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自動光学検査 (AOI): 現代の製造業における PCB の品質と効率の向上

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自動光学検査 (AOI): 現代の製造業における PCB の品質と効率の向上

Oct 21, 2024

 自動光学検査 (AOI) は、カメラを使用してプリント基板 (PCB) をスキャンし、欠陥や故障を検出する機械ベースの技術です。AOI システムは、PCBの製造と組み立て、および PCB のテストに使用されます。結節、傷、汚れ、開回路、はんだ付け接合部の薄化、寸法上の欠陥など、さまざまな表面特性の欠陥を検出できます。これは、電子アセンブリと PCB を検出する上で効果的かつ正確な役割を果たし、製造ラインから出荷される製品と PCB が製造上の欠陥なしに高品質であることを確認します。

 AOI システムには、通常、多数の光源と複数のカメラが含まれています。AOI は、光学、機械、電子制御、ソフトウェアを統合したもので、人間の目に代わるものです。現実の世界では、PCB はますます小型化、複雑化しています。比較的シンプルなボードでも、文字通り数千個のはんだ付けされたコンポーネントで構成されている場合があります。AOI は、PCB 製造の品質を監視し、プロセス フローで品質を修正します。これは、今日の競争の激しい PCB 製造環境で成功するための鍵です。

自動光学検査 (AOI) はどのように機能しますか?

 AOI システムは、あらゆる種類の製品の製造に広く使用されていますが、プリント基板の欠陥を監視し、人間の検査員の能力を超えた正確な測定を行うために特に重要です。AOI システムには、通常、多数の光源と複数のカメラが含まれており、ビデオ カメラが含まれる場合もあります。光源はさまざまな角度から PCB を照らし、カメラは写真やビデオを撮影して評価用の包括的な画像を作成します。

 一部の特定の機能 は、PCB 製造に使用される AOI システムの開発専用です。真の共平面性検査機能と体積検査データを提供するには、AOI システムでロボット アームや CCD カメラなどのデバイスに接続するためのさまざまな種類のカードが必要です。AOI システムが製造速度の向上に対応するには、強力なグラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) カードが必要です。他のテストおよび検査方法の速度、効率、柔軟性を比較すると、AOI の利点は明らかです。強力な GPU カードを使用することが、検査プロセスを高速化する鍵でした。

自動光学検査の利点:

 しかし、実際には、ほとんどの AOI はポストプロダクションで行われます。その理由は、AOI では単一のシステムを使用して、同時に多くの種類の欠陥を検査できるためです。プロセスの各ステップの後に検査するよりも、1 回の包括的な検査の方が時間がかかりません。

 AOI が PCB の欠陥を発見すると、ボードを修理のために戻すようにフラグを立てます。このプロセスは、いくつかの異なる方法で実行できます。AOI は、実際のボードが理想的な設計から外れている場所を自動的に検出し、再作業のためにフラグを立てます。主な利点は次のとおりです。

1)位置精度:部品のサイズが小さくなるにつれて、検査装置と製造の両方の位置精度がますます重要になります。AOI システムには、欠陥につながる可能性のある位置の小さな偏差を検出するために、サブピクセルの精度が必要です。

2)低コスト: AOI テストにより PCB の合格率が向上し、PCB コストが削減されます。

3)複数の検査対象: AOI テストは PCB だけでなく 、PCB アセンブリにも有効です。ただし、PCB アセンブリの場合、コンポーネントのはんだ付け、極性、および値を検査します。

4)プログラム可能な照明:あらゆるマシン ビジョン アプリケーションで望ましい結果を得るには、照明が重要です。電子機器製造の環境は常に変化しているため、すべての欠陥状態を検出できる 1 つの光源を見つけることは不可能です。AOI テストでは、画像のコントラストを柔軟に高めることができるため、さまざまな角度で複数の色を使用して、多数の欠陥状態を簡単に識別できます。

5)ネットワーク対応ソフトウェア: AOI システムの重要な機能の 1 つは、データの収集と取得です。データは、テキスト出力、画像コレクション、データベース、または複数の形式の組み合わせの形式で保存できます。

6)優れた柔軟性: AOI は、ニーズとコスト許容範囲に基づいて、製造プロセスのどの段階でも使用できます。ただし、欠陥のほとんどははんだ付けプロセスの失敗によるものであるため、リフローはんだ付け後に AOI テストを実行することをお勧めします。これにより、対応するコストが削減され、検査効率が向上します。

