自动光学检验设备(AOI)对无铅焊锡的检测

欧姆龙公司

1. 前言

在倡导废除使用环境污染物质铅的进程中，各家生产厂家都逐步地开始采用去除了焊锡中铅成分的无铅焊锡。本文首先说明焊锡的无铅化引起的外观上的变化和特征，而后说明无铅化与本公司的焊锡的外观检测的关系，以及本公司在无铅化的应用上新开发的功能。

2. 无铅焊锡的特征

无铅焊锡在外观上主要有以下两大特征：

① 浸润性不好，所以焊点的形状容易产生差异。 ② 焊锡的表面容易变得无光泽（对金属表面等进行哑光

处理后的状态）。 首先，对呈观这些外观上特征的背景以及光学特性进行以下说明。

2.1 焊点形状的差异

焊点的形状，会因为设计条件和工艺条件（零件电镀的种类、焊剂的选择、流体 / 回流温度）的不同，而产生差异。由于无铅焊锡合金，在熔融状态时，与共晶焊锡相比，其表面张力较大，作为液体，它具有表面难以扩展的特性。因此，就会受到底板材料、IC引脚的电镀种类及其相性的影响，于是在对底板材料的浸润性，以及对引脚的浸润性方面产生差异。

2.2 焊锡表面的无光泽

焊锡表面无光泽如图2所示。共晶焊锡（图1），其焊点具有光泽，表面看上去非常光滑，而无铅焊锡的焊点就没有光泽，表面看上去比较粗糙。

图1 Sn-Pb共晶焊锡的表面 图2 无铅焊锡的表面

这种表面无光泽的一个主要原因，可以认为是由于无铅焊锡为非共晶合金。一般情况下，非共晶的无铅焊锡，在冷却过程中，焊锡从熔融状态变为完全成为固体的过程中，有大约10℃左右的温差（从液体状态是不会马上变为固体的）。因此，冷却速度较慢时，因各金属组分的凝固时间不同，会出现固体、液体共存的情况，于是其表面就容易出现无光泽的现象。另外，当急剧冷却焊锡时，凝固时间的差异变小，其表面会比较平滑。也就是说，无铅焊锡除了容易产生表面无光外，还会受冷却条件影响，从而使无光泽的程度产生差异。

2.3 焊锡表面的反射特性

一般来说，金属表面的反射特性，取决于其表面的粗糙度。图3就反映了焊锡表面的粗糙度与反射特性的关系。

由于共晶焊锡的焊点表面比较光滑，而且其表面粗糙度在粗糙程度上也没有太大的差异，所以它容易形成强烈的镜面反射。相对而言，无铅焊锡，根据冷却条件不同，也会有共晶焊锡所具有的有光泽的情况，然而造成无光泽感的散射反射的倾向仍然较强。如果散射反射的倾向太强，会在外观上变得无光泽、发白。

。

无铅焊锡 白色散射板 散射反射面 镜面反射面

共晶焊锡

无光泽 表面粗糙度 光泽面

图3 表面粗糙度和反射特性的相对关系

3. 自动光学检验设备对无铅焊锡的检测

如前所述，焊锡如果去除含铅的成分的话，①形状会发生变化②外观会看上去发白。对于①形状发生的变化，会在另外的算法中说明。在本文中，主要围绕②外观会看上去发白这一现象与自动光学检测设备的关系来进行说明。 从结论上讲，具有本公司的检验原理的彩色高亮度（COLOR HIGH LIGHT）方式，对于无铅焊锡，即使焊锡表面的散射反射性变强，也仍然有效。以下所示为彩色高亮度方式的原理和有效性，仅供参考。

3.1 彩色高亮度（COLOR HIGH LIGHT）方式的原理

首先，对彩色高亮度方式进行说明。所谓彩色高亮度方式，就是改变色彩各不相同的圆环光源的角度，去照射基板面上的焊点，对应于焊点表面各要素的仰角而反射回来的光线，用正上方的CCD摄相机拍摄下来，将焊点的三维形状用二维图像（色调信息）检测出来的方法。（图4）

红光（B） 红光（B） 绿光（B） 绿光（B） 蓝光（B）

蓝光（B）

改变角度，将光的三原色（R，G，B三种颜色）照射 在基板上，将反射光用正上方的摄相机拍摄下来。 图4 彩色高亮度（COLOR HIGH LIGHT）方式的原理

图5表示的是三维的角度信息转换为二维的色调信息的结构。对于基板，平坦的焊锡面用红色的（R）光照亮。同样的，缓慢的倾斜面用绿色的（G），急剧的倾斜面用蓝色的（B）光照亮。这样，被RGB照射的焊锡面，从正上方观察时，对应于不同角度的平面，分成红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）等几种颜色，而构成二维的图像，从而可以辨识其形状。

