La scienza e la tecnica di base dell'ispezione ottica (AOI) per schede elettroniche assemblate non sono cambiate in modo significativo negli ultimi tempi. In realtà, sebbene ci siano stati diversi cambiamenti nelle dotazioni e nelle caratteristiche delle attrezzature di molti dei produttori di macchine AOI - a livello di megapixel di definizione, di velocità e di sistemi di processo dell'immagine - le operazioni di base di tutti i sistemi sono fondamentalmente le stesse presenti nei sistemi di ispezione bidimensionale, che rimane ancora oggi la base per l'analisi del sistema e per la determinazione dei difetti. Topografia e complessità dei circuiti stampati assemblati sono cambiate, così come i materiali di produzione. Le schede sono oggi più densamente popolate e dotate di maggiore compattezza; i componenti si sono ridotti nelle loro dimensioni; con l'avvento della saldatura lead-free, i giunti di saldatura hanno ora un aspetto ben diverso rispetto a quelli ottenuti con paste saldanti a base di piombo comuni fino a circa un decennio fa e sono soggetti a maggiori problemi e difetti causati dalla differente bagnatura, per l'aspetto superficiale e per le caratteristiche individuali della lega saldante. Gli standard di accettabilità, compreso l'IPC 610, sono perciò anch'essi cambiati.
Questi e altri problemi hanno creato difficoltà all'ispezione ottica per il fatto che il numero degli errori non scoperti o le non identificazioni dei difetti siano sensibilmente aumentati. Ciò ha portato a una serie di problemi a valle dell'AOI, che hanno inciso in modo negativo sull'affidabilità del prodotto. In risposta a ciò, gli ingegneri hanno spinto in modo sempre più deciso i macchinari verso una sempre maggiore sensibilità di localizzazione dei difetti al fine di prevenire i rilevamenti mancati di errori; tutto ciò ha comunque portato a un aumento di falsi allarmi che sono anch'essi un problema e che costituiscono un vero e proprio collo di bottiglia in fase produttiva, creando dei rallentamenti sensibili al ciclo di produzione. Pertanto, i falsi allarmi si sono mostrati un problema altrettanto serio quanto quello dei rilevamenti mancati di errori. L'origine del problema sta nella debolezza intrinseca del sistema a due dimensioni. Senza sufficienti dati visivi, la macchina non può inoltrare le chiamate in modo corretto e inizia a fare errori perché ad essa viene richiesto di eseguire compiti sempre più difficili con strumenti che non sono adeguati. La risposta è di garantire un numero di dati maggiore. L'ottimizzazione di un processo produttivo per giungere a maggiori rendimenti richiede che tutti i difetti di saldatura debbano essere scoperti dalla macchina AOI. Per la macchina d'ispezione ottica i difetti trovati non sono il problema essenziale; il problema è il numero dei difetti. I difetti trovati diventano un problema di qualcun altro - ad esempio del processo di stampa dello stencil, della pick and place, della saldabilità della scheda, del DFM - e questi possono essere indirizzati verso la fase di processo appropriata e risolti in quella sede. I difetti che vengono evidenziati dalla macchina AOI stanno origine di veri e propri grattacapi nei processi successivi e possono compromettere seriamente l'affidabilità del prodotto.
