1、簡述
AOI技術在許多不同的制造業領域使用，自從電子影像技術開始發展，就被各種人利用在不同的應用領域。大家最熟悉的數字相機、數字攝影機是大家生活中最常用到的器材之一，而工業產品的生產也大量使用這些技術，所不同的是AOI系統除了影像產生之外，還多了比對、判斷等等額外功能。
電子工業加速朝向于更小、更密、更快的先進構裝發展，早期依賴人工檢查產品的作法已經無法符合需求。業者大量引用AOI技術輔助生產工作，已經成為必然的趨勢，如：電子組裝使用進行錫膏印刷、漏件檢查、接點狀況判斷等等工作就是大家耳熟能詳的作法。而許多印刷、平面影像產品，也引用這種技術進行生產工藝、成本、半成品的檢查，我們嘗試整理這些技術的應用狀態，希望提供給大家作為參考。
2、電路板制造使用的典型AOI檢查技術
目前電路板制造業所使用的典型AOI檢查技術，包括：底片檢查、鉆針檢查、孔位檢查、線路檢查、盲孔檢查、凸塊檢查、外觀檢查等等。不同的檢查應用，所涵蓋的技術內涵就不相同，所使用的AOI輔助設備也有不小差異。
目前電路板制造業使用量最大的AOI檢查技術，以電路板外觀線路狀況的檢驗最多，這類的技術應用已經在業界發展超過二十年。雖然面對電路板的線路特性尺寸縮小超過十倍，但是光學系統與搭配的軟硬件系統也都有長足進步。多數的電路板產品仍然可以依賴現有的AOI技術來進行線路檢查，但確實有部分的高階構裝載板產品面對著檢驗困難的困擾。
AOI用在電路板線路檢查的方式，已在前述的內容中進行簡述，至于其它的AOI應用依據其制程的順序在后續內容中進行簡介。
3、AOI的底片檢查
電路板制作當中，底片一向是相當重要的影像轉移工具。如果底片產生瑕疵，重復性的缺點是制造者所不能承受的，因此如何防止底片的各種缺點就成為生產工廠的生要課題。
光學自動底片檢查機，可以利用光學感測與影像數據比對，將底片中的瑕疵與尺寸篩檢出來，以確保制造工藝的質量穩定性。比較嚴謹的工廠，還會在每次底片使用與固定期曝光次數后，進行中間檢查以防止質量變異。浙江歐威科技有限公司生產的“菲林檢查機”為典型的底片檢查機范例。
 圖3.1歐威公司生產的菲林檢查機（底片AOI）
面對電路板的線路密度不斷提高，單價的下滑速度也空前的快，如何提升產品的良率成為業者的另外一個競爭重點。許多電路板廠因為質量的壓力，在影像轉移制程方面做出了不少的改變。
例如：因為線路逐漸普及，已經不再透過設計中心繪制底片再送片，而是采用直接在制程內進行底片制作的模式運作。另外也有業者在制程內增加底片檢查機，每固定曝光次數后，就要求作業人員將底片取下進行缺點檢查。特定的廠商，還將AOI線路檢查系統裝置到制程內，在各套新底片開始制作電路板時，進行首件產品的檢查工作。這些改變，都讓電路板線路生產的良率得以提高。
圖3.2典型的電路板曝光底片缺點現象
目前相關的檢測設備采用了不同的檢驗模式設計，不論在檢驗速度、漏檢率、價位等都有相當大的差異，業者在采用前應該要進行仔細的比較。
4、AOI的鉆針檢查
電路板通孔的制作，鉆針的品質是關鍵的因素之一。新進料的鉆針并不需要百分之百檢驗，經過驗證的有效鉆針進料檢驗方法是采取可接受的質量水平（AQL）進行鉆針檢查（例如：依據MIL-STP-105標準）。
這類的取樣計劃可以幫助使用者決定檢驗的百分比，用來進行整批鉆針質量水平的評估。使用這種方法如果發現一定量的不良鉆針，就應該將全數鉆針退回供貨商，如果取樣量的鉆針經過檢驗都通過規格，整批的鉆針就應該可以允收。
