AOI (Kiểm tra quang học tự động) là gì?

 AOI (Kiểm tra quang học tự động) là gì?

AOI (Auto Optical Inspection) là hệ thống nhận dạng quang học tự động, hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong dây chuyền lắp ráp bảng mạch điện tử để kiểm tra ngoại quan, thay thế cho công việc kiểm tra thủ công bằng mắt thường (Visual Inspection).

(Lưu ý: AOI được đề cập trong bài viết này là AOI 2D. Hiện tại, trên thị trường đã có AOI 3D cung cấp hình ảnh lập thể chi tiết hơn, giúp cải thiện tỷ lệ phát hiện của AOI.)

Nguyên lý cơ bản của công nghệ AOI là sử dụng công nghệ hình ảnh để so sánh đối tượng kiểm tra với hình ảnh chuẩn, từ đó xác định xem đối tượng có đáp ứng tiêu chuẩn hay không. Do đó, chất lượng của AOI phụ thuộc vào độ phân giải, khả năng tạo hình và công nghệ nhận dạng hình ảnh.

Ban đầu, AOI chủ yếu được sử dụng để kiểm tra bề mặt sau khi IC (mạch tích hợp) được đóng gói có lỗi hay không. Với sự phát triển của công nghệ, AOI hiện nay được sử dụng trên dây chuyền SMT để kiểm tra chất lượng hàn linh kiện sau lắp ráp bảng mạch (PCB Assembly), hoặc kiểm tra việc in kem hàn qua SPI (Solder Paste Inspection).

Ưu điểm lớn nhất của AOI là có thể thay thế công việc kiểm tra thủ công trước và sau lò hàn trong dây chuyền SMT, đồng thời có thể phát hiện lỗi lắp ráp chính xác hơn mắt người. Tuy nhiên, giống như mắt người, AOI chủ yếu chỉ có thể kiểm tra bề mặt của linh kiện. Do đó, những điểm hàn nằm dưới linh kiện hoặc ở mép linh kiện có thể không được phát hiện. Mặc dù hiện nay nhiều loại AOI đã có khả năng chụp hình từ nhiều góc độ để cải thiện khả năng phát hiện chân IC bị cong, hoặc tăng góc chụp cho các linh kiện bị che khuất, nhưng hiệu quả vẫn chưa hoàn hảo, khó đạt được tỷ lệ bao phủ 100%.

Một nhược điểm lớn khác của AOI là nó dễ phát sinh lỗi (false reject) tại những khu vực có sự khác biệt về màu sắc hoặc độ sáng không rõ ràng. Mặc dù có thể sử dụng ánh sáng có màu khác nhau để phân biệt, nhưng vấn đề lớn nhất vẫn là các linh kiện bị che khuất bởi các linh kiện khác hoặc các điểm hàn nằm dưới linh kiện, vì AOI truyền thống chỉ có thể kiểm tra các khu vực mà ánh sáng chiếu tới được. Những linh kiện nằm dưới khung chắn hoặc dưới mép linh kiện thường bị bỏ sót vì AOI không thể phát hiện.

Do đó, trong các dây chuyền lắp ráp bảng mạch, ít khi chỉ sử dụng AOI để đảm bảo chất lượng lắp ráp. Thường thì còn phải trải qua kiểm tra ICT (In-Circuit Test) và kiểm tra chức năng (FVT). Một số dây chuyền còn bổ sung thêm máy AXI (Automatic X-ray Inspection), sử dụng tia X để kiểm tra chất lượng điểm hàn dưới linh kiện (như BGA) nhằm đảm bảo bảng mạch đạt được tỷ lệ kiểm tra bao phủ 100%.

AOI có thể phát hiện những lỗi nào trên bảng mạch lắp ráp?

