自動光学検査（AOI）：定義、仕組み、重要性

目次: 自動光学検査の定義 | AOIの役割 | AOIが検査する内容 | AOIと他の検査方法の比較 | 徹底検査済みPCBのためにミレニアムサーキッツへお問い合わせ

プロジェクトでプリント基板（PCB）を使用する際、それらが良好に機能しクライアントを満足させることを確信する必要があります。PCBの欠陥をテストし、意図した通りに機能することを保証する信頼できる方法を持つことは不可欠です。

プリント基板はより小型かつ複雑になっています。今日のPCBには数千の半田接合部と多数の微小部品が含まれる場合があります。その複雑さの増大は、エラーの可能性を高める可能性があります。標準的な目視検査では、密集した基板の微小な欠陥を検出するのに十分でない場合、自動光学検査（AOI）のような技術がより大きな洞察と精度を提供します。

自動光学検査の定義

AOIをどう定義するか？ 自動光学検査は、光イメージングを使用するマシンスキャナによる完成回路基板の視覚検査です。作業品質を評価し、PCBが購入と使用に適していることを保証します。

AOIシステムは通常、多くの光源と複数のカメラ（ビデオカメラを含む場合も）を含みます。光源はPCBをさまざまな角度から照らし、カメラは評価のための包括的な画像を作成するために写真やビデオを撮影します。

AOI測定は一般的に、人間の目視検査の必要性なく、デバイスを自律的にスキャンするマシンスキャナを使用します。スキャナは、重要な部品の欠如のような壊滅的な故障を引き起こす可能性のある欠陥をチェックでき、またPCBの品質と性能を低下させるより小さな欠陥もテストできます。これらの小さな欠陥には、わずかにミスアライメントされたコンポーネントや、間違ったサイズや形状を形成する半田付けなどの問題が含まれます。

AOIは多くの異なる生産段階で有用です。ベアボード検査、半田ペースト検査、リフロー前、リフロー後に適しています。これらの各段階はPCB基板の設計に欠陥を導入する可能性があり、AOIは欠陥のある基板で生産がさらに進行する前にそれらを捕捉します。

実用的な観点からは、ほとんどのAOIは後工程で行われます。理由は、AOIが単一システムで多くの種類の欠陥を同時に検査できるからです。プロセスの各ステップ後に検査するよりも、1回の包括的な検査の方が時間がかかりません。AOIを最終チェックとして使用すると、生産がより速く進み、より高い生産性と期限厳守が可能になります。後工程段階でAOIが欠陥を発見した場合、不良基板はリワークに戻り、残りの基板は前進します。

AOIの役割

AOIはPCB生産で重要な役割を果たします。複雑な電気アプリケーションで必要とされる高性能を各基板が発揮できることを保証します。

AOIがPCBの欠陥を発見すると、その基板を修理のために戻すフラグを立てます。このプロセスは2つの異なる方法で起こり得ます。AOIの発見が特定の施設要件に失敗する場合（例えば、基板上のすべてのラインが特定サイズ以上でなければならないという要件）。この場合、人間が発見を検査し、どの基板をさらなる作業のために戻すべきか決定します。またはAOIは、実際のPCBを完璧なPCBのコンピュータ支援設計（CAD）画像と比較できます。AOIは実際の基板が理想的な設計から逸脱している場所を自動的に検出し、リワークのためにフラグを立てます。

AOIはPCB生産に以下のメリットを提供します：

• 品質の確保： AOIにより、PCB製品が意図した通りに機能することを確信できます。製品品質を確保することは、顧客満足度の向上、ビジネスでの評判強化、クライアントに提供するサービスの価値への安心感につながります。
• 複雑な基板の評価： ミレニアムサーキッツでは、基板に100以上のコンポーネントが含まれる場合、自動的にAOIを受けます。AOIは人間の目では不可能な精度で複雑な基板設計を検査できます。
• プロセスの改善： 欠陥が不良プロセスから生じる場合、AOIで即座に欠陥を捕捉すると、欠陥のパターンを特定し、同じ欠陥を持つ数千枚の基板を生産する前にプロセスを調整できます。International Journal of Engineering and Advanced Technologyに掲載された最近の研究では、最近組み立てられた基板の欠陥を捕捉するのはベアボードの欠陥捕捉の10倍のコストだが、フィールド使用に至った基板の欠陥発見は1,000倍コストがかかると報告しています。早期にエラーを捕捉することは、将来のリワークの可能性を最小限に抑え、生産操作をより効率的にします。
• カスタマイズ性： AOIは自動化されたプロセスですが、オペレーターはスキャナに何を検査させるかを指示するパラメータを設定できます。設計仕様が変更される場合、検出する必要のある欠陥を見つけるために設定を簡単に調整できます。