檢查的標準應該要包括尖點的幾何缺點、損傷（碎片）、直徑（鉆刀與刀柄）、排屑溝長度，以及套環安裝的正確性、尺寸的標示（必須與實際的直徑與包裝盒上的標示相符）等。一般的人工檢查處理方式，在鉆針制造廠的部分是采取20~40倍的放大鏡做全數的檢查，對各項容許值的判定是由工具放大鏡來測量。為了確認鉆針的進料及研磨后的質量狀況，必須使用鉆針檢查機作鉆針端面檢查。目前對于這些鉆針質量的掌控，多數的廠商仍然經人工抽檢的方式進行管制。但是由于光學系統的逐浙發達，目前已經有半自動的檢驗管理系統可供使用并漸漸普及。
這些年來電子影像技術的進步，要將影像轉換到熒屏上進行半自動或自動的檢查已經相當容易，同時數據可以即時儲存并進行分析管理，這對于鉆針品質的穩定化有一定的幫助， 當電路板的鉆孔孔徑逐漸縮小，鉆針品質對于機械鉆孔加工的影響愈來愈大，鉆針的搬運、持取、操作所產生的影響也更明顯。為了能夠提升整體的品質控制能力，業者發展出自動化上下環、鉆針整理、自動檢查的系統，將需要人工作業的步驟降到最低，而影像處理檢查的系統也設計得更為簡易方便。
5、AOI的孔位檢查
一般機械鉆孔的品質，主要的品質檢查項目是以孔徑大小、是否漏鉆、孔壁狀況三個部分為主。以往傳統的檢查方式，是以孔針與工作底片來作人工比對，以確認整體的鉆孔品質。
拜電子與光學科技的進步之賜，現在有所謂的“讀孔機”可以輔助鉆孔品質的檢查。只要將數位的鉆孔資料讀入機械內，機械會經由光學判讀來比對資料與實際的讀取光點間是否有差異就可以發現缺點。因為速度快同時失誤率相對低，因此目前已有不少的廠商使用這類的技術以取代傳統的檢查方式。
6、AOI的小孔、肓孔檢查
自1995年以后各種微孔技術產品開始進入電路板領域，這些技術的引進讓電路板的設計產生變化，開始強調采用肓孔技術來取代傳統的小通孔設計，特別是在高密度的應用方面如：行動電話、筆記本電腦、適配卡模塊、IC構裝載板等。高縱橫＞8：1與直徑低于0.3mm以下的通孔也變得更多，特別是在侍服器板、背板、工作站板方面較為明顯。這些技術的引進導致電路板的制作良率降低，許多研究報告預示HDI產品的缺點率都明確較高，而通孔需要更大的孔圈來避免產生孔圈破的問題。在盲孔方面情況更為嚴重，多層堆疊的盲孔結構產品良率與對位公差都更難處理，這種現象趨勢并沒有地區性的差異。
這種發展需要一些新的制程控制項目：
? 最佳化鉆孔參數
? 確認清潔度的影響
? 臨近設備的整體表現
? 測量設備能力的確認
? 在進行下一個步驟前先確認缺陷狀況
這些管控的工作可以幫助降低成本、增加良率，同時也可以改善鉆孔的制程成果。
6.1、不同的微孔制作程序
以往光學成孔與電漿成孔，是比較針對高孔數電路板制作所使用的技術。不過由于雷射成孔技術的進步，目前多數的高密度電路板產品都已經采用這種技術生產。雖然目前仍然有少部分的微孔是采用UV雷射制作，不過CO2鉆孔制程到目前為止仍然是業界的主流。
鉆孔品質檢查的需求
不論是哪一種微孔技術所產出的微孔，在檢查的時候比較典型的缺點偵測項目為：
? 漏鉆孔
? 孔塞
? 半閉合孔
? 孔加工過度/孔徑過小
? 孔加工對位不良
? 孔徑大小檢查
? 孔緣有突出物
? 樹脂的凹陷與傷痕
比較普遍的微孔偵測能力是在直徑2mil以上，而偵測的解板度比較常見的是12um。
6.2、小、微孔的缺陷
小、微孔缺陷可能是因為環境變化、溫濕度變化，或鉆釓、清潔、電鍍采用了不當的作業方法所導致。或許操作設備設定錯誤、安裝了舊的程序、用了不對的鉆針、放進錯誤的鉆頭、電路板安放不正確、電路板操作錯誤或者沒有在作業前清除殘渣等，又或者是設備的氣動軸承損壞、雷射檢流計（Galvanometer）或作業臺面需要校正、壓力腳不正常、操作參數不當、集塵系統堵塞等等。也可能材料超出了公差范圍，如：鉆針損傷、樹脂過厚、底面臟點、基材變形等等。這些問題可以分類為五大群組，而問題則可以區隔為三類：成孔狀況不正常、孔位置偏移、孔徑或形狀不正常。這些缺陷可以針對產品的X-Y位置偏移、真圓度、尺寸或品質缺陷來偵測。
