CN1280691A - 电子组装的图象检验系统 - Google Patents

Abstract

一种用数字图象分析自动检验印刷电路板组装件(6)质量的装置。装置作为可在组装过程各步骤插入的检验台(56a),或分开的手动装入台,与现有较低精确度的自动表面贴装技术(SMT)制造系统结合。检验台包括高分辨率图象系统和包括机载主计算机(26a)的图象分析器,计算机(26a)产生控制信号,重新定位在可动托架(22a)上屏幕(45)内安装的摄像机和/或重新定位电路板,并调节灯光:并产生在显示器(40a、41a)上图象显示的,或另外由返修台利用的,要存档的各板的状态数据。

Description

电子组装的图象检验系统

本申请要求1996年10月9日注册的申请号为No．60／028，451的美国临时申请的优先权。

本发明涉及电子元器件的自动的组装和质量保证机构，特别涉及，评价组件是否按要求组装的装置。

电子元器件和组装件的不断小型化和降低成本的市场压力使这些装置的组装成为一种精密自动多步骤的过程。大多数装置成功地使用表面安装技术(“SMT”)成批安装，甚至于，在至少一块印刷电路板上以“组装线的方式”精确放置和焊接上百个组件。

印刷电路板在作业线上沿输送带通过进行组装各步骤的一系列台站连续运行。一般，空的板进入焊药供给系统，它将未固化的焊膏放在电路板上要焊接连接的部分处。然后板进入一个或多个元器件出射器台，它们把组件放置到板上。然后板经过固化焊膏的炉。冷却后，板便可测试和进行其它出厂步骤完成后包装运输。

在每个步骤有发生造成有缺陷的板的故障的可能性。一些可能的印刷电路板组装缺陷包括：在点线上的开焊和短路等的电路板毛病；布置毛病，其中遗漏组件，类型错误，方向不正确，没对准等；量和位置上焊接的毛病，会造成在固化时焊料收缩引起的连线焊接桥和组件的损坏形成；和其它毛病，如机械误操作引起的损坏。

在新组装印刷电路板上是否存在毛病的测试的在先程序和装置有各种缺点。

由人测试和检验是耗费大的，慢的，不准确程度高。由人测试者使用的装置一般重，体积大，不容易移动。为了准确定位故障位置，电子电路测试有慢和大量重复的缺点，常不能找出最普通的制造毛病。

为了尽量减小在已有毛病的板上的连续工作，制造者常在组装时在几个阶段进行测试。然而，自动测试装置的特定部分通常用于测试特定类型的板、特定缺陷、和／或仅在组装的特定点上。因此，需要几个不同测试装置。

目前的以自动的图象，或其它电磁辐射为基础的检测系统有相似缺点。X射线为基础的系统适合于扫描金属缺陷，如故障跟踪和表面下的缺陷。然而，高分辨率的X检验是昂贵的，费时间的，可能危及附近的操作人员。

在其它系统中，灯或发光二极管(LED)产生的光从被检验的表面反射到一台或多台摄像机。如Takahashi的美国专利5，59，559所述，一些需要使用在不同光状态下获得的两个图象。可使用其它各种数字和摸拟信号分析方法，确定图象可探测缺陷。例如，在相应于两个终端引线间的开裂的图象信号的单色强度对比测量上，做出分析。

这些系统分辨率较低，因此慢。如果要彻底检验，系统必须逐渐对连续扫描板的部分改变焦距。另外，在邻近的部分具有相似强度时单色强度比较容易不准确。3”x5”的常用板，如标准PCI SVGA图象适配器插件电路板的彻底检验约需1分20秒。

大多数在先系统需要用约0．001”数量级对电路板和摄像机极精确定位。必须使板和摄像机抗振。在先方案需要用石板或其它重材料制的大型平台，和精确的抗振的板操纵机构和摄像机支撑机构。大多数现有系统的重量大于450公斤。这些要求增加系统成本并降低系统的可移动性。

因此，希望具有一种经济的自动检测系统，它可快速测定最常制造缺陷的存在，自动确定某个具体的板是否可通过返修修复合适，并有效地将这些缺陷通报返修台；它在时间上保持跟踪缺陷，鉴别组装系统的问题；它可快速容易地移动到组装线中的不同点，或完全移动出组装线进行手动测试。

