背景技术
电子制造商使用自动光检(AOI)技术验证印刷电路板组装步骤是否正确。印刷电路板的制造多采用贴焊工艺(SMT),藉以实现较高的元件密度和较高的管脚密度。当代的贴焊工艺可按12密尔的线距(中心距)来印制数百条印刷线;而仅在十年前,贴焊工艺的元件线距还鲜有小于30密尔的。随着线距的骤减,检测元件位置所用的AOI系统必须日益提高其精度。
在典型的贴焊制造过程中,用一种特制的印刷机(譬如型板或丝网印刷机)把焊剂涂在裸板(即未焊元件的印刷电路板)的焊盘上。“焊盘”是在印刷电路板的单面或双面上焊接元件的位置,贴焊元件的管脚即被焊接于此。各贴焊元件皆对应于一组焊盘,该组焊盘的几何排列与元件管脚的排列相匹配。一个典型的贴焊印刷电路板常含有数以千计的焊盘。用一种称做“拾装机”的特制机器把元件置于印刷电路板上,使各元件的管脚与相应焊盘上的焊剂相接触;再用一种“回流炉”来加热印刷电路板,使焊剂被回流加热;回流加热后的焊剂即把贴焊元件焊接在印刷电路板上,从而在元件和印刷电路板之间形成了牢固的机电连接。
图1概念性地示出了一个典型的AOI系统100,把印刷电路板110固定在检测台112上,用起落架116把摄像机114悬于检测台112上空,起落架116带动摄像机114沿X轴和Y轴做步进运动;处理器118经控制线120控制起落架116的运动,并经数据线122传来由摄像机拍到的图像;AOI系统100以原点126为基准来检测印刷电路板的位置特征,原点126通常设在印刷电路板的某个顶点。
当操作AOI系统100时,起落架116在印刷电路板110上空移动摄像机114,摄像机114拍摄印刷电路板110并获得其图像,再由处理器118计算拍到的图像。
现有技术就是使用类似图1所示的AOI系统来测量电气元件的位置误差的。根据现有技术,AOI系统100拍摄印刷电路板110并获得图像以寻找某个特定的器件,该器件称做“受检器件”或“DUI”。AOI系统把拍摄下来的元件形状与存储在系统数据库里的元件形状进行比对,从而在拍摄下来的图像里搜索此DUI。
一旦找到了该DUI,则使用现有技术的AOI系统计算DUI的“重心”,该重心被定义为DUI相对于印刷电路板110的原点126的位置和方向,该重心既包括DUI的X,Y位置,亦包括它与X轴所成的角度“θ”;例如,印刷电路板110上的贴焊元件124的重心可能是X=5.515英寸,Y=1.005英寸和θ=2°,用坐标(5.515,1.005,2)来表示。接下来,AOI系统把测得的DUI重心与存储在系统数据库里的重心期望值进行比对,从而确定重心误差;例如,若元件124的重心期望值是(5.520,1.000,0),则产生的误差ΔX,ΔY,Δθ就是(-0.005,+0.005,+2)。最后,AOI系统把各元件的重心误差与各ΔX,ΔY,Δθ的允许误差进行比对,若某个元件的重心误差超出了其允许误差,则AOI系统报告“位置错误”,否则该系统报告“位置无误”。
现有技术存在诸多缺陷。首先,由于重心是相对于印刷电路板110的原点126来测量的,故现有技术认为印刷电路板具有稳定的尺度。不过众所周知,印刷电路板会随温度、压力和化学反应而变形,而在制造过程中,印刷电路板恰恰受制于上述各因素,且其线性尺度的改变可达±2%。印刷电路板线性尺度的任何改变皆会把误差带入元件的重心期望值,因而亦把误差带入ΔX,ΔY,Δθ的计算结果。
印刷电路板的变形意味着:或许某个元件相对于其重心期望值的位置无误,但相对于其正确位置(即其焊盘)却是误置。在此情形下,尽管元件是误置,但现有技术仍会报告“位置无误”;相反,由于现有技术仰仗于会出错的“重心期望值”,故在元件位置精确无误时,该技术却可能报告“位置错误”。
