【视觉检测】DLP结构光投影仪在3D SPI / AOI领域的应用

前言

伴随电子产品日益精密化与焊锡无铅化的趋势，贴片元件越来越微型，因此，焊锡膏印刷品质正变得越来越重要。100%的采用锡膏检测(SPI)将有助于减少印刷流程中产生的焊点缺陷，而且可通过最低的返工(如清洗电路板)成本来减少废品带来的损失，另外一个好处是焊点的可靠性将得到保证。本文仅对目前SPI出现的一些比较先进的新技术，新的算法做一概述，并对SPI设备在实际使用中容易发生的一些问题以及解决思路做一讨论。

1.SPI 分类

从检测原理上来分SPI主要分为两个大类，线激光扫描式与面结构光栅PMP技术。

1.1 激光扫描式的SPI

通过三角量测的原理计算出锡膏的高度。此技术因为原理比较简单，技术比较成熟，但是因为其本身的技术局限性如激光的扫描宽度偏长，单次取样，杂讯干扰等，所以比较多的运用在对精度与重复性要求不高的锡厚测试仪，桌上型SPI等。在此不做过多叙述。

1.2 结构光栅型SPI

PMP(Phase Measurement Profilometry)又称PSP(Phase Shift Profilometry)技术是一种基于正弦条纹投影和位相测量的光学三维面形测量技术。通过获取全场条纹的空间信息与一个条纹周期内相移条纹的时序信息，来完成物体三维信息的重建。由于其具有全场性、速度快、高精度、自动化程度高等特点，这种技术已在工业检测、机器视觉、逆向工程等领域获得广泛应用。目前大部分的在线SPI设备都已经升级到此种技术。

    但是它采用的离散相移技术要求有精确的正弦结构光栅与精确的相移，在实际系统中不可避免地存在着光栅图像的非正弦化，相移误差与随机误差，它将导致计算位相和重建面形的误差。虽然已经出现了不少算法能降低线性相移误差，但要解决相移过程中的随机相移误差问题，还存在一定的困难。在此基础上，国内外的一些厂家通过各自不同的技术做了一些改进。

1.2.1可编程结构光栅(PSLM)技术

PMP技术中最主要的一个基础条件就是要求光栅的正弦化。传统的结构光栅是通过在玻璃板上蚀刻的双线阵产生摩尔效应，形成黑白间隔的结构光栅。不同的叠加角度形成不同间距的结构光栅。此结构的特点是通过物理架构的方式实现正弦化的光栅。其对于玻璃板上蚀刻的精度与几何度的要求都比较高，不容易做出大面积的光栅。          

    可编程结构光栅是在微纳米技术和物理光学研究基础上设计出来的一种新的光栅技术，其特点是光栅的主要结构如强度,波长等都可以通过软件编程控制和改变，真正的实现了数字化的控制。因为其正弦光栅是通过软件编程实现的，所以理论上可以得到比较完美的正弦波光栅，并通过DLP（Digital Light Processing）技术,得到无损的数字化光栅图像。核心是数字显微镜器件，并且由于是以镜片为基础，提高了光通过率，所以它对于光信号的处理能力以及结构光的强度有着显著的提高，为高速,清晰,精确的工业测试需求提供了基础。

1.2.2 解决相移误差的新技术

PMP技术中另一个主要的基础条件就是对于相移误差的控制。相移法通过对投影光栅相位场进行移相来增加若干常量相位而得到多幅光栅图来求解相位场。由于多幅相移图比单幅相移图提供了更多的信息，所以可以得到更高精度的结果。传统的方式都依靠机械移动来实现相移。为达到精确的相移，都使用了比较高精度的马达，如通过陶瓷压电马达（PZT），线性马达加光栅尺等方式。并通过大量的算法来减少相移的误差。

可编程结构光栅因为其正弦光栅是通过软件编程实现的，所以其在相移时也是通过软件来实现，通过此种技术可以使相移误差趋向于“0”，提高了量测精度。并且此技术不需要机械部件，减少了设备的故障几率，降低机械成本与维修成本。

1.2.3 DL（D- lighting） 技术

目前SMT的产品越来越多样化，所以电路板的材质也越来越多样化，如白色的陶瓷板，黑色的PCB，FPCB等。传统的SPI对于此类颜色跨度比较大的电路板只能通过调节条纹光的亮度或者改变相机的曝光时间来实现检测，但是当在特殊条件下如白色的电路板上出现颜色较黑的锡膏。或者黑色电路板上出现白色的银浆等则无能为力。DL技术通过在测试电路板上同一位置时分别用两种不同的曝光时间来取像。然后把高曝光取像正常的区域与低曝光取像正常的区域相结合，整合成一张所有区域都能检测到的照片。DL技术对于测试焊膏的阴影区域同样有效，能有效提高检查精度，减少了设备的额外投入。如图五所示，在白色的陶瓷板上测试黑色胶带，分别用低曝光与高曝光拍取两张影像，然后取各自正常的区域整合得到一张完整影像。

2.在线 SPI设备在实际应用中出现的一些问题

目前大部分的SMT工厂都已经开始导入在线SPI设备，但是在实际使用过程中，效果也因各厂对其重视程度而大不一样。究其原因主要有几下几点：

2.1 品质重视不够

目前大部分的工厂（特别是代工厂）在产能的管控上都非常的严格。但是往往对品质方面重视不够。当锡膏不能达到SPI设备的管控范围时，SPI一直会报警，没有及时处理的话会严重影响产能。所以只要产线不出什么大问题。都会把SPI的管控参数范围设大，提高一次通过率，但是这样往往也会把真实的不良流到下一制程，提高维修成本。目前有的工厂已经在SPI后端接一个收板箱，当SPI测试OK的时候直接流入下一工序，Fail的时候会停留在收板箱里面。等作业人员来确认当前电路板的不良点位是否OK。一般SPI可以查询当前10片电路板的不良信息，如不良点位，不良图片等。也有的工厂已经开始把SPI与AOI相连接，通过AOI测试到的不良反馈给SPI来合理的设定测试范围与参数，来提高一次通过率，减少不良流入下一工序。

2.2 没有重视SPC系统分析出来的结果

目前在线的SPI都有完善的SPC功能，通过SPC分析能发现大部分印刷上出现的问题。提前发现一些可能导致印刷不良的因素。但是目前真正执行的情况应该说还不是很尽人如意。分析主要原因可能一是SPC功能操作相对比较复杂，并且需要操作人员有一定的SPC知识。二是SPC系统分析出来的结果智能化程度不够，所以没有得到足够的重视。这也是SPI厂商今后着重发展的一个方向。

总结

SPI的真正价值在于通过大量数据的科学统计与分析，达到对不良趋势的准确描述。来提前发现导致不良的各种因素，并提前做一些处理。有效的减少不良的产生，真正达到产品品质的可管控与提升。