本发明是为减少成本，提高自动组装系统的生产率和效率而产生的。

本发明的目的是：改善在电子元器件组装的检验和测试中的缺陷检测；高效地直接修理；允许在时间上监察检验板的质量，提高自动组装机构的生产率；使检验装置在组装线上的各点，和离开组装线上手动测试是具有可移动性的。

上述这些目标及其它有价值的目标是通过安装在可移动低精确度SMT型分配台中的自动、高分辨率、数字图象检验系统实现的。系统鉴别检验的印刷电路板，并可见地定位在其上的可测定的缺陷。缺陷的类型和位置自动地与返修／修理台可利用的数据库中的板相关联，能够实现组装产品的历史和状态的统计监视。

图1是与表面贴装技术组装线结合的插装板检验系统的流程框图；

图2是本发明检验系统数据流程框图；

图3是具有板输送带的本发明检验台第一实施例示意透视图；

图4是具有人工装板抽屉的本发明检验台另一实施例示意透视图；

图5是抽屉上人工板定位机构透视图；

图6是板固定长方形墩透视图；

图7是沿线7-7取的在位电路板的剖视图；

图8是沿线8-8取的在位电路板的剖视图。

见图，在图1中示出，在一系列操作台中组装的印刷电路板的一般SMT组装线的动能框图。电路板从焊膏施加台51向一个或多个组件出射器台52、53和固化炉54移动。任选的先进先出(“FIFO”)缓冲台55用于连接偶尔完成工作的台，或板的不同分组中将台进行连接。在此实施例中，FIFO台55用作在进入检验台56前从固化炉54出来的板组的冷却台。

应理解，检验台56可设在组装过程的任何一个台间，或者是手动装载台中独一无二的。然而，优选的位置是在板完全插装后，防止对有缺陷板进行任何另外处理。

在最自动的实施例中，检验台56后面有板分流台57，它根据检验台提供的结果将有缺陷的板导向返修台58，完好的板引导到下一个SMT处理台59。返修台利用检验台提供的结果。任选地，返修台可利用附加的检验台60检验返修的板。修理的板也可以在点61处再进入SMT处理过程。

优选的检验台与表面贴装设备制造商协会(“SMEMA”)规定的台间通讯协议完全兼容，使得能向邻近台进行板运输状态的简单通讯。

参见图2，优选的板检验系统排列成几个功能单元和子系统。主子系统71操纵，在观察子系统72引导下的自动控制。在自动“在线”操作时，主子系统分别通过信号线77和78，向输送带控制器／接口73发出指令，起动包括输送带5的板操纵机构，并向托架控制器／接口75发出指令，移动托架安装的摄像机20。分开的数据线79向摄像机20传送变焦指令。主子系统也进行其它工作，如向和从观察子系统72、数据记录和存储装置和向用户接口显示器40数据的存入和流动。另一数据线91进行与返修台58和它的控制显示器的返修数据传递。数据线最好符合RS-232或其它周知的数字数据传递标准。

在本发明的这个优选实施例中，摄像机20向观察子系统输出包括编码的现在图象的数字脉冲序列信号93。另外，摄像机20也可以发出由数字器转换成数字信号的图象信号，数字器与观察子系统72是一体的或观察子系统72外围的。

观察子系统72包括微处理器控制的数字信号分析器。它的主要功能是分析经由数据线93从摄像机20接受的图象数据，测定板的缺陷。这个功能的部分是向主子系统发信号，产生接受和除去板、驱动托架定位摄像机20的控制指令，和发出摄像机变焦指令。通过用户数据输入和存储装置82直接地或经由主子系统71发生观察子系统的配置。观察子系统72也将从摄像机20接受的现时图象引向图象显示器41。观察子系统72也调节在检验腔中的照明95。

必须根据检验的缺陷的大小、密度和外貌选择摄像机的分辨率和变焦能力。最好用具有至少2000×2000象素分辨率的全色摄像机，通过光强度和波长辨别特征，使得能够在颜色编码组件上辨别标记。然而，在单色中可识别的缺陷并在要求极快检验时，也可用数字黑白摄像机。虽然也可以用摸拟信号摄像机，但为了速度和准确最好用数字摄像机。

缺陷的发现是利用领域内公知的数字图象分析技术，例如对照所需的，或者以其它可接受的某些特征的数值表测试扫描的图象，这里所说特征有端线的间隔等。最好是，测定包括以数字度量为基础的图象分析。然后向正在检验板的数据库的记录加上缺陷类型和位置。也做出有关测定的缺陷是否严重得需要对板进行返修的决定。

