樊成，朱忠發(fā)，王彬，黃助兵，李健，張登山

（合肥京東方顯示技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230012）

1 AOI 設(shè)備檢驗(yàn)原理

主要利用線陣電荷耦合器件(通常以數(shù)碼相機(jī)的形式)快速獲取圖像，從線陣印制電路板表面高速捕捉圖像，同時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析，找出印制板生產(chǎn)過程中的缺陷，并針對(duì)這些缺陷及時(shí)進(jìn)行處理，從而大大改善過去依靠人眼或靜態(tài)光學(xué)儀器進(jìn)行質(zhì)量控制的方式；光學(xué)檢測(cè)的應(yīng)用范圍從高科技產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、制造質(zhì)量控制，到國(guó)防、民生、醫(yī)療、環(huán)保、電力，以及其他領(lǐng)域。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)是工業(yè)過程中常用的質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)方法，利用光學(xué)儀器獲取成品表面狀態(tài)，然后通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)檢測(cè)出5 種異物或設(shè)計(jì)異常等缺陷，由于是接觸式檢測(cè)，所以它處于半成品的工程檢查階段，為以后的層疊組裝質(zhì)量提供了保證，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)可以應(yīng)用于各級(jí)電路板的檢測(cè)，為整體生產(chǎn)質(zhì)量的提高和最終合格率的控制提供了有力的保證，從而提高了電子產(chǎn)品和各種電子設(shè)備的成品率。

自動(dòng)光學(xué)設(shè)備在印刷電路板行業(yè)中的應(yīng)用主要是使用光學(xué)線陣相機(jī)來快速獲取光學(xué)圖像。對(duì)比分析或相關(guān)的數(shù)字控制使報(bào)告獲得圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像樣本模型的故障缺點(diǎn)位置坐標(biāo)，通過連接高倍率攝像機(jī)進(jìn)行及時(shí)判斷，這種設(shè)備可以幫助廠家在生產(chǎn)過程中在很短的時(shí)間內(nèi)確定其坐標(biāo)，以繼續(xù)使用高分辨率放大器儀表放大缺陷位置進(jìn)行后續(xù)處理和判斷，因?yàn)槟壳半娮赢a(chǎn)品整體向輕、小、薄的方向發(fā)展，擴(kuò)大了人眼檢測(cè)或借助傳統(tǒng)儀器的檢測(cè)精度，所以這種設(shè)備的出現(xiàn)也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

自動(dòng)化檢測(cè)對(duì)于目前人工成本的上升、批量生產(chǎn)的需求，以及客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的高要求等因素促成了AOI行業(yè)的蓬勃發(fā)展，因?yàn)橛芯薮蟮臐撛谑袌?chǎng)和未來的市場(chǎng)占有率是可以預(yù)期的，各高科技企業(yè)紛紛投入到這一設(shè)備的研發(fā)中，但如何設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并明確客戶的需求呢？對(duì)于每個(gè)制造商來說，這都是一個(gè)需要考慮的問題。明確的客戶需求定義為每個(gè)制造商設(shè)計(jì)符合客戶需求的產(chǎn)品提供了依據(jù)。本文對(duì)AOT 的客戶需求管理進(jìn)行了相關(guān)的分析和總結(jié)，包括移動(dòng)分辨率高、檢測(cè)速度快、掃描時(shí)間短、圖像清晰、操作軟件方便、模塊化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)方向、加工順序等方面。

2 檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

在檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的早期，對(duì)于產(chǎn)品表面是否存在缺陷的檢測(cè)手段多通過人工肉眼觀測(cè)，在精度要求比較高的場(chǎng)合會(huì)采用顯微鏡檢測(cè)手段來對(duì)產(chǎn)品表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)技術(shù)存在較多缺點(diǎn)，如檢測(cè)精度范圍有限、檢測(cè)效率低下、對(duì)檢測(cè)人員的檢測(cè)能力和責(zé)任心等因素依賴較大。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備AOI 逐漸在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)隨著AOI 技術(shù)從低端到高端的進(jìn)一步成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于SMT、觸摸屏、TFT-LCD 和OLED 行業(yè)并取得了顯著效果，AOI 的廠商也較多，比較典型的有包括以色列奧博泰克、賽特克、志茂電子、韓國(guó)晶泰電子等。

