AOI（自動光学検査）システムは、プリント回路の製造にどのように適用されるのか
約112年の努力を経て、自動光学検査システム（AOI）がようやくプリント基板（PCB）の生産ラインに正常に適用されるようになりました。この期間中、AOIサプライヤーの数は急増し、さまざまなAOI技術も著しい進歩を遂げました。現在、シンプルなカメラシステムから複雑な3D X線検査システムまで、多くのサプライヤーが、すべての自動生産ラインに適用できるAOI装置をほぼ提供できるようになっています。
過去10年間で、はんだペーストプリンターとSMT実装機の性能が向上し、製品組立の速度、精度、信頼性が向上しました。これにより、大手メーカーの歩留まりが向上しました。コンポーネントメーカーが提供するSMTパッケージコンポーネントの増加も、プリント回路基板組立ラインの自動化を促進しました。SMTコンポーネントの自動実装は、生産ラインでの手動組立中に発生する可能性のあるエラーをほぼ完全に排除できます。
PCB製造業界では、コンポーネントの小型化と高密度化が常に発展のトレンドとなっています。これにより、メーカーは生産ラインにAOI装置を設置するようになりました。手作業に頼って、高密度に配置されたコンポーネントの信頼性と一貫性のある検出を行い、正確な検出記録を保持することがもはや不可能になったためです。一方、AOIは、繰り返し精密な検査を行うことができ、検査結果の保存とリリースもデジタル化できます。
多くの場合、プロセスエンジニアによるはんだペーストプリンターと組立プロセスの検査と調整により、生産ラインのはんだペースト汚染率（飛散率）をわずか数ppm（parts per million）に抑えることができます。高出力/低混合の生産ラインでは、典型的なはんだペースト汚染率は20ppmから150ppmの間です。実際の経験から、プリント回路基板サンプルをサンプリングしてテストするだけでは、すべてのはんだペーストの汚染を検出することは困難であることが示されています。すべての回路基板に対して100％検査を実施することによってのみ、より広範な検査範囲を保証し、統計的プロセス制御（SPC）を達成できます。
多くの場合、特定のタイプのはんだペースト汚染のごく一部しか実際には存在せず、これらの汚染物質の発生は、特定の生産設備に関連付けられます。多くの場合、はんだペースト汚染の発生を特定のデバイスに帰属させることもできます。ただし、コンポーネントのオフセット（リフロープロセス中の自己修正効果による）などの一部の変数については、特定の生産ステップまで遡って追跡することは不可能です。したがって、すべてのはんだペースト汚染を検出するには、生産ラインの各生産ステップで100％検査を実施する必要があります。しかし、実際には、経済的な理由から、PCBメーカーは各プロセスが完了するたびにすべての回路基板をテストすることはできません。したがって、プロセスエンジニアと品質管理マネージャーは、検査への投資と生産量の増加によってもたらされるメリットとの最適なバランスを慎重に検討する必要があります。
一般的に、図1に示すように、生産ラインの4つの生産ステップのいずれかの後にAOIを効果的に適用できます。以下の段落では、SMT PCB生産ラインの4つの異なる生産ステップ後のAOIの適用についてそれぞれ紹介します。AOIを大きく分けて、問題の予防と問題の検出の2つのカテゴリに分類できます。以下の説明では、はんだペースト印刷後、（表面実装）デバイス実装後、コンポーネント実装後の検査は問題の予防として分類でき、最後のステップであるリフローはんだ付け後の検査は問題の検出として分類できます。これは、このステップでの検査では欠陥の発生を防止できないためです。
• はんだペースト印刷後：欠陥のあるはんだ付けは、多くの場合、欠陥のあるはんだペースト印刷に起因します。この段階では、PCB上の溶接欠陥を簡単かつ経済的に除去できます。ほとんどの2D検出システムは、はんだペーストのオフセットとスキュー、はんだペースト領域の不足、はんだの飛散、および短絡を監視できます。3Dシステムは、はんだの量も測定できます。
• （チップ）デバイスの実装後：この段階での検出では、コンポーネントの欠落、変位、（チップ）デバイスのスキュー、および（チップ）デバイスの方向性の誤りを検出できます。この検出システムは、近接ピッチおよびボールグリッドアレイ（BGA）コンポーネントを接続するために使用されるパッドのはんだペーストもチェックできます。
