Inspection optique automatisée (AOI) : définition, fonctionnement et importance

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Lorsque vous utilisez des circuits imprimés (PCB) dans vos projets, vous devez être sûr qu'ils fonctionneront bien et satisferont vos clients. Il est essentiel d'avoir un moyen fiable de tester les PCB pour les défauts et de s'assurer qu'ils fonctionnent comme prévu.

Les circuits imprimés deviennent plus petits et plus complexes — les PCB d'aujourd'hui peuvent contenir des milliers de joints de soudure et une multitude de minuscules composants. Cette complexité accrue peut donner lieu à une plus grande probabilité d'erreurs. Lorsque l'inspection visuelle standard n'est pas suffisante pour détecter les imperfections minuscules dans une carte densément peuplée, des techniques comme l'inspection optique automatisée (AOI) aident à fournir plus de précision et d'exactitude.

 

Comment définissons-nous l'inspection optique automatisée ?

Comment définissons-nous l'AOI ? L'inspection optique automatisée est une inspection visuelle de circuits imprimés terminés avec un scanner machine qui utilise l'imagerie par lumière. Elle évalue la qualité de la fabrication pour s'assurer que les PCB sont appropriés pour l'achat et l'utilisation.

Un système AOI contient généralement de nombreuses sources de lumière et plusieurs caméras, parfois incluant des caméras vidéo. Les sources de lumière illuminent un PCB sous différents angles, et les caméras prennent des photos ou des vidéos pour créer une image complète pour l'évaluation.

La mesure AOI utilise généralement un scanner machine pour scanner l'appareil de manière autonome, sans besoin d'inspection visuelle humaine. Le scanner peut vérifier les défauts qui pourraient causer une défaillance catastrophique — comme l'absence d'un composant critique — et peut également tester les défauts plus petits qui diminueraient la qualité et la performance du PCB. Ces défauts plus petits peuvent inclure des problèmes tels que des composants légèrement mal alignés ou une soudure qui forme une mauvaise taille ou forme.

L'AOI est utile à de nombreux stades de production différents. Elle fonctionne bien pour l'inspection de carte nue, l'inspection de pâte à souder, pré-refusion et post-refusion. Chacun de ces stades peut introduire des défauts dans la conception d'une carte PCB, et l'AOI aide à les attraper avant que la production ne progresse davantage sur une carte défectueuse.

Pratiquement, cependant, la plupart des AOI ont lieu en post-production. La raison est que l'AOI peut utiliser un seul système pour inspecter de nombreux types de défauts en même temps. Il faut moins de temps pour faire une inspection complète que pour inspecter après chaque étape du processus. Utiliser l'AOI comme vérification finale aide la production à avancer plus vite et permet une productivité plus élevée et le respect des délais. Et si l'AOI révèle des défauts au stade post-production, les cartes défectueuses peuvent retourner pour retouche tandis que le reste des cartes avance.

Le rôle de l'AOI

L'AOI joue un rôle critique dans la production PCB. Elle s'assure que chaque carte est capable de la haute performance requise dans les applications électriques complexes.

Lorsque l'AOI découvre un défaut dans un PCB, elle signale la carte pour qu'elle retourne en réparation. Ce processus peut se produire de plusieurs façons. Les résultats de l'AOI peuvent ne pas répondre à des exigences spécifiques de l'installation — une exigence que toutes les lignes sur une carte doivent être supérieures à une certaine taille, par exemple. Dans ce cas, les humains peuvent inspecter les résultats et déterminer quelles cartes doivent retourner pour un travail supplémentaire. Ou l'AOI peut comparer le PCB réel à une image de conception assistée par ordinateur (CAO) d'un PCB parfait. L'AOI peut détecter automatiquement les endroits où la carte réelle s'écarte de la conception idéale et la signaler pour retouche.

L'AOI fournit les avantages suivants pour la production PCB :

• Assurance qualité : L'AOI vous permet d'être sûr que vos produits PCB fonctionnent comme prévu. Assurer la qualité de vos produits vous aide à augmenter la satisfaction client, à améliorer votre réputation dans le secteur et à avoir l'esprit tranquille sur la valeur du service que vous offrez à vos clients.
• Évaluation d'une carte complexe : Chez Millennium Circuits, si l'une de nos cartes contient plus de 100 composants, elle subit automatiquement l'AOI. L'AOI peut inspecter des conceptions de cartes complexes avec un degré de précision que l'œil humain ne peut pas égaler.
• Amélioration des processus : Si les défauts résultent de processus défectueux, attraper les défauts immédiatement via l'AOI peut vous aider à identifier des modèles de défauts et à ajuster vos processus avant de produire des milliers de cartes avec les mêmes fautes. Une étude récente publiée dans l'International Journal of Engineering and Advanced Technology rapporte qu'attraper un défaut dans une carte récemment assemblée ne coûte que 10 fois plus cher qu'attraper un défaut dans une carte nue, mais trouver un défaut dans une carte qui est passée en utilisation sur le terrain coûte 1 000 fois plus cher. Attraper les erreurs tôt minimise la probabilité de retouches futures et rend vos opérations de production plus efficaces.
• Personnalisation : L'AOI est un processus automatisé, mais l'opérateur peut définir les paramètres pour dire au scanner quoi inspecter. Si vos spécifications de conception changent, il est facile d'ajuster vos paramètres pour détecter les défauts dont vous avez besoin.

