時(shí)就必須印刷成白色；而另一種情況是印 有極性標(biāo)志的有傾斜角的鉭電容器件；這樣能使標(biāo)識(shí)和背 景形成鮮明的對(duì)比，使得檢查的圖像更加清晰。
基準(zhǔn)點(diǎn)
設(shè)備可以檢查所有 類型的基準(zhǔn)點(diǎn)，而且任 何構(gòu)件都可以被定義成 一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。雖然三個(gè)基 準(zhǔn)點(diǎn)可以補(bǔ)償一塊單板的 變形，但通常情況下只需 要確定兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)就可以 了。每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)至少離單 板邊緣5mm（0.2”）。 十字形、菱形、星形等比較適用，并建議使用統(tǒng)一的黑背 景。此外，十字形的基準(zhǔn)點(diǎn)特別有優(yōu)勢(shì)，他們?cè)跈z測(cè)光下的圖像十分穩(wěn)定且可以被快速和容易地判定。
確認(rèn)壞板
設(shè)備有能力檢查所有已知類型的壞板標(biāo)識(shí)。板上的任 何構(gòu)件都可以被定義為壞板標(biāo)識(shí)。這里建議采用與上述基 準(zhǔn)點(diǎn)的判定相類似的方法，即在可能的情況下，首先通過(guò) 檢查整板或已完成組裝的單板上的單個(gè)壞板標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行確 認(rèn)。板上每個(gè)單獨(dú)的壞板標(biāo)識(shí)只有在整板的壞板標(biāo)識(shí)檢查失敗后才會(huì)被逐一檢查；整板的壞板標(biāo)識(shí)應(yīng)該定位于PCB的邊上。
避免焊點(diǎn)反射
焊點(diǎn)的形狀和接觸角是焊點(diǎn)反射的根源。焊點(diǎn)的形成 依賴于焊盤的尺寸、器件的高度、焊錫的數(shù)量和回流工藝 參數(shù)。為了防止焊接反射，應(yīng)當(dāng)避免器件對(duì)稱排列。
波峰焊
經(jīng)過(guò)波峰焊后，焊點(diǎn)所有的參數(shù)會(huì)有很大的變化，這 主要是由于焊爐內(nèi)錫的老化導(dǎo)致焊盤反射特性從光亮到灰 暗，因此，在檢查時(shí)算法上必須要包含這些變化。在波峰焊 中，典型的缺陷是短路和焊珠。當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí)，假如印刷 的圖案或者無(wú)反射印刷這兩種情況的減少以及應(yīng)用阻焊層， 就可以消除這些誤報(bào)。如果基準(zhǔn)點(diǎn)沒(méi)有被阻焊膜蓋住而過(guò)波 峰焊，可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)圓形基準(zhǔn)點(diǎn)上錫成了一個(gè)半球，其內(nèi) 在的反射特性將會(huì)發(fā)生改變；應(yīng)用十字型作為基準(zhǔn)點(diǎn)或者用 阻焊層覆蓋基準(zhǔn)點(diǎn)，可以防止這種情況的發(fā)生。
片式元件、MELF器件和C-leads 器件
在片式元件和MELF器件上，彎月狀的焊點(diǎn)必須被正 確地識(shí)別出來(lái)；而在器件本體兩側(cè)下方的焊點(diǎn)由于焊錫無(wú) 爬升，很難檢查。另外，焊盤邊緣到焊端的間距Xc也需要 注意（圖5）。Xc （焊盤的外側(cè)間距）對(duì)Xi（焊盤的內(nèi)側(cè)間 距）的比率應(yīng)選擇>1。同樣的規(guī)則也適用于C-leads器件的 彎月型和器件本體兩側(cè)的焊盤設(shè)計(jì)。這里，我們建議Xc對(duì) Xi的比率稍微大于1.5。值得注意的是：任何元器件的長(zhǎng)度 變化也必須計(jì)算在內(nèi)。
“鷗翼”型引腳器件
通常，這類器件的判定標(biāo)準(zhǔn)可以通過(guò)對(duì)毛細(xì)效應(yīng)在垂 直方向的作用的分析中找到。由于毛細(xì)力，焊錫從焊盤末端 爬到引腳上形成焊點(diǎn)。由于工藝波動(dòng)和器件邊緣的阻擋作 用，導(dǎo)致不能完全形成一個(gè)完整的上半月型焊點(diǎn)。盡管沒(méi)有 形成一個(gè)上半月型的焊點(diǎn)，但也可以被認(rèn)為焊接得很好。 “鷗翼”型引腳焊錫的側(cè)面爬升情況由于器件變化或 焊盤設(shè)計(jì)的原因，并不是經(jīng)常能夠被檢查出來(lái)，這是由于 焊錫的爬升方向必須用同引腳方向垂直的角度去檢查。假 如爬升很小，必須從其他角度來(lái)檢查，而只有通過(guò)這樣的輔助檢查，才能提供豐富的圖像信息去評(píng)估焊點(diǎn)的好壞。
斜角檢測(cè)：PLCCs型器件
