A.O.I

AOIとは？

AOIはAutomated Optical Inspection（自動光学検査）の略で、PCBおよびPCBA製造プロセスで広く使用されている重要な品質管理技術です。高解像度カメラ、光学センサー、マシンビジョンアルゴリズムを使用して、物理的な接触なしに回路基板上の欠陥を自動的に検出します。

AOIの動作原理：検査プロセス
自動光学検査（AOI）は、高解像度の画像技術、インテリジェントなアルゴリズム、および基準との比較に基づく非接触型の視覚駆動式品質管理システムであり、PCB/PCBA製造における表面欠陥の検出に用いられます。その検査プロセスは4つの主要な連続ステップに従い、生産ライン全体での精度と一貫性を保証します。

検査前のセットアップとキャリブレーション
基板のスキャンを開始する前に、AOIシステムは特定のPCB/PCBA設計に合わせて構成設定を行う必要があります。
リファレンスデータの読み込み：対象基板のCAD設計ファイルをインポートするか、検査のベンチマークとして検証済みの無欠陥基板（グッドサンプル）を使用します。システムは、部品の位置、パッドサイズ、はんだ接合部の形状、および配線パターンといった主要なパラメータをマッピングします。
光学パラメータのキャリブレーション：異なる欠陥タイプを強調するために照明条件を調整します。例えば、サイド照明ははんだ接合部の高さを浮き彫りにし、背面照明は配線の断線を検出します。密集または小型化された部品の微細な詳細を捉えるために、カメラの焦点と解像度をキャリブレーションします。
許容範囲の設定：部品実装位置、はんだ量、極性について、許容されるずれの範囲を定義します。これにより、誤検出を防ぎつつも、重要な欠陥が確実に検出されます。

画像取得
AOI装置はPCB/PCBA表面をスキャンして高品質な視覚データを取得します。
基板は自動コンベアベルトで検査エリアへ搬送され、安定した位置決めが確保されます。
高速産業用カメラが、複数の角度から基板の画像を撮影します（AOI装置のモデルに応じて2Dまたは3D）。3D AOIではレーザースキャンを使用して高さを測定し、はんだ接合部の体積や部品の共面性をより正確に検出可能にします。
システムは個々の画像をステッチして、基板表面全体の完全で高解像度のマップを作成し、全範囲の検査を実現します。

画像解析および欠陥検出

この工程では、システムがインテリジェントな比較によって異常を特定する中心的な処理を行います：
・ピクセル単位の比較：撮影された基板画像を事前に読み込まれたリファレンスと比較します。アルゴリズムはピクセル密度、形状、位置、色の違いを分析します。
・欠陥の特定：事前設定された許容範囲を超える偏差は、潜在的な欠陥として分類されます。検出される主な問題には以下が含まれます：
・部品関連：部品の欠落、極性の反転、位置ずれ、または誤った部品タイプ。
・はんだ関連：はんだブリッジ、はんだ量不足、冷はんだ、またはタブーストーン現象（tombstoning）。
・PCB関連：配線パターンの傷、パッドの欠落、またはシルクスクリーンの誤差。
・3D AOIの強化：3Dシステムは高さ測定分析を追加し、2D AOIでは見逃しがちな適切なはんだフィレットと、はんだ不足やはんだ過剰といった欠陥との区別を可能にします。

欠陥報告および対応

分析後、システムは生産チームが即座に行動できる結果を生成します：
・欠陥の分類とフラグ付け：AOIは欠陥を重大度別に分類し、基板マップ上の正確な位置にマークします。重大な欠陥は直ちにアラートを発生させます。
・データ記録およびレポート：詳細な検査レポート（欠陥の種類、位置、発生頻度を含む）が保存されます。このデータはトレーサビリティをサポートし、エンジニアが繰り返し発生する問題を特定してSMT実装プロセスの最適化を図るのに役立ちます。
・検査後の処理：基板は、欠陥が検出された場合は修理ステーションへ、欠陥がなければ次の製造工程へと搬送されます。

PCBA製造における主な適用段階

AOIは全工程の品質管理を確保するために、複数のチェックポイントで導入されます：
・リフロー前AOI：はんだ付け前の部品実装の正確さ、極性、有無を検査し、不良部品がリフロー炉に入るのを防止します。
・リフロー後AOI：最も一般的な用途で、リフローはんだ付け後のはんだ接合部の品質および部品の完全性を検査します。
・組立後AOI：出荷前に、完成したPCBAの最終検査を実施し、設計仕様および業界標準への適合を保証します。

AOIは何を検査するのか？
自動光学検査（AOI）は、PCB／PCBA製造における非接触型の品質管理ツールであり、基板の画像をゴールデンサンプルまたはCADデータと比較することで表面レベルの欠陥を検出することを目的としています。その検査項目は、生産工程の異なる段階にわたり、以下の3つの主要カテゴリにわたります。