Theo hiểu biết cá nhân của Công Việc Gấu, AOI hiện tại có thể hoàn toàn phát hiện các lỗi lắp ráp dưới đây, và những lỗi này cũng thường có thể được phát hiện bằng kiểm tra thủ công nếu không có sai sót:

  • Thiếu linh kiện (Missing)
  • Lệch linh kiện (Skew)
  • Hiện tượng "tombstone" (chân linh kiện bị nhấc lên)

Tuy nhiên, do quá trình kiểm tra quang học bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, góc độ, độ phân giải... nên những lỗi sau chỉ có thể phát hiện trong một số điều kiện nhất định và khó đạt được tỷ lệ phát hiện 100%, nghĩa là:

  • Linh kiện sai (Wrong component):
  • Nếu linh kiện có hình dáng khác biệt hoặc có in khác trên bề mặt, AOI có thể phát hiện ra. Nhưng nếu linh kiện không có sự khác biệt rõ ràng về hình dáng hoặc không có in ấn, như điện trở và tụ điện dưới kích thước 0402, thì rất khó phát hiện bằng AOI.
  • Cực sai (Wrong polarity):
  • Điều này phụ thuộc vào việc linh kiện có ký hiệu chỉ cực hay không, hoặc sự khác biệt về hình dạng bề ngoài.
  • Chân linh kiện bị nhấc (Lead lift), chân biến dạng (Lead defective):

  • Chân linh kiện bị nhấc nghiêm trọng có thể được phát hiện qua sự khác biệt về ánh sáng phản xạ, nhưng trường hợp nhẹ thì khó phát hiện hơn. Chân bị biến dạng nặng có thể dễ dàng phát hiện, nhưng các trường hợp nhẹ hơn phụ thuộc vào độ nghiêm ngặt của tham số và kinh nghiệm của kỹ sư hoặc người vận hành.
  • Cầu hàn (Solder bridge):


    Cầu hàn dễ phát hiện khi nằm trên bề mặt, nhưng nếu nằm dưới linh kiện thì AOI không thể phát hiện được. Ví dụ như cầu hàn dưới thân các đầu nối (connector), AOI sẽ không phát hiện được.
  • Thiếu hàn (Insufficient solder):
    Khi lượng hàn thiếu nghiêm trọng, AOI có thể dễ dàng phát hiện. Tuy nhiên, lượng kem hàn luôn có sai lệch, và cần thu thập một số lượng sản phẩm nhất định để xác định lượng thiếu.
  • Hàn lạnh, hàn giả:
    Đây là vấn đề rất khó chịu vì khó phát hiện qua ngoại quan. Dù có thể nhận biết qua hình dáng bề ngoài, nhưng sự khác biệt thường rất nhỏ. Nếu tham số được điều chỉnh quá nghiêm ngặt thì dễ phát sinh lỗi giả. Những vấn đề này thường cần trải qua quá trình điều chỉnh dài để đạt được tham số tối ưu.

Tóm lại, AOI tuy hữu ích nhưng vẫn có một số hạn chế tự nhiên. Nó có thể dùng để phân tích chất lượng sơ bộ của dây chuyền SMT và cung cấp phản hồi ngay lập tức về chất lượng để cải thiện quy trình SMT, giúp nâng cao tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn.

Trong khi đó, việc sử dụng máy kiểm tra ICT để phát hiện lỗi và phản hồi lại cho SMT thường mất hơn 24 giờ, khi đó tình trạng của chuyền SMT có thể đã thay đổi, thậm chí có thể đã chuyển dây chuyền hoặc sản phẩm. Vì vậy, xét về mặt kiểm soát chất lượng, AOI thực sự có vai trò quan trọng.

Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ 3D và sự cải tiến của MCU, nhiều nhà sản xuất thiết bị đã bắt đầu phát triển công nghệ AOI lập thể (3D AOI). Mục đích là không chỉ tạo ra sự khác biệt mà còn cải thiện khả năng phát hiện vấn đề bằng hình ảnh lập thể chân thực hơn so với hình ảnh 2D truyền thống.