AOIとは？PCBの自動光学検査について

AOIとは？自動光学検査では、カメラ、照明、ソフトウェアを使用して回路基板を検査し、指定された目視可能な特徴や潜在的な欠陥を確認します。PCBアセンブリでは、部品の欠落や露出したはんだブリッジを検出できます。また、AOIはベアボードの銅箔パターンも検査できますが、すべての隠れた接合部を確認したり、基板が正常に動作することを確かめたりはできません。

アセンブリの購入者にとって重要なのは、単にサプライヤーがAOIを提供しているかどうかではありません。カメラで何が見えるのか、検査プログラムで何を確認するのか、そして検出された項目にチームがどう対処するのかが重要です。

要点

• AOIは、部品の欠落、部品の位置ずれ、露出したはんだブリッジなど、プログラムで指定された目視可能な状態を検出できます。
• 検出結果は、カメラの視野、照明、検査プログラム、合否判定基準によって異なります。合格しても、考えられるすべての欠陥がないことを示すわけではありません。
• SPI、X線検査、インサーキットテスト、機能テストはそれぞれ異なる項目を確認するもので、AOIと併せて指定される場合があります。
• 発注前に、検査工程、検査範囲、結果の確認方法、製造時に利用できる記録について合意しておきましょう。

自動光学検査の仕組み

AOIは基板の画像を撮影し、選択した特徴をプログラムされた基準と照合します。通常、システムは既知の基準点に合わせて基板の位置を調整し、照明を当てて1つ以上の視点から画像を記録し、検査ルールや比較データを使って画像を評価します。その後、設定された許容範囲から外れた特徴を、確認が必要な項目として検出します。

プログラムでは、部品配置データ、部品ライブラリ、参照画像、その他の設計情報を使用できます。入力情報は機器や設定によって異なります。部品表に値や極性が記載されているだけで、カメラが部品の値や極性を認識できるわけではありません。識別に必要な特徴が見えること、そしてその特徴を確認するよう検査が設定されていることが必要です。

作業者や品質チームは、プロジェクトの合否判定基準に照らして、検出された画像を確認できます。検出は調査が必要であることを示すもので、必ずしも欠陥が確定したことを意味しません。合意された手順に従って、その状態を許容する、基板を修理する、または再検査するといった対応が考えられます。

ベアボード検査とアセンブリ検査

AOIは製造工程のさまざまな段階で使用されます。ベアボード製造では、露出した銅箔パターンを参照情報と照合し、パターンの潜在的な欠陥を特定できます。 HDI製造工程 では、後工程で積層する前に内層を検査する方法について説明しています。

一方、アセンブリ工程では、AOIは部品の位置や露出したはんだ接合部などを検査します。このガイドの残りの部分では、実装部品のパッケージ、マーキング、はんだ接合部によって光学システムの検査範囲が決まる、アセンブリ工程のAOIに焦点を当てます。

PCBアセンブリにおけるAOIの位置づけ

アセンブリ工程のAOIは、部品配置後、リフローはんだ付け後、または生産ラインとプロジェクトの要件に応じて両方の段階に設置できます。検査のタイミングによって、確認できる状態が異なります。

一般的な表面実装工程は次のとおりです:

1. はんだペーストを印刷する。 ステンシルを通して、基板のパッド上にはんだペーストを塗布します。
2. 指定されている場合はペーストを検査する。 はんだペースト検査（SPI）では、部品で覆われる前にペーストの塗布状態を確認します。
3. 部品を配置する。 実装機が部品をペースト上に配置します。
4. 指定されている場合はリフロー前に検査する。 AOIで、はんだ付け前に目視可能な部品の配置や向きの問題を検出する場合があります。
5. 指定されている場合はリフロー後に再検査する。 はんだが溶融して固まった後、AOIでアクセス可能な部品の特徴や露出した接合部を確認できます。
6. 結果を確認し、合意されたほかの検査を行う。 必要に応じて、X線検査や電気検査を計画に含めることができます。

これは工程の一例であり、すべての注文で各工程が実施されるという意味ではありません。 FLJ PCBの検査概要 では、ペースト印刷後のSPIとリフロー後のAOIを相補的な検査として説明しています。 はんだペースト検査ガイド ではペーストの測定について詳しく説明し、 リフローはんだ付けガイド では加熱工程を取り上げています。

AOIで検出できる欠陥

AOIは、その特徴を適切に確認できる視野があり、検査プログラムが設定されている場合に、目視可能なアセンブリの状態を検出できます。 Koh Youngの検査概要 では、部品の欠落や位置ずれ、マンハッタン現象、露出したはんだブリッジなどが例として挙げられています。実際の検査範囲は、製造する基板ごとに確認する必要があります。