微孔缺陷也可能會因為開銅窗的底片對位偏移而產生，或者會因為機械鉆孔與外層影像的偏差而產生。要有效的檢查構裝載板上逐漸增加的微孔結構，就必需要有可以選擇性定義各種孔徑規格的系統。當微孔具有輕微的不完美現象時，如：不理想的孔圈，就應該被分開認定，而其它的關鍵缺點也可能需要用類似的方式進行處理。
6.3、檢查盲孔的技術
電路板產業已經發展出一些先進的檢查測量技術來檢驗現有問題，線路影像的部分采用基本的允收規則平行采用電腦與多組感應器來檢查。電路板以批次的方式送入溫濕度控制的房間，之后以人工或自動設備送入AOI系統進行檢查，之后利用比較低成本的驗證工作站進行驗證與修補作業。如果面對高精度的產品，則利用精密坐標測量設備進行首件與小公差產品的檢查。
兩種主要的技術都已經在多數的電路板生產廠完整建立，但是這些系統對于檢查微孔結構方面則效率相當低，相對的成本、產出、檢查能力也都表現不佳，因為它們并不是為了這樣的檢查目的而設計。之后設備業者針對機械與雷射鉆孔開發了一些內藏式的感應器解決方案，希望幫助鉆孔制程的管制并監控制程變婁或樣品的特性狀況。這些工具提供了鉆孔制程的及時資訊，但是缺點在于需要額外的特殊配件并要在每一個鉆軸上安裝的，這不但增加成本也可能會降低生產效率。這些方案似乎有用，但是仍不足以控制HDI的產品品質。
因此有其它的視覺設備被發展出來，用在半導體構裝載板與電子組裝的產業上。這些產業的公差需求比較緊，同時控制的方式是采取在線的監控模式，應用的范圍則以關鍵的控制點為主。制程會采用統計制程控制工具來維持制程狀況，這樣可以采取優先順序式的制程改進，同時也可以驗證整體設備的制程能力。這些方面的發展，主要的用途仍然以HDI類產品領域為主。
檢查測量的方式比較以實際狀況為主，測量的結果會產生變異的數據，可以作為制程品質預防性處理的依據。AOI的影像工具一般會用規則性的定義來歸類缺陷，并不提供任何的測量資料。測量系統需要不同的設計或采購策略，包括考慮使用的馬達、編碼系統、更好的光源與光學機構、可以追蹤的校正工具等。這些設備多數都是為了用在工廠的一般場所，并不一定會安裝在無塵室中。希望能夠在最接近缺陷產生的位置進行檢查，因此作業必需要在制程的環境中進行。如：鉆孔區或電鍍區。它們都是全自動的作業而不是以手動的方式支持批次作業，作業人員一般都只有在進行設定、失控調整與處理可修補新產品時才需要出現。
多彩的LED光源從不同的角度射入，利用光電元件與測量鏡頭來產生影像，利用高解析度的單色數位相機來擷取影像。對位點與鉆孔程序可以用來驗證孔的位置及直徑狀況，機械的禮覺器技術可以用來測量每個孔的位置精度、直徑、真圓度。
智能型的視覺運算系統可以發現缺陷并進行分類，同時缺陷的特征也可以進行測量。因為不同的微孔技術可能會產生不同的特征，缺陷歸類的規則應該要依據制程方式分別訂定，當然制程中檢查的位置也應該要列入考慮。
到目前為止，電路板的局部缺點是無法在每一個制程內檢查出來。例如：對于CO2雷射鉆孔加工，孔內燒焦的碎屑與局部的遮蔽狀況都很難判定是好或壞，如果經過清潔的步驟會讓這種檢查比較穩定可信。高縱橫的微孔如比例大于1：1也相當難判定，因為光源與光學系統都不容易接近偵測點，實際上其光的反射能力也相當受限。
6.4、材料的類型
雖然各種制程類型的微孔缺陷相當類似，但是需要檢查的材料與影像卻有差異，需要進行有規則的檢查程序測試而不是只靠基本的規則來進行。采用特別強化的雷射檢測技術，可以提升微孔缺點需求的偵測能力，讓微孔制作程序有更好的表現。
