Omron e la Tecnologia MultiColor nell'Ispezione

Omron è sicuramente la società che, più di tutti, ha influenzato nel corso degli anni le linee guida per l’evoluzione delle tecnologie che gravitano intorno al mondo dell’ispezione ottica automatica per schede assemblate nel processo SMD.

Il lavoro svolto all’interno della Divisione Omron Inspection Systems capitalizzando del background di altre divisioni, in particolare della sezione Omron Healthcare dedicata al settore biomedicale, ha permesso di creare, ormai quasi 20 anni or sono, la base della tecnologia che, continuamente evoluta, ancora oggi è fondamentale per la valutazione della qualità della forma del menisco di saldatura, adottata successivamente anche da numerosi altri costruttori.

La sfida, sin dall’inizio degli sviluppi dell’Ispezione Ottica Automatica, è stata quella di poter valutare la forma e dimensione del menisco di saldatura dei componenti; tale valutazione, a causa delle tipiche caratteristiche della saldatura, per sue tipiche caratteristiche presenta numerosi ostacoli. Ad esempio, si può osservare che le forme dei menischi di saldatura sono fortemente influenzate dalle forme e dimensioni dei componenti cui sono legate, oppure che la posizione relativa degli elementi saldati è sempre leggermente diversa ed infine che la superficie delle saldature è caratterizzata da una superficie parzialmente lucida, in grado di riflettere anche in modo discontinuo la luce che la illumina.

Quali sono le basi della tecnologia?

La tecnologia di ispezione sviluppata da Omron si basa sull’utilizzo di un particolare illuminatore multicolore, dove le sorgenti di luce colorata presentano una specifica angolazione rispetto al piano della scheda. Una telecamera con ottica telecentrica inquadra i giunti di saldatura dalla verticale; in questo modo l’immagine di ogni saldatura verrà osservata come colorata, ed i colori che contraddistinguono le varie aree che compongono la superficie del menisco dipenderanno dall’angolazione dell’area stessa.
ispezione AOI di Omron - menisco saldatura concavo

Menisco di saldatura concavo con i colori a contraddistinguere la sua forma.

Visione della proiezione colore e angolo
In particolare, nella prima implementazione di questa tecnologia, l’inclinazione delle luci colorate era caratterizzare dal presentare il colore rosso inclinato di 90° rispetto al piano della scheda, il verde meno inclinato ed il blu quasi parallelo al piano della scheda. In questo modo le porzioni di saldatura “piatte” risultano rosse e cambiano passando attraverso gli arancioni, i gialli, i verdi, gli azzurri per giungere sino al blu, corrispondente alle porzioni verticali. I rossi, quindi, nel caso di una saldatura ben realizzata si trovano sul bordo esterno della piazzola mentre l’estremo opposto, ovvero il blu, in corrispondenza dell’attacco del giunto 2/11 al componente. Poiché la telecamera era sin dall’inizio in grado di campionare 16 milioni di colori, si può comprendere come questa tecnica rendesse possibile osservare anche minime variazioni di forma, che gli algoritmi potevano con precisione riconoscere come saldature ben realizzate piuttosto che difetti.

La Prima Generazione di Sistemi AOI Omron, VT-RNS e VT-WIN

Questo metodo di indagine permette una valutazione della forma del giunto di saldatura senza essere in alcun modo 3D, ovvero prescindendo completamente dalle dimensioni in altezza dei componenti, ma al contempo non risente della lucentezza e riflessione tipiche delle saldature.
La valutazione condotta dagli algoritmi nelle prime versioni di sistemi Omron (VT-RNS e VT-WIN) era puramente qualitativa, non eseguiva pertanto alcuna misura numerica ma si limitava quindi a comprendere la “forma” del giunto e stabilire se quest’ultimo era entro la tolleranza o meno.

La risoluzione, ovvero la dimensione di ogni singolo pixel, poteva essere scelta, a seconda delle esigenze, fra 10, 15 e 20um in fase di configurazione iniziale del sistema; minor dimensione del pixel significa miglior capacità di osservare oggetti piccoli, ma inferiore dimensione del Field Of View, quindi minor velocità di ispezione.
Occorre osservare che la versione da 15um è quella che ebbe la maggior diffusione, in quanto realizzava il miglior compromesso fra velocità ed accuratezza.
Gli algoritmi di ispezione, partendo dal conteggio del numero di pixel suddivisi per aree e colore, potevano ricostruire la forma di ogni singolo giunto, per determinare se fossero corretti o meno.