AOIが検査する内容

以下はAOI中に検討される要因の一部です：

半田付け欠陥

半田付けは、一般的にスズと鉛または鉛フリー合金のような低融点合金を使用して、PCBの金属コンポーネントを接続します。このプロセスは溶接に似ていますが、金属コンポーネントを溶かしません。半田付け欠陥は、2つの金属コンポーネント間の接続が本来あるべきように形成されないときに発生します。

以下はAOIがチェックできる一般的な半田付け欠陥のいくつかです：

1. オープン回路

PCBのオープン回路は比較的一般的な欠陥で、不完全な回路が電流の流れを妨げるため問題です。回路がオープンの場合、基板は正しく機能しません。

オープン回路は、不適切に形成されたビアとトレース、またはターゲットに達しない半田付けによって発生する可能性があります。目視検査やX線イメージングでは明らかなオープン回路を検出できることがありますが、AOIはわずかにオープンな回路も特定し、適切な回路閉鎖のために基板を戻すフラグを立てます。

2. 半田ブリッジまたは半田ショート

半田ブリッジは、電気的に接続すべきでないPCB上の2つのコンポーネントを半田が接続するときに発生します。これらのブリッジは、基板生産で半田を多用しすぎたり、半田が半田フリーであるべき基板領域に浸透したりすると形成される可能性があります。

半田ブリッジは、半田が固まる前にリードから分離しないときによく発生します。リードは基板上の2つの場所を接続するように設計された金属パッドです。リードが非常に大きい、または基板に接着するペーストが多すぎる、または基板のピッチが非常に浅いために、半田が分離しない可能性があります。

半田ブリッジは、基板を通じた電流の意図された流れを妨げるため問題です。ショート回路や重要なコンポーネントやトレースの焼損を引き起こす可能性があります。また、肉眼では検出が非常に困難で、微小な半田浸透でも半田ブリッジの形成につながる可能性があります。幸い、AOIスキャンは微小な半田ブリッジさえ検出し、欠陥基板を修理のために戻します。

3. 不十分な半田

不十分な半田接合部は、生産プロセスが基板上の異なるコンポーネントを接続するために半田を少なすぎるときに発生します。時々半田はコンポーネントをまったく接続できません。これらの状況は半田スキップとして知られています。

不十分に半田付けされたコンポーネント接続が不安定な場合、安定した電気接続を形成しない可能性があり、基板の性能が低下します。半田量が非常に微小でコンポーネントを基板に保持できない場合、基板は欠落部品で終わる可能性が高く、これが壊滅的な故障につながる可能性が最も高いです。AOIは各コンポーネントの半田量をスキャンして記録するか、正しい画像と基板を比較して基板が再半田付けを必要とするかどうかを判断できます。

4. 過剰な半田

過剰な半田は、逆のことが起こるとき、つまり生産プロセスが基板に半田を多すぎるときに発生します。半田付けチップが広すぎるため、または過剰施工の結果として起こることがあります。

過剰な半田は、半田ブリッジのような不具合を引き起こす可能性があります。生産が基板上のピンに半田を多すぎるとき、そのピンが基板にくっつくのに十分濡れているかどうかを判断しにくい大きな丸い半田ボールを作成する可能性もあります。

半田ボールはサイズのせいで比較的検出しやすいですが、人間の検査員はほぼ同一の基板を数十枚見た後に1つ見逃す可能性があります。優れたAOIスキャナは過剰な半田を簡単に検出し、半田吸い取り線や半田吸い取り器でリワークのために基板を戻します。

コンポーネント欠陥

コンポーネント欠陥は、基板に取り付けられた小さな機能部品の欠陥です。以下はPCB上の一般的なコンポーネント欠陥のいくつかです：

1. リフトアップリード

リフトアップリードは、PCB上の微小な金属パッドの1つが適切に接着しないときに発生します。時々リフトアップリードは、生産中の過剰な熱や取り扱い、または基板の屈曲によって発生します。他の場合、リードが長すぎて半田と接触すると浮き上がります。

