Освещение AOI для печатных плат: коаксиальное, под малым углом и RGB в одной ячейке

Печатная плата под камерой AOI — это не одна задача контроля. Их как минимум три, на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга: медная площадка, ведущая себя как зеркало, паяное соединение, представляющее собой малую трёхмерную форму, и белая шелкографическая маркировка, напечатанная на зелёном ламинате. Один свет, льстящий одному из них, обычно хоронит два других. Поэтому споры об освещении на линиях AOI редко заканчиваются названием продукта — они заканчиваются последовательностью.

Порядок важнее оборудования. Сначала определите оптическое взаимодействие для каждого признака, затем геометрию, затем длину волны. Перескок сразу к «нам нужно более яркое кольцо» — вот так ячейки оказываются с четырьмя источниками и без стабильного порога.

Почему один источник не может обслужить всю плату

Коэффициент отражения на печатной плате охватывает огромный диапазон. Голая медь и золотые контакты почти зеркальны под углами, которые видит головка AOI. Паяльная маска полуматовая. Маркировка — диффузно-белая. Припой после оплавления — изогнутое зеркало с матовой оксидной плёнкой. Если осветить все четыре одним и тем же источником под большим углом, зеркальные зоны пересветятся, а диффузные останутся в середине гистограммы — классическое изображение «яркие площадки, серые символы, невидимые соединения».

Причина геометрическая, а не вопрос мощности. Кольцо под большим углом посылает свет вниз под 60–90°, поэтому плоские зеркальные зоны возвращают его прямо в объектив и уходят в насыщение; тот же свет, попадающий на изогнутую галтель припоя, уходит под другим углом и не возвращается. Увеличение тока делает площадки белее, а соединения не более заметными. Это то же различие, которое стандартная литература по освещению проводит между зеркальной, диффузной и проходящей геометриями, и это первое, что нужно исправить, прежде чем трогать экспозицию или усиление.

Площадки и голая медь: коаксиальное освещение, и обычно синий

Для контроля наличия площадок, окисления, загрязнений и совмещения маски коаксиальное освещение — честный выбор. Оно размещает источник на оси объектива через светоделитель под 45°, поэтому возвращается только отражение, близкое к нормали. Плоская площадка изображается равномерно яркой, окисленный участок — темнее, отсутствующая площадка — как ламинат. Направления нет, поэтому результат не меняется, когда плата смещается на миллиметр.

Синий здесь обычно лучшая длина волны. Медь и золото сильно отражают в синем, тогда как зелёная паяльная маска его поглощает, что расширяет разделение площадка-маска до установки любого порога. Красный даёт обратное: он подчёркивает медь, но некоторыми масками поглощается меньше и может сделать тёмный ламинат ярче ожидаемого. Ничто из этого не универсально — химия маски различается у разных производителей, — поэтому решение о длине волны принадлежит тесту на образцах, а не спецификации.

Одно механическое ограничение решает, работает ли коаксиальное освещение вообще: выходная апертура модуля должна быть больше диагонали поля. Если нет, углы темнеют, и оператор винит свет. На коаксиальном зум-корпусе 12.5X, таком как коаксиальный зум-объектив PMS-LZL-12101D 12.5X, освещение находится внутри трубы, поэтому ограничение исчезает; с внешним модулем на обычном зуме его нужно проверять при самой широкой настройке поля, а не при самой узкой.

Паяные соединения: малый угол, потому что информация — это наклон

Галтель припоя оценивается по профилю — недостаточный, избыточный, перемычка, поры у края. Профиль закодирован в наклоне поверхности, а наклон виден только тогда, когда освещение приходит под малым углом. Под 10–30° над платой плоская маска отражает в сторону от камеры, а склоны галтели рассеивают свет обратно, поэтому соединение читается как яркий клин на тёмном поле. Это визуализация в тёмном поле за счёт геометрии, а не за счёт ослабления.