Combinare le 2D con la dimensione Z
per ottenere l'AOI 3D
Una nuova tecnologia, che costituisce un radicale allontanamento dalla tecnologia di visione AOI tradizionale, è stata sviluppata tenendo in considerazione la misurazione dell'asse verticale (asse Z) del soggetto da sottoporre a ispezione, aggiungendo e combinando questo con le normali procedure ispettive sui piani X e Y dell'AOI a 2D. L'aggiunta della misurazione della dimensione Z risolve molte delle carenze intrinseche dell'AOI 2D e rende possibile, finalmente, localizzare tutti i difetti di saldatura su un prodotto assemblato, prevenendo il 100% delle fughe d'errore. Solo recentemente si è giunti alla misurazione Real 3D dei giunti di saldatura. I problemi collegati alle misurazioni 3D devono essere superati, come ad esempio i problemi di ombreggiamento, la misura della portata e la distorsione e la deformazione delle schede sottoposte al processo di saldatura. Ogni sistema di misurazione della luce viene confrontato con un piano d'ombra di riferimento speculare e con problemi di direzione che devono essere risolti prima di disporre di un valido sistema operativo. La testa di rilevamento immagini dell'AOI utilizza una serie di otto proiettori a luce bianca montati in configurazione circolare per acquisire i dati visivi da tutti i lati e sulla verticale del dispositivo o dell'elemento sottoposto a ispezione. La testa contiene inoltre una dotazione circolare di illuminatori a LED posizionati a diverse altezze e a diversi angoli rispetto all'oggetto da illuminare, ognuno dei quali dirige in successione diversi fasci luminosi di differenti colori, cioè di diverse lunghezze d'onda. La telecamera rileva la variazione di lunghezze d'onda e degli angoli di proiezione di ogni lunghezza d'onda sull'elemento potendo con ciò ricostruire accuratamente immagini tridimensionali e misurare l'altezza dei componenti o degli elementi ispezionati. Questa configurazione permette di acquisire immagini prive di qualsiasi ombreggiamento e di stabilire in modo preciso la posizione, la forma e l'altezza degli elementi sottoposti a ispezione.
I vantaggi delle misurazioni Real 3D
L'immagine 3D fornisce molte più informazioni alla macchina nella valutazione della posizione del componente e nell'accettabilità del filetto di saldatura. Confrontando i valori misurati del filetto di saldatura con quanto previsto dall'IPC 610, la macchina ha la possibilità di prendere decisioni chiare circa il fatto di "procedere o non procedere" nel caso - ad esempio - di un giunto di saldatura. Ciò significa che i criteri di valutazione possono essere trattati dall'operatore che non deve decidere personalmente se un giunto di saldatura sia o meno accettabile. L'uso di uno standard universale (IPC 610) semplifica e velocizza la programmazione, ma rende al tempo stesso l'identificazione dei difetti (e l'eventuale accettazione degli stessi) un fatto universalmente riconosciuto. I dati CAD forniscono le linee guida del componente/posizione e il raffronto con le IPC 610 permette effettivamente di chiudere il cerchio nella riduzione dei difetti di coplanarità, polarità, sollevamento dei piedini, effetti di tombstoning, ecc. Inoltre, per eliminare quasi completamente i falsi allarmi e i rilevamenti mancati di errori, vengono evitati difetti di programmazione o di addestramento del personale.
Falsi allarmi di componenti mancanti
L'abilità di una macchina AOI di scoprire un componente mancante (compresi i condensatori di più minute dimensioni) è un aspetto essenziale. I sistemi AOI 2D determinano se un componente sia o meno presente dalla forma del filetto e dal fatto che questo corrisponda alla sagoma dell'elemento. La corrispondenza con la sagoma del componente viene rilevata mediante una tecnologia comparativa che paragona quello che dovrebbe essere visto con quello che effettivamente viene visto e che richiede una notevole capacità interpretativa da parte della macchina per decidere se ci sia o meno una corrispondenza. Per esempio, un filetto circolare può indicare che metà del filetto non sia coperto o nascosto da una terminazione; in tal modo il componente viene considerato mancante. In ogni caso, filetti di dimensioni particolarmente contenute o di forma rettangolare possono far sì che il sistema segnali in modo errato la mancanza di un componente quando, in realtà, il componente non manca affatto. Questa è la vulnerabilità intrinseca di un sistema AOI 2D, mentre con un sistema AOI 3D, che usa una tecnologia di misura della forma profilometrica completa del componente piuttosto che la semplice forma del filetto per determinare se un componente manchi o meno, tale problema non sussiste. Non ci sono possibilità di errore con l'ispezione 3D; pertanto viene eliminata una causa assai comune di falsi allarmi.
Ponticelli di saldatura non individuati
L'AOI 2D possiede un'altra debolezza, cioè quella di non riuscire sempre a determinare i limiti della saldatura o dei piedini bagnati dei componenti. Ciò può determinare una mancanza di individuazione di ponticelli di saldatura, soprattutto se il corpo del componente interferisce con l'immagine o con i bordi del ponticello; ciò può determinare un falso allarme o un rilevamento mancato di errore a seconda di quello che viene "interpretato" dal sistema AOI 2D. La rilevazione da parte della macchina 3D mostra il profilo e l'altezza dei piedini individuali e lo spazio fra gli stessi, mostrando con certezza se vi sia la presenza o meno di ponticelli di saldatura, evitando un'interpretazione scorretta da parte della macchina.
