1 研究背景
近几年，随着通信、计算机、消费电子等产业的发展，印刷电路板多功能开瓶器(PCB)行业也快速发展起来。据资料统计，全球PCB的产值约占电子元器件总产值的18%，2001年全球PCB产值达460亿美元。国内近几年PCB产业更是迅猛发展，2003年我国印刷电路板产值501亿元人民币，同比增长32.40%，产值超越美国跃居全球第二位。而2005年我国PCB产值则突破868亿元，2006年更是超过了日本，产值、产量均居世界第一位，成为名副其实的PCB产业第一生产大国。
印刷电路板(PCB)作为电子工业中最基础和最活跃的产业之一，发展迅速，并且随着半导体设计和制造技术的日益发展，印刷电路板也朝着超薄型、高密度、多层数、高性能等方向发展[1]。目前，印刷电路板的设计、加工水平己达到0.2~0.3mm(孔径)，0.15~0.12mm(线条宽度和间距)，层数己经达到46层(富士公司)甚至更多，可以说印刷电路板的高技术和高复杂性己经达到一个相当高的水平。但在取得高速发展的同时，PCB行业也面临着巨大的挑战，那就是PCB的质量问题。目前的印刷电路板的质量情况不容乐观。因为印刷电路板品质的好坏，
取决于印制电路板上每根线条、每个孔品质的好坏，而一块板上数以千计的线条和孔中任意一个发生过细、过粗、残缺、针孔、粘连、断开、错位等质量问题，都会影响最终产品质量，或导致产生废品。电路板的层数越多，问题越突出，造成的废品率越高。所以在生产过程中，如何提高中间过程产品品质，如何减少废品率，如何提高印刷电路板质量是各电路板生产厂家一直不懈追求的目标。
灵性锁由于电路板在生产过程中受许多不确定因素的影响如原材料、设备稳定性、温度、环境以及人为的错误操作等，造成缺陷是很难避免的，出现的故障基本都是线路错误，主要可分为：短路、断路、毛刺、缺损几类[3]。如果不及时地将这些质量问题检查出来，势必在PCB板调试和使用过程中留下隐患，造成更大的损失，所以必须实施严格的中间检验。目前，印刷电路板的在线检测已成为PCB板生产厂家和企业的共识，但真正实现在线检测难度很大，现有的PCB检测手段己经不能适应当今PCB的发展趋势了。因此，一种高效、高速、高精度的印刷电路板缺陷自动检测设备已成为PCB行业的迫切需要。
2 国内外现状和发展趋势
目前，PCB板缺陷的检测方法主要有接触式和非接触式，在PCB发展早期接触式检测发挥
了重要作用，现在非接触式则成了PCB板主要的检测方法和手段。
接触式检测设备主要有两种形式：针床式检测和飞针式检测。针床式测试仪主要适用于大批量中、低密度电路板的检测，检测速度较快。譬如制造缺陷分析仪使用一个针床，接着便可以诊断输出。然而针床式检测也存在很多缺陷：针对不同的电路板需要制作不同的模板，制作和调试周期长、成本高，因此不适合低产量原型样机的测试；测试覆盖能力有限，只能测短路和断路缺陷，不能测试到屏蔽了的装配；随着电路板密度越来越高，无法测量间距太小的电路板。飞针测试仪是专门针对小批量、多品种生产的测试系统，使用来回移动的探针对整块的电路板进行测试。飞针检测具有许多优点鸟笼拉手：设定、编程和测试简单灵活;能快速地转换测试和反馈过程错误；很方便检测具有微细间距引脚的电路板；精度、稳定性、可靠性高；无须专门开发夹具，降低检测成本；简化功能测试。但也有缺点如：由于逐点检测，测试一面后翻转再测试另一面，飞针测试时间很长：因为物理的接触通孔和焊盘，可能在焊锡上留下小凹坑；在没有焊盘的地方探针会接触到元件引脚，所以可能会错过松脱或焊接不良的元件引脚；探针测试仪还限制电路板的尺寸。 非接触式检测设备中，检测传感器不与被检测对象发生直接物理接触，这可以避免因物理
接触而发生的故障。相对接触式检测来说，非接触式检测通常不需专门的定位和装卡，而且响应时间较快。非接触法在PCB缺陷检测中有其明显的优势，它不仅可以检测到功能性缺陷，而且可以很方便地检测出外观性缺陷。现在自动光学检测系统(AOI)是非接触式PCB检测中一个相当重要的研究方向。自动光学检测系统(Automatic Optical Inspection system，简称AOI)是利用摄像头、扫描仪等对PCB板进行扫描，将标准板和被测板的电路图像进行比较，从而发现缺陷。自动光学检测系统比以前的检测方式有着不可比拟的优势如；AOI不仅能检查出PCB上断路、短路的缺陷，而且对导线上的缺口、残余铜、空洞或划痕等能进行有效的检查；它不需要和PCB板接触，不会损坏电路板；可以对高密度PCB、超小型元器件进行检测；此外AOI是一种快速的在线测试法，不会有疲劳问题，可以让操作者能及时处理有关的问题并可以日夜工作，可以跟上高速的生产线，减少重复劳动的花费，提高检测的效率。因此，可以把AOI放到生产线中的不同位置，及时发现故障和缺陷，使生产和检测合二为一，这样可以缩短发现故障和缺陷时间，及时出故障和缺陷的原因。因此它是目前采用得比较多的一种检测手段。
