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机械资讯 776期

智慧视觉系统应用于PCB成型检测

文/高彩龄
工研院智慧微系统科技中心

电子产品包含众多电子元件,而印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)提供承载平台以固定电子元件,并透过铜导线的线路作为各电子元件讯号互联的基础。随着AI与5G发酵,伺服器、大量小基地台、储存设备、电动车与智慧型汽车等产品为PCB创造一个新的市场机遇。且台湾PCB产业链规模续创历史新高,去年海内外产值达1兆元、成长率5.1%,成为台湾第三大兆元电子产业。根据Prismark估计,PCB全球市场规模将以年复合成长率4.05%成长,并在2022年达到688.1亿元美金,折合新台币达2兆元。
随着规格不断提升,电子产品朝向轻薄化、一体化与多功能化的发展趋势,元件密度越来越大,使得封装技术面临新挑战。且由于电子讯号的传输速度越来越快,仅靠提高PCB的布线密度和多层化,难以满足越来越高的组装要求,因此PCB采用盲捞技术实现元件内埋化,以满足电子产品的高密度和薄型化。
盲捞技术是指在电路板成型加工后,利用铣刀于电路板上进行盲槽底面或表面物体化加工。透过将元件埋入到PCB内部中,可以缩短元件相互之间的线路长度,改善电气连线性能,增加有效封装面积,减少大量的印制电路板板面的焊接点,从而提高封装的可靠性,并降低成本。
此外,电子产品的安装密度提高或高功率产品增加,造成PCB发热密度增加,透过盲捞技术将铜块嵌入至PCB,可有效降低高频产品的成本,又可以提高散热性能。另外,亦可运用盲捞技术在硬性电路板上捞出一个可供弯折的区域,拥有比软硬结合板更高的耐热性能,其广泛的运用在汽车中相关的高信赖性零部件上。
由于电子元件或铜块会埋入至盲槽中,而盲捞加工精度与元件散热性及安装密合度息息相关,加上5G与车用产业之高阶PCB应用需求越来越多,开始出现大量元件埋嵌与弯折之盲捞制程需求,对于盲捞的尺寸精度与加工均匀度要求越来越高,使得自动化检测的需求与日俱增。2019年,全球自动光学检查系统市场规模为5.872亿美元,预计从2020年到2027年,复合年增长率(CAGR)为18.7%。其中,尤以3D感测系统的发展,提供PCB高度资讯,突破2D检测的瓶颈,藉此提升3D AOI渗透率,预估至2025年,3DAOI系统年复合成长率可达22%。然而针对盲捞制程的检测,目前国内仍以人工手动检测为主,传统PCB盲捞检测采用接触式探针,以人工方式进行单点量测,并于沟槽内选择1~2处取样量测。然而若加工状态不一致,造成沟槽深度均匀度不足,则单点取样所测得的结果便无法代表整片PCB的品质。且因操作耗时故仅针对工件首尾件进行抽检,加上人为点选误差,易造成漏检问题,无法满足5G与车用产业之高阶PCB严格品质要求。因此本文以PCB成型盲捞检测为探讨重点,透过工研院开发的3D视觉感测模组实现PCB成型自动检测,以因应产能逐渐提升的检测需求。
工研院开发适用于PCB成型盲捞检测制程之3D+2D智慧视觉检测模组,依据盲捞区域、加工深度与检测精度需求,设计3D光学感测系统,完整重建盲捞区域之3D表面轮廓资讯。并透过3D+2D自动特征精密量测技术,可自动辨识PCB盲捞加工区域,分析表面深度轮廓形貌,以相同标准进行尺寸量测,克服人工检测时的操作偏差,以面型扫描方式确保全区检测品质,达到零漏放率。并可结合自动化设备,实现高阶PCB成型盲捞3D自动检测设备,发展自主国产化解决方案。其关键技术包含结构光编码技术与3D+2D自动特征精密量测技术,后续将详述各技术内涵。

-结构光编码技术

3D+2D智慧视觉检测模组主要硬体组件包含一组投光元件与两组取像元件,其中,取像元件提供了交互观察的视野,克服遮蔽的情况。3D重建则是藉由结构光技术,采用时序编码的方式,由投光装置投射特定光栅至物体表面上,将多幅光栅图案依照时间顺序逐一投影至物体表面,再由取像装置依序撷取被物体表面轮廓所影响后的光栅图案,待全部光栅投影取像完成后,使得待测物上的每一点皆能对应一组特定的编码,透过光栅的变形及位移程度,即可推估取像装置画面中的每一像素与投光装置投影画面的像素对应关系,有此对应关系后可分别从取像装置与投光装置感光元件之像素位置通过镜心形成两射线,由两射线交会点决定该点之三维座标,实现物体表面量测,并搭配次像素计算方式,提升解析精度。

-3D+2D自动特征精密量测技术

完成PCB 3D表面形貌重建后,利用工研院开发的3D+2D自动特征精密量测技术进行捞深检测,若单纯采用3D演算法,将面临资料量过大、量测时间过长且不易确认边界特征之问题,由于盲捞产品常见的几何形状为挠折用途的长型沟槽状或元件镶嵌用途的方形浅底状,可先透过2D影像处理快速找出初始待测区,达到自动框选特征取代人工点选,经由2D 3D间之对应索引,针对该待测区进行3D捞深量测。
使用3D+2D自动特征精密量测技术,可自动侦测工件3D尺寸形貌,以3D曲面特征结合2D色彩纹理,3D+2D最佳化融合比对,精准自动定位盲捞区域与侦测加工形状与边界(沟槽边界定位等),再针对已定位之特征区域进行3D深度自动量测,快速输出加工区之深度最大最小值、平均值、标准差等统计数值,免除人为操作耗时瓶颈,大幅提升量测效率。
透过工研院所发展之3D+2D智慧视觉检测模组,以自主开发结构光3D视觉感测技术,可快速重建盲捞区域整面3D资讯,提供智慧自动量测,取代目前以人工使用接触性探针单点量测,取代目前以接触性探针单点量测,解决手动单点取样与复杂程序,提升检测效率与检测精度。未来可将视觉检测模组整合于PCB成型机及钻孔机等设备,开发机上自动化检测系统,免下线完成加工/检测工序,提升生产效率。
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