PCB基板の欠陥

部品実装前の段階で、AOIはベアPCBの構造的完全性を検査します。
・配線パターンの欠陥：傷、断線（オープン回路）、短絡、または不正な配線幅。
・パッドの問題：パッドの欠落、パッドの位置ずれ、パッドの酸化、またはパッド表面の凹凸。
・表面の欠陥：汚染、粉塵、半田マスクのはがれ、またはシルクスクリーン印刷の誤り（例：部品ラベルが間違っている）。
・穴の欠陥：ビアの位置ずれ、穴の欠落、または穴径が大きすぎる／小さすぎる穴。

部品実装の欠陥

リフロー前の段階（部品実装後、はんだ付け前）では、AOIは部品の正確性を検証します：
・存在／欠落：基板上に部品が欠けている、または予定されていない部品が追加されている。
・位置の誤差：部品の位置ずれ、配置オフセット、または許容範囲を超える回転。
・極性の問題：部品の極性が逆になっている。
・誤った部品：部品の種類、値、またはパッケージサイズが間違っている。
・リードの欠陥：リードが浮いている、曲がっている、またはパッド上に正しく座っていない。

はんだ接合欠陥

リフロー後の段階（はんだ付け後）では、AOIははんだ品質に焦点を当てる—最も一般的な検査対象です：
・はんだ不足：弱く不完全な接合部となり、電気的接触不良のリスクがあります。
・はんだ過剰：大きな接合部になり、短絡を引き起こす可能性があります。
・ブリッジはんだ：隣接するパッド／配線間に意図せずに形成されたはんだ接続。
・クラックはんだ：リフロー時の加熱不足により、光沢がなく粒状で接着強度が弱い接合部。
・トombstoning（トombstoning）：はんだの溶融ムラにより、部品が片側を持ち上がった状態になる現象。
・はんだボール：高密度のPCBにおいて短絡を引き起こす可能性のある微小な不要のはんだ粒子。

組立後の最終チェック

完全に組み立てられたPCBAに対して、AOIは包括的な最終検査を実施します。
・全体の組立完了状況および設計仕様への準拠確認。
・はんだ付けや取り扱い中に発生した部品の損傷。
・はんだ接合および部品実装品質に関する業界標準への適合。

AOIの検査は高速で一貫性があり、トレーサブルです。詳細な欠陥レポートを生成することで、製造業者が生産プロセスを最適化し、製品の故障率を低下させるのを支援します。

AOIの種類：2D AOI 対 3D AOI
PCB/PCBAの品質管理において、自動光学検査（AOI）は、主にイメージングおよび測定原理に基づいて2D AOIと3D AOIに分けられます。両技術は欠陥検出を目的としていますが、特に現代の高密度・小型化された回路基板においては、精度、適用シナリジ、および主要機能において顕著な違いがあります。

2D AOI
基本原理：2次元平面イメージング技術を使用し、高解像度産業用カメラと多方向照明を用いてPCB/PCBA表面の2D画像を取得します。平面形状、サイズ、色の比較を通じて、部品、はんだ接合部、配線パターンの欠陥を、基準となるCADデータまたはゴールデンサンプルと照合して検出します。
主な特徴
・利点：
装置コストが低く、メンテナンスが容易で、基本的な検査ニーズを持つ中小工場に適しています。
高速なスキャン速度で、標準的なPCBの大量生産ラインに最適です。
平面状の欠陥を検出するのに有効です。
・制限事項：
表面の平面情報のみを取得可能であり、高さや体積を測定できません。3D関連の欠陥を誤検出したり見逃したりする傾向があります。
照明角度の変化や部品の色の違いにより、誤検出が起こりやすいです。
ファインピッチ部品や高密度PCBにはあまり有効ではありません。
・典型的な適用シナリオ
低密度PCBのリフロー前検査（部品の有無、極性、実装位置のずれの確認）。
民生用電子機器のPCBにおける単純なはんだ接合部の欠陥検査。
品質要件が基本的な、コスト重視の生産ライン。

3D AOI
基本原理：2D平面画像と3D高さ測定技術（通常はレーザー三角測量または構造光スキャン）を組み合わせます。PCB／PCBA表面にレーザー光または構造光を照射し、反射光の角度および変位を解析することで各点の3D座標を算出し、基板全体の完全な3Dモデルを構築します。欠陥検出は、平面位置に加えて高さ／体積データに基づいて行われます。
主な特徴
・利点：
はんだ接合部の高さ、体積、部品の共面性を正確に測定でき、2D平面による限界から生じる誤検出を排除できます。はんだ不足、はんだ過多、トombstoning（墓石現象）、リード浮きなどの欠陥を正確に識別できます。
自動車電子機器、医療機器、航空宇宙用PCBに多く見られるファインピッチや複雑な部品に対して高い検出精度を実現します。
欠陥の定量的分析をサポートし、データ駆動型のプロセス最適化を可能にします。
・制限事項：
2D AOIと比較して装置コストが高く、スキャン時間も長くなります。
より複雑なキャリブレーションとメンテナンスを必要とし、専門の技術者による対応が求められます。
・典型的な適用シナリオ
高密度・高精度のPCBに対するリフロー後の検査。
複雑なはんだ接合部（BGA、QFN）および小型化された部品の検査。
厳しい品質要件を持つ生産ライン。

