结构光在3D SPI / AOI检测中的应用
一、锡膏检测的背景及研究意义
在传统电子行业中，电子印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）采用插孔元件及导线连接的方式安装。如今，在微电子组装行业中，元件变得越来越微型化、密集化，为了适应这种趋势，出现了自动化的表面贴装技术（Surface MountedTechnology，SMT）。它不仅能够提高安装的密度，还能减少元器件的体积，同时提高安装的可靠性。
锡膏印刷的过程中，焊膏、模板、印刷机、基板等都会对质量造成影响。锡膏印刷的质量要求为：焊膏的厚度均匀、形状完整、具有清晰的边缘。焊膏的厚度控制在0.120mm 到0.125mm 之间，印刷的锡膏和焊盘形状及尺寸要匹配。同时，需要印刷的锡膏能覆盖焊盘面积的75%以上，焊接好的锡膏表面必须平直，不能有大的颗粒及孔洞存在。
由于组件的间隔非常小，SMT 出现各种缺陷的可能性非常大，必须在生产过程中使用先进的自动化检测设备，及时评估锡膏印刷电路板的质量，并对印刷参数做出及时调整，降低不良产品的比例。SMT 检测流程：来料检测->丝印焊膏（点贴片胶）->贴片->烘干（固化）->回流焊接->清洗->检测->返修。
图1-表面组装技术流程
首先，SMT 进行锡膏印刷；其次，贴片并进行回流焊处理；最后，进行清洗和测试，如图1所示。可见，锡膏的印刷质量直接影响着后续工艺。统计表明，SMT 的密距缺陷52%-71%发生锡膏印刷工序，电子产品的缺陷和失效60%-80%来自锡膏印刷过程。焊接后，修复错误的焊点不仅流程复杂，而且耗费的成本也相当高。在锡膏印刷阶段，进行锡膏检测有助于提高整个SMT 的生产效率，在发现问题后，及时处理（清洗印刷电路板），降低成本。
常见的锡膏印刷缺陷，主要有漏印、缺锡、少锡、偏移和连桥，等等。锡膏位置发生偏移或者锡膏量过多容易造成焊点彼此连接，在回流焊后形成短路；少锡和缺锡容易导致虚焊。锡膏检测的过程即对焊点进行量化检查，并通过统计过程控制（Statistics Process Control，SPC）工具，预测锡膏印刷的工艺趋势，在缺陷产生前及时调整印刷参数，既能提高印刷产品的一次通过率，又能降低返修成本。
二、锡膏检测技术的发展及研究现状
传统的检测方法是进行人工目检，即利用人眼和光学器件（如放大镜和电子显微镜等）相配合，对电路板上的焊点及贴片等进行检查。
图2-人工目检锡膏印刷质量
人工目检如图2，易受个体经验及主观因素影响。长时间的观测，易引起视觉疲劳，造成误判，且速度慢。数据表明，人工目检在单层板情况下，平均错误发现率可达90%，对于多层板（如6 层情况），错误发现率迅速降低到50%。即使在最容易观测的基层底板，错误发现率也不超过70%。
为满足引脚细密的器件快速、高精度的检测要求，自动化的光学检测设备应运而生。随着机器视觉的快速发展，基于视觉技术的工业自动化检测开始流行起来。自动光学检测设备集成了光学、电子、计算机视觉和自动控制等一系列现代化技术，检测速度快、方法先进、自动化程度高。根据实拍电路板图像，可以检测锡膏的面积、缺失、偏移等。但二维检测存在明显局限，在焊点面积相同的情况下，体积可能差异很大，导致锡膏印刷存在的缺陷不能彻底检查，同时，二维检测对于PCB 板弯、起翘和发生虚焊的情况无能为力。三维的锡膏检测通过对锡膏的高度、面积和体积参数的测量，与标准文件对比，全面检测出锡膏的形状不良、位置偏移、连桥等信息。
三维的锡膏印刷质量检测设备在21 世纪初相继研制出来，包括德国WOOC-124、日本欧姆龙公司的产品等。由于国外的技术垄断，使得上述设备价格昂贵。目前国外做得最好的是韩国的KohYoung3D 锡膏检测仪，它具有高精度、高速的优势，占据市场第一，但价格高，日本Omron 和台湾的TRI 分别位居行业第二第三。为打破锡膏检测技术的垄断，我国研制了自己的3D-SPI，目前做得比较好的代表有Sinic-Tec（思泰克）、东莞神州视觉、劲拓、矩子科技、振华兴、明锐理想、中纬智能等公司。