2.1 AOI 技術(shù)的應(yīng)用分析

AOI 檢測(cè)原理是利用光學(xué)原理，將被檢測(cè)對(duì)象采用不同的光色和亮度進(jìn)行照明后再采用攝像頭進(jìn)行采集圖像并進(jìn)行比對(duì)、分析，然后根據(jù)比對(duì)和分析結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品缺陷判別。到現(xiàn)階段，AOI 檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用大致經(jīng)歷了如下4 個(gè)階段，分析如下。

2.1.1 AOI 在SMT 焊接質(zhì)量中的應(yīng)用

AOI 技術(shù)較早地應(yīng)用在SMT(表面貼裝技術(shù)/領(lǐng)域)中，其檢測(cè)精度相對(duì)較低，缺陷尺寸大約在100um 的檢測(cè)場(chǎng)合，主要應(yīng)用于包括貼片、錫膏印刷等方面的缺陷檢測(cè)。在這一領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯著：通過實(shí)時(shí)在線檢測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)對(duì)問題進(jìn)行處理，大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本；同時(shí)具有其他檢測(cè)手段如采用顯微鏡不能替代的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 AOI 在觸摸屏上的應(yīng)用

觸摸屏在當(dāng)前生活中應(yīng)用廣泛，如日常使用的智能手機(jī)、電腦、銀行系統(tǒng)、汽車顯示屏等，它是通過手指直接觸摸屏幕表面達(dá)到信息獲取和輸入。觸摸屏在生產(chǎn)過程中，對(duì)工藝精度要求高，同時(shí)也就對(duì)AOI 的檢測(cè)精度要求比較高，通常要求缺陷尺寸在約20um 左右。在觸摸屏的生產(chǎn)過程中，由于需要較多的功能層來構(gòu)建整個(gè)觸摸屏，因此在多層結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行各工序生產(chǎn)如濺射、刻蝕等都會(huì)存在出現(xiàn)缺陷的可能和風(fēng)險(xiǎn)，因此每道工序均需要進(jìn)行AOI 檢測(cè)，檢測(cè)缺陷的范圍也較為廣泛，包括殘留物、涂層是否均勻等，通常這些缺陷無法通過肉眼或者顯微鏡進(jìn)行直觀且實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

2.1.3 AOI 在TFT-LCD 中的應(yīng)用

TFT-LCD 是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中典型的高精度產(chǎn)品之一，由驅(qū)動(dòng)與控制電路、背光源等在內(nèi)的諸多元器件組成的復(fù)雜器件，隨著技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)將基板尺寸由G2 代線發(fā)展至G11 代線，基板尺寸為低代線的TFT-LCD 存在生產(chǎn)成本高等問題，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。在高代線TFT-LCD 的生產(chǎn)過程中，由于基板尺寸大、生產(chǎn)精度要求高，其檢測(cè)精度需達(dá)到3um 左右，同時(shí)對(duì)單個(gè)基板的檢測(cè)時(shí)間也有明確要求，通常需要在100s 內(nèi)完成檢測(cè)，在這類高精度、檢測(cè)時(shí)間要求高的場(chǎng)合就需要高精度的AOI，通過提高硬件系統(tǒng)如增加高精度攝像頭等措施以及軟件算法實(shí)現(xiàn)高精度、短時(shí)間的檢測(cè)。

2.1.4 AOI 在OLED 中的應(yīng)用

AOI 在OLED 中的應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高精度通常會(huì)采用光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)，這本身也是對(duì)AOI 技術(shù)應(yīng)用的提高。OLED 是一種有機(jī)發(fā)光二極管器件，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)過程中由于容易產(chǎn)生混色等缺陷從而導(dǎo)致產(chǎn)品的合格率較低。在OLED 的生產(chǎn)過程中，其缺陷的檢測(cè)目前基本上采用AOI 技術(shù)手段，同時(shí)還需要采用光學(xué)補(bǔ)償?shù)容o助手段以提高整個(gè)AOI 技術(shù)在OLED 中的檢測(cè)應(yīng)用。

2.2 印刷OLED 開發(fā)中的AOI 檢測(cè)技術(shù)分析

印刷OLED 工藝較為普遍地采用噴墨印刷技術(shù)來完成功能層的構(gòu)建，這些功能層包括空穴注入層(HIL，英文全稱為Hole Injection Layer)，空穴傳輸層(HTL，英文全稱為Hole Tranport Layer)等。在這些功能層中，及時(shí)并準(zhǔn)確地檢測(cè)打印缺陷對(duì)印刷OLED 工藝及整個(gè)質(zhì)量的保證非常重要，下面從2 個(gè)方面對(duì)AOI 檢測(cè)在噴墨打印干膜和濕膜的檢測(cè)應(yīng)用中展開分析。