最好型式的观察子系统使用由加利福尼亚州圣迭亚戈市(SanDiego)的Omegatek公司开发的，牌号为OMEGATEK 2000的数字图象分析模型，它包括全色数字摄像机，象机的分辨率为2000×2000或四百万象素的并具有固定或自动变焦透镜。这种特别类型的图象分析模型是以20MHz PENTUM牌的微处理器为基础，并利用专用的数字图象处理技术。

用至少四百万象素的分辩率的摄像机，足以分辨小到12．5微米(0．5密耳)的结构特征。用OMEGATEK 2000，一般插装的3×5英寸的板，如标准PCI SVGA图象适配器插件彻底检验需20-30秒。向两个系统之一或两个系统加更多更快的处理器可进一步增加检验速度。

虽然相似的系统允许0．001英寸的摄像机托架不精确度，但本发明可允许0．02英寸的不精确度。另外，托架不必象相似系统那样精确和快速，所以可用较不昂贵的机构。而且，不必购置稳定支架。

观察子系统的高分辨率的结果，使得用单一扫描摄像机帧的单一图象可以进行一般检验。然而，如果需要更小的细节，摄像机可以“拉近”，可用多图象进行检验。在摄像机和板间的距离一般是5-10英寸，仅受外壳大小的限制，平均距离7．2英寸。虽然组件的通常高度是0．5-0．75英寸，但高度达2英寸的不寻常高度的组件也可以容纳，不必改变观察子系统的结构。

允许很低的精度移动和安排直接导致重量轻不昂贵的系统。由于较大可移动性，台易于移动到组装线中的不同位置中，并作为手动检验或返修台移动脱离组装线，或非现埸检验。

见图3，在此示出电子组装图象检验台56的自动的实施方式。自动的台的结构布置取决于它与标准SMT自动组装过程的兼容性。台包括外罩2，它具有带底面4的内检验腔3，在底面4上横向设置板的操纵和运送机构，它包括运送要检验的电路板6的输送带5。

输送带5通过侧壁8的孔7接受板6。检验后，板7继续沿输送带5向在相对璧9中的孔9移动被推出。通过一对入口门11和12可进入检验腔进行维修。在手动操作时，可以通过这些门，或者如下所述通过精确对准抽屉，装入要检验的单块的板。

图象摄像机20安装到可动的机动托架21，它经由轨道22安装在腔3的顶上。托架可使摄像机在基本平行被检验的板6的平面的平面中，以控制的宽度23和深度24移动。这使台能够检验不同大小和复杂性的板。

最好托架经由伺服马达移动，如一对步进马达，马达由托架控制器产生的脉冲信号供电，产生每个马达的递增的旋转。每个马达沿一对垂直的精确直线滑道依次驱动托架。第一滑道安装到外壳上，第二滑道安装到托架的部分上。

在检验腔3下是柜25，装有主子系统26和电子仓27，内装观察子系统的组件和，向台的组件，如输送带和台控制器，传递信号的需要的各种控制器和接口。手动控制，如电源开关30、输送带过载控制器31、输送带气动压力控制器32、托架过载控制器33和紧急仃机开关34，以及各种状态指示器从柜的前板伸出。可调高度的腿35和36使台罩2可垂直定位定向。虽然腿的端可以带脚垫35a和36a，但最好如图4的手动检验台实施例所示带锁定轮35b和36b。

在台罩2的顶上是一对显示器40和41，提供对分析和控制系统用户接口屏幕和摄像机录的图象。也提供整个的台状态的指示灯树42。

检验台56最好用现有的SMT分配台改装，如用加利福尼亚州Carlsbad的Asymtek公司供货的型号为A-618C的输送带式的自动分配系统改装。用这种精度较低的系统，整个检验台的重量在250公斤以下。这个分配器提供在集成组件中的上述主要组件。在本文参引的Asymtek出的A-612／618C系统操作手册中详述了这个分配器。

一般来说，A-618C提供外罩和板操纵机构，包括气动输送带和它的控制器和接口、托架和它的控制器和接口、和必需的SMEMA控制器和连接。分配器可通过替换它的流体喷射装置改变。不需替换现有的低精度托架21，因为高分辨率观察子系统能够容许使用它。托架21的高度可调节，使在摄像机20和板6间达到正确的聚焦距离。分配器的主计算机承担检验台主子系统的任务。作为用产接口40和监视摄像机41，最好用高分辩图象阵列(“SVGA”)型显示器代替标准显示器。