• コンポーネント実装後：装置がコンポーネントをPCBに実装した後、検出システムはPCB上のコンポーネントの欠落、オフセット、およびスキューをチェックし、コンポーネントの極性のエラーも検出できます。
• リフローはんだ付け後：生産ラインの最後に、検出システムは、コンポーネントの欠落、オフセット、およびスキュー、およびすべての極性に関する欠陥をチェックできます。システムは、はんだ接合部の正確さ、およびはんだペーストの不足、はんだ付け中の短絡、および浮き足などの欠陥も検出する必要があります。
必要に応じて、ステップ2、3、および4で検出のために光学式文字認識（OCR）および光学式文字検証（OCV）方法を追加することもできます。
さまざまな検出方法の長所と短所に関するエンジニアとメーカーの議論は常に尽きません。実際、選択の主な基準は、コンポーネントとプロセスのタイプ、故障スペクトル、および製品の信頼性の要件に焦点を当てる必要があります。多くのBGA、チップスケールパッケージング（CSP）、またはフリップチップコンポーネントが使用されている場合、検出システムの有効性を最大化するために、最初のステップと2番目のステップに適用する必要があります。さらに、第4段階後に検査を実施することで、ローエンドの消費者向け製品の欠陥を効果的に特定できます。航空宇宙、医療、安全製品（自動車用エアバッグ）に使用されるPCBSの場合、非常に厳しい品質要件があるため、生産ラインの多くの場所、特に2番目と4番目のステップの後に検査を実施する必要がある場合があります。このタイプのPCBには、X線検査を選択できます。
生産ラインで使用されるAOIを評価する場合、検出のみを実行できるシステムと、測定を実行できるシステムを区別する必要があります。
コンポーネントの欠落や配置の誤りなどの欠陥のみを検索できる検出システムは、プロセス制御のためのツールを提供できないため、PCBSの生産プロセスを改善するために使用することはできません。エンジニアは、依然として生産プロセスを手動で調整する必要があります。ただし、これらの検出システムは高速で安価です。
一方、測定システムは、各コンポーネントの正確なデータを提供でき、生産プロセスパラメータの測定に非常に重要です。これらのシステムは検出システムよりも高価ですが、SPCソフトウェアと統合すると、測定システムは生産プロセスを改善するために必要な情報を提供できます。
全体として、エラー報告の精度率、つまり真のエラー（正確なエラー報告）と誤報（誤ったエラー報告）の比率のみに基づいて検出システムの品質を評価することは包括的ではありません。測定システムを評価するには、より小さな許容範囲内での測定システムの精度の評価結果にも依存する必要があります。統計的プロセス制御
最後に、AOIシステムからのデータを効果的に使用して生産プロセスを制御し、それによって企業がより高い出力とより大きな利益を達成できるようにするには、次の情報を習得する必要があります。
• 正確な測定データ
• 再現性と反復性のある測定
• 時間と空間におけるイベントの測定に近い
• リアルタイムの測定プロセスと、生産プロセスに関連するすべての情報
印刷または実装プロセス中にAOIシステムをインストールすると、生産プロセス中に蓄積された他のプロセス変数を排除できます。リフローはんだ付け後にコンポーネントの位置がずれているかどうかを測定すると仮定すると、収集したデータは実装プロセスの精度を反映できません。実装後とリフローはんだ付け後の両方で結果を測定する必要があります。ただし、この情報は、デバイスの実装を制御するのにほとんど役に立ちません。監視開発の傾向を考えると、監視する必要があるプロセスの近くにAOIシステムをインストールすると、次のステップに進むパラメータをすばやく修正できます。同時に、近距離検出により、検出プロセス前の不適合PCBSの数を減らすこともできます。
エレクトロニクス業界のほとんどのAOIユーザーは、依然としてはんだ付け後の検査にのみ焦点を当てていますが、コンポーネントとPCBSの小型化の将来の傾向には、より効果的なクローズドループプロセス制御が必要になります。効果的な検出および測定ソリューションを提供できるAOIシステムは、ますます多くのユーザーを魅了し、エンジニアもそのようなシステムへの投資をより価値のあるものと見なすようになります。すべての顧客にとって、AOIは製品生産ラインの改善と完成品の歩留まりの向上において重要な役割を果たし続けます。