 

Ce que l'AOI examine

Voici quelques-uns des facteurs examinés lors d'un AOI :

 

Défauts de soudure

La soudure utilise un alliage à bas point de fusion, couramment étain et plomb ou un alliage sans plomb, pour connecter les composants métalliques d'un PCB. Le processus est similaire au soudage, sauf qu'il ne fait pas fondre les composants métalliques. Les défauts de soudure se produisent lorsque les connexions entre deux composants métalliques ne se forment pas comme elles le devraient.

Voici quelques défauts de soudure courants que l'AOI peut vérifier :

 

1. Circuits ouverts

Les circuits ouverts dans un PCB sont des défauts relativement courants, et ils sont problématiques car un circuit incomplet empêche le courant électrique de circuler. Lorsqu'un circuit est ouvert, la carte ne fonctionnera pas correctement.

Les circuits ouverts peuvent survenir en raison de vias et pistes mal formés ou à cause d'une soudure qui n'atteint pas ses cibles. Une inspection visuelle ou une imagerie par rayons X peut parfois détecter un circuit ouvert évident, mais l'AOI peut identifier même des circuits légèrement ouverts et signaler pour que la carte soit renvoyée pour une fermeture correcte du circuit.

 

2. Ponts de soudure ou courts-circuits de soudure

Les ponts de soudure se produisent lorsque la soudure connecte deux composants sur un PCB qui ne devraient pas se connecter électriquement. Ces ponts peuvent se former lorsque la production de carte utilise trop de soudure ou lorsque la soudure s'infiltre dans une zone de la carte destinée à rester sans soudure.

Les ponts de soudure se produisent souvent lorsque la soudure ne se sépare pas de ses plots avant de se solidifier. Les plots sont les plots métalliques conçus pour connecter deux emplacements sur la carte. La soudure peut ne pas se séparer parce que les plots sont si grands, ou parce qu'ils ont trop de pâte les collant à la carte, ou parce que le pas de la carte est extrêmement faible.

Les ponts de soudure sont problématiques car ils perturbent le flux de courant prévu à travers la carte. Ils peuvent causer des courts-circuits ou brûler des composants ou pistes critiques sur la carte. Ils sont également notoirement difficiles à détecter à l'œil nu — même une infiltration microscopique de soudure peut mener à la formation d'un pont de soudure. Heureusement, le scanner AOI peut détecter même de minuscules ponts de soudure et renvoyer les cartes défectueuses pour réparations.

 

3. Soudure insuffisante

Un joint de soudure insuffisant se produit lorsque le processus de production utilise trop peu de soudure pour connecter différents composants à la carte. Parfois, la soudure ne parvient pas à connecter les composants du tout — ces situations sont appelées sauts de soudure.

Lorsque les connexions de composants insuffisamment soudées sont instables, elles peuvent ne pas former de connexions électriques stables, donc la performance de la carte sera médiocre. Et si la quantité de soudure est si minime qu'elle ne peut pas maintenir les composants sur la carte, la carte se retrouvera avec des pièces manquantes, ce qui entraînera très probablement une défaillance catastrophique. Un AOI peut scanner et noter la quantité de soudure sur chaque composant ou comparer la carte à une image correcte pour déterminer si la carte nécessite une resoudure.

 

4. Excès de soudure

L'excès de soudure se produit lorsque l'opposé se produit — le processus de production met trop de soudure sur la carte. Cela se produit parfois parce que les pointes de soudure utilisées sont trop larges, ou peut résulter d'une surapplication.

L'excès de soudure peut causer de nombreuses difficultés, y compris des malformations comme les ponts de soudure. Lorsque la production applique trop de soudure sur une broche de la carte, elle peut aussi créer une grosse boule de soudure ronde qui rend difficile de dire si la broche est suffisamment mouillée pour coller à la carte.

Les boules de soudure sont relativement faciles à détecter en raison de leur taille, mais un inspecteur humain peut en manquer une après avoir regardé des douzaines de cartes presque identiques. Un bon scanner AOI peut facilement détecter l'excès de soudure et renvoyer la carte pour retouche avec une pompe à dessouder ou une tresse à dessouder.

Défauts de composants

Les défauts de composants sont des fautes dans les petites pièces fonctionnelles attachées à une carte. Voici quelques défauts de composants courants sur les PCB :

 

1. Plot soulevé (Lifted Lead)

Un plot soulevé se produit lorsque l'un des minuscules plots métalliques sur un PCB n'adhère pas correctement. Parfois, un plot soulevé se produit en raison de chaleur excessive ou de manipulation pendant la production ou à cause de la flexion de la carte. D'autres fois, cela résulte lorsque les plots sont trop longs et se soulèvent lorsqu'ils entrent en contact avec la soudure.

