探析基于圖像處理的PCB缺陷檢測技術及其重要性

摘要：PCB（印刷電路板）作為各類電子產品的重要組成部分，隨著電子產品生產、應用數量及性能水平的不斷提高，PCB也逐漸向復雜、小巧、精密的方向發展，鑒于其質量水平對于電子產品質量的影響，有必要在生產過程中對PCB進行缺陷檢測。為了實現精度高、快速的PCB缺陷檢測，筆者對基于圖像處理的PCB缺陷檢測技術及其重要性進行探討。

關鍵詞：圖像處理 PCB板 缺陷檢測 重要性

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0064-02

前言

隨著手機、計算機等精密電子設備的普及，在人們的日常生活中，電子產品的種類及數量越來越多。印刷電路板（PCB）作為電子產品主要部件和集成各類電子元器件的重要載體，隨著應用需求的增長，也逐漸向高精度、高性能、復雜度方向發展，PCB產品的體積也越來越小，在實際的生產過程中，PCB的制作工序非常繁瑣，每一道工序都可能造成PCB缺陷進而影響產品質量。這就對PCB缺陷檢測工作質量提出了更高的要求，在傳統的檢測過程中，主要是依賴于人工目測等方法，效率低下、且檢測精確度低，在PCB復雜程度及數量提高的情況下，傳統的檢測方法已經無法滿足日益提高的應用需求。下面我們將對基于圖像處理的PCB缺陷檢測技術進行分析，并對其重要性進行探討。

1 基于圖像處理缺陷檢測系統的結構

根據PCB缺陷類型、特征，及缺陷檢測的相關要求，所設計的圖像處理缺陷檢測系統的結構示意圖如圖1所示。

1.1 硬件系統

通過對圖1的分析，我們可以了解到硬件系統主要是由四部分組成：

（1）光照單元。主要任務是產生合適的照明及準確的物象位置關系，使得采集到的圖像有足夠的對比度、清晰度；光照單元設計是否合理將直接影響圖像采集質量及整個系統的精度水平，所以結合應用需求及經濟性等因素，目前光照單元主要是采用LED作為光源。根據系統對于照明方式的設計要求，為了防止陰影的產生，并將光線最大限度地集中在中央位置，照明方式一般是選取環形照明。（2）圖像采集單元。它的任務是將需要檢測的PCB圖像轉化為數字信息并上傳到計算機。這一單元主要是由攝像機和圖像采集卡組成，其中攝像機作為圖像的直接采集設備，其性能直接影響采集到圖像的分辨率、精確度，同時也影響著最終的缺陷檢測結果。為此在選擇攝像機時要充分考慮檢測系統要求的精確度，在考慮性價比的同時選擇精度最高、最清晰的攝像機。圖像采集卡作為將圖像轉化為數字信息的重要設備，其轉化質量直接影響數字信息的準確與否，在具體設計過程中，首先要與選用的攝像機兼容，再結合圖像存儲等因素綜合的選擇滿足應用需求的圖像采集卡。（3）運動控制單元。它的任務是移動PCB，保證圖像能夠采集全面、完整。（4）計算機。它的任務是運行圖像處理軟件，這些軟件是整個檢測系統的核心，利用圖像處理算法對待測PCB圖像進行檢測，并對存在缺陷進行準確識別。

1.2 軟件系統

在缺陷檢測系統中，硬件只是將圖片信息轉換為數字信息，重要的圖像處理都需要軟件系統來完成。軟件系統根據其具體實現的功能可細分為系統自檢初始化、運動采集控制和待測圖采集、缺陷檢測、缺陷識別、標記、分析等幾個模塊，其中缺陷檢測和缺陷分析最為關鍵。[1]

2 系統工作流程及相關檢測原理

通過結合缺陷檢測系統的軟、硬件結構及其可實現功能，整個系統的工作流程大體可以概括為：首先是攝像機在可靠光照條件下拍攝待測PCB板面圖像；然后由圖像采集卡將板面圖像模擬信號轉化為數字信號并發送至計算機圖像處理單元；圖像處理單元對圖像數字信號進行預處理和二值化后發送至缺陷檢測識別模塊，利用系統內設算法對缺陷特征進行檢測，并結合系統預設的容許度、限制條件輸出檢測結果，最后將缺陷位置及相關的分析情況反饋給檢測系統操作人員。

在整個缺陷檢測過程中，最重要的工作都是依賴軟件系統來完成的，圖像預處理、缺陷檢測、缺陷分析這三個環節直接影響著檢測結果的準確與否，下面對這三個環節進行分析：

2.1 圖像預處理

圖像采集單元采集到的PCB圖像數據由于分辨率高、精確度高，導致數據非常大，當需要檢測的PCB數量大時，大量的數據時會影響系統的圖像處理效率，同時在缺陷檢測過程中，實際只需要應用到一部分有用信息。為了提高處理效率就有必要對原始圖像信息進行預處理，主要是對其進行增強、去噪、分割、邊緣提取等操作，通過這些處理能夠最大限度的減少圖像信息中的無用信息，增強有用信息的特征辨識度，進而提高缺陷檢測的準確度。[2]

2.2 缺陷檢測

目前對PCB進行缺陷檢測的方法主要有參考法和非參考法兩種，其中參考法是將標準圖像與待測圖像進行比較來檢測缺陷，這種方法效率高，但是對檢測系統的硬件配置要求較高；非參考法則是根據PCB板的設計要求，直接對其是否存在缺陷進行檢測，這種方法對于軟件系統的要求較高。在實際的檢測過程中，兩種方法能夠滿足不同的應用需求，可根據實際情況進行選擇。在PCB缺陷檢測過程中，具體的檢測內容包括影響線路導通性能的短路、斷路、毛刺、缺損、空洞以及元器件貼錯、缺件、引腳脫焊等。

