[发明专利]检测元件相对无焊盘的位置

说明书

本申请涉及自动光检系统，特别涉及在制造印制线路板的过程中，对板上电气元件的位置所进行的校准。

电子制造商使用自动光检(AOI)技术来校准制板的步骤。印制线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)来印制数百条印制线；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(即未焊元件的印制板)的焊盘上。“焊盘”是在印制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。一个典型的贴焊印制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制板上，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”来加热印制板，使焊剂回流；回流的焊剂即把贴焊元件焊接在印制板上，从而在元件和印制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，把印制板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为基准来检测印制板的位置特征，原点126通常设在印制板的某个顶点。

当操作AOI系统100时，起落架116在印制板110上空移动摄像机114，由摄像机114扫描印制板110并拍摄其图像，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扫描印制板100以寻找某个特定的器件，该器件称做“受检器件”或“DUI”。AOI系统把扫描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，从而在扫描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相对于印制板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，印制板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制板110的原点126来测量的，故现有技术认为印制板具有稳定的尺度。不过众所周知，印制板会随温度、压力和化学反应而变形，而在制造过程中，印制板恰恰受制于上述各因素，且其线性尺度的改变可达±2％。印制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。

印制板的变形意味着：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制板的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，故现有技术大幅高估了以非象限角旋转的元件的公差。

发明内容