2.1 国外相关产品与技术现状
自从上个世纪80年代初，国际上已经纷纷开始研制PCB缺陷自动检测系统。一些国际性的大企业、大厂商，如美国的IBM、日本的日立、美国的西屋等都投入了大量的人力、物力、财力在这方面的研究上。经过10多年的努力，自动光学检测系统最终被成功地运用在印刷电路板生产线上。因此，AOI供应商的数量急剧增加，各种AOI技术也得到了长足发展。从简单的摄像系统到复杂的3-DX光检测系统，众多供应商们己经几乎能够提供可以适用于所有自动生产线的自动光学检测设备。
目前，能够生产AO远程运维I系统、技术也比较成熟的世界主要制造厂商有以列ORBOTECH及CAMTEK公司、日本日立制作所的LIOYD DOYLE和SCREEN、英国抗干扰滤波器TERA DYNE公司的5500型，美国ANGILENT公司的仿呢料5DX(有X射线)、林肯激光公司、IBM公司等。以列的CAMTEK公司的2V30、2V50型和Opt Rotech公司的vision105型机，采用设计标准法和CAHP(设计工作自动化系统)参数比较法相结合的系统原理，来分别查出大缺陷和小缺陷；美国的林肯激光公司的工Inspector/Verifier型自动光学检测仪，也是基于设计标准法原理，可探测导线额定尺寸和线间距偏差、跨接和断线等缺陷；日本的日立制作所研制的MP1000型机利用在PCB板的原材料中产生的荧光，结合图像识别技术，自动检测、判断电路板上划伤、毛刺、针孔、粘连和其他微细缺陷，具有极高的精度；还有LC-2C型机(如
图1.1所示)不仅可检测基板上的穿孔位置，同时还可以检测孔径、塞孔、缺孔、多余孔及孔数，监控精度高、速度快并且检测时间与孔数无关；ORBOTECH公司生产TRION-2000系列采用了多摄像头技术，因此对于很多平常难以检测到的缺陷都可以发现，功能也十分强大。
世界主要制造厂商目前已经将AOI技术推广到电路板上的贴装元件的位置、方向的检测以及带芯片的电路板的整体检测等领域。从上面的所举的例子，可以看出AOI技术在国外研究的比较的早，技术也相对来说比较的成熟，研究出来的产品也能检测出大部分的印刷电路板的缺陷。但他们大部分售价昂贵，一般在10~40万美元，有的甚至高达100万美元。
2.2 国内相关产品与技术现状
国内对印刷电路板的自动检测系统的研究大约始于90年代初中期，还刚刚起步。目前，从事这方面研究的科研院所也比较的少，而且也因为受各种因素的影响，对于印刷电路板缺陷的自动光学检测系统的研究也停留在一个相对初期的水平。
正因为国外的印刷电路板的自动检测系统价格太贵，而国内也没有研制出真正意义上印刷
电路板的自动检测设备，所以国内绝大部分电路板生产厂家还是采用人工用放大镜或投影仪查看的办法进行检侧。由于人工检查劳动强度大，眼睛容易产生疲劳，漏验率很高。而且随着电子产品朝着小型化、数字化发展，印制电路板也朝着高密度、高精度发展，采用人工检验的方法，基本无法实现。对更高密度和精度电路板(0.12~0.10mm)，己完全无法检验。检测手段的落后，导致目前国内多层板(8-12层)的产品合格率仅为50~60%。
现有的电子相关产业的生产及检测设备等高性能产品大多是进口的。由于进口设备价格昂贵，使国内大部分印制电路板生产厂家暂时无力购买，给他们带来了巨大的经济压力，而且这些设备往往不适合国内操作人员的习惯，在使用过程中不能充分利用其功能，造成了资源的极大浪费。因此，现在迫切需要一种采用先进技术手段，准确、快捷地检测仪器设备，与国外著名公司进行竞争，从而大幅度提高产品的合格率，具备高密度、高品质多层PCB板的生产能力。
3 研究意义
随着全球经济的一体化步伐的加快，我国产业结构的投资方向发生了重大调整，国家“十五”规划己经把研制微电子装备作为一个专项题目提出，必将向该领域投入大量的资金和人
力资源，用于芯片和相关检测设备的研制，以填补该领域的空白。这对于科技最敏感的科研院所面临的既是机遇又是挑战。
我国是全球生产印刷电路板的大国，但行业的现状并不乐观，产品的生产、检测还处于一个相对低的水平，这样也导致了生产率也比较低，同世界发达国家相比，还具有一定的差距。因此，研制开发具有自主知识产权的光机电一体化高科技的产品—印刷电路板的自动检测系统是必须的、也是紧迫的。如果这个自动检测系统能研究成功，从而使我国摆脱AOI产品还需进口这样难堪的局面，可以节省外汇，这也将使我国印刷电路板行业的检测技术落后的状况得到改观，增加竞争的能力，提高我国PCB企业在国际上的地位。
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