當結合使用反射與熒光取得影像的技術，是有可能可以比較樹脂與銅金屬來偵測關鍵性的缺點，且在同一個掃描處理中可以同時利用反射模式分析樹脂的厚度。要分辨內部發亮的銅金屬來偵測關鍵性的缺點，且在同一個掃描處理中可以同時利用反射模式分析樹脂的厚度。要分辯內部發亮的銅襯墊與環繞在周邊的銅皮，這確實是一個挑戰。當采用專用的軟件來進行計算判定，是可以利用視覺系統穿透雷射孔來進行檢查。同時使用反射與熒光影像來檢查，對于辨認內層襯墊而言是必要的。
7、AOI的凸塊檢查
近年來各種SMT零件開始大量引用陣列接點的結構，其中最重要的結構要素就是焊接用的焊料凸塊。凸塊的高度會影響零件承受壓力的能力，而焊料的體積也會影響連接組裝后的強度，對于需要制作凸塊的載板與電子構裝業者而言，如何確認凸塊確實存在并保有必要的體積與正確共平面性，就成為產品外觀品質中重要的檢查項目。當金屬經過液態回焊處理，其外型就會受到自然產生的表面張力影響而變成球面外型。某些電子構裝的晶片端采用球面凸塊處理，某些晶片則采用平面的金屬處理模式。相對的構裝載板就會因晶片接觸差異，做出壓平凸塊或是球面凸塊處理。不論用哪一種處理，其凸塊的共平面性與體積都是重要的特性項目，不同的檢測設備會采用各自的方式進行凸塊的外型特性檢查。
焊錫處理后的凸塊，并不會呈現完美的圓形，而多少會因為緣漆的邊緣影響呈現輕微的不規則。此時影像系統取得的影像，可以經由最佳化處理模擬出一個虛擬的圓，之后利用面積=[π*（直徑）2/4]的公式，可以計算出凸塊占有的面積。取得影像模擬狀況。
至于凸塊的體積與高度，系統則利用另外一種模式來檢測；系統利用有限元素的分析方式，將凸塊切割成非常多小區塊進行立體的積分處理，這樣就可以做出體積的估算。如果凸塊本身是平面的狀態，處理起來當然相當的簡單，但是如果出現球面的凸塊結構，則計算的過程就會因為選取的區塊大小而產生差異。如果影像系統的解析度不足，所能選取的最小區塊就可能無法達到理想的水準。所測量出來的體積與實際狀況會有比較大的差異，而測量的結果也可能不穩定。這種測量方式，被稱為球體像素估算（VPA-Ball Volume Pixel Acquisition）。
8、AOI特性尺寸檢查
于內層與外層電路板蝕刻之制程，可運用線寬線距量測儀，進行線寬線距與上下線寬檢測，進而確認參數是否合乎蝕刻標準。使用線寬線距量測儀之最大優點，在于使用視覺系統取代以人眼搭配顯微鏡，能有效擷取上下線寬及線距之數值，并制成報表輸出，而得以分析比較蝕刻制程之能力與優劣。
9、AOI的產品外觀檢查
電路板出貨前所做的檢查，其檢查技術的挑戰性相當的高。電路板成品與一般裸板相當類似，但因為多了一層止焊漆而使得其影像的取得與分析變得比較復雜。到目前為止，最終的檢查仍然有相當的比例是依賴作業人員的人工檢查。因為有了新的自動視覺檢查技術加入，有更多的廠商與設備進入了生產線上。多數成品電路板與生產中的電路板面積差異比較大，而且產品間的差異也相當的大。這樣的狀況下所需要的視覺檢查設備，就與裸板所需要的檢驗設備特性產生差異。
這種外觀檢查系統，應該要有以下的特性：
? 必須能夠提供不同的自動視覺檢查能力，同時必需要能夠適應寬廣的產品類型；設定時間必須短，因為更換產品批次相當頻繁，生產線不可能等待長時間來更換測試產品
9.1、缺陷的類型
除了AOI可以偵測的缺陷外（內層裸板與外層板），構裝載板有兩個主要類型的缺陷必需要在最終的檢查時進行偵測：
? 表面的缺陷：變色、不平整的表面、止焊漆上或內的異物；
? 止焊漆的對位問題：襯墊過度遮蔽、應該遮蔽的孔或線路暴露出來、應該露出的 襯墊或孔被遮蔽、應該有完整止焊漆保護的區域并不完整。
9.2、導入彩色CCD機能
