Iluminación AOI para PCB: coaxial, ángulo bajo y RGB en una sola celda

Una PCB bajo una cámara AOI no es un único problema de inspección. Son al menos tres, separados por pocos milímetros: una pista de cobre que se comporta como un espejo, una unión de soldadura que es una pequeña forma tridimensional y una leyenda serigráfica blanca impresa sobre laminado verde. Una sola luz que favorece a uno de ellos suele enterrar a los otros dos. Por eso las discusiones sobre iluminación en líneas AOI rara vez terminan con un nombre de producto — terminan con una secuencia.

El orden importa más que el hardware. Decida primero la interacción óptica de cada rasgo, luego la geometría, luego la longitud de onda. Saltar directamente a “necesitamos un aro más potente” es la forma en que las celdas acaban con cuatro luces y ningún umbral estable.

Por qué una sola luz no puede atender toda la placa

La reflectancia en una PCB abarca un rango enorme. El cobre desnudo y los dedos dorados son casi especulares en los ángulos que ve un cabezal AOI. La máscara de soldadura es semimate. La serigrafía es blanca difusa. La soldadura, tras el reflow, es un espejo curvado con una película de óxido mate. Si ilumina los cuatro con la misma fuente de ángulo alto, las zonas especulares se saturan mientras las difusas quedan en medio del histograma — la imagen clásica de “pads brillantes, caracteres grises, uniones invisibles”.

La razón es geométrica, no una cuestión de potencia. Un aro de ángulo alto envía la luz hacia abajo a 60–90°, de modo que las zonas especulares planas la devuelven directamente al objetivo y se recortan; la misma luz que llega a un filete de soldadura curvado sale en otro ángulo y nunca regresa. Añadir corriente hace los pads más blancos y las uniones no más visibles. Esta es la misma distinción que la literatura estándar de iluminación traza entre geometrías especulares, difusas y transmitidas, y es lo primero que hay que corregir antes de tocar la exposición o la ganancia.

Pads y cobre desnudo: coaxial, y normalmente azul

Para presencia de pad, óxido, contaminación y registro de máscara, la iluminación coaxial es la elección honesta. Coloca la fuente sobre el eje del objetivo mediante un divisor de haz a 45°, de modo que solo regresa la reflexión casi normal. Un pad plano se ve uniformemente brillante, una zona oxidada se ve más oscura, un pad ausente se ve como laminado. No hay dirección, así que el resultado no cambia cuando la placa se desplaza un milímetro.

El azul suele ser aquí la mejor longitud de onda. El cobre y el oro reflejan con fuerza en el azul, mientras que la máscara de soldadura verde lo absorbe, lo que ensancha la separación pad-máscara antes de fijar cualquier umbral. El rojo hace lo contrario: realza el cobre pero es menos absorbido por algunas máscaras, y puede hacer que el laminado oscuro parezca más brillante de lo esperado. Nada de esto es universal — la química de la máscara varía según el fabricante — y por eso la decisión de longitud de onda pertenece al ensayo con muestra, no a la especificación.

Una restricción mecánica decide si la coaxial funciona: la abertura de salida del módulo debe ser mayor que la diagonal del campo. Si no lo es, las esquinas se oscurecen y el operador culpa a la luz. En un cuerpo zoom coaxial de 12.5X como la lente zoom coaxial PMS-LZL-12101D 12.5X, la iluminación está dentro del tubo, así que la restricción desaparece; con un módulo externo sobre un zoom normal, hay que comprobarla en el ajuste de campo más amplio, no en el más estrecho.

Uniones de soldadura: ángulo bajo, porque la información es la pendiente

Un filete de soldadura se juzga por su perfil — insuficiente, excesivo, puente, porosidad en el borde. El perfil está codificado en la pendiente de la superficie, y la pendiente solo es visible cuando la iluminación llega en ángulo bajo. A 10–30° sobre la placa, la máscara plana refleja alejándose de la cámara y los flancos del filete dispersan luz de vuelta, de modo que la unión se lee como una cuña brillante contra un campo oscuro. Esto es imagen en campo oscuro por geometría, no por atenuación.