2.2.1 AOI 在噴墨打印干膜檢測(cè)中的應(yīng)用

OLED 打印過程中的干膜是一種化合物，該化合物在紫外線的照射后能夠產(chǎn)生一種穩(wěn)定的物質(zhì)，它的呈現(xiàn)狀態(tài)是薄膜狀態(tài)，其形成方式是在OLED 打印過程中將油墨及其他材料用溶液狀態(tài)噴射到基板上并通過一定的工藝（如VCD、BAKE 等）將溶液揮發(fā)后形成。在整個(gè)打印和干膜的形成過程中，以像素為單位對(duì)干膜進(jìn)行工藝形成，每像素的噴墨量等工藝參數(shù)直接決定了干膜的質(zhì)量和效果，進(jìn)而會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的發(fā)光等質(zhì)量和性能。

為準(zhǔn)確地確定每像素單位上的噴墨和打印的準(zhǔn)確性及效果，需要采用AOI 設(shè)備對(duì)其功能層進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)檢測(cè)每像素的情況。在這一領(lǐng)域的應(yīng)用中，為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)每一像素點(diǎn)的情況，消除像素邊緣的不均勻等現(xiàn)象，我們可以采用檢測(cè)像素的中間區(qū)域作為檢測(cè)采集點(diǎn)，同時(shí)調(diào)整發(fā)射光源并根據(jù)情況適當(dāng)補(bǔ)充強(qiáng)光。然后對(duì)像素點(diǎn)檢測(cè)的灰度值進(jìn)行比較：當(dāng)噴墨出現(xiàn)不均勻的情況，若噴墨較多，AOI 在進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比時(shí)則該像素點(diǎn)的灰度值會(huì)偏大；若噴墨較少，則會(huì)出現(xiàn)灰度值偏小的情況，通常偏離值大約在10 ～20 之間。同時(shí)，還可以進(jìn)一步對(duì)出現(xiàn)偏離正常值的噴嘴進(jìn)行定位和監(jiān)控，獲取并鎖定存在不均勻噴嘴的位置和坐標(biāo)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)打印質(zhì)量進(jìn)行把控。AOI 在噴墨打印干膜檢測(cè)中成效高，優(yōu)勢(shì)顯著，通常僅需要增加相應(yīng)AOI 檢測(cè)設(shè)備就可以完成準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的在線檢測(cè)。

2.2.2 AOI 在噴墨打印濕膜檢測(cè)中的應(yīng)用

OLED 打印過程中的濕膜與干膜不同，濕膜是一種感光油墨，在整個(gè)噴墨生產(chǎn)過程中的檢測(cè)原理與干膜類似，同樣是采用像素區(qū)域的灰度值進(jìn)行對(duì)比。不同之處在于，濕膜在整個(gè)加工過程中油墨為溶液狀態(tài)，AOI 檢測(cè)設(shè)備會(huì)對(duì)像素點(diǎn)邊緣與像素點(diǎn)中間點(diǎn)的光源會(huì)有傾斜影響，這種影響會(huì)帶來較大的灰度差異。因此整個(gè)檢測(cè)包括像素點(diǎn)的邊緣和像素點(diǎn)的中間位置，與干膜檢測(cè)同樣的情況是當(dāng)噴墨較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)灰度值偏高的情況，不過灰度值的偏高具體數(shù)值則需要通過AOI 設(shè)備的多次測(cè)試后確定。為解決在濕膜檢測(cè)過程中的由于濕膜像素點(diǎn)光線傾斜，可以采用調(diào)整AOI 以適應(yīng)光源和補(bǔ)充的強(qiáng)光。

在實(shí)際噴墨打印濕膜和干膜檢測(cè)應(yīng)用過程中，AOI 設(shè)備需要進(jìn)行多次測(cè)試和調(diào)整以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。特別是灰度值的比對(duì)，需要進(jìn)行多次的訓(xùn)練和測(cè)試，以獲取準(zhǔn)確的灰度值范圍，這樣才能對(duì)噴墨打印的整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)控，獲得更好的干膜或者濕膜質(zhì)量。當(dāng)然在這一領(lǐng)域的應(yīng)用中，還有大量的研究工作需要開展。