PLCCs器件的引腳的焊盤有著不同設(shè)計(jì)。如果是一個(gè) 長(zhǎng)焊盤設(shè)計(jì)，在PLCC引腳上焊錫的爬升效果是可以檢查 的。如果焊盤保持明亮，那么焊錫已經(jīng)爬升到了引腳端， 所以認(rèn)為器件是焊上了。假如遵循這個(gè)設(shè)計(jì)原則，可以通過(guò)垂直檢測(cè)來(lái)檢查出缺陷。對(duì)于PLCC焊點(diǎn)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)少錫的情況。由于引腳少 錫的爬升情況和沒(méi)有焊錫時(shí)是一樣的，所以對(duì)PLCC焊點(diǎn)不 能通過(guò)垂直檢測(cè)，而要通過(guò)斜角檢測(cè)的方式來(lái)檢查少錫缺陷
AOI
AXI檢測(cè)的PCB布局建議
PCB的整體布局 對(duì)于普通的AXI測(cè)試PCB布局，所有的焊盤都必須進(jìn)行 阻焊處理。這是因?yàn)樽韬笇雍蛯?shí)際的焊盤并沒(méi)有真正地接 觸到，在阻焊層和焊盤之間存在著一定的間隙。這樣做的 好處是：焊錫受熱后就可以聚集在焊盤內(nèi)，這也使得在XRAY影像中很容易再現(xiàn)焊料的爬升情況。
2D x-ray
當(dāng)應(yīng)用2D x-ray技術(shù)時(shí)，所有的器件都需要被布置在 PCB的正面。而用2D x-ray去檢測(cè)這些器件時(shí)，還必須再定 義出一塊沒(méi)有器件的地方為“禁區(qū)”。對(duì)于有些BGAs，會(huì) 推薦使用一種淚滴型的不對(duì)稱焊盤設(shè)計(jì)，這使得焊錫的成 型性質(zhì)被系統(tǒng)錯(cuò)誤的判斷為一種幾何的連接形態(tài)；此外， 一些特殊的QFN向內(nèi)或向外的彎月型焊盤設(shè)計(jì)也同樣有這種情況。
QFN 焊盤設(shè)計(jì)
QFN器件的焊盤尺寸、焊膏印 刷面積與它的引腳尺寸是同樣大小 的，而且器件的引腳是交錯(cuò)排列在 封裝體底部的因此，QFN的 焊盤設(shè)計(jì)建議為：焊盤伸出于器件 引腳的外端， 而縮進(jìn)于器件的內(nèi) 端，這樣使得在器件引腳的內(nèi)外形成彎月型焊盤。在這里 很重要的一點(diǎn)是，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須考慮器件的公差范圍。
BGA 設(shè)計(jì)
在BGA設(shè)計(jì)時(shí)，焊點(diǎn)的形狀（如淚滴型）可以通過(guò)特 別的布局使其成為可見(jiàn)的；就是說(shuō)，淚滴型的焊點(diǎn)除了具 有奇怪的形狀外，它的方向也是很隨意的。總而言之，在 器件面的焊盤和在PCB上的焊盤正好和BGA焊球的大小是 一樣的（圖10 ）。在德國(guó)Erlangen 大學(xué)，學(xué)者做了大量的 研究去評(píng)價(jià)單個(gè)焊盤形狀的模型；他們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論焊盤是 圓形還是非圓形的，焊膏印刷圖形要保持為圓形不變。
結(jié)論
作為慣例，在生產(chǎn)中，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)批量的要 求建立并優(yōu)化。實(shí)際運(yùn)作中無(wú)數(shù)次地證明，僅這樣做是遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠的。如果在兩周的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)要測(cè)試一個(gè)新批次的 PCB，有可能會(huì)發(fā)生這樣的情況：ELKO的顏色突然由黑色 變?yōu)榱它S色，或者晶體管的引腳變短了、是彎的；或是電阻的顏色由黃色變成了藍(lán)色的，等等。AOI檢查程序必須而且能夠處理這些不同的變化所帶來(lái) 的問(wèn)題。但是，其中的一些變化需要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行處理， 因?yàn)槲覀儾荒茴A(yù)先知道是否有一種新的元器件被使用，或 是存在一個(gè)錯(cuò)誤的元器件布局。同時(shí)，面對(duì)質(zhì)量方面的困 難，大量允許的可能出現(xiàn)的情況也需要一個(gè)一致的，確實(shí) 可行的說(shuō)明。始終采用同樣的材料和產(chǎn)品，再加上優(yōu)化的PCB設(shè)計(jì)， 正如上面所描述的那樣，可以減小由于產(chǎn)品的變更對(duì)AOI/ AXI測(cè)試所造成的影響。在這里必須指出，比照所有用于 AOI和AXI 檢查的標(biāo)準(zhǔn)，PCB布局的建議可使檢查工藝適當(dāng) 簡(jiǎn)化并更有效率。DFT可以提高缺陷的檢查率，減少誤報(bào)， 縮短編程時(shí)間和降低編程的難度，從而最終達(dá)到有效降低 產(chǎn)品制造成本的目的。