A-618C保证托架在容纳约46×46cm(18×18英寸)板的范围上的位移。

即使在最自动系统中，常需要人介入维持组合的机械组件的正确对准，并监视台的进程。因此，操作人员能在图象显示器41上观察图象，使用接口显示器40和数据记录装置82对捡验状态提出疑问。如果需要，检验台的手动可通过操纵手动控制30-34实现。

板的检验是多步骤的过程。首先，根据要捡验板的类型构成观察子系统。涉及板上要检验的每个组件的类型、位置和方向的参数经由用户数据录入装入到观察子系统。最好是，信息经由CAD(计算计辅助设计)文件或其它公知的版本得到。以前的配置结构存储在主子系统上以使以后通过对相同类型板的扫描可以快速检索。

虽然一般对单一类型板构成SMT处理的一定运行方式，但应理解，检验系统不需仅为在任何一定运行方式上的一类板构成。只要系统能辨别每个被检验的板，大量不同类的板可连续检验。在会有很多连续不同类型板要检验的任选返修检验台60中，这是特别有用的。事实上，返修台可为多个SMT作业线工作。

一旦为特定类型的板构成系统，便可开始检验过程。电路板6在输送带5上的所谓“零位置”面朝上定位。输送带5将板6移动到摄像机下的开始位置。因为观察系统能计算离板的可见特征的它的位置，不需要输送带和托架的极精确移动。板6保持在输送带5上可进行检验，不需要任何锁定摇架和将板放置在架上或从架上取下的板操纵机构，进一步降低成本和重量，提高可移动性和检验速度。但也可以用板锁定架。

观察子系统首先通过读在板表面上条码或其它可见板的鉴别标记辨别板。观察子系统能辨别和查出条码并确定板的类型。因此，不需要分开的条码读出装置。记录观察子系统产生的板的信息的主子系统26，检索与板相关的记录，并且在用户不介入下主子系统26自动进行系统的重构。如果记录不存在，主子系统要求用户输入上述说明。

观察系统进行板的扫描，获得分析的图象。这个扫描可以首光用较粗分辨率管理，跟着进行一个或多个更细的随后扫描，求解在粗扫描时发现的有问题的区域的状态。最好只采用摄像机的一帧图象，以增加吞吐量。

在检验后完成，板被推到下一个SMT台或返修台。在必需返修时，返修系统自动可得到返修的所有有关的信息。在返修台，用户经由条码读出器或其它输入装置，输入或扫描板的标识。然后从数据库检索关于那个特定板的数据，并在返修显示器上图象显示。图象显示最好包括返修板类型的库存图象。使用用库存图象减少要送到返修台的数据量。在返修操作人员指令下，在图象上覆盖与地图上红点线相似的图象图标，表示那个板的缸陷位置和类型。CAD覆盖上，已进入数据库的任何其它相关信息也可覆盖，或另外显示。另外，返修台也可得到缺陷的简单的文字的打印输出。

见图4，在按“批处理”作为手动检验台工作时，可以用抽屉43手动插检验板。抽屉43位于台56a前，向用户滑动出。在此实施例中，台56a不是SMEMA线的部分，因此，不需要灯树42。另外，摄像机和灯都安装在盒形屏45后的托架22a上。显示器40a、41a、主计算或26a和各开关及指示灯重新定位。键盘安装在第二抽屉内。

见图5-8，抽屉43包括平面48，它带有在水平和垂直方向以一定间隔钻的多个模孔47。上面放板的面与摄像机运行平面平行。带有它的数据线50的开关47设在带孔面上，探测板6的存在。

将板固定在位的两类夹具能固定到带孔面48上。第一类是简单长墩80和81，手拧紧的螺丝83穿过所述墩接合带孔面。一般来说，对于矩形电路板，这些墩相互成直角与板的相邻边接合。

第二类夹具84和85是可调的托架，它们接合板的其它侧。每个托架由穿过长方槽87的一对手拧螺丝86固定到带孔面。在螺丝部分地上紧时，托架可沿带孔表面直线前后滑动。

见图6，每个长方墩80是由铝等的高强度的刚性材料制。每个墩的顶具有水平的平的上面100，它由顶内边101向外伸到沿墩的顶的中部纵向伸的垂直的平面壁102。壁的高度103与电路板6的厚度大致成比例，以便充份固定板。进一步向外设有，旋转地安装到墩的顶部的一个或多个夹紧手柄104和105。每个可调托架84和85具有相似板的固定上面和一个夹紧手柄。