3 發(fā)展前景分析

隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度進(jìn)一步加深，視覺檢測(cè)的發(fā)展水平得到突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)，其技術(shù)手段也日新月異。隨著時(shí)代和市場(chǎng)產(chǎn)品需求的發(fā)展，AOI 將在短時(shí)間內(nèi)提升到一個(gè)新的技術(shù)水平。

3.1 算法逐步精確化

檢測(cè)的最終目的都是排除不良件，同時(shí)需要減少誤判提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在這一過程中，對(duì)算法的依賴非常大，算法的精確程度直接決定了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。檢測(cè)結(jié)果的精確要求促使和推動(dòng)了算法的發(fā)展和提高，同時(shí)AOI 檢測(cè)算法也會(huì)逐漸從平面檢測(cè)走向高精度攝像頭的立體成像并形成“立體算法”。

3.2 真彩色圖像處理技術(shù)

雖然目前的AOI 已經(jīng)逐漸采用3CCD 相機(jī)來獲取彩色圖像，但大多數(shù)算法只提取顏色中的部分信息，如灰度級(jí)，來識(shí)別圖像，或者對(duì)RGB 顏色空間的3 個(gè)通道分別進(jìn)行處理然后進(jìn)行合成。或者將RGB 空間轉(zhuǎn)換為HSI 空間或其他顏色空間，然后轉(zhuǎn)換為RGB 顏色空間。該方法對(duì)彩色圖像的處理效果不明顯，因?yàn)镽GB 顏色空間中3 個(gè)通道之間的相關(guān)性很高。遺憾的是，到目前為止，人們對(duì)大腦的顏色處理機(jī)制仍未完全了解這仍然是一種實(shí)驗(yàn)和探索。目前，已成為圖像處理技術(shù)一個(gè)難題。因此，如何充分利用RGB 三色通道信息，它是彩色圖像處理的關(guān)鍵，是AOI 技術(shù)的一次飛躍。

3.3 AOI 技術(shù)向3D、智能化方向發(fā)展

目前，我們使用的AOI 是2D 系統(tǒng)。根據(jù)市場(chǎng)需求，3D AOI 系統(tǒng)將在未來出現(xiàn)。所謂3D AOI，并不是相機(jī)拍攝的真實(shí)3D 圖形。未來的3D AOI 將只使用2D 圖像來計(jì)算Z 軸的高度，多了1 個(gè)照明側(cè)面的燈光來計(jì)算Z 軸的高度，與現(xiàn)在的2D AOI 相比。使用3D 技術(shù)可以覆蓋2D以外的范圍，因?yàn)?D 只有X/Y，檢測(cè)平面信息，而3D 有X/Y/Z 3 個(gè)空間軸，可以實(shí)現(xiàn)三維檢測(cè)，即使2D AOI 平臺(tái)可以通過其他技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。然而，要么誤判很高，要么漏測(cè)飆升，這是有一定局限性的。3D AOI 技術(shù)可以更好地平衡誤判和漏檢的中間值，達(dá)到更好的檢測(cè)效果。

3D AOI 的實(shí)現(xiàn)方法不同，通常有激光三角法、雙目視覺技術(shù)、移相法、光度立體法等方法。此外，3D AOI的軟件算法將不同于目前的2D AOI 系統(tǒng)?？傊S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D AOI 將是未來必然的發(fā)展趨勢(shì)，相信不會(huì)太久。根據(jù)一些客戶的特殊要求，開發(fā)化學(xué)AOI 將是可能的。由于各種化學(xué)物質(zhì)的光譜水平不同，在光照射下反射的光的顏色不同，通過接收到的反射光可以確定化學(xué)成分及其在元件和焊料中的位置?；瘜W(xué)AOI 由普通AOI 檢測(cè)設(shè)備+光譜顯微鏡+普通顯微鏡組成，只適用于有這種特殊要求的客戶，應(yīng)用范圍不會(huì)很廣。

4 展開應(yīng)用

目前，市場(chǎng)上看到的AOI 基本上只適用于SMT/SMD。例如，ALEADER AOI 由于其獨(dú)特的計(jì)算方法，可以應(yīng)用于其他外觀檢測(cè)，如鍵盤字符檢測(cè)、鉚釘檢測(cè)、銷釘檢測(cè)等。未來，AOI 技術(shù)智能化、多樣化將成為其發(fā)展趨勢(shì)。