1

相对于基板的仰角不同，焊点面

被分为红色（R），绿色（G），蓝色（B）。 红色（ R）

绿色（G） 红色（赤（RR）） 蓝色（B） 基板面からの仰角に応じて、はんだ面が

赤（ R）・緑（G）・青（B）に色分けされる。绿色（緑（GG））

青（蓝色（B）B）

彩色高光图象

カラーハイライト画像彩色高亮度图象 图5 焊点部分的放大图 图5 焊点部分的放大图

在这里需要强调的是，彩色高亮度是用[色调]来描述形状，根据这一原理，这也是即使焊锡在外观上已经变白，但采用彩色高亮度方式依然会有效的基本原因。

3.2 彩色高亮度方式的有效性

接着，说明为什么即使焊锡在外观上已经变白，彩色高亮度方式依然会有效。

图3表示，共晶焊锡、无铅焊锡、白色扩散板等，各种表面粗糙度各不相同的情况下，从具有光泽的镜面反射面到几乎没有光泽的散射反射面之间的分布情况。 在彩色高亮度方式下，将焊锡面的形状对应角度的变化，平面会转换为红色（R），缓慢的倾斜面会转换为绿色（G），急剧的倾斜面会转换为蓝色（B），这是无论对镜面反射面还是扩散反射面都成立的转换关系。请看下例。 图6-8就是显示共晶焊锡，无铅化焊锡以及白色扩散板各自对应于基板面的仰角（平坦面—急剧的倾斜面）显示的红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）的强度（辉度值）的模式图。

对于与镜面反射面的性质接近的共晶焊锡，RGB的各自的波形是尖锐的，对于三种仰角，明显地显示出RGB的各个强度。（图6） 相对而言，比共晶焊锡的散射反射特性更强的无铅焊锡的RGB波形，则是朝着仰角方向展开的形状，在从平坦的部位到缓慢的倾斜部位的交替部分，从缓慢的倾斜部位到急剧倾斜的交替部分，相邻的色调混合在一起的比例不断增加。但是，在各个平面的RGB强度中，如果着眼于强度最大的一个，则成为平坦面=R、缓慢倾斜面=G、急剧倾斜面=B的情形，因而用彩色高亮度方式，在从形状信息向色调信息转换的过程中，不会发生任何问题。（图7）

彩色高亮度方式，不管散射反射特性如何都是成立的另一个极端例子，请看一下白色散射板的RGB波形（图8）。由于是白色散射板，所以表面上看几乎都是白色，但是如果要使各个面中RGB强度最大，则变为平坦面=R、缓慢倾斜面=G、急剧倾斜面=B的情形。即便是白色扩散板也是如此，则再次地表明，从彩色高亮度方式中得到的色调信息，正确地体现了形状信息。

综上所述，即便对象物体的散射反射特性较强，由于保证了色调和角度的关系，焊锡即使经过无铅化处理，彩色高亮度方式的原理依然是成立的。这就是利用彩色光源由色调来辨识形状的优点。

红色（赤（RR）） 绿色（緑（G）G ）蓝色（青（B）B ） 植値 度度辉輝 红色（赤（R）R ）绿色（緑（GG）） 蓝色（青（BB）） 平坦面平坦面 緩傾斜面缓慢倾斜面 急傾斜面急剧倾斜面 基板面からの仰角相对于基板面的仰角 红色（赤（RR） ）绿色（緑（GG）） 蓝色（ 青（B B）） 植値 度度 辉輝 赤（红色（RR）） 绿色（緑（GG）） 蓝色（青（BB） ） 平坦面平坦面 緩傾斜面缓慢倾斜面 急傾斜面急剧倾斜面 基板面からの仰角相对于基板面的仰角 红色（ 赤（RR）） 绿色（ 植値度緑（GG）） 度蓝色（青（BB）） 辉輝 红色（赤（RR）） 绿色（緑（GG）） 蓝色（青（BB）） 平坦面平坦面 缓慢倾斜面緩傾斜面 急剧倾斜面急傾斜面 基板面からの仰角 相对于基板面的仰角 4. 脱白处理 正如前面所论述的，由于焊锡的无铅化处理，焊锡表面的散射反射性提高，即看上去发白，但实际上彩色高亮度方式依然有效。但是，在白化特别严重的时候，就会变得难以辨识，作为针对白化特别严重情况的一项措施，我公司开发出了下面要说明的脱白处理。下面就针对白化现象的具体例子和脱白处理进行说明。

4.1 白化现象的具体例子

为了更加详细地观察白化部分，特意做出了形状相等的镜面反射面和散射反射面，观察在彩色高光照射下的情形。（图9）

2

象共晶焊锡那样（A），在镜面反射面的部分很明显 地显示出红色（R）。相对地，在呈现出极端化的[无光泽]的无铅焊锡上（B），如散射反射面那样，本来应当呈现红色（R）的地方都白化了，可以看到整体上颜色的鲜明度下降了。

