专利名称：光学检测印刷电路板的装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种用于印刷电路板光学检测的装置及其方法，尤指一种应用光学原理用以检测电子元件安装于印刷电路板的制程中，任一阶段的印刷电路板、安装其上电子元件及前述两者间的接着是否有缺点等的装置与其检测方法。
背景技术：
在制造业界的产品品质检测工作方面，目前为改善其速度与绩效，光学检测系统己逐渐取代原有的人工目视检测。因光学检测系统可将复杂的影像画面转换成判读信息，借助微处理器以比对有无缺点，不但避免了人类疲倦与出错的问题，并可提高其检测精确度，且能因其快速的检测而提高全制程的产制效率。在电子产业中，光学检测系统己被广泛应用，如半导体制程中用来寻找细微的尘埃粒子，执行精确的定位，印刷电路板组装检测缺件、空焊等。对于从事电路板组装生产的业者而言，皆希望产品的制程能达到高品质高效率的目标。在产品短、小、轻、薄及积体化的必然趋势下，必须将机板布线密度增加，取消测试点，并把电子元件体积缩小，以符合需求。在此大环境改变下，传统目视检测及ICT的探针检测均将因其不稳定的拦检率及较低的覆盖率而愈来愈不合用。面对短小轻薄而造成的测试困难，发展其它精密的检测技术，以弥补传统方法的不足乃成为当务之急。由于固态照相机分辨率及计算机运算速度的大幅提升，以数字影像为基底的视觉系统配合精密的机构定位，及计算机辅助设计的数据库而设计的PCB机板自动光学检测机(AOI System，Automated OpticalInspection System)已逐渐导入电子产业的高速生产线，以快速地量测制程中各类特性，找出不良的问题点，诸如缺料、错件、偏移、短路、断路等瑕疵。通常此系统皆可取代生产线中的目视检测员，可以一天24小时快速执行测试，不会因为倦怠，导致疏漏，并节省人工成本，同时亦因此系统拥有统计控管的功能，可将故障统计分析的数据资料提供给制造者参考，达到品质控管的功能，提升良率，进而减少生产成本及提高生产效率。为适应电路板日新月异的发展及类似安装表面黏着元件于其上的制程等的品管检测需求，AOI的测试功能必需非常完整，三度空间立体检测功能已是必须具备的条件之一，以期与高度有关的检测结果亦能精确可靠。采用多具电荷耦合装置(CCD)摄影机可从多角度拍摄的AOI系统，可进一步提升检测覆盖率，已成为业界检测上必须的作法。以AOI测试并不须要使用治具，故可省下治具购制费用，亦不需因等待治具，而无谓浪费宝贵时间，可即刻展开生产，不只制造业重视，客户也开始指定制造厂商必须使用该类装置在其产品线上，以提升出货良率。展望未来的需求面与应用领域定然更为扩大，AOI的制造厂商纷纷为提供更完整的测试设备产品线给既有的ICT探针检测客户群，及运用与AOI类似的技术以开发其它应用领域新产品给潜在的新客户，而亟思改进。当然，可期待的短期目标则为研发全新高速高照明取像的AOI检测设备，以进一步提升其效益。
如前所述，要制造一台AOI检测机并不困难，真正困难的是如何设计与制造出具有更佳效能的AOI检测机。一般说来，制造AOI检测机的各项重要组件如双速及四速的电荷耦合装置摄影机、摄影机镜片、二/三轴移动平台、影像撷取卡等皆可由业界提供品质足敷所需的产品。而其中的关键组件则为AOI检测机的照明系统，为改善其功效，产品设计与制造厂商可说费尽苦心。大部分的AOI检测机制造商会使用高亮度的发光二极管于该机的照明系统，譬如SONY/VARIA、Teradyne、OMROM、MVP、HP/MVT、Samsung及LG等。目前据知只有Orbotech使用氙气闪光灯，而SAKI则使用萤光照明器。目前现有的大多数使用发光二极管的照明系统单体皆可于如CCS公司等厂商处购得。如按照照明方式区分，上述使用发光二极管的照明系统单体包括直接照明方式的Low Angle Systems、Bar Systems、Convergent-beam Systems及间接照明方式的Flat Ring Systems、Low AngleSystems，逆光照明方式的Back Light Systems、Line Systems及同轴照明方式的Coaxial Systems以及特殊照明方式的Collimated-light opticalunits等。