Из этого следуют два практических вывода. Во-первых, важен азимут: соединение, освещённое с одной стороны, теряет противоположный склон, поэтому одиночная линейка — систематическая слепая зона. Противоположные линейки или четырёхквадрантное кольцо — это минимум. Во-вторых, чем ниже угол, тем длиннее тень — примерно h / tanθ для элемента высотой h — и высокий компонент может отбросить тень на соединение позади него. На плотных платах именно этот бюджет тени, а не яркость, ограничивает, насколько низко можно опускаться.

Освещение под малым углом взаимодействует и с объективом. Телецентрический объектив отсекает большую часть рассеянного света, поэтому тёмное поле за телецентрической оптикой тусклое; зум-объектив с меньшей числовой апертурой на малом увеличении ещё темнее. Рассчитывайте на изменение яркости между ступенями увеличения, а не на то, что одна настройка покроет весь диапазон. Это тот же эффект, что описан в статье почему яркость изображения меняется с увеличением зума, и он становится проблемой освещения в тот момент, когда рецепт AOI переключает увеличение автоматически.

Многоцветное и зональное освещение: полезно, но не апгрейд разрешения

RGB-освещение меняет контраст по длине волны: осветите цветом, который признак отражает, — он светлеет; осветите дополнительным цветом — он темнеет. Зональные кольца добавляют второе измерение — каждый сектор является независимым каналом, поэтому четыре сектора, срабатывающие последовательно, дают четыре направления тени от одного корпуса.

Что это покупает, так это разделимость материалов, схожих в оттенках серого. Чего это не покупает, так это оптического разрешения. Дефект в 5 µm на объективе с дискретизацией со стороны объекта 12 µm остаётся невидимым, сколько бы цветов ни прокручивалось; наоборот, хорошо освещённая монохромная конфигурация часто превосходит изощрённо цветную на простой проверке наличия. Режим отказа предсказуем: ячейка добавляет каналы, время цикла растёт, пороги множатся, а дефект, мотивировавший изменение, остаётся пограничным.

Рабочий пример из реального запроса делает арифметику наглядной. Заказчик, контролировавший платы 17.3 × 17.3 mm телецентрическим объективом 0.25X и многоцветным источником, хотел уменьшить поле до 12 mm или 8 mm. Относительные коэффициенты увеличения равны 17.3/12 ≈ 1.44 и 17.3/8 ≈ 2.16, что соответствует примерно 0.360X и 0.541X при указанных предположениях о сенсоре. Это геометрические отношения, а не измеренные увеличения, и точный формат сенсора заказчика всё ещё не подтверждён — но направление определено: дискретизация со стороны объекта улучшается на тот же коэффициент, а облучённость изображения падает примерно пропорционально квадрату увеличения. Поэтому световой бюджет нужно пересчитать для нового увеличения до принятия любого решения о цвете.

Бюджет яркости при большем увеличении

Облучённость со стороны объекта падает примерно как 1/m², поэтому переход от 0.25X к 0.54X обходится примерно в 4.6× света до любого изменения апертуры. Если исходный рецепт использовал экспозицию 2 ms на 0.25X, то же изображение на 0.54X требует более долгой экспозиции, большей апертуры, большего усиления или большего света — и первые три стоят чего-то другого: смаз от движения, глубина резкости или шум.

Вот где важен контроллер с определённой синхронизацией. Четырёхканальный контроллер постоянного тока, такой как PMS-DC5V3W-4T, даёт 256 ступеней регулировки яркости в диапазоне 0–1000 mA на канал, с внешним запуском до 1 kHz и временем отклика 200 µs. Этого достаточно, чтобы запускать короткие яркие импульсы, синхронизированные с камерой, вместо повышения усиления, и чтобы держать коаксиальный, низкоугольный и цветовой каналы независимо откалиброванными — что важно, потому что «уровень 128» на синем и «уровень 128» на белом — не одно и то же количество света.

