【視覺檢測】DLP結構光投影儀在3D SPI / AOI領域的應用

前言

伴隨電子產(chǎn)品日益精密化與焊錫無鉛化的趨勢，貼片元件越來越微型，因此，焊錫膏印刷品質正變得越來越重要。100%的采用錫膏檢測(SPI)將有助于減少印刷流程中產(chǎn)生的焊點缺陷，而且可通過最低的返工(如清洗電路板)成本來減少廢品帶來的損失，另外一個好處是焊點的可靠性將得到保證。本文僅對目前SPI出現(xiàn)的一些比較先進的新技術，新的算法做一概述，并對SPI設備在實際使用中容易發(fā)生的一些問題以及解決思路做一討論。

1.SPI 分類

從檢測原理上來分SPI主要分為兩個大類，線激光掃描式與面結構光柵PMP技術。

1.1 激光掃描式的SPI

通過三角量測的原理計算出錫膏的高度。此技術因為原理比較簡單，技術比較成熟，但是因為其本身的技術局限性如激光的掃描寬度偏長，單次取樣，雜訊干擾等，所以比較多的運用在對精度與重復性要求不高的錫厚測試儀，桌上型SPI等。在此不做過多敘述。

1.2 結構光柵型SPI

PMP(Phase Measurement Profilometry)又稱PSP(Phase Shift Profilometry)技術是一種基于正弦條紋投影和位相測量的光學三維面形測量技術。通過獲取全場條紋的空間信息與一個條紋周期內相移條紋的時序信息，來完成物體三維信息的重建。由于其具有全場性、速度快、高精度、自動化程度高等特點，這種技術已在工業(yè)檢測、機器視覺、逆向工程等領域獲得廣泛應用。目前大部分的在線SPI設備都已經(jīng)升級到此種技術。

    但是它采用的離散相移技術要求有精確的正弦結構光柵與精確的相移，在實際系統(tǒng)中不可避免地存在著光柵圖像的非正弦化，相移誤差與隨機誤差，它將導致計算位相和重建面形的誤差。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了不少算法能降低線性相移誤差，但要解決相移過程中的隨機相移誤差問題，還存在一定的困難。在此基礎上，國內外的一些廠家通過各自不同的技術做了一些改進。

1.2.1可編程結構光柵(PSLM)技術

PMP技術中最主要的一個基礎條件就是要求光柵的正弦化。傳統(tǒng)的結構光柵是通過在玻璃板上蝕刻的雙線陣產(chǎn)生摩爾效應，形成黑白間隔的結構光柵。不同的疊加角度形成不同間距的結構光柵。此結構的特點是通過物理架構的方式實現(xiàn)正弦化的光柵。其對于玻璃板上蝕刻的精度與幾何度的要求都比較高，不容易做出大面積的光柵。          

    可編程結構光柵是在微納米技術和物理光學研究基礎上設計出來的一種新的光柵技術，其特點是光柵的主要結構如強度,波長等都可以通過軟件編程控制和改變，真正的實現(xiàn)了數(shù)字化的控制。因為其正弦光柵是通過軟件編程實現(xiàn)的，所以理論上可以得到比較完美的正弦波光柵，并通過DLP（Digital Light Processing）技術,得到無損的數(shù)字化光柵圖像。核心是數(shù)字顯微鏡器件，并且由于是以鏡片為基礎，提高了光通過率，所以它對于光信號的處理能力以及結構光的強度有著顯著的提高，為高速,清晰,精確的工業(yè)測試需求提供了基礎。

1.2.2 解決相移誤差的新技術

PMP技術中另一個主要的基礎條件就是對于相移誤差的控制。相移法通過對投影光柵相位場進行移相來增加若干常量相位而得到多幅光柵圖來求解相位場。由于多幅相移圖比單幅相移圖提供了更多的信息，所以可以得到更高精度的結果。傳統(tǒng)的方式都依靠機械移動來實現(xiàn)相移。為達到精確的相移，都使用了比較高精度的馬達，如通過陶瓷壓電馬達（PZT），線性馬達加光柵尺等方式。并通過大量的算法來減少相移的誤差。