Siguen dos consecuencias prácticas. Primera, el azimut importa: una unión iluminada desde un lado pierde el flanco opuesto, de modo que una sola barra es un punto ciego sistemático. Barras opuestas, o un aro de cuatro cuadrantes, son el mínimo. Segunda, cuanto menor el ángulo, más larga la sombra — aproximadamente h / tanθ para un rasgo de altura h — y un componente alto puede proyectar una sombra sobre la unión que hay detrás. En placas densas este presupuesto de sombra, y no el brillo, es lo que limita cuánto se puede bajar.

La iluminación de ángulo bajo también interactúa con el objetivo. Un objetivo telecéntrico rechaza la mayor parte de la luz dispersa, así que el campo oscuro tras una óptica telecéntrica es tenue; una lente zoom con NA menor a bajo aumento lo es aún más. Espere cambiar el brillo entre escalones de aumento en lugar de suponer que un ajuste cubre todo el rango. Es el mismo efecto descrito en por qué cambia el brillo de la imagen con el aumento del zoom, y se convierte en un problema de iluminación en cuanto la receta AOI cambia el aumento automáticamente.

Iluminación multicolor y por zonas: útil, pero no una mejora de resolución

La iluminación RGB cambia el contraste por longitud de onda: ilumine con un color que el rasgo refleja y se aclara; ilumine con el color complementario y se oscurece. Los aros por zonas añaden una segunda dimensión — cada sector es un canal independiente, de modo que cuatro sectores disparados en secuencia dan cuatro direcciones de sombra desde una sola carcasa.

Lo que esto compra es separabilidad entre materiales que se parecen en escala de grises. Lo que no compra es resolución óptica. Un defecto de 5 µm sobre una lente con un muestreo en el plano objeto de 12 µm sigue invisible sin importar cuántos colores se ciclen; a la inversa, una configuración monocroma bien iluminada suele superar a otra elaboradamente coloreada en una simple verificación de presencia. El modo de fallo es predecible: una celda añade canales, el tiempo de ciclo crece, los umbrales se multiplican y el defecto que motivó el cambio sigue siendo marginal.

Un caso práctico de una consulta real concreta la aritmética. Un cliente que inspeccionaba placas de 17.3 × 17.3 mm con una lente telecéntrica de 0.25X y una fuente multicolor quería reducir el campo a 12 mm o 8 mm. Las razones de aumento relativas son 17.3/12 ≈ 1.44 y 17.3/8 ≈ 2.16, que corresponden aproximadamente a 0.360X y 0.541X bajo los supuestos indicados sobre el sensor. Son razones geométricas, no aumentos medidos, y el formato exacto del sensor del cliente sigue sin confirmar — pero la dirección es fija: el muestreo en el lado del objeto mejora por el mismo factor, y la irradiancia de la imagen cae aproximadamente con el cuadrado del aumento. El presupuesto de iluminación debe, por tanto, resolverse de nuevo en el nuevo aumento antes de tomar cualquier decisión de color.

El presupuesto de brillo a mayor aumento

La irradiancia en el lado del objeto cae aproximadamente como 1/m², así que pasar de 0.25X a 0.54X cuesta unas 4.6× de luz antes de cambiar la apertura. Si la receta original usaba una exposición de 2 ms a 0.25X, la misma imagen a 0.54X necesita una exposición más larga, una apertura mayor, más ganancia o más luz — y las tres primeras cuestan algo distinto: desenfoque por movimiento, profundidad de campo o ruido.

Aquí es donde importa un controlador con temporización definida. Un controlador de corriente constante de cuatro canales como el PMS-DC5V3W-4T ofrece 256 escalones de atenuación entre 0–1000 mA por canal, con disparo externo de hasta 1 kHz y una respuesta de 200 µs. Eso basta para ejecutar pulsos cortos y brillantes sincronizados con la cámara en lugar de subir la ganancia, y para mantener los canales coaxial, de ángulo bajo y de color calibrados de forma independiente — lo cual importa porque un “nivel 128” en azul y un “nivel 128” en blanco no son la misma cantidad de luz.