受限于摄影的传感器尺寸大小，要达到一20毫米的分辨率，每视野的检测区域仅能介于12×9平方毫米与24×18平方毫米之间。光照越明亮，则视野的深度才可越大。前述照明系统的绩效取决于如何将所有可用的光聚焦于一点上。每一种市售商用产品仅提供单一照明方式，不论其为直接、扩散、低角度、还是环罩的(ambient)照明方式。综合使用不同的照明方式是可能的，但却会增加照具所占空间与同步控制的困难度。AOI检测机的制造商纷纷研发具更佳效果的照明系统，目前已具可整合照明控制能力至分区的程度以试图满足照明控制的多样性。为达成环绕目标的均一的照明条件，特别是在一较近的距离，光的扩散器常被使用，但是如此一来光的输出则相对的减弱了。运用上述光扩散器原理的实例如图1所示的平面环状系统1。为使所有的发光二极管均朝向照射目标，如图2中一种圆顶状结构的装置2被使用，但也有发光二极管放置密度低及工作距离短的缺点。为在有限空间内得到最大的密度，一种多层面或甚至是C型的弹性基底被使用以形成一立体的环状空间照明，但其缺点为光无法聚焦于一点，一种使用此方法具多层面呈伞状构型的照明系统3如图3所示。
如何创造可发出高照度、均衡的光线且可集中于一甚小区域的AOI检测机照明系统以进一步改善其检测功能是目前该业界共同追求的理想。
发明内容
本发明的主要目的为克服现有技术的不足与缺陷，提供一种光学检测印刷电路板的装置与方法，用于如印刷电路板电子元件安装制程中的任一阶段，以快速发现并纪录该印刷电路板于安装电子元件过程以至于完成后是否有任何的缺点，并可予以统计做成纪录，以改进制程的品管，并可适应其快速检测以提高该制程的生产绩效。
本发明的另一目的为提供一种用于印刷电路板检测的装置，其包含一照明系统，具一平板型印刷电路板、数个发光元件以平面阵列方式密集分布及连结于该平板型印刷电路板上，并可按距离该照明系统一参考中心点远近区分为至少一区域，一控制系统，连接于该照明系统，其中该照明系统的该数个发光元件可由该控制系统选择任意个至少一区域及全体两者的一发光以照明，以及一平面状透镜系统，具至少一平面状透镜置于该照明系统前并与之紧密连结，以聚集该数个发光元件所发的光至该印刷电路板上任一位置。
根据上述的装置，该数个发光元件为发光二极管。
根据上述的装置，该平面状透镜为一菲涅尔透镜。
根据上述的装置，该装置进一步包含一摄影机系统，具至少一摄影机以接收自该印刷电路板上所反射的该等数个发光元件所发的光。
根据上述的装置，该至少一摄影机分别安装于该照明系统的该参考中心点正后方及分别与该参考中心点等距的至少一位置的正后方，且该至少一摄影机连接于该照明系统。
根据上述的装置，该至少一区域可依与该照明系统的该参考中心点间距离区分为一中央区及至少一周边区。
根据上述的装置，该至少一区域除该中央区外，其余周边区中的任一可进一步包含依距离该照明系统的该中心点远近及方向所划分的至少一区域。
根据上述的装置，该控制系统以控制该至少一区域中的该数个发光元件中的任一为发光与不发光两者之一及该摄影机系统的该至少一摄影机中的任一为启动与不启动两者之一以控制该照明系统照射于该具组件印刷电路板上任一位置的一照明条件组合包括投射方向、角度、照度及于该至少一区域至少有一区域具一个以上的发光元件发光时，由该至少一摄影机中选择至少一邻接于该发光区域的摄影机以纪录该照明系统照射于以该位置为中心一特定范围的影像。
根据上述的装置，该特定范围大小取决于该摄影机的一传感器的尺寸与检测分辨率的需求。
根据上述的装置，该装置进一步包含一显示器系统具至少一显示器，以将该影像显示于一显示屏上。
根据上述的装置，该装置进一步包含至少一微处理器系统，以将该影像与该特定范围一无缺点的影像记录做一比较以决定是否有差异并予记录。
根据上述的装置，该印刷电路板是指一安装电子元件制程中任一阶段的印刷电路板。
本发明的另一目的为提供使用一具一在平面上按至少一区域密集排列数个发光二极管与一个以上平面状透镜组成的照明系统、一由至少一摄影机组成的摄影机系统、一控制系统、一具至少一微处理器的微处理器系统及一具至少一显示器的显示系统的装置以检测一印刷电路板的方法，其方法包含下列步骤(a)选择该印刷电路板上某一位置；(b)适应以该位置为中心一特定范围内该印刷电路板构型设定一照明条件组合包括投射方向、角度、照度；(c)运用该控制系统使该照明系统的该数个区域中至少一个以上区域有一个以上的该发光二极管发光，并经该照明系统的该平面状透镜以将所产生的光聚集于该选择的位置，以产生该设定的该照明条件于该选择的位置；(d)适应该选择位置的照明，于该至少一区域至少有一区域有一个以上的该发光元件发光时，运用该控制系统由该至少一摄影机中启动至少一邻接于任一发光区域的摄影机以纪录该照明系统照射于该任一位置的摄影影像；(e)适应该选择位置的照明，将该等启动摄影机对该选择位置的该摄影影像显示于该显示系统的一显示屏上；以及(f)自该微处理器系统将该选择位置一正确比对用的影像纪录取出，并与该摄影影像比较，以决定是否有差异存在；(g)将该选择位置该摄影影像与比较结果是否有差异，纪录于该微处理器系统。