绿色（緑（GG）） （（a）鏡面反射面A）镜面反射面 （b（）拡散反射面B）散射反射面 蓝色（青（B）） 红色（赤（R R）） 白色（グレー）化被白化（灰白化）している 图9 镜面反射面和散射反射面

取出白化部分的几个象素，测定出红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）等各自的强度（256级辉度值），结果如图10所示。如前所述，取出来的地方本来是应该呈现出红色（R）的部分，所以在RGB的比例中，红色（R）的数值最大（37%）。但是，绿色（G）、蓝色（B）光的辉度值也表现出几乎与其相同的数值，可以确定白化（灰白化）现象确实已发生。 255 192.0192.0 （(37.0%) 37.0%）192.0 169.3169.3 (37.0%) （32.6%(32.6%) ）157.3157.3 ） 値（30.3%(30.3%) ）植調）6 度 度5輝 辉階265（2（ 0赤（红色R(R) ） 緑（ 绿色G(G) ） 青（ 兰色B(B) ） （）括号内的数值是各种颜色的比例（　）内の数字は各色の割合 图9 镜面反射面和散射反射面

4.2 脱白处理

本身物体表面发白，是由于红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）以同等含量混合，而脱白处理就是按照每个字来去除白色的处理。简单地说，脱白处理就是从R、G、B中间去除白色部分（减去R=G=B的量），对剩余部分不改变比率地进行放大处理的过程。如果用以下公式（*）来表示色调（颜色）和色度（颜色的鲜艳度）的话，可以说脱白处理就是在不改变色调的前提下提高鲜艳度的处理。

H色相GBRG2B

S色度RG2BRGB（*）

R，G，B：R，G，B的辉度值

下面表示的是脱白处理前后，在不改变色调的前提下，提高色度的情况。如果将白色部分的辉度值（R=G=B）设定为X的话，则变为以下公式：

H’（脱白处理后的色调） GX

BXRXGX2BX GBXXGR2BXX2X GBRG2B = H （脱白处理前的色调）

S’（脱白处理后的色度） RXGX2BX RXGXBX RG2BXX2XRGBXXX RG2BRGB3X

≥S （脱白处理前的色度）

从上面的公式可知，脱白处理可以保持色调，并且增加色度。

尽管理论分析与实际处理多少有些差异，但基本概念就是如此。图11更加简明易懂地说明了脱白处理的过程。左侧的图表是对图10所示散射反射面的白化部分的颜色分布图，右侧图表是对同一部分进行脱白处理后的分布

图。

将提取部分放大一定抽出部分を定数倍し、白色部分を除去し、去除白色部分， 倍数，在现除去白色白色除去前の輝度値を残りの部分を抽出。换取剩余部分 再現する。 以前的辉度数 255255 白色部分白色部分 00红色红色赤 （R(R) ）(R) 绿色緑（G）(G) 青（兰色蓝色(B) (B) 红色赤(R) 绿色緑B）(G) 兰色青(B) （R）（G）（B） 图9 镜面反射面和散射反射面

将这一过程用图像表示则如图12所示。左侧的画面是图9所表示的，散射反射面（无铅化）的白化画面，右侧的画面是脱白处理画面。由于脱白处理，散射面的白化（灰白化）部分消失，本来就应当显现的红色（R）部分变得可以很明显地判别出来。 蓝色（青（BB）） 绿色（緑（GG））

脱白処理脱白处理 白色（グレー）部分が消えている白色（灰色）部分消失 红色（赤（R）が現れているR）显现出来 图12 脱白处理

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7. 未来展望

本文围绕无铅化对外观检测的影响，焊锡表面变得无光泽、发白这一现象与检验设备的关系展开论述，说明了与本公司检验设备的关系。由于篇幅所限，本次对形状变化的说明只好省略，但是焊锡的形状变化问题，也是无铅化措施的重要课题。本公司目前建议增加 / 变更无铅化的应对措施，并逐步加以实施。这种改善措施，可以帮助无铅化焊锡在市场上站稳脚跟，可以看作是在实装方法确立以前需要持续进行的努力（以上无铅技术对应的专利号PAT No.1880585）。

8. 公司简介

日本欧姆龙公司是一家为社会提供多种产品的技术先导企业，早在1986年欧姆龙就开始利用自己在视觉传感方面的优势开发生产PCB板的自动光学检查设备（AOI），目前拥有彩色高亮度（Color High Light）等多项专利技术。目前在世界范围内为用户提供了超过1000台的设备，市场占有率为居全球第一（美国Frost&Sullivan提供数据）。用户中包括众多世界著名企业如Sony，东芝，日立，三菱，夏普，松下，富士通，理光，NEC，三洋，健伍，TDK，EPSON，Solectron(日本)，Flextronics（伟创力），Celestica（天弘），Benchmark等。从2000年起欧姆龙AOI进入中国市场，目前国内的用户已超过90台，如深圳华为，苏州明基，天津三洋，北京柏瑞安，上海SVA等。

欧姆龙株式会社

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