状態	AOIで確認できる可能性がある項目	重要な制約
部品の欠落	所定の部品が所定の位置にあるかどうか	プログラムには、その部品の正確な位置と参照情報が必要です。
部品の位置ずれ	所定の実装領域に対する位置または角度	近くの部品、反射光、カメラアングルの制約によって、特徴が見えにくくなることがあります。
部品の立ち上がり	片端が浮き上がった小型部品	検出の可否は、撮影角度とシステムの性能によって異なります。
向きまたは極性の誤り	目視可能なマーキングや特徴を、指定された向きと照合します。	マーキングが隠れている、または判別できない場合、それだけでは極性を確認できません。
はんだ露出に関する懸念	アクセス可能な接合部における、目視可能なはんだブリッジ、またははんだ不足と思われる状態	表面画像では、隠れた接合部すべてを確認したり、その健全性を証明したりすることはできません。

AOIでは、目視可能なマーキング、形状、その他のプログラム対象の特徴が基準と異なる場合、誤った部品として検出されることもあります。電気的特性が異なっていてもカメラには同じように見える部品は、別の方法で識別する必要があります。反対に、外観が異なる代替部品は、製造に承認されていても検出されることがあります。

AOIの限界：検査で見えないこと、証明できないこと

AOIは、視線の通る範囲を検査する方法です。パッケージの上面や側面を撮影したカメラ画像では、その下にあるすべての接続部を確認できません。たとえば、多くのボール・グリッド・アレイ（BGA）のはんだ接合部は、部品本体に隠れています。 Koh YoungのAOI概要 では、こうした隠れた接合部が光学検査の限界として説明されています。

また、外見上は正常に見える不具合が基板に存在することもあります。内部断線、外観では区別できない部品の値の誤り、ファームウェアの問題を確認するには、表面画像以外の証拠が必要です。 ビンガムトン大学のX線検査施設 では、半自動BGAはんだ接合部検査が紹介されています。これは、X線が隠れた特徴の検査に役立つ例です。製造内容に応じて、電気試験や機能試験を行うことで、それぞれ異なる事項を確認できます。

AOIの合格は、適用される工程において、設定された検査で不合格として報告される項目がなかったことを意味します。すべての欠陥を検出できること、電気的性能が保証されること、または実装規格のすべての要求事項に適合することを保証するものではありません。適用する判定基準は、図面、顧客要求事項、および注文に適用すると合意された規格に基づきます。

2D AOIと3D AOI：何が違うのか？

2D AOIシステムは、複数の角度から撮影した画像を含む画像上の特徴を評価します。3Dシステムでは、画像に表面高さの情報を加えることで、検査プログラムが形状を評価する別の手段を得られます。どちらの名称も、それだけでは特定の基板検査がどこまで対象とするかを正確に示すものではありません。

検査方式	使用する情報	実務上の考慮事項
2D AOI	位置、形状、目視可能なマーキングなどの画像上の特徴	カメラが利用可能な視野で判別できる特徴に有効です。
3D AOI	システムに応じて、画像上の特徴と高さ情報を使用	アクセス性と設定条件によりますが、高さ情報はリードの浮きなどの特徴の評価に役立ちます。

Koh Youngの解説 では、3D AOIを視野全体の表面高さを再構成するものとして説明しています。情報が追加されても、隠れたBGA接合部が光学的に見えるようになるわけではなく、すべての欠陥が検出されることを保証するものでもありません。実際の実装品について、どの特徴や検査箇所が対象となるかを確認してください。

AOI、SPI、X線検査、電気試験の比較

これらの方法では、それぞれ異なる証拠が得られます。どの方法を選ぶかは、検査や試験で何を確認する必要があるかを起点に考えます。

方法	評価に役立つ内容	制約の例
SPI	部品搭載前、印刷後のはんだペーストの塗布状態	リフロー後の接合部の品質は確認できません。
AOI	プログラム対象となる、目視可能な部品およびはんだの特徴	隠れた特徴や内部の特徴をすべて検査することはできません。
X線検査	隠れた接合部や内部のはんだ形状の一部	画像だけでは、ファームウェアや製品全体が正常に動作することを証明できません。
インサーキット試験または機能試験	選択した電気接続、部品の動作、または製品機能	検査範囲は、選択した方法、アクセス性、治具、および検査手順によって異なります。

たとえば、インサーキットテストでは選択した電気接続や部品を確認できる場合があり、機能テストでは指定された動作を検証します。 検査方法と試験方法の比較に関するMicronの資料 によると、インサーキットテストの検査範囲は、プローブのアクセス性、治具の設計、およびテスト計画によって異なります。試験の名称やサプライヤーの一般的な対応能力の一覧だけでは、特定の注文における検査範囲は定まりません。

A はんだ接合部の検査に関するNASAの評価 では、1993年に少量生産の高信頼性表面実装アセンブリを対象として、光学検査とX線検査の手法が比較されました。その結果が示すのは試験対象となったシステムの性能であり、現在の装置による検出を保証するものではありません。

AOIプログラムと検査結果の確認方法

有効な検査計画では、基板のリビジョン、検査対象の特徴、および次の対応を決める基準を関連付けます。製造に向けてプログラムをどのように作成し、検証するのか、実装業者に確認しましょう。