Последовательность валидации, которая выдерживает производство

Рецепт освещения хорош ровно настолько, насколько хорош тест, который его породил. Последовательность, зарекомендовавшая себя на линиях AOI, выглядит так:

• Сначала зафиксируйте геометрию, затем длину волны, затем яркость. Изменение двух параметров одновременно делает результат неатрибутируемым.
• Сфотографируйте эталонную плату и заведомо дефектную плату при каждом кандидате; держите экспозицию фиксированной между кандидатами, чтобы сравнение шло о контрасте, а не о свете.
• Измеряйте, не судите на глаз: зафиксируйте разницу уровней серого между признаком и фоном и равномерность фона в углах поля.
• Повторите с платой, повёрнутой на 90° и смещённой в приспособлении; рецепт, работающий только в одном положении, — не рецепт.
• Повторите прогон после смены партии маски или паяльной пасты. Выборы длины волны, зависящие от химии маски, дрейфуют первыми.

Если одна и та же ячейка должна обрабатывать несколько типов плат, честный ответ — часто два рецепта с фиксированной механической базой, а не один компромиссный рецепт. Запись высоты кольца, артикула модуля и уровней каналов контроллера в рабочей инструкции — это то, что делает это возможным.

Где заканчивается решение об освещении и начинается решение об объективе

Освещение не может спасти предел дискретизации. Если самый малый признак меньше двух-трёх пикселей со стороны объекта, никакая геометрия освещения не сделает его измеримым, а перебор цветов лишь добавляет кадры. В этом случае разговор переходит к увеличению: более высокая ступень зума, другой телецентрический объектив или сенсор побольше. Линейка зум-объективов и руководство по выбору оптики для AOI печатных плат охватывают эту сторону компромисса; задача освещения — обеспечить видимость признака, когда оптика способна его разрешить.

Часто задаваемые вопросы

Может ли одно кольцевое освещение обслуживать площадки, пайку и маркировку на одной плате?

Не на одной высоте. Кольцо под большим углом пересвечивает площадки и сглаживает соединения; кольцо под малым углом выявляет соединения, но оставляет площадки неравномерными. Рабочий компромисс — двухуровневая или двухзонная схема с записанной в рецепт высотой плюс отдельный коаксиальный канал для площадок.

Лучше ли RGB-освещение, чем белое, для AOI?

Только когда признак и фон различаются по коэффициенту отражения на какой-то длине волны. Если различие геометрическое — царапина, галтель, заусенец — цвет добавляет кадры, не добавляя контраста. Проверьте ту же геометрию на двух длинах волн, прежде чем добавлять каналы.

Почему площадки пересвечиваются даже при малой яркости?

Потому что отражение зеркальное: свет возвращается почти неизменным, и сенсор уходит в насыщение задолго до корректной экспозиции остальной части изображения. Исправляйте геометрию (коаксиальное освещение или поляризация), а не снижайте источник — это приведёт к недоэкспозиции всего остального.

Помогает ли поляризация на паяльной маске?

Она помогает там, где проблема — зеркальное отражение от гладкой диэлектрической поверхности. Пара скрещённых поляризаторов подавляет это отражение, но теряет большую часть света — опубликованные данные дают для одного поляризатора около 40 % пропускания, а для скрещённой пары менее 3 % в состоянии гашения, что требует примерно 2.5 ступени диафрагмы компенсации.

Как сохранить стабильность рецепта после ревизии платы?

Записывайте геометрию, длину волны, уровни каналов и экспозицию как часть рецепта и перепроверяйте на эталонной плате после любого изменения ламината, маски или пасты. Освещение, зависящее от химии маски, — самый частый источник скрытого дрейфа.

Что отправить на обзор освещения

Полезный обзор требует пяти вещей: фотографию платы в том виде, как она стоит в приспособлении, поле зрения и самый малый признак, подлежащий оценке, объектив и камеру в использовании (или планируемые), доступное расстояние над платой и один заведомо годный плюс один заведомо дефектный образец. С этим геометрия освещения и увеличение объектива могут быть сверены друг с другом, а не отстаиваться порознь — обычно именно там и обнаруживается настоящее ограничение.