根据上述的方法，该摄影机系统具至少一摄影机，分别安装于该照明系统的一参考中心点正后方及分别与该参考中心点等距的至少一位置的正后方。
根据上述的方法，该数个区域可依与该照明系统的该参考中心点距离区分为一中央区及至少一周边区。
根据上述的方法，该数个区域除该中央区外，其余周边区中的任一可进一步包含依距离该照明系统的该中心点远近及方向所划分的至少一区域。
根据上述的方法，该步骤(b)中该特定范围大小取决于该摄影机的一传感器的尺寸与检测分辨率的需求。
根据上述的方法，该步骤(c)中该平面状透镜为一菲涅尔透镜，装置于该数个发光二极管前并与之紧密连结，以聚集该数个发光二极管所发的光至该印刷电路板上的任一位置。
根据上述的方法，该印刷电路板是指一安装电子元件制程中任一阶段的印刷电路板。
图1为自动光学检测机照明系统的平面环状系统示意图；图2为自动光学检测机照明系统的圆顶状结构系统示意图；图3为自动光学检测机照明系统的伞状结构系统示意图；图4菲涅尔透镜及其聚焦于一点的光学原理示意图；图5为本发明较佳实施例的一种检测装置的概要架构图；图6为本发明较佳实施例的一种检测装置的示意图。
图中符号说明1 自动光学检测机照明系统的平面环状系统2 自动光学检测机照明系统的圆顶状结构系统3 自动光学检测机照明系统的伞状结构系统10照明系统101 平板型印刷电路板102 以平面阵列方式密集分布数个发光二极管20平面透镜系统201 一普通透镜扁平化为一菲涅尔透镜之前202 一普通透镜扁平化为一菲涅尔透镜之后30照明系统一参考中心点40检测目标50摄影机系统具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式
。
请参见图4，本发明的关键核心为一菲涅尔透镜202的运用，其为一透明的光学物质平面，其可聚集平行光于一点，正如一普通的凸透镜一般。其构造原理可想象为将一普通的凸透镜201扁平化为一菲涅尔透镜202，可提供一高照度、均衡的光线且可集中于一甚小区域。一运用菲涅尔透镜202的照明系统，不但可用于改进AOI检测机的检测精度与取像速度，亦可使用于其它需被光学照明，用以比对受检测物品表面是否有缺点的类似用途上；除印刷电路板外，例如电子元件(如二极管)本身的瑕疵检测、或集成电路(如芯片等)的瑕疵检测皆是。
请参见图5，为本发明的较佳实施例的一种检测装置的概要架构。本发明的主要系统架构由一照明系统10，一控制系统(图中未显示)与一平面状透镜系统20所构成，该照明系统10由一平板型印刷电路板101、数个发光二极管102以平面阵列方式密集分布及连结于该平板型印刷电路板101上，并可按距离该照明系统一参考中心点30远近区分为数个区域，该控制系统连接于该照明系统10，其中该照明系统10的该数个发光二极管102可由该控制系统选择任意个该数个区域及全体两者之一发光以照明，以及一平面状透镜系统20，具至少一平面状透镜置于该照明系统10前并与之紧密连结，以聚集该数个发光二极管102所发的光至该印刷电路板上检测目标40上的任一位置。
请再参阅图6，其中该装置进一步包含一摄影机系统50，具至少一摄影机以接收自该检测目标40譬如一印刷电路板上所反射的该等数个发光二极管102所发的光。该至少一摄影机，分别安装于该照明系统的该参考中心点30正后方及分别与该参考中心点30等距的至少一位置的正后方。该至少一区域可依与该照明系统10的该参考中心点30间距离区分为一中央区及至少一周边区。该至少一区域除该中央区外，其余周边区中的任一可进一步包含依距离该照明系统10的该参考中心点30远近及方向所划分的至少一区域。该控制系统以控制该至少一区域中的该数个发光二极管102中的任一为发光与不发光两者之一及该摄影机系统50的该至少一摄影机中的任一为启动与不启动两者之一以控制该照明系统10照射于该检测目标40譬如一印刷电路板上任一位置的一照明条件组合包括投射方向、角度、照度及于该至少一区域至少有一区域具一个以上的发光二极管102为发光时，由该至少一摄影机中选择至少一摄影机以纪录该照明系统10照射于以该检测目标40的该位置为中心一特定范围的影像。该特定范围大小取决于该摄影机的一传感器的尺寸与检测分辨率的需求。该装置进一步包含一显示器系统具至少一显示器，以将该影像显示于一显示屏上。并包含一微处理器系统具一个以上微处理器，以将该影像与该特定范围一参考影像的纪录做一比较以决定是否有差异并予记录。该检测目标40所称的印刷电路板是指一安装电子元件制程中任一阶段的印刷电路板。
