自動光學檢測（AOI）：原理、缺陷與 PCB 應用

什麼是自動光學檢測（AOI）？

自動光學檢測（AOI）是一種以機器為基礎的檢測方法，利用高解析度相機、受控光源與影像處理軟體，自動檢測印刷電路板（PCB）上的外觀缺陷。它廣泛應用於 PCB 製造與組裝，可在不接觸的情況下檢查元件、焊點與導線圖案。

透過將擷取的影像與設計資料或參考模型比對，AOI 系統能快速找出表面缺陷，如開路、焊錫橋接、焊錫過多或不足、缺件、偏移等。隨著 PCB 設計日益精密，AOI 提供快速、可重複且客觀的檢測方案，取代現代電子製造中的手動目檢。

為何自動光學檢測（AOI）如此重要？

AOI 能在早期持續且可擴充地偵測缺陷，是現代電子製造的關鍵。當 PCB 設計愈來愈小、愈複雜，手動目檢因速度、重複性與客觀性不足而難以勝任。

在製造或組裝後立即找出視覺與幾何缺陷，可防止不良板流入後段如功能測試或最終組裝，避免更高的返工與報廢成本。這種早期檢測直接提升生產良率並降低整體製造成本。

此外，AOI 提供標準化的檢測標準與可追溯的數據，支援製程管制、持續改善與品質稽核。雖然 AOI 無法取代電性測試或 X 光檢測，卻是確保僅有外觀合格之板件進入後續檢測與測試階段的基礎品質關卡。

自動光學檢測（AOI）如何運作？

AOI 系統廣泛用於多種製造業，在 PCB 與 SMT 組裝檢測中尤為關鍵。在 PCB 製造中，AOI 以高重複性與高產速偵測視覺與幾何缺陷，這是手動目檢難以達成的。

典型 AOI 系統包含多組高解析度相機與多樣化光源（同軸光、環形光、側向光等），從不同角度照亮 PCB，突顯焊點、元件本體與板面特徵。擷取影像後，以影像處理演算法與 CAD 資料、Gerber 檔或黃金樣本比對。

針對 PCB 的 AOI 應用，高階系統可能整合 3D 成像技術，量測焊點高度、共面性與相對體積，提升對翹腳、元件歪斜等缺陷的檢出率。運動控制系統、精密載台與專用視覺硬體同步影像取樣與板件輸送，達到產線速度。

為滿足更高產速，現代 AOI 系統採用高效能 CPU、FPGA 或 GPU——特別是整合 3D 檢測或 AI 缺陷分類的系統——在不犧牲準確度的前提下加速影像處理與資料分析。

AOI 的檢測原理與機制

AOI 系統整合光學、機構、電控與軟體，採用多種方法檢查 PCB，包括：

1) 模板比對：又稱面積法或相關法，透過滑動視窗將小模板與大影像比對。

2) 物件辨識：將理想影像與實際影像比對，觀察差異。

3) 斑塊分析：將物件與背景分離。

AOI 能偵測哪些缺陷？

AOI 主要用於偵測 PCB 製造與 SMT 組裝過程中的視覺、幾何與置件相關缺陷，常見分類為：元件置放問題、焊錫缺陷、PCB 表面異常。

AOI 透過與 CAD 資料或黃金樣本比對，擅長找出表面缺陷。雖不執行電性測試，卻能在早期攔截可視缺陷，避免流入後段導致更高返工成本。

然而，藏在元件下方的缺陷——如 BGA 焊點空洞、潤濕不足或互連問題——AOI 無法可靠偵測，需輔以 X 光或電性測試確保組裝品質。

1. AOI 可偵測的 SMT 組裝缺陷

於 PCBA 上，AOI 可穩定偵測以下 SMT 缺陷：

• 缺件
• 錯件（值、封裝、腳位不符）
• 極性錯誤
• 翻面或反向
• 偏移／錯位
• 旋轉歪斜
• 立碑
• 側立（多見於晶片元件）
• 翹腳
• 共面性不良／高度異常
• 焊錫橋接（短路）
• 焊錫不足
• 焊錫過多
• 錫膏量不足
• 錫膏偏移
• 元件嚴重破損
• 元件有無
• 方向錯誤
• 錫珠（外觀判定）

⚠️ 注意：AOI 僅依焊點外形與面積評估焊錫品質，無法判斷內部潤濕或空洞。

2. AOI 可偵測的裸板缺陷（組裝前）

用於裸板時，AOI 可偵測下列製程缺陷：

• 斷線（目視開路）
• 蝕刻不足導致短路
• 線寬不符
• 間距不符
• 焊墊缺損或過小
• 殘銅
• 線路缺口
• Via 缺陷，包括：Via 破出、Via 與焊墊偏移