2.2.1 影響線路導通性能的缺陷檢測原理

對于影響線路導通性能的幾個缺陷類型，在對其進行檢測時，可采用形態學和圖像比較相結合的方法進行檢測，對于短路、斷路、毛刺、缺損、空洞缺陷，都可以通過基于對象本身光滑性的局部幾何圖像來進行檢測。

2.2.2 引腳脫焊的檢測原理

雖然芯片引腳的大小、形狀基本一致，但是當引腳脫焊時，其顏色與正常情況下的引腳顏色必然存在差異，根據這一特點，在缺陷檢測時我們以待測芯片引腳顏色為特征對其是否存在缺陷進行檢測。在實際檢測時，為了便于缺陷特征的辨識，可選用HIS顏色模型提取引腳顏色特征，正常的引腳為白色，脫焊引腳為金黃色。

2.2.3 芯片極性錯誤的檢測原理

由于很多芯片兩邊的引腳數量、形狀一致，當在PCB貼反時難以被及時發現，為了更好的區分極性，芯片生產廠商在芯片的一個直角邊打小圓孔來區分極性?；趫D像處理的缺陷檢測系統在對芯片極性錯誤進行檢測時，就是對這一小圓孔位置是否與標準圖像一致來進行比較。目前檢測算法主要是基于快速Hough變換檢測圓算法，計算出待測芯片極性圓的圓心坐標，再與標準信息進行比較，如果差別較大，則代表芯片極性存在錯誤。

2.2.4 電阻標稱值缺陷的檢測原理

電路板裝設的電阻，在正面印有其標稱值，在裝設過程中，如果電阻大小、形狀一致很容易出現裝設錯誤，而基于圖像處理的缺陷檢測系統在對這類缺陷進行檢測時，需要對待測PCB上電阻正面印刷的標稱值進行采集，與正確的標準進行比較，來確定是否存在缺陷。在實際的檢測過程中，對標稱值的識別主要是基于模板匹配法和BP神經網絡識別法，后者的容錯率、魯棒性更高，實用性更強，能夠滿足未來不斷提高的應用需求。[3]

2.3 缺陷分析

在完成缺陷檢測后，為了便于對PCB存在缺陷進一步處理及質量評估，有必要對缺陷進行標記和特征統計。利用標記法獲得缺陷的面積、周長、數量等信息，再綜合多個缺陷特征，采用不同標準統計各缺陷目標的種類、面積、周長等特征，進而對PCB質量進行初步評價。

3 缺陷檢測的重要性

目前我國已成為全球最大的PCB生產國，同時國內對于電子產品數量、質量的需求也非常巨大，鑒于PCB質量對于電子產品質量的重要意義，在PCB生產過程中進行基于圖形技術的缺陷檢測其重要性主要體現在下列幾個方面：

3.1 提高合格率，提高盈利水平

由于PCB層數及復雜程度的提升，如果在最后的檢測過程中才發現中間環節造成的缺陷，將會直接導致產品報廢，而通過在生產過程中密切結合基于圖形技術的缺陷檢測系統，能夠在每一個生產環節進行缺陷檢測，保證整個生產環節的質量合格。這樣能夠有效的提高產品合格率，減少返修量，進而提高盈利水平。

3.2 提高PCB質量、提高市場競爭力

精確可靠的檢測技術，將會推動PCB向更精密、更復雜、更小巧這一方向發展，這將縮小國內產品與進口產品間的差距，在不斷提高產品質量的同時，也將提高其在國際市場的競爭力。

3.3 提高工作效率，降低檢測成本

在傳統的缺陷檢測工作中，需要大量依賴人工操作，效率低下的同時，也需要消耗大量的人工，而通過在生產過程中應用基于圖形技術的缺陷檢測系統，就只需要一個人在計算機操作、控制就能完成一個工序的缺陷檢測，大大的降低了勞動強度，也降低了人力成本。

3.4 推動國內電子產業的發展，提高整體生產水平

PCB作為電子產品的重要基礎，其檢測技術的提高，將會使電子產品的性能得到更好的保證，進而使國內生產的電子產品在質量、性能上得到有效的提高，在推動相關產業積極發展的同時，也會創造更大的社會價值。在汽車、軍事、航天等領域，對于PCB的要求更高，通過進行缺陷檢測，能夠使國內產品滿足應用需求，擺脫對進口產品的依賴。[4]

4 結語

我們只是對當前PCB生產過程中應用到的基于圖像處理的缺陷檢測技術進行了簡單的分析，了解其工作原理及系統結構，并探討其重要性。由于國內關于這項缺陷檢測技術的研究相對較晚，技術水平與進口產品還存在一定的差距，而進口產品高昂的價格又限制了這項技術的大范圍推廣，嚴重制約了國內PCB生產及電子產業的做大做強，所以在以后的學習工作中，我們應加強對基于圖像處理缺陷檢測技術的研究力度，最終研發出成本低廉、精確度高的缺陷檢測系統。

參考文獻

[1]李正明，黎宏，孫俊.基于數字圖像處理的印刷電板缺陷檢測[J].儀表技術與傳感器，2012，（08）：87.

[2]呂文杰.基于機器視覺的PCB缺陷自動檢測系統[C].浙江理工大學：2016-7-16.

[3]朱萍.基于AOI技術的PCB常見質量缺陷檢測[J].科技創新與應用.2016，（16）：114.

[4]謝煜.PCB光學特性對PCB光電外觀檢查機性能的影響機理[C].電子科技大學.2014-5-13.

收稿日期：2016-09-06

作者簡介：陳殊（1973—），男，漢，廣東龍川人，本科，研究方向：電子技術。