PCBおよびSMT工程におけるAOI：主な適用シナリオ
自動光学検査（AOI）は、PCB製造およびSMT実装プロセス全体を通じて不可欠な品質管理ツールです。生産ラインの重要なチェックポイントに導入されることで、早期段階での欠陥検出を実現し、再作業コストを削減するとともに、一貫した製品品質の維持を可能にします。以下に、生産工程別に分類した主要な適用シナリオを示します。

PCB製造工程におけるAOIの適用（裸基板検査）
AOIは、部品実装前の裸のPCBの構造的完全性を検証するために使用され、エッチング、ドリリング、およびはんだレジスト塗布の工程中に発生する欠陥を検出します。

エッチング後検査
・目的：電気的接続に影響するトレースの欠陥を確認すること。
・検出される欠陥：オープン回路（断線）、ショート回路（不要なトレース間の接続）、トレース幅のばらつき、エッチング不足／過剰、アブソーパッドの欠落。
・価値：部品実装後の高コストな再作業を防ぐために、致命的な電気的欠陥を早期に検出できる。

はんだレジストおよびシルクスクリーン印刷後検査
・目的：はんだレジストの被覆精度とシルクスクリーン印刷の正確さを確認すること。
・検出される欠陥：はんだレジストのはがれ、はんだレジスト開口部の位置ずれ、はんだレジストの気泡、誤ったシルクスクリーン表示、シルクスクリーンのにじみ。
・価値：はんだレジストが酸化からトレースを保護し、シルクスクリーンがその後の部品実装およびトラブルシューティングを支援することを保証する。

ドリリング／ビア後検査
・目的：穴あけされた穴およびビアの機械的精度を検査すること。
・検出される欠陥：位置ずれした穴、サイズが大きい／小さいビア、詰まったビア（意図しない閉塞）、および欠落したビア。
・価値：多層PCBにおける信頼性の高い層間接続を保証する。

SMT実装工程におけるAOIの応用
SMTはPCBA製造の中心であり、部品実装とはんだ付け品質をカバーするために、AOIは3つの主要な工程に導入される。

リフロー前AOI
・タイミング：ピックアンドプレース装置による部品実装後、リフロー炉に入る前。
・目的：はんだ付け前の部品実装精度を確認する—これは欠陥を修正するための最もコスト効率の高いチェックポイントである。

検出される欠陥：
部品関連の問題：部品の欠品、余分な部品、誤った部品種別／数値、極性の逆向き。
実装の問題：部品のオフセット、許容範囲を超える回転、リードの浮き、パッド上に部品が正しく座っていないこと。
価値：リフロー炉に不良基板が入ることを回避し、はんだの浪費と再作業の労力を削減。

リフロー後AOI
タイミング：基板がリフロー炉から出た直後（SMTで最も広く使用されているAOIシナリオ）。
目的：はんだ接合部の品質およびはんだ付け後の部品の完全性を検査。

検出される欠陥：
はんだ接合部の欠陥：はんだブリッジ（パッド間の短絡）、はんだ量不足、はんだ量過多、冷はんだ（密着不良）、トombstoning（部品の傾き）、およびはんだボール。
部品の損傷：IC本体のひび割れ、高温リフローによるリードの曲がり、部品のずれ。
価値：はんだ接合部がIPC規格を満たしており、最終製品における信頼性問題を防止することを保証。

組立後AOI
タイミング：スルーホール部品の手挿し後（該当する場合）および機能試験後。
目的：完全に組み立てられたPCBAに対して包括的な最終チェックを実施する。
検出された欠陥：スルーホール部品の欠品、手はんだ付けの誤り、コネクタの損傷、および基板表面へのフラックスや汚染物の残留。
価値：出荷前の最終品質ゲートとして機能し、顧客に届く製品がすべて合格品であることを保証する。

高信頼性産業における特殊な適用シナリジ

品質要求が厳しい産業では、AOIは特定のニーズに合わせてカスタマイズされる：

・自動車用電子機器： 3D AOIは、エンジン制御ユニット（ECU）やADASシステム用のPCBAを検査する際に使用され、高温条件下でのはんだ接合部の平面性および部品の信頼性に着目する。
・医療機器: AOIは、ペースメーカー、診断機器などのPCBAを検証し、FDAおよびISO 13485規格への準拠を確実にするために欠陥ゼロを保証する。
・航空宇宙および防衛： 高精度3D AOIは、航空電子機器向けの小型化・高密度PCBAを検査し、極限環境でシステム障害を引き起こす可能性のあるマイクロレベルの欠陥を検出する。