现有技术的另一缺陷是忽略了位置误差ΔX,ΔY,Δθ之间的相互关系。我们已注意到:某个元件的角误差Δθ的最大允许值取决于元件的位置误差ΔX,ΔY的范围;此外,位置误差ΔX,ΔY的最大允许值亦取决于角误差Δθ的范围。例如,置于X,Y允许范围边缘的元件宁可让其部份管脚偏离相应焊盘,也不允许出现丝毫角误差;相形之下,置于X,Y允许范围中心的元件则允许稍大的角误差。
现有技术还认为所有焊盘皆平行于印刷电路板的X轴或Y轴,并据此直接使用ΔX,ΔY误差。不过,焊盘的方向亦可为非象限角,而此时的ΔX和ΔY不代表放置元件的正确公差。例如,我们已注意到:若元件的焊盘被旋转了θ角,则其公差ΔX`和ΔY`分别等于ΔX和ΔY在X轴和Y轴上的投影,并被旋转了θ角。由于它们的投影等于ΔX和ΔY乘以因子cosθ,故现有技术大幅度高估了以非象限角旋转的元件的公差。
附图说明
参考以下更详细的说明和附图,可对本发明有更透彻的了解。在附图里:
图1是现有技术所使用的自动光检系统的理想等轴视图;
图2A是一个典型的贴焊元件的俯视放大图,示出了元件主体、其管脚和沿元件管脚画出的包围管脚的矩形;
图2B是印刷电路板的俯视放大图,示出了焊接图2A所示贴焊元件的焊盘,并示出了包围焊盘的矩形和建立在其周围的包围误差的矩形;
图2C是图2A所示的贴焊元件的俯视放大图,该元件已被精确地焊在图2B所示的印刷电路板焊盘上了;
图3A是图2C所示的贴焊元件单个管脚的俯视放大图,该管脚已被焊在相应的焊盘上了,且该管脚恰好位于焊盘中心;
图3B类似于图3A,是所示的管脚在焊盘上有纵向位置误差;
图3C类似于图3A,是所示的管脚在焊盘上有横向位置误差;
图4A是包围管脚的矩形和包围误差的矩形的俯视图,代表元件已被精确放置了;
图4B类似于图4A,只是元件相对于其焊盘出现了明显的但尚可允许的转角误差;
图4C类似于图4A,只是元件相对其焊盘出现了不可允许的转角误差;
图5类似于图2B,亦是印刷电路板的俯视放大图,但示出了元件焊盘周围的汇报矩形;和
图6是流程图,示出了根据本发明来测量元件位置的步骤。
具体实施方式
图2A是图1里的贴焊元件124的放大图。贴焊元件124包括主体210和一组从主体伸出的管脚212,在贴焊元件的管脚212附近还有一个管脚标记218,AOI系统可用该标记来判断元件是否相对于其正确方向有所旋转。若没有管脚标记或该标记不可见,还可使用元件上别的可见特征。
图2A还在贴焊元件124的管脚周围绘出了矩形220,该矩形称做“包围管脚的矩形”,根据本发明,它是由拍摄下来的图像所建立的,以协助精确放置贴焊元件;它不是元件的物理特征。下文将参考图6来讨论“包围管脚的矩形”的作用。
图2B示出印刷电路板110上贴焊元件124的焊盘的放大图,各焊盘230的位置皆与贴焊元件124的对应管脚212相匹配。图2B还示出了“包围焊盘”的矩形232和“包围误差”的矩形234;同样,这些矩形亦不是物理特征,而是根据本发明所建立的。下文亦将参考图6来讨论它们的作用。
图2C示出贴焊元件124,它被直接置于印刷电路板110的焊盘230上。从图2C里可以看出,贴焊元件124可以从图示位置稍微平移或旋转一点,而不致影响元件与焊盘之间的连接。
图3A~3C示出了元件124的管脚212相对于其所连接的焊盘230的各种对齐状态。图3A的管脚212包括接触区212a和延伸区212b,在图3A里,接触区212a精确地位于焊盘230的中心;而在图3B里,管脚212向上平移了,且接触区212a偏出了焊盘边缘;类似地,图3C里的管脚212向一侧平移了。
