Éclairage AOI des PCB : coaxial, angle rasant et RGB dans une seule cellule

Un PCB sous une caméra AOI n'est pas un seul problème d'inspection. Il en compte au moins trois, à quelques millimètres d'écart : une pastille de cuivre qui se comporte comme un miroir, un joint de soudure qui est une petite forme tridimensionnelle, et une sérigraphie blanche imprimée sur un substrat vert. Une seule lumière qui flatte l'un d'eux enterre généralement les deux autres. C'est pourquoi les débats d'éclairage sur les lignes AOI se terminent rarement sur un nom de produit — ils se terminent sur une séquence.

L'ordre compte plus que le matériel. Décidez d'abord de l'interaction optique pour chaque élément, puis de la géométrie, puis de la longueur d'onde. Passer directement à « il nous faut un anneau plus puissant » est la façon dont les cellules finissent avec quatre lumières et aucun seuil stable.

Pourquoi une seule lumière ne peut pas servir toute la carte

La réflectance sur un PCB couvre une plage énorme. Le cuivre nu et les doigts dorés sont presque spéculaires aux angles que voit une tête AOI. Le masque de soudure est semi-mat. La sérigraphie est un blanc diffus. La soudure, après refusion, est un miroir courbé couvert d'une peau d'oxyde mate. Si vous illuminez les quatre avec la même source à angle fort, les zones spéculaires saturent tandis que les zones diffuses se placent au milieu de l'histogramme — l'image classique des « pastilles éclatantes, caractères gris, joints invisibles ».

La raison est géométrique, non une question de puissance. Un anneau à angle fort envoie la lumière vers le bas à 60–90°, donc les zones spéculaires planes la renvoient droit dans l'objectif et saturent ; la même lumière arrivant sur un congé de soudure courbé repart sous un autre angle et ne revient jamais. Augmenter le courant rend les pastilles plus blanches et les joints pas plus visibles. C'est la même distinction que la littérature standard de l'éclairage établit entre géométries spéculaire, diffuse et transmise, et c'est la première chose à corriger avant de toucher à l'exposition ou au gain.

Pastilles et cuivre nu : coaxial, et généralement bleu

Pour la présence de pastilles, l'oxydation, la contamination et le repérage du masque, l'éclairage coaxial est le choix honnête. Il place la source sur l'axe de l'objectif à travers un séparateur de faisceau à 45°, donc seule la réflexion quasi normale revient. Une pastille plane apparaît uniformément brillante, une zone oxydée apparaît plus sombre, une pastille manquante apparaît comme le substrat. Il n'y a pas de direction, donc le résultat ne change pas quand la carte bouge d'un millimètre.

Le bleu est généralement ici la meilleure longueur d'onde. Le cuivre et l'or réfléchissent fortement dans le bleu, tandis que le masque de soudure vert l'absorbe, ce qui élargit la séparation pastille-masque avant tout réglage de seuil. Le rouge fait l'inverse : il relève le cuivre mais est moins absorbé par certains masques, et il peut rendre un substrat sombre plus clair que prévu. Rien de tout cela n'est universel — la chimie du masque varie selon le fabricant — c'est pourquoi la décision de longueur d'onde appartient à l'essai sur échantillon, pas à la spécification.

Une contrainte mécanique décide si le coaxial fonctionne du tout : l'ouverture de sortie du module doit être plus grande que la diagonale du champ. Sinon, les coins s'assombrissent et l'opérateur accuse la lumière. Sur un corps zoom coaxial 12.5X comme l'objectif zoom coaxial PMS-LZL-12101D 12.5X, l'éclairage est à l'intérieur du barillet, donc la contrainte disparaît ; avec un module externe sur un zoom simple, il faut la vérifier à l'ouverture de champ maximale, pas à la minimale.

Joints de soudure : angle rasant, car l'information est la pente

Un congé de soudure se juge à son profil — insuffisant, excessif, pontage, vide en bord. Le profil est codé dans la pente de surface, et la pente n'est visible que lorsque l'éclairage arrive sous un angle rasant. À 10–30° au-dessus de la carte, le masque plan réfléchit loin de la caméra et les flancs du congé renvoient la lumière, donc le joint se lit comme un coin brillant sur fond sombre. C'est de l'imagerie en champ sombre par géométrie, pas par atténuation.

