发布时间 : 星期四 文章基于图像的pcb板的断路短路检测技术研究更新完毕开始阅读
1 绪论
1.1 课题研究的背景
近几年来，随着通信、计算机、消费电子等产业的发展，印刷电路板(PCB)行业也迅速的发展起来了。印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)又称为印刷线路板或印制电路板。印刷电路板是各种电子产品的主要部件，有“电子产品之母”之称，它是任何电子设备和产品都需要配备的，其性能的好坏在很大程度上影响到电子产品的质量。几乎每一种电子设备都离不开PCB，小到电子手表、计算器，大到航空航天、 军用武器系统等，都包含各式各样，大小各异的PCB板。
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。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)，层数已经达到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已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的品质，如何减少废品率，如何提高印刷电路板的质量是各个电路板生产厂家一直不懈追求的目标。
由于电路板在生产过程中受到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。如果不及时地将这些质量问题检查出来，势必会在PCB板调试和使用的过程中留下隐患，造成更大的损失，所以必须实施严格的中间检测。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检测手段已经不能适应当今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。
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1.2 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两种，在PCB发展的早期，接触式检测发挥了重要作用，而现在非接触式则成了PCB板缺陷检测的主要方法和手段。
接触式检测主要有两种形式：针床式检测和飞针式检测。针床式检测主要适用于大批量中、低密度电路板的检测，检测速度较快。比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，制作和调试的周期长、成本高，因此不适合低产量原型样机的测试。飞针式检测是专门针对小批量、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。飞针式检测具有许多优点：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；很方便检测具有细微间距引脚的电路板；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，比如：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；飞针测试还限制电路板的尺寸。
非接触式检测中，检测传感器不与被检测对象发生直接的物理接触，这样可以避免因物理接触而发生故障。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，而且响应时间比较快。非接触式检测在PCB缺陷检测中有明显的优势，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，比如：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的时间，及时找出
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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方法。
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l0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的生产线上。因此，AOI供应商的数量急剧增加，各种AOI技术也得到了快速的发展。从简单的摄像系统到复杂的光检测系统，众多供应商们已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。
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。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。但他们大部分售价都比较贵。
国内印刷电路板的自动光学检测系统的研究大约开始于90年代初中期，还是刚刚起步。目前，从事这方面研究的科研院所也是比较少的，而且也因为受到各种因素的影响，对于印刷电路板缺陷的自动光学检测系统的研究也只是停留在一个相对初期的水平。
正是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的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缺陷的办法进行检测。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。对更高密度和精度的电路板，已无法完全检验。
现有的电子及相关产业的生产及检测设备等高性能产品大多是进口的。由于进口设备价格非常贵，使得国内大部分印制电路板的生产厂家暂时无力购买，给他们带来了非常大的经济压力，而且这些设备往往不适合国内操作人员的习惯，在使用的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、快捷地检测的仪器设备，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。
1.3 课题研究的目的和意义
随着全球经济一体化步伐的加快，我国产业结构的投资方向发生了重大的调整，
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国家“十五\计划已经把研制微电子装备作为一个专题项目提出来，必然会向该领域投入大量资金和人力资源，用于芯片和相关检测设备的研制，以填补该领域的空白。所以这对于科技最敏感的科研院，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，但是行业的现状并不是太乐观，产品的生产、检测还处在一个相对低的水平，这样也导致了生产率比较低，与世界发达国家相比，还具有一定的距离。因此，研究开发具有自主知识产权的光电一体化高科技的产品一一印刷电路板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制成功，使我国摆脱AOI产品还需要进口这样难堪的局面，不但可以节省外汇，也将使我国印刷电路板行业检测技术落后的状况得以改观，增加竞争的能力，提高我国的PCB企业在国际上的地位。所以，研究基于图像的PCB缺陷检测系统的设计与研究具有非常深远的意义。本论文主要研究的是短路断路缺陷。
本课题主要采用图像处理的方法检测印刷电路板的缺陷，针对工业应用的要求，本课题主要要求如下：
(1) 动态实时性。本课题用于印刷电路板的在线检测，实时性强，需要合理的设计算法，提高运算速度，以提高整个检测速率。
(2) 缺陷的判断准则的优化。既不能漏掉特征信息，也不能报告虚假信息，将误判率限制在合适的范围内。
(3) 适应性强。人工干预比较少，可直接从图像本身提取信息，自动加以判断处理。
本文涉及图像处理及自动化控制技术，内容广泛，涵盖面宽。本文集中于图像处理这个中间环节的处理，为进一步的研究打下坚实的基础。
1.4 本课题主要研究的内容
本课题研究的主要工作是研究设计能对印刷电路板的常见缺陷进行快速、实时识别的检测系统。主要对PCB的短路、断路缺陷进行检测。本课题主要采用图像处理的方法对印刷电路板的短路断路缺陷进行检测。涉及图像处理技术有图像灰度化，图像滤波及锐化等。本课题的主要工作分为以下几个章节来完成：
(1) 首先是在查阅大量参考文献的基础上，介绍了本课题的研究背景、国内外研究现状、研究目的和意义以及本论文所要完成的工作。
(2) 其次主要是检测总体方案的设计。介绍了结构组成并对各单元进行设计与说
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