AOI は PCB 製造に次のような利点をもたらします。

1)品質の確保:製品の品質を確保することで、顧客満足度の向上、ビジネスにおける評判の向上、顧客に提供するサービスの価値に関する安心感の提供につながります。

2)複雑な基板の評価: Millenium Circuits では、基板に 100 個以上のコンポーネントが含まれている場合、自動的に AOI が実行されます。AOI は、人間の目では測れない精度で複雑な基板設計を検査できます。

3)プロセスの改善:欠陥がプロセスの欠陥によって生じた場合、AOI ですぐに欠陥を検出することで、同じ欠陥を持つボードが何千枚も生産される前に、欠陥のパターンを特定し、プロセスを調整することができます。International Journal of Engineering and Advanced Technology に掲載された最近の調査によると、最近組み立てられたボードの欠陥を検出するコストは、ベアボードの欠陥を検出するコストの 10 倍に過ぎませんが、現場で使用されているボードの欠陥を検出するコストは 1,000 倍に上ります。

4)カスタマイズ性: AOI は自動化されたプロセスですが、オペレーターはパラメーターを設定してスキャナーに検査対象を指示できます。設計仕様が変更された場合は、設定を調整して必要な欠陥を簡単に検出できます。

AOI ではどのような欠陥をチェックできますか?

 コンポーネント付き PCB (SMT 検査) の場合、はんだ接合部の不足、高さの欠陥、部品の誤り、はんだブリッジ、はんだ接合部の過剰、ビルボード欠陥、体積欠陥、ツームストーン、コンポーネントのオフセット、コンポーネントの極性、コンポーネントの有無、コンポーネントのスキュー、領域の欠陥、コンポーネントの反転、リード周囲のペースト不足、リードの浮き、ポピュレーション テストなし、ペーストの位置合わせ、およびコンポーネントの重大な損傷などの欠陥があります。

 ショート、線幅違反、間隔違反、銅過剰、パッドの欠落、切れ目、コンポーネントの不適切な取り付け、穴の破損(ビアがパッドの外側に出ているかどうか)などの PCB ボードの欠陥。基本的なテストには次のものがあります。

1. オープンサーキット

 PCB のオープン回路は比較的よくある欠陥で、不完全な回路によって電流が流れなくなるため問題となります。回路がオープンになると、ボードは正常に機能しなくなります。オープン回路は、ビアやトレースが適切に形成されていないか、はんだ付けが目的の箇所まで達していないために発生することがあります。目視検査や X 線画像検査で、明らかなオープン回路を検出できる場合があります。

2. はんだブリッジまたははんだショート

 はんだブリッジは、電気的に接続すべきでない PCB 上の 2 つのコンポーネントをはんだで接続すると発生します。これらのブリッジは、基板の製造時にはんだが多すぎる場合、またははんだ付けしないはずの基板の領域にはんだが浸透した場合に発生することがあります。はんだブリッジは、基板を流れる電流の流れを妨げるため、問題となります。はんだブリッジは、基板上の重要なコンポーネントやトレースをショートさせたり、焼損させたりする可能性があります。

3. はんだ不足

 不十分なはんだ接合は、製造工程でさまざまなコンポーネントを基板に接続するのに使用するはんだが少なすぎる場合に発生します。はんだがコンポーネントをまったく接続できない場合があり、このような状況ははんだスキップと呼ばれます。AOI は、各コンポーネントのはんだの量をスキャンして記録したり、基板を正しい画像と比較して、基板の再はんだ付けが必要かどうかを判断したりできます。

4. 余分なはんだ

 はんだ過剰は、その逆のことが起こったときに発生します。つまり、製造工程で基板にはんだが多すぎる場合です。はんだ付けの先端が広すぎるために発生する場合もあれば、はんだが多すぎるために発生する場合もあります。はんだ過剰は、はんだブリッジなどの変形を含め、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。製造工程で基板上のピンにはんだが多すぎると、大きな丸いはんだボールができ、ピンが基板にくっつくほど十分に濡れているかどうかの判断が難しくなることもあります。

AOIにおける検出および検査のメカニズム:

 AOI システムは、光学、機械、電子制御、ソフトウェアが統合されており、次のようなさまざまな方法を使用して PCB を検査します。

1)テンプレート マッチング:エリア ベース メソッドまたは相関類似メソッドとも呼ばれるこのメソッドでは、スライディング テンプレート ウィンドウを通じて、小さなテンプレートを大きな検査画像に適用します。