请再参阅图5与图6，本发明亦提供使用一具有一组连接在平板型印刷电路板101上按至少一区域密集排列的数个发光二极管102组成的照明系统10、一个以上平面状透镜组成的平面状透镜系统20、一由至少一摄影机组成的摄影机系统50、一控制系统、一包含至少一微处理器的微处理器系统及一包含至少一显示器的显示器系统的装置以检测一目标40譬如一印刷电路板的方法，其方法首先将选择该检测目标40譬如一印刷电路板上某一位置，而后则适应以该位置为参考中心一特定范围内该印刷电路板的构型设定一照明条件组合包括投射方向、角度、照度，并运用该控制系统使该照明系统10的该至少一区域中至少一个以上区域有一个以上的该发光二极管102发光，并经该照明系统10的该平面状透镜20以将所产生的光聚集于该选择的位置，以产生该设定的照明条件组合于该选择的位置，之后重复适应该选择位置的照明，于该至少一区域至少有一区域有一个以上的该发光二极管102为发光时，运用该控制系统由该摄影机系统50中启动至少一摄影机以纪录该照明系统10照射于该任一位置的摄影影像，且将该等启动摄影机50对该选择位置的该摄影影像显示于该显示系统的一显示屏上，之后并自该微处理器系统将该选择位置一正确的参考影像纪录取出，并与该摄影影像比较，以决定是否有差异存在，最后并将该选择位置该摄影影像与比较结果是否有差异纪录于该微处理器系统。该摄影机系统50分别安装于该照明系统10的一参考中心点30正后方及分别与该参考中心点30等距的至少一位置的正后方。该至少一区域可依与该照明系统10的该参考中心点30距离区分为一中央区及至少一周边区。该至少一区域除该中央区外，其余周边区中的任一可进一步包含依距离该照明系统10的该参考中心点30远近及方向所划分的至少一区域。该方法中该特定范围大小取决于该摄影机50的一传感器的尺寸与检测分辨率的需求。其中该平面状透镜20为一菲涅尔透镜，装置于该数个发光二极管102前并与之紧密连结，以聚集该数个发光二极管102所发的光至该检测目标40譬如一印刷电路板上的任一位置。该印刷电路板是指一安装电子元件制程中任一阶段的印刷电路板。
综上所述，如图5、图6所示，由于本发明的光学检测装置使用一连接于一平面状印刷电路板101上成平面阵列状密集分布的数个发光二极管102并通过一与之连接的控制系统以控制其分成至少一区域甚至可区分至单一发光二极管呈现发光与不发光状态，并通过一位于该等发光二极管102前方并与之紧密连接的平面状透镜系统20譬如一菲涅尔透镜以聚集该等发光二极管102所发的光至被检测目标40譬如一具组件的印刷电路板表面上任一位置，故本装置可产生高照度、聚集于一小区且均匀的照明，不但可设定检测目标任一选定位置的照明条件，并可以较深的取像视野深度，获得更清晰的影像，且可通过显示系统显示该摄影影像并借助微处理器系统与参考影像纪录比对以发现并纪录该受检处所有无差异，并可予以记录于该微处理器系统，以资存查。
本发明已改善以往现有技术光度不均匀、不够强或发光二极管分布不够密集等诸多缺点，不但可用于安装电子元件于印刷电路板上的制程中任一阶段，以检测印刷电路板及其上组件有否暇疵，诸如错件、漏装、安装不牢固等，并可用于其它须光学检测表面的物品上，如芯片上尘埃粒子的检测等。
权利要求
1.一种检测印刷电路板的装置，其特征在于，包含一照明系统，具一平板型印刷电路板、数个发光元件以平面阵列方式密集分布及连结于该平板型印刷电路板上，并可按距离该照明系统一参考中心点远近区分为至少一区域；一控制系统，连接于该照明系统，其中该照明系统的该等数个发光元件可由该控制系统选择该至少一区域发光以照明；以及一平面状透镜系统，具至少一平面状透镜置于该照明系统前并与的紧密连结，以聚集该数个发光元件所发的光至该印刷电路板上任一位置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该数个发光元件为发光二极管。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该平面状透镜为菲涅尔透镜。