Questa famiglia di sistemi ha introdotto una tecnologia affidabile, ripetibile e facilmente programmabile da parte degli operatori; la fotografia che il sistema inviava alla stazione di riparazione era facilmente interpretabile e rendeva semplice il compito dell’operatore di riparazione nello scremare le false chiamate dagli errori veri. Per numerosi anni, in virtù del Copyright imposto da Omron, le prestazioni di questi sistemi sono risultate inarrivabili da parte degli altri costruttori, che non potevano adottare la stessa tecnologia scoperta e messa a punto dal costruttore Giapponese.

Sistemi AOI Omron VT-S730 e VT-S530 – Introduzione dell’ispezione 3D ed evoluzione dell’analisi basata sui Colori

I limiti di una ispezione solamente 2D, che la tecnologia Multicolore permetteva, sono però emersi con il tempo, ed Omron ha continuato ad alzare l’asticella che il suo gruppo R&D si era posto come risultato finale.

In particolare, per aumentare precisione, stabilità e ripetibilità dell’ispezione, si è voluta introdurre la capacità di “discretizzare” il lavoro degli algoritmi, ovvero di tradurre quanto osservato dal sistema ottico in reali “misure numeriche” da utilizzarsi per meglio distinguere PASS e FAIL.

Il primo passo in tale direzione è stato fatto implementando, nelle famiglie di sistemi S730 e S530, la capacità di eseguire misure 3D, realizzata prevedendo due proiettori con tecnologia “Moire” che, inoltre, incorporavano
a gestione multifrequenza applicata ai fasci di luce.

Il principio fondamentale sul quale questa tecnologia si basa è illustrato nelle figure seguenti.
Un fascio di luce incidente il corpo del componente ed il sottostante circuito stampato risulta, come osservato da una telecamera posta in posizione verticale, in due proiezioni sfalsate di una misura δd che è legata all’angolo di inclinazione della luce α ed all’altezza del componente Z.
Misurando il valore di δd e conoscendo α, l’altezza Z può essere calcolata.

ispezione AOI di Omron con angolatura della luce di ispezione
Vista dello sfasamento del fascio di luce
Nella realtà il singolo fascio è realizzato da una “serie di fasci angolati” fra loro paralleli, la cui distanza, grazie alla tecnologia “multifrequenza” (MPS: Multi Phase Shift), cambia nel tempo e da componente a componente, per rendere la misura insensibile ad artefatti ottici e quindi minimizzare le imprecisioni rendendo le misure precise e stabili.
Superficie CS illuminate da proiettori MPS
 

 

 

 

 

 

 

Viste della superficie del CS illuminata dai proiettori MPS per sfruttare l’effetto Moire: si notino le fitte linee illuminate, orizzontali e verticali, che i proiettori stessi cambiano in distanza e frequenza per ottimizzare l’esecuzione delle misure in Z.

 

 

Immagine ingrandita di un componente, dove è evidenziato lo sfasamento fra la linea luminosa incidente la faccia superiore del corpo del componente stesso e la medesima linea però incidente il Circuito Stampato.

Ingrandimento Componente Circuito Stampato
Forma corretta menisco saldatura
Forma non corretta menisco saldatura

 

 

 

Nel caso di una forma corretta del menisco, questo deve presentare un angolo di attacco al componente molto basso (idealmente pari a 0°) così come molto basso (idealmente 0°) dovrebbe essere l’angolo di land wettability, come mostrato in figura.

 

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Nel caso invece di una forma dove il menisco non è legato correttamente alla piazzola ed al componente, il menisco stesso presenterà un angolo di attacco al componente molto alto (idealmente pari a 90°) così come alto (idealmente 90°) sarà l’angolo di land wettability, come mostrato in figura.

Per poter ottimizzare il tipo di ispezione e trattare nel modo idoneo le varie combinazioni possibili, è inoltre introdotta la possibilità di definire, per ogni tipologia di componente o per ogni singolo componente, il punto dove si desidera valutare gli angoli, al centro della saldatura, alle estremità oppure sul fianco del pin/componente (land center, both ends, center of side).