Deux conséquences pratiques en découlent. Premièrement, l'azimut compte : un joint éclairé d'un seul côté perd le flanc opposé, donc une barre unique est un angle mort systématique. Des barres opposées, ou un anneau à quatre quadrants, constituent le minimum. Deuxièmement, plus l'angle est bas, plus l'ombre est longue — environ h / tanθ pour un élément de hauteur h — et un composant haut peut projeter une ombre sur le joint derrière lui. Sur des cartes denses, ce budget d'ombre, et non la luminosité, limite jusqu'où l'on peut descendre.

L'éclairage à angle rasant interagit aussi avec l'objectif. Un objectif télécentrique rejette la plupart de la lumière diffusée, donc le champ sombre derrière une optique télécentrique est faible ; un objectif zoom avec une ouverture numérique plus petite à faible grossissement l'est encore plus. Attendez-vous à changer la luminosité entre paliers de grossissement plutôt que de supposer qu'un réglage couvre toute la plage. C'est le même effet décrit dans pourquoi la luminosité de l'image change avec le grossissement du zoom, et il devient un problème d'éclairage dès que la recette AOI change de grossissement automatiquement.

Éclairage multicolore et zoné : utile, mais pas une amélioration de résolution

L'éclairage RGB change le contraste par longueur d'onde : illuminez avec une couleur que l'élément réfléchit et il s'éclaircit ; illuminez avec la couleur complémentaire et il s'assombrit. Les anneaux zonés ajoutent une seconde dimension — chaque secteur est un canal indépendant, donc quatre secteurs tirés en séquence donnent quatre directions d'ombre depuis un seul boîtier.

Ce que cela achète, c'est la séparabilité entre des matériaux qui se ressemblent en niveaux de gris. Ce que cela n'achète pas, c'est la résolution optique. Un défaut de 5 µm sur un objectif à échantillonnage objet de 12 µm reste invisible quel que soit le nombre de couleurs cyclées ; inversement, un montage monochrome bien éclairé bat souvent un montage élaborément coloré sur un simple contrôle de présence. Le mode de défaillance est prévisible : une cellule ajoute des canaux, le temps de cycle augmente, les seuils se multiplient, et le défaut qui a motivé le changement reste marginal.

Un exemple issu d'une demande réelle rend l'arithmétique concrète. Un client inspectant des cartes de 17.3 × 17.3 mm avec un objectif télécentrique 0.25X et une source multicolore voulait réduire le champ à 12 mm ou 8 mm. Les rapports de grossissement relatifs sont 17.3/12 ≈ 1.44 et 17.3/8 ≈ 2.16, qui correspondent à environ 0.360X et 0.541X sous les hypothèses indiquées sur le capteur. Ce sont des rapports géométriques, pas des grossissements mesurés, et le format exact du capteur du client reste non confirmé — mais la direction est fixe : l'échantillonnage côté objet s'améliore du même facteur, et l'éclairement de l'image chute environ avec le carré du grossissement. Le budget d'éclairage doit donc être recalculé au nouveau grossissement avant toute décision de couleur.

Le budget de luminosité à plus fort grossissement

L'éclairement côté objet chute approximativement en 1/m², donc passer de 0.25X à 0.54X coûte environ 4.6× de lumière avant tout changement d'ouverture. Si la recette initiale utilisait une exposition de 2 ms à 0.25X, la même image à 0.54X exige une exposition plus longue, une ouverture plus grande, plus de gain ou plus de lumière — et les trois premières coûtent chacune autre chose : flou de mouvement, profondeur de champ ou bruit.

C'est là qu'un contrôleur à temporisation définie compte. Un contrôleur à courant constant quatre canaux comme le PMS-DC5V3W-4T offre 256 paliers de gradation sur 0–1000 mA par canal, avec déclenchement externe jusqu'à 1 kHz et une réponse de 200 µs. Cela suffit à lancer des impulsions brèves et brillantes synchronisées sur la caméra au lieu d'augmenter le gain, et à garder les canaux coaxial, angle rasant et couleur calibrés indépendamment — ce qui compte, car un « niveau 128 » en bleu et un « niveau 128 » en blanc ne sont pas la même quantité de lumière.