検査項目の設定と検証

確認に必要な最新版のアセンブリ図面、部品表、および配置情報を提出してください。対象となる基板と部品のリビジョン、検査工程、向きの基準、目視可能な特徴の判定基準について合意します。良品の参照サンプルは設定に役立つ場合がありますが、良品基板が1枚あるだけでは、関心のあるすべての欠陥をプログラムが識別できることの証明にはなりません。

どの特徴をシステムで検査できるのか、またパッケージ形状、マーキング、アクセス性によってどのような除外事項が生じるのかを確認してください。 IPC-A-610アセンブリ受入ガイド では、より広範な受入基準の枠組みが説明されています。特定の注文に適用する版、クラス、および顧客要件は、別途合意する必要があります。

誤検出と見逃しの可能性を確認する

A 誤検出 とは、適用される基準に照らして確認した結果、許容範囲内と判断された特徴が検出対象としてフラグ付けされることです。 欠陥の見逃し とは、実際の欠陥が意図された検査で検出されず、後工程に進んでしまうことです。この2つは別の問題です。不要なフラグを減らすようプログラムを調整する際も、有用な検査範囲を損なってはいけません。

A ヘルシンキ大学が説明する2024年の研究データセット には、AOIでフラグ付けされ、目視検査によって真の欠陥または誤検出と評価された事例が含まれています。フラグを確認した記録は、チームが誤検出を調査する方法を示すものです。ただし、それだけではAOIが見逃した欠陥の数は明らかになりません。

フラグ画像を誰が確認するのか、欠陥が確認された場合にどう対処するのか、修理した基板を再検査するのかについて合意してください。見逃された欠陥を評価するには、合意した検証用セットや補助検査など、実際に何が存在したかを確認できる独立した方法が必要です。AOIの合格記録だけでは、見逃された欠陥をすべて把握できません。

例：1枚の基板について4つの検査項目を検討する

次のような 仮想の アセンブリを考えてみましょう。露出したファインピッチ端子、極性マークが見えるダイオード、誤った部品と外観が同じでマーキングのない部品、そして中央の接合部が下に隠れているBGAが含まれています。この表は検査計画で検討する項目の例であり、実際の生産記録ではありません。

基板上での確認事項	AOIで確認できる可能性があること	合意すべき追加事項
ファインピッチ端子間に露出したブリッジはありますか？	対象部分が見えており、検査が設定されていれば、ブリッジを検出できる場合があります。	カメラのアクセス性、判定基準、およびフラグの確認方法を決めます。
マーキングのあるダイオードは正しい向きに実装されていますか？	見えるマークと位置を、プログラムされた基準と照合できる場合があります。	図面上の極性基準と、マークが目視できることを確認します。
マーキングのない、外観が似た部品は正しい値のものですか？	外観だけでは、見た目が同じ誤った部品と区別できません。	部品の識別、トレーサビリティ、または適切な電気的検査について合意します。
隠れているBGA中央部の接合部は許容範囲内ですか？	上面画像では、パッケージの下に隠れた接合部を直接確認できません。	プロジェクトでX線検査や電気的検査が必要か判断します。

目指すのは「AOI必須」とすることだけではなく、合意された検査範囲を定めることです。見積もりを依頼する際は、検査工程、対象特徴または除外事項、適用する判定基準、確認および再検査の手順、サプライヤーが提供できる結果や記録を確認してください。隠れた接合部や電気的検査の必要性は別途相談します。

よくある質問

AOIは目視検査と同じですか？

AOIは画像の取得と、プログラムされた検査を自動化します。目視検査では、人が基板を確認し、場合によっては拡大鏡を使います。両者は併用できます。たとえば、担当者が適用基準に照らしてAOIのフラグを確認したり、自動プログラムの対象外となる特徴を調べたりできます。

AOIでBGAのはんだ接合部を検査できますか？

AOIではBGAアセンブリの外から見える特徴を検査できますが、パッケージ本体の下に隠れた接合部を直接検査することはできません。プロジェクトで必要とされる場合、隠れたはんだ部分の検査にX線を使用することがあります。具体的な検査および受入計画は、生産開始前に合意してください。

AOIの合格で、基板が動作することは保証されますか？

いいえ。AOIの合格が確認するのは、設定された光学検査が所定の条件下で合格したことです。すべての電気接続、部品の機能、またはファームウェアの動作を証明するものではありません。そうした結果が必要な場合は、電気的検査または機能テストを別途指定してください。

見積もりを依頼する前に検査内容を指定する

まず、基板のリビジョン、図面、部品表、製品にとって最も重要な機能を確認します。次に、 PCB実装チームに その製造で合意できるAOI検査、隠れた接合部の検査、試験記録について尋ねます。範囲を明確にしておくと、基板がレビューに回された際、合格または要確認の判定がより有用になります。