2)物体認識:理想的な画像と物体の撮影画像を比較して違いを観察します。

3)ブロブ分析:この方法では、オブジェクトを背景から分離します。

AOI でチェックされたコンポーネントの欠陥:

 コンポーネントの欠陥とは、基板に取り付けられた小さな機能部品の欠陥のことです。以下は PCB 上の一般的なコンポーネントの欠陥の一部です。


1. リードを持ち上げ

 リード浮きは、PCB 上の小さな金属パッドの 1 つが適切に接着されない場合に発生します。リード浮きは、製造中の過度の熱や取り扱い、または基板の屈曲によって発生することがあります。また、リードが長すぎてはんだと接触したときに浮き上がることもあります。

 浮き上がったリードは不安定なので問題となります。ボード上のパッドはピンを下の銅板に接続できるようにしますが、リードが浮き上がるとピンは適切に接続できなくなります。接続が失われるとコンポーネントの故障を引き起こし、ボードのパフォーマンスが低下する可能性があります。

2. 不足しているコンポーネント

 PCB に部品が欠ける理由はいくつかあります。はんだ付けが不十分だと部品が欠けたり、製造工程で必要な部品が省略されたりすることがあります。部品が欠けていると PCB に重大な欠陥が生じ、壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。人間の目でも部品の欠落に気付くかもしれませんが、これは重大な欠陥であるため、信頼性の高い AOI スキャナーを使用して、消費者に届く前に部品が欠けている PCB を見つけることが重要です。

3. 位置ずれまたは位置ずれしたコンポーネント

 位置ずれや誤配置は、製造工程でコンポーネントが不適切に配置された場合、または配置後にコンポーネントがずれた場合に発生することがあります。位置ずれや誤配置されたコンポーネントがあると、PCB は動作し続けますが、パフォーマンスが低下する可能性があります。または、まったく動作しなくなる可能性もあります。位置ずれは肉眼では確認できないほど小さい場合があるため、これらの欠陥を検出するには信頼性の高い AOI スキャナーが不可欠です。

AOI は他の検査方法と比べてどうですか?

 他のプロセスと比較して、AOI は PCB の欠陥を検出する上でいくつかの利点があります。以下は、AOI が他の検査方法とどのように比較されるかの内訳です。

Inspection Machines

1. 自動X線検査(AXI):

 AXI は、光イメージングではなく X 線を使用して PCB を検査します。企業は、特に複雑なボードや高密度に構築されたボードを評価するために AXI を使用することがよくあります。その理由は、X 線が材料を通過してイメージングするためです。AOI に使用される光は表面で反射するため、あるコンポーネントが別のコンポーネントを遮る可能性があります。ただし、X 線はさまざまな材料層を通過し、すべてを正確にイメージングします。AXI は非常にコストがかかるため、特に複雑なボードや高密度に構築されたボード以外では、使用に値しないことがよくあります。

2. 自動レーザーテスト(ALT)測定:

 ALT 測定では、従来の光イメージングの代わりにレーザーを使用して PCB をスキャンおよび測定します。ALT システムはレーザーの位置を使用して、さまざまなコンポーネントの位置と高さを正確に特定し、その反射率を評価します。AOI と同様に、ALT システムは経験的測定値を回路図または一連の仕様と比較して、欠陥を検出できます。ALT 測定は、はんだペーストの位置と量を評価するのに特に役立ちますが、干渉によって測定値が不正確になる場合があります。

3. 手動目視検査(MVI)

 ほとんどの PCB 企業は、AOI では基板に触れる必要がないため、手動の目視検査よりも AOI を好みます。人間の検査員は基板を取り扱う必要があり、取り扱うことで、本来は完璧な基板に欠陥が生じる可能性があります。AOI は、繊細なコンポーネントを乱すことなく PCB をスキャンし、構造的完全性を維持できます。

 AOI は、人間の目視検査よりも信頼性が高いです。人間は PCB の小さな欠陥を簡単に見逃してしまいます。しかし、AOI はごく小さなエラーも検出できます。その厳密な精度は決して低下せず、人間の目よりも細かい部分まで基板をスキャンでき、生産プロセスのすべての段階で一貫して信頼性があります。

AOI におけるソフトウェア アルゴリズム:

 AOI マシンまたはシステムのパフォーマンスは、それが使用する処理ソフトウェア アルゴリズムのパワーと精度に大きく依存します。これらのアルゴリズムは、光学システムによってキャプチャされたデータを分析して、検査対象のアイテムの欠陥を識別するという役割を担います。本質的には、これらは AOI システムの「頭脳」として機能し、欠陥のあるユニットと許容可能なユニットを区別できるようにします。