美国全国标准化所(ANSI)规定了印刷电路板上贴焊元件的位置标准,该标准明确了元件管脚相对于其相应焊盘的允许位置误差(见ANSI/PC-A-610)。例如,ANSI标准把图3B所示的“顶端出界”(即管脚偏出了焊盘顶端)定义为管脚接触区长边的百分数。类似的,ANSI标准把图3C所示的“侧边出界”定义为管脚宽边的百分数。本发明因强调元件管脚相对于其焊盘的相对位置,故直接引征ANSI规格。
图6是一个检测过程的流程图,可根据本发明来判断元件是否被正确地放置在印刷电路板上了。在步骤610处,AOI系统(例如图1的AOI系统100)拍摄裸板样本以确定印刷电路板的实际焊盘尺寸和形状,并把拍摄下来的图像存储在内存里。作为替代,亦可略去该步,而从印刷电路板的CAD文件(譬如GERBERTM制板文件)里直接读取焊盘尺寸和形状的信息。不过我们已注意到:裸板的制造者和生成CAD文件的设计者所使用的元件型号不尽相同,因此,印刷电路板上的实际焊盘尺寸和形状有可能不同于存储在CAD文件里的焊盘尺寸和形状,故优选地,应通过拍摄印刷电路板图像来确定焊盘的实际尺寸和形状。一旦AOI系统100确定了印刷电路板样本的实际焊盘尺寸和形状并存储了该结果,日后再检测同类印刷电路板时就毋需重复这一步了。
在步骤612处,AOI系统开始检测焊有元件的印刷电路板,譬如图1里的印刷电路板110。接受检测的印刷电路板通常被称做“受检板”或“BUI”,该板可以是在步骤610处被拍摄下来的印刷电路板,只是焊上了元件;或可以是同类的另一块焊上元件的印刷电路板。开始检测时,AOI系统100选择要检测的元件,即DUI;然后,AOI系统在DUI所在期望区内拍摄BUI图像,并把拍摄下来的图像存储在内存里。拍摄下来的图像可包括由摄像机(譬如图1里的摄像机114)拍到的一帧或数帧图像。
在步骤614处,AOI系统对在步骤612处拍到的BUI的存储图像进行处理,从而为所选DUI在BUI上定位焊盘230。尽管焊在BUI上的元件部份遮掩了焊盘,但仍可显示焊盘的一部份并使得AOI系统可以识别这些焊盘。在为DUI定位焊盘230时,AOI系统可使用BUI的数目不限的其它可见特征,并可参考裸板样本的先前存储的拍摄下来的图像。
AOI系统一旦为DUI定位了焊盘,AOI系统即在步骤616处对存储的BUI图像进行操作,以建立起与焊盘同中心点的假想矩形,该矩形被称做“汇报矩形”,通常离DUI的焊盘230有一段距离。图5示出了建立在DUI的焊盘230周围的汇报矩形510。汇报矩形510旨在定义BUI上的一个区域,在该区域内AOI系统可搜索DUI。在现有技术里,相对于DUI的重心期望位置来搜索DUI;相形之下,汇报矩形510则相对于DUI的实际焊盘位置建立了一个搜索区。由于印刷电路板110的线性变形导致DUI的重心偏离其实际焊盘位置,故根据本发明的方法较现有技术更为精确。根据本发明的方法还可缩小BUI的搜索区,因而减少了所需的处理时间。优选地,由操作员调整汇报矩形510的尺度。
接下来,AOI系统100在汇报矩形内搜索DUI。在判断点618处,若在汇报矩形内找到了DUI则继续检测;反之则出现重大位置错误,AOI系统在步骤620处报告误置的DUI并不再搜索DUI了。我们已注意到:关于误置元件的信息有助于诊断并弥补制造过程中的问题。因此优选地,若切实可行,则步骤620包括把关于误置元件的信息反馈给先前的制造步骤,例如,把信息反馈给拾装机。
若AOI系统在汇报矩形510内找到了DUI,则AOI系统继续判断DUI是否被置于正确的焊盘上。在步骤622处,AOI系统建立起一个假想的包围焊盘的矩形,譬如图2B里包围焊盘的矩形232。包围焊盘的矩形232直接外切于DUI的焊盘230。若有需要,则AOI系统可得到焊盘的放大图像,以协助精确地建立起包围焊盘的矩形232。