L’unione delle tecnologie Moire e Multicolor nell’approccio SJI amplifica le possibilità di ispezione fornendo agli utenti molteplici algoritmi per poter analizzare le più svariate combinazioni di componentistica ed associazioni piazzola-pin componente che il mondo dell’elettronica mette a disposizione; al contempo, però, incrementa la ripetibilità dei sistemi AOI di Omron, che in questo modo possono realmente divenire sistemi per il controllo di difetti e gestione qualità da installarsi in linea con pick and place e forno.

Per i sistemi S730 la risoluzione, ovvero la dimensione di ogni singolo pixel, poteva essere scelta, a seconda delle esigenze, fra 20 e 15um in fase di configurazione iniziale del sistema; per la S530 fra 15 e 10um; mentre 15um permette di ispezionare agevolmente chip sino allo 0402, la risoluzione di 10um può scendere agevolmente sino ai chip 0201.

La Nuova Generazioni di Sistemi AOI Omron: VT-S1080, VT-S1040 e VT-Z600

Ulteriori evoluzioni dell’ispezione 3D e di quella basata sui Colori

La strada tecnologica che Omron ha tracciato con i sistemi S730 e S530 ha proseguito la propria evoluzione, con l’obbiettivo di potenziare oltremodo entrambi gli approcci.

Da un lato si è lavorato sul numero e modalità di funzionamento dei proiettori Moire, che da due sono divenuti quattro, per eliminare totalmente possibili aree “nascoste” sulla superficie della scheda; si è inoltre migliorato l’approccio Multifrequenza MPS, con l’obbiettivo di renderlo oltremodo preciso ed esente da rumore in grado di alterare le misure.

Sul fronte colori, invece, è stato completamente ridisegnato il sistema di illuminazione, di fatto creando la tecnologia MDMC, Multi-Direction Multi-Color.

Il nuovo illuminatore supera alcuni vincoli delle generazioni precedenti. Con la nuova struttura non esiste più una associazione colore/angolo rigida e fissa, bensì mediante l’utilizzo di led RGB diviene possibile scegliere finemente quale colore usare, durante l’ispezione, per un ben definito angolo. In sostanza questa tecnologia consente di combinare diverse direzioni di illuminazione, colori ed intensità luminose per creare schemi di illuminazione flessibili, ben adattabili a differenti componenti ed elementi da ispezionare.

Iluminatore MDMC

 

Illuminatore MDMC

La luce prodotta da un illuminatore MDMC offre la possibilità di regolare la luce in base alla tipologia dei difetti da rilevare, combinando colori e angolazioni di illuminazione in modo simile a quanto farebbe un operatore umano. Questo approccio migliora la sensibilità nel rilevare piccoli difetti e variazioni sottili di colore, aumentando l’accuratezza delle ispezioni.

Dal punto di vista pratico, oltre ad amplificare la sensibilità del sistema AOI in relazione alla possibilità di “vedere” ogni difetto, le prestazioni del nuovo illuminatore si traducono anche nella disponibilità della luce bianca, particolarmente utile per identificare con miglior precisione le estremità delle saldature oltre alla porzione esposta della piazzola. Dall’uso della luce bianca e relativi filtri traggono benefici anche le ispezioni di polarità particolarmente complesse, così come il riconoscimento di scritte.

Grazie a questo illuminatore, è inoltre possibile osservare le porzioni di saldatura con un ulteriore colore, il magenta, caratteristico di alcune tipologie di difetto altrimenti particolarmente ostiche da rilevare. Si tratta dei menischi che, a fronte di una forma corretta forma verso l’estremità della piazzola, dal lato del pin del componente non sono invece correttamente formate e legate, caratteristiche di una connessione fredda e scarsamente affidabile.

Immagine di saldatura non legata al PIN

Saldatura non legata al pin del componente.

Immagine saldatura non legata

Immagine di saldatura non legata.

Evidenziatore magenta della saldatura non legata.

Il colore “magenta” evidenzia le aree di questo difetto.

Con un illuminatore tradizionale questo difetto risulta normalmente di un colore molto scuro, tendente al nero, in taluni casi difficilmente distinguibile dal blu che invece contraddistingue una saldatura correttamente formata nel punto di attacco al componente.