Componenti di colore scuro
L'abilità di un componente scuro di mimetizzarsi con la superficie della scheda durante un'ispezione ottica 2D a scale di grigio è un problema per gli ingegneri che cerchino di localizzare piccoli componenti disallineati o posizionati in modo errato. Il reale disallineamento di un componente può non essere localizzato, sebbene con l'abilità di individuare altezza e forma di un componente da parte del sensore 3D, la posizione dello stesso venga conosciuta immediatamente e in modo preciso dal sistema e possa così essere segnalato se vi sia stato un errore di posizionamento. Il sensore sull'asse Z annulla la vulnerabilità all'identificazione del colore tipica del sistema AOI 2D.
SOT rovesciati
Certi componenti, come ad esempio il SOT 23, possono essere piazzati rovesciati, cosa questa ben difficile da individuare per un sistema AOI 2D. Anche in questo caso la difficoltà per la macchina sta nella distinzione della differenza che c'è fra la piazzola di saldatura e il piedino stagnato. Il piedino non sarà in contatto con la piazzola, e - visto da sopra e con la piazzola di saldatura come contorno - non permetterà alla macchina AOI di essere distinto in modo chiaro o di permetterle di capire che piedino e piazzola non siano in contatto fra loro. Il sistema 3D invece mostra immediatamente che la posizione del piedino è troppo alta e che questo non è connesso alla piazzola in un punto più basso. L'abilità della macchina di "vedere" effettivamente la situazione elimina così il rischio di potenziali rilevamenti mancati di errori. Lo stesso problema sorge quando il SOT è disallineato o posizionato in modo errato, quando il componente è scuro e quando i piedini non siano facilmente distinguibili dal filetto. Il risultato è di non riuscire a individuare un componente spostato, visto che è impossibile determinare quale sia la posizione corretta dello stesso. La soluzione è di localizzare la forma del componente usando un sistema di immagine a 3D e quindi di compararla con dati che mostrino dove il componente debba effettivamente trovarsi.
Piedini sollevati e percezione della profondità
L'ispezione 2D è un po' come osservare un panorama da una certa altezza usando un solo occhio. Non esiste infatti percezione della profondità; l'altezza dell'oggetto non può essere determinata senza una qualche preveggenza da parte della persona che effettua l'osservazione. Ma, dato che i tetti delle abitazioni appaiono tutti uguali per chi osservi il panorama dall'alto, non c'è modo di capire - senza una visione laterale o elementi di percezione della profondità - se tutti gli edifici siano a uno o a più piani. Lo stesso si può dire per i piedini e per componenti sollevati. L'AOI 2D non può determinare se tali componenti siano o meno alla giusta altezza rispetto a un oggetto connesso a un pcb. La sensibilità 3D può invece mostrare immediatamente se un piedino o un lato di un componente sia più alto di altri, ad esempio che non sia planare rispetto alla superficie della scheda. Ciò è efficace specialmente quando vengono localizzati piedini sollevati. L'AOI 2D utilizza le forme dei filetti per determinare lo stato dei piedini e, in caso di filetti di dimensioni particolarmente contenute, ciò si rivela inadeguato. L'AOI 3D permette invece di compiere misure delle forme dei filetti assai più accurate, situazione questa che in molti casi può essere particolarmente importante.
Componenti nascosti
Piccoli componenti passivi che si annidano fra due componenti di maggiori dimensioni, ad es. fra due BGA, presentano un problema per un sistema di ispezione ottica 2D, dato che l'ombreggiamento può determinare l'impossibilità per la macchina di "vedere" il componente e di determinare se sia o meno presente, oppure che sia posizionato nel modo corretto. L'uso dell'AOI 3D potrebbe aiutare, ma - di nuovo - il componente deve poter essere "visto" e le possibilità che questo avvenga sono senz'altro maggiori usando un cerchio di proiettori luminosi. Non tutti i proiettori avranno la possibilità di localizzare tali componenti, ma la misura dell'asse Z potrà essere eseguita comunque, rilevando la presenza e la forma dei componenti più piccoli.