在步骤624处,AOI系统在包围焊盘的矩形232周围建立起一个包围误差的矩形,譬如图2C里的包围误差的矩形234。根据ANSI规格或用户的定义,在BUI的焊盘上放置DUI时,受制于顶端出界和侧边出界的公差(见图3A~3C),这些公差可分别作为在焊盘上放置管脚的可允许长边误差和可允许宽边误差。AOI系统建立起包围误差的矩形234,其尺度等于包围焊盘的矩形232的尺度与上述误差之和;具体地说,AOI系统建立起一个包围误差的矩形234,其长边等于包围焊盘的矩形232的长边加上纵向误差;而上述矩形234的宽边等于包围焊盘的矩形232的宽边加上横向误差。注意,上述计算不考虑焊盘与印刷电路板X轴或Y轴所成的角。
优选地,AOI系统根据对DUI的管脚和焊盘的实际拍摄图像来确定纵向和横向误差。AOI系统单独检查DUI的各管脚,以确定它们的精确尺寸和形状;AOI系统还单独检查各焊盘,该焊盘的储存图像来自于在步骤610处拍摄下来的样本裸板。本发明基于各管脚和焊盘的实际尺寸和形状,计算纵向和横向误差,从而产生了精确的检查印刷电路板上受检测对象的位置公差。
在步骤626处,AOI系统建立起一个假想的包围管脚的矩形,譬如图2A里的包围管脚的矩形220。基于在步骤618处找到的DUI的存储图像,包围管脚的矩形220直接接触并切于DUI的管脚外缘。若有需要,则AOI系统可得到DUI管脚的放大图像,以协助精确地建立起包围管脚的矩形220。
借助于所建立的包围管脚的矩形220和包围误差的矩形234,AOI系统即可判断DUI是否被正确地放置在BUI上了。在判断点628处,AOI系统对所建立的包围管脚和包围误差的矩形进行分析,判断包围管脚的矩形220是否有任何部份偏出了包围误差的矩形234的界外。根据本发明,若包围管脚的矩形有任何部份偏出了包围误差的矩形以外,则DUI被误置,AOI系统在步骤630处报告“位置错误”;反之,若包围管脚的矩形220完全处于包围误差的矩形的界内,则AOI系统在步骤632处报告“位置无误”。
图4A~4C示出了元件的三种不同放置的实例,藉以说明上述方法的操作过程。图4A示出了被精确放置的DUI及其包围管脚的矩形220和包围误差的矩形234,图中为清楚起见,夸大了两个矩形之间的尺寸差异。由于包围管脚的矩形220完全处于包围误差的矩形234的界内,因此,根据本发明的方法把图4A的情形报告为“DUI位置无误”。
根据本发明的方法亦把图4B的情形报告为“位置无误”;尽管包围管脚的矩形220相对于包围误差的矩形234被转歪了,表示DUI的放置尚有误差,但总的位置误差并未偏出由包围误差的矩形234所代表的公差以外。
然而,图4C的情形却表示位置错误。如图4C所示,包围管脚的矩形220的左上角偏出了由包围误差的矩形234所定义的允许误差的范围以外。
图6所示的功能可用处理器(譬如电脑)来自动执行,由运行于该电脑上的程序来执行这些功能。可为图6里的各功能单独提供不同的程序块,但却不一定非要为各功能提供不同的模块不可;作为替代,可把图6所示的功能合并在一个或多个软件模块或程序里,软件开发者可酌情任选两种方式之一。还有一种替代方法是:由操作员来协助执行图6所示的功能;或是完全由操作员来执行,毋需电脑的协助。
根据本发明的方法考虑到了DUI的位置误差和转角误差之间的相互关系。包围管脚的矩形220越是靠近包围误差的矩形234的边缘,可允许的转角误差就越小,哪怕是包围管脚的矩形与包围误差的矩形相交了;类似地,包围管脚的矩形相对于包围误差的矩形转得越歪,可允许的位置误差就越小,那怕是这两个矩形相交了。由于包围管脚的矩形和包围误差的矩形分别代表了元件及焊盘的真实位置,故本发明能正确处理放置DUI时位置误差和转角误差之间的相互关系。