這些檢測通常於 PCB 製造階段執行，而非 SMT 組裝後。

3. 常見焊錫與置件缺陷說明

3.1 焊錫橋接／短路

焊錫橋接因焊錫過多使相鄰焊墊或腳位相連，形成電性短路。AOI 透過形狀、反光與連接性有效辨識。

3.2 焊錫不足

焊錫量過少將無法形成可靠機械與電性連接。AOI 以焊點面積、外形與標準比對偵測。

⚠️注意：內部空洞或介面合金層不良需 X 光檢測。

3.3 焊錫過多

焊錫過多易導致橋接、錫珠或焊點外形不良。AOI 透過異常體積與焊點幾何判斷。

3.4 翹腳

翹腳因過熱、板彎或腳成形不當，使元件腳未與焊墊接觸。AOI 藉由陰影異常、腳高差或缺焊辨識。

3.5 缺件或偏移

AOI 可精準偵測：

• 缺件
• 偏移或旋轉
• 相對焊墊錯位

即使輕微偏移，AOI 也能透過圖樣比對可靠識別。

自動光學檢測的優勢

AOI 最常配置於回流焊後等關鍵製程，單一系統即可同時檢查多種缺陷。相較手動或分段檢查，AOI 大幅提升效率並維持一致精度。

當 AOI 發現與設計不符之處，會自動標記不良板進行返修，使矯正措施即時，降低後段失效風險。

AOI 系統的技術優勢

1. 高精度定位

元件日益縮小，檢測精度更顯重要。現代 AOI 可達次像素精度，偵測微小偏移，避免功能或可靠度問題。

2. 多重物件檢測能力

AOI 同時適用裸板與 PCBA。
裸板：線路、焊墊、銅面缺陷
PCBA：焊點、元件有無、極性、方向、偏移

3. 可程式化智慧光源

光源是機器視覺關鍵。AOI 採多角度、多色可程式照明，提升影像對比，可靠偵測不同表面與材料的多樣缺陷。

4. 聯網與資料整合

AOI 支援集中收集影像、檢測記錄與缺陷統計，可整合 MES 或品管系統，實現追溯與持續改善。

5. 生產佈署彈性高

可依成本與品質需求，於不同製程站點佈署 AOI。實務上回流焊後 AOI 最普遍且具成本效益，因多數組裝缺陷源於焊接。

AOI 的製造與商業效益

1. 一致品質保證

AOI 維持穩定檢測標準，協助製造商維持高品質、提升客戶滿意度並保護品牌聲譽。

2. 複雜板件有效檢測

對高密度或高元件數板件，AOI 提供超越人眼的精度，特別是細間距與微型元件。

3. 早期缺陷偵測與製程優化

立即發現缺陷，使製造商可及早調整製程，避免大量不良。研究顯示，缺陷發現越晚，修正成本呈指數上升。

4. 檢測標準可客製

AOI 參數可隨設計變更、新元件或品質要求調整，適用於多樣少量或大量生產。

AOI 與其他 PCB 檢測方法比較

相較其他製程，AOI 在 PCB 缺陷偵測具多項優勢。以下為 AOI 與其他檢測方法比較：

1. 自動 X 光檢測（AXI）：

AXI 以 X 光取代可見光，可穿透材料成像，適合高密度或層疊板。AOI 光線僅能反射表面，易被遮蔽；X 光可穿透各層，準確成像。AXI 成本高，通常只用於特別複雜或高價值板件。

2. 自動雷射測試（ALT）：

ALT 以雷射掃描量測 PCB，利用雷射位置精準量測元件高度與反射率，與規格比對找出缺陷。ALT 特別適用於錫膏位置與高度量測，但可能受干擾影響精度。

3. 手動目檢（MVI）

多數 PCB 廠偏好 AOI，因無需觸碰板件。人手操作可能引入缺陷，AOI 掃描時不會損傷精密元件，保持結構完整。

AOI 亦比人眼可靠。人員易漏檢微小缺陷，AOI 可捕捉最細微錯誤，細節解析度與一致性皆優於人眼，且於所有生產階段維持相同標準。

AOI 軟體演算法與影像處理技術

AOI 性能高度依賴軟體演算法。演算法分析光學系統擷取的資料以辨識缺陷，堪稱 AOI 的「大腦」，區分良品與不良。

常見 AOI 軟體演算法類型：

1) 模板比對演算法：將待測影像與參考影像比對，找出顯著差異。

2) 統計模板比對：學習多個良品的外觀變異，以統計值判定是否超出正常範圍，減少誤報。

3) 特徵型演算法：辨識影像中的邊、角、特定顏色或紋理，與預設條件比對決定 PASS/FAIL。

4) 機器學習演算法：近年神經網路等 ML 技術導入 AOI，可從大量訓練影像學習缺陷特徵。

演算法選擇取決於檢測任務特性，某演算法可能在某情境表現優異，於其他情境則未必適用。

為何 AOI 在大批量 PCB 製造中不可或缺？

只要 PCB 設計正確、元件置放無誤，產品就能正常運作。生產重點在於偵測並修正任何製造缺陷。AOI 無疑是檢測 PCB 品質、於製程關鍵點及時發現並修正缺陷的重要系統。越早發現問題，越能低成本避免大規模重複錯誤。總之，若您從事 PCB 製造，AOI 是必要的。

延伸閱讀：PCBA 測試指南：方法、流程與品質標準

結論

總之，AOI 能在 PCB 產線末端檢查板件品質，即時監控並矯正製程，避免問題擴散。因此，自動光學檢測與 X 光檢測皆為 PCB 產業必備工具。我們將持續以 AOI 與 X 光檢測，恪守最嚴格的製造與組裝標準。

AOI 技術已改變製造業，並持續演進以滿足全球日益增長的需求。其在提升生產力、降低成本與改善品質的貢獻，充分證明其在現代製造中的關鍵地位。

AOI 常見問題

1. 製造業導入 AOI 的原因？

AOI 可提升檢測一致性與準確度，降低生產成本與時間，特別適用於高速產線，取代不切實際的手動檢查。

2. 2D 與 3D AOI 系統差異？

2D AOI 以寬高兩維檢測，利用圖樣與色差辨識缺陷；3D AOI 加入深度，可偵測 2D 遺漏的三維缺陷。

3. AOI 如何於高速製造中貢獻品管？

AOI 每分鐘可檢測數百至數千元件，跟上高速產線並提供即時回饋，立即調整製程，提升品質並減少浪費。

4. AOI 技術的演進？

AOI 持續於硬體與軟體精進，現代系統結合先進光學與複雜演算法，偵測更多潛在缺陷，以滿足現代製造需求。