Les plots soulevés sont problématiques car ils sont instables. Les plots sur votre carte permettent aux broches de se connecter à la plaque de cuivre en dessous, mais si le plot se soulève, les broches ne pourront pas faire les connexions appropriées. Les connexions manquées peuvent causer une défaillance de composant et compromettre la performance de la carte.

 

2. Composants manquants

Un PCB peut manquer un composant pour plusieurs raisons différentes. Une soudure inadéquate peut mener à des composants manquants, ou le processus de production peut sauter une pièce nécessaire.

Un composant manquant est un défaut grave sur un PCB — il est susceptible de causer une défaillance catastrophique. L'œil humain peut remarquer les pièces manquantes, mais comme c'est une faute si conséquente, avoir un scanner AOI fiable est critique pour attraper les PCB avec des composants manquants avant qu'ils n'atteignent les consommateurs.

 

3. Composant mal aligné ou mal placé

Le mauvais alignement ou le mauvais placement peut se produire lorsque le processus de production place les composants incorrectement ou lorsque les composants se déplacent après le placement. Le déplacement des composants est courant pendant la refusion car il est facile pour les pièces de bouger sur la soudure fondue — la tension superficielle de la soudure signifie que les composants peuvent facilement glisser.

Avec un composant mal aligné ou mal placé, le PCB peut encore fonctionner, mais il peut fonctionner lentement. Ou il pourrait ne pas fonctionner du tout. Les mauvais alignements peuvent être trop légers pour être vus à l'œil nu, donc avoir un scanner AOI fiable est essentiel pour attraper ces défauts.

Comment l'AOI se compare-t-elle aux autres méthodes d'inspection ?

En comparaison avec d'autres processus, l'AOI offre plusieurs avantages pour la détection des défauts dans les PCB. Voici une ventilation de la façon dont l'AOI se compare aux autres méthodes d'inspection :

 

1. Inspection automatisée par rayons X (AXI)

L'AXI utilise les rayons X au lieu de l'imagerie par lumière pour inspecter les PCB. Les entreprises utilisent souvent l'AXI pour évaluer des cartes particulièrement complexes ou densément construites. La raison est que les rayons X traversent les matériaux pour les imager. Parce que la lumière utilisée pour l'AOI se reflète sur les surfaces, il est possible qu'un composant en bloque un autre. Un rayon X traverse différentes couches de matériau, cependant, les imagerie toutes avec précision.

L'AXI est une technologie nouvelle et sophistiquée, et son principal inconvénient est son coût. Parce que l'AXI est si coûteux, il n'est souvent pas rentable de l'utiliser sauf avec des cartes particulièrement compliquées ou hautement groupées.

 

2. Mesure par test laser automatisé (ALT)

La mesure ALT utilise des lasers au lieu de l'imagerie par lumière traditionnelle pour scanner et mesurer les PCB. Alors que la lumière des lasers se reflète sur les composants PCB, le système ALT utilise les positions des lasers pour localiser le positionnement et la hauteur de différents composants et évaluer leur réflectivité. Comme avec l'AOI, le système ALT peut comparer les mesures empiriques à un schéma ou un ensemble de spécifications pour détecter les défauts.

La mesure ALT est particulièrement utile pour évaluer l'emplacement et la quantité de pâte à souder, bien que des interférences puissent parfois rendre les mesures inexactes.

 

3. Test en circuit (ICT)

Le test en circuit utilise une sonde électrique pour évaluer comment un PCB assemblé fonctionnera. Il utilise un courant électrique pour vérifier que chaque composant est en place et fonctionne correctement. Il teste les courts-circuits et circuits ouverts et évalue des qualités électriques essentielles comme la capacitance et la résistance.

Parce qu'il utilise le courant électrique plutôt que l'imagerie, l'ICT tend à donner des informations de soudure plus limitées que l'AOI. Il peut évaluer la qualité des composants électriques et fournir des informations sur les défauts de soudure qui affectent le circuit, mais il ne peut pas offrir beaucoup de détails sur la soudure insuffisante ou excessive.

L'AOI est généralement plus fiable que le test en circuit, surtout pour les PCB plus petits développés aujourd'hui.

 

4. Inspection visuelle manuelle (MVI)

La plupart des entreprises PCB préfèrent l'AOI à l'inspection visuelle manuelle car l'AOI ne nécessite pas de toucher les cartes. Un inspecteur humain doit manipuler les cartes, et la manipulation pourrait introduire des défauts dans une carte par ailleurs parfaite. L'AOI peut scanner les PCB sans perturber leurs composants délicats et préserver leur intégrité structurelle.

L'AOI est également plus fiable que l'inspection visuelle humaine. Une personne peut facilement manquer un petit défaut dans le PCB. Mais l'AOI peut attraper même les plus infimes erreurs. Son acuité rigoureuse ne diminue jamais, elle peut scanner la carte avec plus de détails que l'œil humain ne le permet, et elle est constamment fiable à tous les stades du processus de production.

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