固然,使用包围管脚和包围误差的矩形来处理位置误差和转角误差之间的相互关系时,凭的是估算,但这种处理却颇有效。由数学计算得知,转角误差Δθ按COSΔθ因子而略微缩小了管脚与焊盘之间的明显间隙。这种缩小效应与焊盘的明显间隙相比并不显著,不过,由于较小的Δθ所产生的缩小效应较小,而较大的Δθ却可导致两个矩形的相交,由此形成位置错误。
使用矩形可把元件的管脚和焊盘包围在一起,从而提供了一种有效的工具,用来逐个诊断各管脚和焊盘之间的关系。由于一个元件的管脚形状、管脚间距和管脚长度处处相同,故包围管脚的矩形通过确定全部管脚的总体位置即可有效地得出各个管脚的位置,而绘出外切于该元件全部管脚的矩形远比逐个检查各管脚要有效得多。由于元件的管脚间距处处相同,导致印刷电路板上相应焊盘的间距也处处相同。因此,使用一个外切于该元件全部焊盘的矩形即可有效的得出各个焊盘的位置。即使印刷电路板发生了线性变形,这一点也依然成立,因为包围焊盘的矩形所承受的整体变形与各处的焊盘所单独承受的变形一致。
以上说明了一个实施例,还可采取别的替代实施例或改动。例如,在本发明的上述实施例里,为各元件皆定义了一个包围管脚的矩形、一个包围焊盘的矩形和一个包围误差的矩形。这里只举出了一种实施本发明的方法,还可通过多组矩形来更精确地检测某些元件,例如,可以用单独两组矩形来检测四边皆有管脚伸出的元件,一组用来检测垂直方向上的管脚,另一组用来检测水平方向上的管脚。由于有了两组矩形,故各组管脚皆有了自己的纵向和横向误差。若只有一组矩形,则只能使用一组纵向和横向误差,导致一条坐标轴方向上管脚的纵向误差又充当与之垂直的坐标轴方向上管脚的横向误差;而单独提供两组矩形则能提高对这种元件的检测精度。
对于管脚尺寸或管脚形状不规则、或管脚方向非正交的元件,亦可使用多组矩形。在任何一种情形下,具有相同尺寸、形状或方向的管脚皆可归入一组。只有当元件的全部矩形皆通过了上述的测试,AOI系统才会报告“位置无误”;各组包围管脚的矩形皆不得有任何部份偏出该组包围误差的矩形。
如上所述,包围管脚的矩形和包围焊盘的矩形分别外切于DUI的管脚和焊盘的外缘。作为替代,亦可建立起一组矩形,使之外切于管脚和焊盘的内缘,并建立起一个包围误差的矩形,其长边与宽边分别等于从包围焊盘的矩形的长边与宽边里减去纵向误差与横向误差。于是,若包围管脚的矩形完全套在包围误差的矩形以外,则报告“位置无误”。
上述优选实施例仅涉及检测印刷电路板上电气元件的位置,这不过是本发明的一种应用实例。上述工艺可通用于各种“受检对象”的检测,“受检对象”包括电气元件(贴焊元件或贯孔)、焊剂、粘合剂、以及在制造过程中任何置于印刷电路板上的可见对象或物质。因此,根据本发明,像上文定义包围管脚的矩形那样,也可依同样方式定义一个“包围对象”的矩形,该矩形绘出了元件、焊剂、粘合剂以及其它对象或物质的外缘。必须理解:“包围对象的矩形”一词包括一个矩形,该矩形外切于任一可见对象,而“包围管脚”的矩形220只是包围对象的矩形的一个特例。同上,包围误差的矩形可环绕包围焊盘的矩形而定义,包围误差的矩形取决于所放对象具体的纵向和横向误差。若包围对象的矩形有任何部分偏出了包围误差的矩形以外,则该工艺报告该对象“位置错误”;反之,则报告对象“位置无误”。
图6根据本发明以特定次序示出了流程,不过,在本发明的范围内亦可调整图6所示的次序,例如,包围管脚的矩形既可早于、亦可晚于包围焊盘的矩形而建立;类似的,包围管脚的矩形既可早于,亦可晚于包围误差的矩形而建立。
可见,必须理解:本领域的普通技术人员可对此处公开的本发明的特定实施例进行各种修改,而不会背离本发明的精神。因此本发明仅能以所附的权利要求的精神和范围来进行限定。