可編程結構光柵因為其正弦光柵是通過軟件編程實現(xiàn)的，所以其在相移時也是通過軟件來實現(xiàn)，通過此種技術可以使相移誤差趨向于“0”，提高了量測精度。并且此技術不需要機械部件，減少了設備的故障幾率，降低機械成本與維修成本。

1.2.3 DL（D- lighting） 技術

目前SMT的產(chǎn)品越來越多樣化，所以電路板的材質也越來越多樣化，如白色的陶瓷板，黑色的PCB，F(xiàn)PCB等。傳統(tǒng)的SPI對于此類顏色跨度比較大的電路板只能通過調節(jié)條紋光的亮度或者改變相機的曝光時間來實現(xiàn)檢測，但是當在特殊條件下如白色的電路板上出現(xiàn)顏色較黑的錫膏?；蛘吆谏娐钒迳铣霈F(xiàn)白色的銀漿等則無能為力。DL技術通過在測試電路板上同一位置時分別用兩種不同的曝光時間來取像。然后把高曝光取像正常的區(qū)域與低曝光取像正常的區(qū)域相結合，整合成一張所有區(qū)域都能檢測到的照片。DL技術對于測試焊膏的陰影區(qū)域同樣有效，能有效提高檢查精度，減少了設備的額外投入。如圖五所示，在白色的陶瓷板上測試黑色膠帶，分別用低曝光與高曝光拍取兩張影像，然后取各自正常的區(qū)域整合得到一張完整影像。

2.在線 SPI設備在實際應用中出現(xiàn)的一些問題

目前大部分的SMT工廠都已經(jīng)開始導入在線SPI設備，但是在實際使用過程中，效果也因各廠對其重視程度而大不一樣。究其原因主要有幾下幾點：

2.1 品質重視不夠

目前大部分的工廠（特別是代工廠）在產(chǎn)能的管控上都非常的嚴格。但是往往對品質方面重視不夠。當錫膏不能達到SPI設備的管控范圍時，SPI一直會報警，沒有及時處理的話會嚴重影響產(chǎn)能。所以只要產(chǎn)線不出什么大問題。都會把SPI的管控參數(shù)范圍設大，提高一次通過率，但是這樣往往也會把真實的不良流到下一制程，提高維修成本。目前有的工廠已經(jīng)在SPI后端接一個收板箱，當SPI測試OK的時候直接流入下一工序，F(xiàn)ail的時候會停留在收板箱里面。等作業(yè)人員來確認當前電路板的不良點位是否OK。一般SPI可以查詢當前10片電路板的不良信息，如不良點位，不良圖片等。也有的工廠已經(jīng)開始把SPI與AOI相連接，通過AOI測試到的不良反饋給SPI來合理的設定測試范圍與參數(shù)，來提高一次通過率，減少不良流入下一工序。

2.2 沒有重視SPC系統(tǒng)分析出來的結果

目前在線的SPI都有完善的SPC功能，通過SPC分析能發(fā)現(xiàn)大部分印刷上出現(xiàn)的問題。提前發(fā)現(xiàn)一些可能導致印刷不良的因素。但是目前真正執(zhí)行的情況應該說還不是很盡人如意。分析主要原因可能一是SPC功能操作相對比較復雜，并且需要操作人員有一定的SPC知識。二是SPC系統(tǒng)分析出來的結果智能化程度不夠，所以沒有得到足夠的重視。這也是SPI廠商今后著重發(fā)展的一個方向。

總結

SPI的真正價值在于通過大量數(shù)據(jù)的科學統(tǒng)計與分析，達到對不良趨勢的準確描述。來提前發(fā)現(xiàn)導致不良的各種因素，并提前做一些處理。有效的減少不良的產(chǎn)生，真正達到產(chǎn)品品質的可管控與提升。