リフトアップリードは不安定であるため問題です。基板上のパッドはピンが下の銅プレートに接続することを可能にしますが、リードが浮くと、ピンは適切な接続ができません。接続不良はコンポーネント故障と基板性能の妥協を引き起こす可能性があります。

2. 欠落コンポーネント

PCBにいくつかの異なる理由でコンポーネントが欠落している可能性があります。不十分な半田付けが欠落コンポーネントにつながるか、生産プロセスが必要な部品をスキップする可能性があります。

欠落コンポーネントはPCB上の深刻な欠陥です。壊滅的な故障を引き起こす可能性が高いです。人間の目は欠落部品に気づくかもしれませんが、これが非常に重大な欠陥であるため、消費者に届く前に欠落コンポーネントを持つPCBを捕捉するために信頼できるAOIスキャナを持つことは重要です。

3. ミスアライメントまたは誤配置コンポーネント

ミスアライメントまたは誤配置は、生産プロセスがコンポーネントを誤って配置するか、配置後にコンポーネントがシフトするときに発生します。コンポーネントシフトはリフロー中によく発生します。溶融半田の上では部品が容易に滑るため、半田の表面張力が原因です。

ミスアライメントまたは誤配置コンポーネントでは、PCBはまだ動作するかもしれませんが、動作が遅くなる可能性があります。またはまったく動作しない可能性があります。ミスアライメントは肉眼では見えないほどわずかである可能性があるため、これらの欠陥を捕捉するために信頼できるAOIスキャナを持つことは不可欠です。

AOIと他の検査方法の比較

他のプロセスと比較して、AOIはPCBの欠陥検出にいくつかの利点を提供します。以下はAOIが他の検査方法に対してどのように位置づけられるかの内訳です：

1. 自動X線検査（AXI）

AXIは光イメージングの代わりにX線を使用してPCBを検査します。企業は特に複雑または高密度に構築された基板を評価するためにAXIをよく使用します。理由は、X線が材料を通過してそれらをイメージングするからです。AOIに使用される光は表面で反射するため、1つのコンポーネントが別のコンポーネントを遮る可能性があります。しかし、X線は異なる材料層を通過し、それらすべてを正確にイメージングします。

AXIは新しく洗練された技術で、その主な欠点は費用です。AXIは非常に高価なため、特に複雑または高度にクラスタ化された基板以外では使用する価値がないことがよくあります。

2. 自動レーザーテスト（ALT）測定

ALT測定は、従来の光イメージングの代わりにレーザーを使用してPCBをスキャンし測定します。レーザーからの光がPCBコンポーネントで反射すると、ALTシステムはレーザーの位置を使用して異なるコンポーネントの位置と高さを特定し、それらの反射率を評価します。AOIと同様に、ALTシステムは経験的測定を回路図または仕様セットと比較して欠陥を検出できます。

ALT測定は、半田ペーストの位置と量の評価に特に有用ですが、干渉が測定を不正確にすることがあります。

3. インサーキットテスト（ICT）

インサーキットテストは、電気プローブを使用して組み立て済みPCBがどのように機能するかを評価します。電気電流を使用して、各コンポーネントが配置され正しく機能していることを確認します。ショートとオープン回路をテストし、静電容量と抵抗のような本質的な電気的品質を評価します。

電気電流ではなくイメージングを使用するため、ICTはAOIよりも限定的な半田付け情報を提供する傾向があります。電気コンポーネントの品質を評価し、回路に影響を与える半田付け欠陥についての情報を提供できますが、不十分または過剰な半田についての詳細を提供することはできません。

AOIは一般的にインサーキットテストよりも信頼性が高く、特に今日開発されているより小型のPCBに対してです。

4. 手動目視検査（MVI）

ほとんどのPCB企業は、AOIを手動目視検査より好みます。AOIは基板に触れる必要がないからです。人間の検査員は基板を扱う必要があり、取り扱いによりそれ以外完璧な基板に欠陥を導入する可能性があります。AOIは繊細なコンポーネントを攪乱せず、構造的完全性を保持しながらPCBをスキャンできます。

AOIはまた、人間の目視検査よりも信頼性が高いです。人はPCBの小さな欠陥を簡単に見逃す可能性があります。しかし、AOIは最小のエラーさえ捕捉できます。その厳格な鋭敏さは決して低下せず、人間の目が許すよりも詳細に基板をスキャンでき、生産プロセスのすべての段階で一貫して信頼性があります。

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