每个手柄一般是圆柱形，带有旋转轴107一定径向距离上的垂直的平面的截面106，此距离不大于轴离开壁102的距离。如图7所示，这使在截面对准壁时，板分离。如图8所示，在不对准时，手柄的底面部分108在落座的板6的顶面上并与它接触。

可使用保持手柄位置的装置，如通过弹篑109向下偏压手柄。也可用其它公知的装置。

虽然本发明是用于表面贴装组件的印刷电路板等的电子组装件的检验，应理解，本发明也应用于通过图象检验可测定缺陷的其它制造件。

虽然在优选实施例中说明的摄像机可在平面中移动，应理解，包括垂直运动的更复杂运动、倾钭、摇动、滚动等也可加入到系统中，这取决于检验物件的类型。

Claims (20)

1．一种用图象检验电子元器件组装件的方法，包括：

在摄像机视场内定位每个所述组装件；

通过所述摄像机获得每个所述组装件的表面图象；

分析图象获得观察的缺陷的记录；

保持所述组装件上潜在缺陷的图象数据库；

将每个观察到的缺陷与所述数据库的一个或多个所述潜在缺陷相关联；

产生指示所述观察的缺陷的图象显示。

2．根椐权利要求1所述的方法，其特征为所述摄像机是至少四百万象素分辨率的彩色数字摄像机。

3．根椐权利要求2所述的方法，其特征为所述分析步骤包括：

相对可接受值的第二记录比较所述图象；

辨别所述值范围之外的所述图象区域。

4．根椐权利要求3所述的方法，其特征为所述保持步骤包括：

向所述数据库输入包括组件类型、位置和方向的组装件布局。

5．根椐权利要求4所述的方法，其特征为所述输入步骤包括对说明至少一个所述组装件的计算机辅助设计进行诠释。

6．根椐权利要求5所述的方法，其特征为还包括：

通过由所述摄像机读出所述板面上的图象标志，辨别每个所述组装件；

在多个组装件类型之一范围内，对每个所述组装件分类。

7．根椐权利要求6所述的方法，其特征为所述定位的步骤包括：

沿输送带运送每个所述组装件；

在所述摄像机视场内固定每个所述组装件，其中所述固定具有大于0．02英寸的允许误差。

8．根椐权利要求1所述的方法，其特征为所述获得步骤包括：

扫描所述组装件的第一粗分辨率图象；

辨别所述组装件的潜在缺陷区域；

扫描所述区域的第一细分辨率图象。

9．根椐权利要求1所述的方法，其特征为还包括分类所述列出的缺陷。

10．根椐权利要求1所述的方法，其特征为所述产生的步骤包括：显示代表所述组装件的模框；

根据在每个所述组装件上每个缺陷的位置，在所述模框上的一位置上显示每个所述缺陷的图象图标。

11．根椐权利要求10所述的方法，其特征为图象图标包括缺陷类型的指示。

12．根椐权利要求1所述的方法，其特征为所述摄像机安装在轮支撑的外壳内。

13．根椐权利要求1所述的方法，其特征为获得步骤包括将所述摄像机定位在所述板上至少12．7cm的距离。

14．一种电子组装件检验台包括：

一外罩，包括检验仓；

彩色数字摄像机，具有至少四百万象素的分辨率，安装在检验仓内可动托架上；

在所述检验仓内，运送电子组装件的装置；

在所述检验仓内，固定所述组装件的装置；

分析所述摄像机获得的所述板的图象，列出在所述板上缺陷的装置。

15．根椐权利要求14所述的台，其特征为所述固定装置包括运送所述组装件的输送带。

16．根椐权利要求14所述的台，其特征为所述固定装置包括滑动抽屉。

17．根椐权利要求14所述的台，其特征为所述图象包括所述组装件的整个表面，由所述摄像机单帧扫描获得。

18．根椐权利要求14所述的台，其特征为还包括在返修台可利用的数据库记录中，将所述缺陷表列与所述组装件相关联的装置。

19．一种图象检验电子元器件组装件的自动系统，包括：

在彩色可见光数字摄像机下，定位至少一个所述组装件的装置，所述摄像机具有至少四百万象素分辨率；

测定在所述组装件的表面上可见缺陷的装置；

图象装置，在返修台上显示所述缺陷。

20．根据权利要件19所述台，其特征为定位装置具有大于0．01英寸的公差。

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