Une séquence de validation qui survit à la production

Une recette d'éclairage ne vaut que le test qui l'a produite. Une séquence qui a tenu sur des lignes AOI ressemble à ceci :

• Fixez d'abord la géométrie, puis la longueur d'onde, puis la luminosité. Changer deux paramètres à la fois rend le résultat inattribuable.
• Photographiez une carte étalon et une carte défectueuse connue sous chaque candidate ; gardez l'exposition fixe entre candidates pour que la comparaison porte sur le contraste, pas sur la lumière.
• Mesurez, ne jugez pas : consignez l'écart de niveau de gris entre l'élément et le fond, et l'uniformité du fond dans les coins du champ.
• Répétez avec la carte tournée de 90° et décalée dans le montage ; une recette qui ne fonctionne que dans une pose n'est pas une recette.
• Relancez après un changement de lot de masque ou de pâte de soudure. Les choix de longueur d'onde qui dépendent de la chimie du masque sont les premiers à dériver.

Si la même cellule doit traiter plusieurs types de cartes, la réponse honnête est souvent deux recettes avec une référence mécanique fixe, pas une seule recette de compromis. Enregistrer la hauteur de l'anneau, la référence du module et les niveaux de canal du contrôleur dans l'instruction de travail est ce qui le rend possible.

Où s'arrête la décision d'éclairage et où commence celle de l'objectif

L'éclairage ne peut pas sauver une limite d'échantillonnage. Si le plus petit élément est en dessous de deux ou trois pixels côté objet, aucune géométrie d'éclairage ne le rendra mesurable, et le cyclage des couleurs n'ajoute que des images. Dans ce cas, la conversation passe au grossissement : un palier de zoom supérieur, un autre objectif télécentrique ou un capteur plus grand. La gamme d'objectifs zoom et le guide de sélection optique pour l'AOI des PCB couvrent ce versant du compromis ; le rôle de l'éclairage est de garantir que l'élément soit visible dès que l'optique peut le résoudre.

Questions fréquentes

Une seule lumière annulaire peut-elle traiter pastilles, soudures et sérigraphie sur la même carte ?

Pas à une seule hauteur. Un anneau à angle fort sature les pastilles et aplatit les joints ; un anneau à angle rasant révèle les joints mais laisse les pastilles inégales. Le compromis praticable est un montage à double hauteur ou double zone avec la hauteur consignée dans la recette, plus un canal coaxial séparé pour les pastilles.

L'éclairage RGB est-il meilleur que le blanc pour l'AOI ?

Seulement lorsque l'objet et le fond diffèrent de réflectance à certaines longueurs d'onde. Si la différence est géométrique — une rayure, un congé, une bavure — la couleur ajoute des images sans ajouter de contraste. Testez la même géométrie avec deux longueurs d'onde avant d'ajouter des canaux.

Pourquoi mes pastilles saturent-elles même à faible luminosité ?

Parce que la réflexion est spéculaire : la lumière revient presque inchangée, donc le capteur sature bien avant que le reste de l'image soit correctement exposé. Corrigez la géométrie (coaxiale ou polarisée) plutôt que de baisser la source, ce qui sous-exposera tout le reste.

La polarisation aide-t-elle sur le masque de soudure ?

Elle aide quand le problème est une réflexion spéculaire sur une surface diélectrique lisse. Une paire de polariseurs croisés supprime cette réflexion mais coûte la majeure partie de la lumière — des chiffres publiés situent un seul polariseur près de 40 % de transmission et une paire croisée sous 3 % à l'extinction, exigeant environ 2.5 pas de diaphragme de compensation.

Comment garder la recette stable après une révision de carte ?

Consignez la géométrie, la longueur d'onde, les niveaux des canaux et l'exposition dans la recette, et revalidez sur une carte étalon après tout changement de substrat, de masque ou de pâte. Un éclairage qui dépend de la chimie du masque est la source la plus courante de dérive silencieuse.

Quoi envoyer pour une revue d'éclairage

Une revue utile demande cinq choses : une photographie de la carte telle qu'elle se trouve dans le montage, le champ de vision et le plus petit élément à juger, l'objectif et la caméra utilisés (ou prévus), la distance disponible au-dessus de la carte, et un échantillon bon connu plus un défectueux connu. Avec cela, la géométrie d'éclairage et le grossissement de l'objectif peuvent être confrontés l'un à l'autre au lieu d'être débattus séparément — c'est généralement là que se trouve la vraie contrainte.