锡膏检测设备基于计算机视觉理论，结合外部的光栅、激光光源，通过电荷耦合器件（Charged Coupled Device，CCD）相机成像，按不同算法生成被测物体三维形貌。常见的检测设备如锡膏检测仪（Solder Paste Inspection，SPI），用于发现品质变化趋势、提供缺陷种类提示，检测效率高，价格相对便宜，检测过程中易受PCB 板起翘、板弯等影响；自动光学检测（Automated Optical Inspection，AOI）用于贴片后的检测，成本较高；自动X 射线检测（Automated X-Ray Inspection,AIX）[15]，利用X 光对非金属物质的穿透特性，对被测物体进行检测，在SMT 中，通过X 射线断层扫描（CT）检查，可发现BGA 等元器件是否存在焊接不良及短路现象，但成本较高，适用于产品的预研阶段。
三维锡膏检测仪根据几何结构关系、照明方式的不同，可以分为两种，即被动视觉检测与主动视觉检测。前者采用非结构光照明，根据被测点在不同的像平面上相关匹配结果，获得该点的世界坐标，如激光三角测量；后者，通过结构光在被测物点的精确定位来获得高度信息，如相位光栅测量。主流3D-SPI 产品的检测原理有相位轮廓测量术（Phase Measuring Profilometry，PMP）和激光三角轮廓测量术。
三、应用于锡膏检测的结构光投影模块
现阶段，应用于结构光3D SPI、3D AOI检测的结构光投影模块主要采用DLP或LCoS，DLP凭借高速、高分辨率、高对比度、稳定可靠、控制灵活方便而广泛应用与锡膏及PCB检测领域。
- LCD、LCOS、DLP显示芯片的原理
- 硅基液晶（LCoS）微显示技术
- 应用于3D SPI、3D AOI的DLP工业投影模块
图3是典型的一种3D SPI架构，由2个DLP结构光投影模块和一个配备远心镜头的工业相机组成。我们知道，为了保证高精度，SPI检测的视野范围FOV通常非常小，工作距离也比较近，因此，对应的头一个模块的景深也相应比较小。
图3-3D SPI检测系统基本架构
如图所示，DLP结构光投影模块是倾斜投影的，这时我们会发现镜头不管如何进行对焦，都没办法做到全视野范围内清晰，只有部分视野能够清晰对焦。这是由于镜头倾斜架设后景深空间分布问题引起的。既然是由于景深问题引起的成像无法全视野清晰，大多数工程师可能会考虑到缩小光圈的方法来增大景深。实际上缩小光圈的作用非常有限，而且由于光圈的减小会使光线发生衍射导致成像质量下降，同时镜头的通光量也会减少。那么怎样才能在镜头倾斜架设时得到全视野清晰的图像呢？
答案是沙姆定律。
当拍摄主体平面（被测物平面）、镜头平面（镜头中心点垂直于光轴所延伸出来的平面）和成像平面（通常是相机芯片平面）三者相交于一线时，此时可以得到全视野范围内清晰的像，这就是沙姆定律。
从光路上分析，镜头倾斜后被测平面上A点由于物距较远则其像点位于像距较近的A’点，被测平面上B点由于物距较近则其像点位于像距较远的B‘点，A’、B’位于像平面上，此时A、B两点能够得到清晰的像。
图4-沙姆定律
在工业检测中，沙姆镜头常用于3C、3D AOI、3D SPI、汽车零部件、太阳能电池板等检测领域。
针对需要倾斜投影的3D检测应用，如3D SPI、3D AOI、小尺寸高精度工件检测，我们专门开发了斜投的沙姆DLP投影模块，极大地提高了景深利用率，并且在产品尺寸、亮度、畸变、稳定性方面做了较大优化，方便用户快速集成。软件方面，与德州仪器TI的DLP3010EVM完全兼容，用户可以非常轻松的进行二次开发和集成。
图5-沙姆斜投DLP光机
图6-正投DLP光机
【DLP光学指标】
【DLP硬件指标】
【机身尺寸】
【产品特点】
【参考文献】
重庆大学 刘平 《基于机器视觉的三维锡膏检测关键技术及应用研究》
中国机器视觉网《倾斜角度下的清晰成像》
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