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包含一摄影机系统，具至少一摄影机以接收自该印刷电路板上所反射的该等数个发光元件所发的光。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该摄影机分别安装于该照明系统的该参考中心点正后方及分别与该参考中心点等距的数个位置的正后方；该至少一区域可依与该照明系统的该参考中心点间距离区分为一中央区及至少一周边区；该至少一区域除该中央区外，其余周边区中的任一可进一步包含依距离该照明系统的该中心点远近及方向所划分的至少一区域；该控制系统以控制该至少一区域中的该数个发光元件中的任一为发光与不发光两者之一及该摄影机系统的该摄影机中的任一为启动与不启动两者之一以控制该照明系统照射于该印刷电路板上任一位置的一照明条件组合包括投射方向、角度、照度及于该至少一区域至少有一区域具一个以上的发光元件为发光时，由该至少一摄影机中选择至少一摄影机以纪录该照明系统照射于以该位置为中心一特定范围的影像；该特定范围大小取决于该摄影机的一传感器的尺寸与检测分辨率的需求；该装置进一步包含一显示器系统具至少一显示器，以将该影像显示于一显示屏上；及/或该装置进一步包含至少一微处理器系统，以将该影像与该特定范围一参考的影像纪录做一比较以决定是否有差异并予记录。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该印刷电路板是指一安装电子元件制程中任一阶段的印刷电路板。
7.一种使用一具一在平面上按至少一区域密集排列数个发光二极管的照明系统、一至少一平面状透镜组成的透镜系统、一至少一摄影机的摄影机系统、一控制系统、一至少一微处理器的微处理器系统及一至少一显示器的显示系统的装置以检测一印刷电路板的方法，其特征在于，该方法包含下列步骤(a)选择该印刷电路板上某一位置；(b)适应以该位置为参考中心一特定范围内该印刷电路板构型设定一照明条件组合包括投射方向、角度、照度；(c)运用该控制系统使该照明系统的该至少一区域中至少一个以上区域有一个以上的该发光二极管发光，并经该照明系统的该平面状透镜以将所产生的光聚集于该选择的位置，以产生该设定的照明条件于该选择的位置；(d)适应该选择位置的照明，于该至少一区域至少有一区域有一个以上的该发光元件发光时，运用该控制系统由该至少一摄影机中启动至少一摄影机以纪录该照明系统照射于该任一位置的摄影影像；(e)适应该选择位置的该照明条件组合，将该等启动摄影机对该选择位置的该摄影影像显示于该显示系统的一显示屏上；以及(f)自该微处理器系统将该选择位置一参考的影像纪录取出，并与该摄影影像比较，以决定是否有差异存在；(g)将该选择位置该摄影影像与参考影像比较结果是否有差异，纪录于该微处理器系统。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该摄影机系统的至少一摄影机，分别安装于该照明系统的一参考中心点正后方及分别与该参考中心点等距的至少一位置的正后方。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该步骤(c)中该平面状透镜为一菲涅尔透镜，装置于该数个发光二极管前并与之紧密连结，以聚集该数个发光二极管所发的光至该印刷电路板上的任一位置。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该印刷电路板是指一安装电子元件制程中任一阶段的印刷电路板。
全文摘要
本发明涉及一种用于印刷电路板光学检测的装置及其方法，该装置包含一照明系统，一控制系统，及一平面状透镜系统，该照明系统具一平板型印刷电路板、数个发光元件以平面阵列方式密集分布及连结于该平板型印刷电路板上，并可按距离该照明系统一中心点远近区分为至少一区域，该控制系统，连接于该照明系统，其中该照明系统的该等数个发光元件可由该控制系统选择任意个该至少一区域发光以照明，以及该平面状透镜系统，具至少一平面状透镜置于该照明系统前并与之紧密连结，以聚集该数个发光元件所发的光至该印刷电路板上任一位置。该检测装置及方法可用于一安装电子元件于印刷电路板的制程中。
文档编号G01N21/00GK1568132SQ0314913
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者林栋 申请人:德律科技股份有限公司