AOI システムで一般的に使用されるソフトウェア アルゴリズムには、いくつかの種類があります。

1)パターン マッチング アルゴリズム:検査対象アイテムの画像を保存された参照画像と比較して、大きな差異を探します。

2)統計的パターン マッチング:このアルゴリズムは、多数の良品ユニットから製品の外観の通常の変動を学習し、統計的尺度を使用して、製品が通常の変動から大きく逸脱しているかどうかを判断します。これにより、誤報なしで自然な製品変動を処理できる、より適応性の高いシステムが可能になります。

3)特徴ベースのアルゴリズム:これらのアルゴリズムは、エッジ、コーナー、特定の色やテクスチャの領域など、画像内の特定の特徴を識別して定量化します。識別された特徴は、事前に定義された基準と比較され、検査対象ユニットが合格か不合格かが判定されます。

4) ML アルゴリズム:近年、機械学習アルゴリズムが AOI システムに導入され始めています。これらのアルゴリズムは、多くの場合、ニューラル ネットワーク アーキテクチャに基づいており、大量のトレーニング画像から欠陥を識別する方法を学習できます。

 アルゴリズムの選択は、検査タスクの詳細に大きく依存することに注意することが重要です。特定のアルゴリズムは、状況によっては非常に優れたパフォーマンスを発揮しますが、他の状況ではそうではない場合があります。

では、大量生産において AOI がなぜそれほど重要なのでしょうか?

 PCB 設計が正しく、適切なコンポーネントを適切な場所に組み立てれば、製品は正常に動作します。製造においては、製造欠陥の検出と修正、または製造欠陥分析に重点が置かれます。AOI は、PCB 製造の品質をテストおよびチェックし、プロセス フローの戦略的なポイントで問題や欠陥を修正するための重要な検査システムであることは間違いありません。したがって、製造プロセスで欠陥を早く発見すればするほど、同じ問題が大規模に繰り返されるのを防ぐのが容易になり、コスト効率も高くなります。つまり、PCB を作成するビジネスに携わっている場合、AOI は必須です。

結論:

 一言で言えば、どの PCB 製造エリアでも、ラインの最後に出てくる基板の品質をチェックできます。この方法でのみ、品質を監視し、問題が検出されるとプロセスを修正して、他の基板に影響を与えないようにすることができます。このように、自動光学検査と X 線検査は、PCB 製造業界に必要なツールです。当社は、AOI と X 線検査を使用して、製造と組み立てにおいて最も厳格な基準を遵守することに尽力します。

 結論として、AOI 技術はすでに製造業の世界に変革をもたらし、世界中の業界の増え続ける需要を満たすために進化し続けています。生産性の向上、コストの削減、品質の改善に対するその影響は、現代の製造業における AOI 技術の不可欠な役割の紛れもない証拠です。

よくある質問(FAQ):

1. 製造業に自動光学検査を導入する理由は何ですか?

 AOI(自動光学検査)は、現代の製造業において、検査の一貫性と精度を高め、生産コストと時間を削減するために使用されています。特に、手動検査が不可能な高速製造ラインでは、品質基準を維持するのに非常に役立ちます。

2. 2D AOI システムと 3D AOI システムとは何ですか?

 2D AOI システムは、幅と高さの 2 つの次元に基づいて製品を検査し、パターンと色の違いを使用して欠陥を識別します。3D AOI システムは検査プロセスに深みを加え、2D AOI では見逃される可能性のある 3 次元の欠陥を検出できるようにします。

3. AOI は高速製造における品質管理にどのように貢献しますか?

 AOI システムは、高速製造ラインのペースに合わせて、1 分間に数百から数千の部品を検査できます。また、リアルタイムのフィードバックも提供し、欠陥が検出された場合はすぐに調整を行うことができます。これにより、製品の品質が向上し、無駄が削減されます。

4. AOI テクノロジーは時間の経過とともにどのように進化してきましたか?

 AOI 技術の進化は、ハードウェアとソフトウェアの両方の側面で進歩を遂げてきました。現代の AOI システムは、最先端の光学システムと高度なソフトウェア アルゴリズムを活用して、これまで以上に幅広い潜在的な欠陥を検出します。この継続的な進化により、現代の製造業の需要を満たす AOI の機能が強化され続けています。

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