由于多變的外觀偵測困難，比較可行的方案之一就是在偵測程序中導入彩色的CCD影像系統處理。傳統的檢查是使用單色或灰階的影像系統來取得影像進行了判定，單色的系統只能提供二維的顏色來進行影像判定。
考慮到需要偵測的材料類型：單純的基材、基材與止焊漆的組合、銅金屬與止焊漆的組合、襯墊上不同的金屬處理等，這些狀況豪無疑問的應該要提供更好的辨認能力系統才能發揮功效。因為導入色彩區隔方法，影像不會只有亮度與反射的差異而已，因此材料對比性不足的問題相對就可以明顯降低。用色彩擷取影像，就算是比較低的對比與多種金屬處理存在也有機會可以偵測載板的表面狀況。不過彩色影像的資料量比較大，因此設備數據處理能力必需要適度的提升。
某些廠商經過研究，發現采用灰階的辯視系統比彩色的CCD系統更能判斷出電路板的表面缺點，因此嘗試將彩色系統又轉換為灰階系統，這方面的改變也值得業者進一步了解。9.3 條狀、片狀的檢驗模式
IC的功能性與I/O變得更多更復雜，電路板廠商必須在合理的成本下生產更高密度連結的產品，同時要在更短的時間內交出穩定具有高品質的產品。加上電路板技術與微孔技術導入，可以讓這些復雜的需求得以滿足。這種趨勢已經成為電路板產業與先進電子構裝載板技術的主流，徹底的改變了產業的生態。
因為每一英吋的載板所配置的接點大幅增加，漏掉一個缺點所付出的代價會比以往的損失更大。所以電路板制造商都尋求自動化的檢查方案，以作為品質管制的重要監控方法。
用于先進構裝的構裝載板方式，包括：BGA（Ball Grid Arrays）、CSP（Chip Scale packaging）、覆晶BGA（FC-BGA-Flip chip BGA）、COB（Chip on Board）等。因為電路板的制作是以全板的方式進行，同時產品是以重復線路布局的方式配置，有相當多的單元會配置在一片電路板上，這樣的特性使得生產的批量相對比較小。某些軟性捲對捲構裝載板，還需要特殊的ＡＯＩ設備來檢查。對于構裝載板或模塊板業者而言，時常會采用條狀的配置方式生產出貨。例如：一條CSP構裝載板產品有四連片在一起，每片上包含有25個單元的CSP。假設業者規定只要缺點單元數低于20%就算通過檢驗，則系統應該要搭配此需求進行處理。此時就要注意確認產品單元的缺點狀況，而不是只計算缺點數的狀況。
當發現缺點數有超出規定的故障量時，應該要進行進一步的確認是否此產品應該報廢。此時自動視覺檢查系統需要有以下兩種能力：
? 能夠確認各個單元的缺點數而不只是整條產品上的缺點數（兩個故障問題出現在同一單元產品上應該要被認定為缺點單一產品，至于品質管制需要的資料可以另外進行統計）；
? 系統應該具有篩選整條產品的能力，不能只是偵測缺點數量而已。
10、AOI成型尺寸量測機
于PCB制程中運用尺寸量測，可有效提高制程中產品之良率。尤其在成型階段，由于成型制程具有不可逆性，銑刀使用中磨耗產生的瑕疵，如果能夠及時檢出，可以免除大量報廢的產生。另外由于使用自動光學檢測為媒介，也可以避免前后或不同人員檢測之結果有所出入。
11、小結
AOI技術已經在過去的二十年間普遍用在電路板產業的生產，系統設計主要仍然以應對全板檢查的市場目標來制作。不過在考慮一些新產品特性如：反覆的線路、細線路時，則必須要考慮其實際使用AOI的方式。
在電路板制造過程中，不同的生產程序需要有特定的檢驗方式。
? 在制程中用AOI進行光罩、內層板、增層與外層的全板檢查；
? 制程中的雷射孔或其他技術制作的微孔，也可以用AOI檢驗所制作的增層結構；
? 產品的最終視覺檢查，則會依據出貨的狀況進行全面檢查；
面對變化愈來愈多的產品應用，如何發展出更具智慧的AOI應用系統，仍將繼續考驗著業者的能力。 |