Con l’illuminatore MDMC, in virtù dei colori ed angolazioni di illuminazione a disposizione degli algoritmi di ispezione, questa circostanza diventa facilmente riconoscibile ed identificabile.

Per tutti i sistemi di nuova generazione la risoluzione, ovvero la dimensione di ogni singolo pixel, è pari a 12.5um, in grado di supportare l’ispezione di componenti sino a 0201.

Programmazione dei Sistemi, assistita da AI

La programmazione di questa famiglia di sistemi è particolarmente semplice e lineare: è sufficiente importare un tipico file di piazzamento, in formato ASCII o CSV, dove per ogni componente viene indicato il reference, il PN, la Posizione xy e la Rotazione.

Qualora le librerie siano già popolate, la fase di import potrà già associare ad ogni PN le esatte dimensioni del componente e la corretta modalità di ispezione; se così non fosse, in modo altrettanto guidato, l’operatore potrà eseguire l’associazione, che verrà ricordata per la volta successiva.

Lo step seguente sarà chiedere al sistema di eseguire l’acquisizione dell’immagine di una scheda nuda e di una scheda popolata. Dalla scheda nuda il SW ricaverà l’esatta posizione e dimensione delle piazzole; dall’acquisizione della scheda popolata ricaverà una serie di informazioni inerenti i componenti, sovrapponendole a quelle relative alle piazzole.

Esempio forma dimensione piazzole.

Dopo aver eseguito l’acquisizione della scheda nuda, il sistema individua autonomamente la forma e dimensione delle piazzole, svincolandosi da dati cad non sempre disponibili e non sempre aggiornati.

Libreria Ispezione componente.

Le librerie permettono di importare in un istante tutte le caratteristiche dimensionali e le strategie di ispezione di ogni singolo componente.

E’ importante notare che tutte le fasi di programmazione, una volta che il sistema ha acquisito le immagini delle schede nuda e popolata, possono essere condotte fuori linea, su una stazione di programmazione dedicata, lasciando il sistema alla produzione.

Anche il debug può iniziare sulla stazione di programmazione, per poi inviare il programma al sistema che potrà iniziare la produzione.

In questa fase, ovvero l’affinamento delle logiche Multicolor per l’ispezione ottimale delle saldature per lo specifico PN, entrano in gioco le implementazioni AI introdotte da Omron, che permettono al programmatore di lasciare al software il compito di osservare i componenti e definire setup e soglie per l’ispezione in modo autonomo.

Ricostruzione 3D di un LED

Ricostruzione 3D di un led; la porzione di “lente” posta sopra la giunzione non è visibile poiché trasparente, ma il pin, la polarità, la saldatura, il menisco e la sua forma, sono perfettamente ricostruite a vantaggio della precisione e ripetibilità delle misure applicabili.

Ricostruzione 3D di un Chip

Ricostruzione 3D di un chip; si noti la qualità di ricostruzione del componente e del menisco di saldatura, l’area di attacco al componente così come la zona di saldatura all’estremità della piazzola.

Funzione Color Highlight per la discretizzazione altezze

La discretizzazione delle altezze, che con la funzione “color highlight” usa i colori per mostrare graficamente l’altezza delle aree del menisco e del componente.

 

Ricostruzione 3D dei pin e saldature di un condensatore; posizione dei pin, area coperta dalla saldatura, quantità di pasta, forma del menisco, altezza di attacco al pin perfettamente rilevati.

Ricostruzione 3D PIN saldature Condensatore.

Installazione dei Sistemi AOI Omron

Oltre ai sistemi di Ispezione veri e propri, ci sono altri elementi che compongono l’ambiente Omron.

Il centro è costituito da un Server, che può essere fisico oppure virtualizzato, deputato a contenere tutte le informazioni e la base dati, dai programmi di ispezione in fase di rilascio oppure già in produzione, agli esiti delle fasi di ispezione e validazione sino alle immagini dei componenti risultati non conformi. Oltre ai sistemi AOI, al server sono connessi anche la stazione di programmazione e la/e stazioni di riparazione, necessarie per validare i risultati provenienti dai sistemi automatici.

Infine, al server attinge anche l’applicativo, Q-UpNavi, dedicato all’analisi statistica dei risultati, utile per comprendere le caratteristiche del processo produttivo e, se necessario, attuare le strategie correttive per migliorarlo.

Elementi Sistema Installazione AOI Omron