Una secuencia de validación que sobrevive a la producción

La receta de iluminación vale lo que vale la prueba que la produjo. Una secuencia que ha resistido en líneas AOI se ve así:

• Fije primero la geometría, luego la longitud de onda, luego el brillo. Cambiar dos a la vez hace el resultado inatribuible.
• Fotografíe una placa patrón y una placa defectuosa conocida bajo cada candidata; mantenga la exposición fija entre candidatas para que la comparación sea de contraste, no de luz.
• Mida, no juzgue: registre la diferencia de nivel de gris entre rasgo y fondo, y la uniformidad del fondo en las esquinas del campo.
• Repita con la placa girada 90° y desplazada dentro del utillaje; una receta que solo funciona en una posición no es una receta.
• Vuelva a ejecutar tras un cambio de lote de máscara o de pasta de soldadura. Las decisiones de longitud de onda que dependen de la química de la máscara son las primeras en derivar.

Si la misma celda debe manejar varios tipos de placa, la respuesta honesta suele ser dos recetas con un dato mecánico fijo, no una receta comprometida. Registrar la altura del aro, el número de pieza del módulo y los niveles de canal del controlador en la instrucción de trabajo es lo que lo hace posible.

Dónde termina la decisión de iluminación y dónde empieza la del objetivo

La iluminación no puede rescatar un límite de muestreo. Si el rasgo más pequeño está por debajo de dos o tres píxeles en el lado del objeto, ninguna geometría de iluminación lo hará medible, y el ciclado de colores solo añade fotogramas. En ese caso la conversación pasa al aumento: un escalón de zoom mayor, otra lente telecéntrica o un sensor más grande. La gama de lentes zoom y la guía de selección óptica para AOI de PCB cubren ese lado del compromiso; el trabajo de la iluminación es asegurar que el rasgo sea visible una vez que la óptica pueda resolverlo.

Preguntas frecuentes

¿Puede un solo aro de luz atender pads, soldadura y serigrafía en la misma placa?

No a una sola altura. Un aro de ángulo alto satura los pads y aplana las uniones; un aro de ángulo bajo revela las uniones pero deja los pads desiguales. El compromiso viable es una disposición de doble altura o doble zona con la altura registrada en la receta, más un canal coaxial separado para los pads.

¿Es mejor la iluminación RGB que la blanca para AOI?

Solo cuando el rasgo y el fondo difieren en reflectancia en alguna longitud de onda. Si la diferencia es geométrica — una rayadura, un filete, una rebaba — el color añade fotogramas sin añadir contraste. Pruebe la misma geometría con dos longitudes de onda antes de añadir canales.

¿Por qué mis pads se saturan incluso con brillo bajo?

Porque la reflexión es especular: la luz regresa casi sin cambios, así que el sensor se recorta mucho antes de que el resto de la imagen esté correctamente expuesto. Corrija la geometría (coaxial o polarizada) en lugar de bajar la fuente, que subexpondrá todo lo demás.

¿Ayuda la polarización sobre la máscara de soldadura?

Ayuda cuando el problema es una reflexión especular desde una superficie dieléctrica lisa. Un par de polarizadores cruzados suprime esa reflexión pero cuesta la mayor parte de la luz — cifras publicadas sitúan un solo polarizador cerca del 40 % de transmisión y un par cruzado por debajo del 3 % en extinción, lo que exige aproximadamente 2.5 pasos de f de compensación.

¿Cómo mantengo estable la receta tras una revisión de la placa?

Registre geometría, longitud de onda, niveles de canal y exposición como parte de la receta, y vuelva a validar sobre una placa patrón tras cualquier cambio de laminado, máscara o pasta. La iluminación que depende de la química de la máscara es la fuente más común de deriva silenciosa.

Qué enviar para una revisión de iluminación

Una revisión útil necesita cinco cosas: una fotografía de la placa tal como está en el utillaje, el campo de visión y el rasgo más pequeño que deba juzgarse, el objetivo y la cámara en uso (o previstos), la distancia libre disponible sobre la placa, y una muestra buena conocida más una defectuosa conocida. Con eso, la geometría de iluminación y el aumento del objetivo pueden contrastarse entre sí en lugar de discutirse por separado — que es normalmente donde resulta estar la restricción real.