Attualità dell’ispezione visiva

ISPEZIONE OTTICA –

Lenti, microscopi e visori hanno preceduto, ma non soppiantato, i sistemi di ispezione ottica automatica nel controllo dei pcb. Ancora oggi sono largamente utilizzati tanto per l’ispezione visiva quanto nelle operazioni di ripresa e rework.

Gli strumenti tradizionalmente utilizzati nell'ispezione visiva nell'ambito delle lavorazioni elettroniche sono la lente d'ingrandimento, il visore e lo stereomicroscopio, tuttora ampiamente diffusi a dispetto dell'incremento nell'utilizzo dei sistemi AOI.
Il corretto ingrandimento dei particolari di una scheda elettronica sotto ispezione o su cui si sta operando, mette l'operatore in condizione di cogliere più rapidamente ogni dettaglio, operazione facilitata da una buona illuminazione dell'oggetto, che diminuisce lo sforzo visivo e quindi l'affaticamento, a tutto beneficio del risultato finale.

Quale strumento per quale applicazione
I campi applicativi dei sistemi di visione sono praticamente illimitati e spaziano dal controllo della produzione dei circuiti stampati al controllo qualità dei pcb, sia durante il ciclo di assemblaggio che a fine linea. Si esegue il controllo meccanico dei particolari quali fori, piste e piazzole o il controllo dell'esito delle lavorazioni di fotoincisione e taglio laser, piuttosto che la verifica dello stato delle aperture.
Porsi la domanda sul come utilizzarlo, è naturalmente il primo passo per scegliere il giusto sistema d'ispezione visiva, che richiede un corretto abbinamento col sistema di illuminazione.
Il sistema visivo trasferisce l'immagine del particolare del pcb sotto osservazione direttamente o attraverso il CCD, agli occhi dell'operatore; deve quindi rendere l'immagine fedelmente e con la necessaria qualità, per consentirne all'operatore di acquisire le informazioni desiderate.
La qualità dell'immagine può variare da un'applicazione all'altra ed è condizionata dalla risoluzione, dal contrasto, dall'errore geometrico (come la distorsione) e dalla profondità di campo.
Nel processo di assemblaggio elettronico il microscopio trova svariate applicazioni, dalla serigrafia alla rifusione. E' utile per controllare la qualità del deposito serigrafico della pasta saldante o per il controllo della qualità dei giunti dopo la saldatura. Un buon microscopio è
fondamentale nel trovare difetti come la presenza di solder ball piuttosto che di cortocircuiti, aiuta a identificare i residui di saldatura o le microfratture sul corpo dei componenti.
La lente è di utilizzo generalizzato, per ispezioni veloci e a supporto delle operazioni di rework.

La lente d'ingrandimento
La lente d'ingrandimento con illuminatore è lo strumento d'ispezione visiva più diffuso, il cui costo varia da alcune decine di euro a diverse centinaia. Che sia col basamento pesante o con fissaggio a morsetto, è importante la qualità del braccio bilanciato a molle, che consente all'operatore di manovrare con facilità per verificare velocemente qualsiasi particolare in lavorazione. Una sola mano basta a guidare nella posizione desiderata la lente biconvessa che deve essere in vetro ottico lucidato. Il particolare costruttivo dell'ottica è importante perché l'utilizzo delle più economiche lenti in plastica o in vetro verde può indurre affaticamenti visivi e disturbi nell'operatore oltre a falsare la riproduzione dei particolari osservati.
La lente si trova al centro del riflettore in alluminio (in plastica nelle versioni economiche) al cui interno c'è la lampada anulare fluorescente, protetta da uno schermo che evita riverberi e la luce diretta negli occhi.
Non sempre c'è chiarezza nei termini ottici utilizzati per identificare le prestazioni di questi semplici strumenti visivi.
Il fattore d'ingrandimento definisce il livello al quale un oggetto è ingrandito attraverso la lente, si indica con un numero seguito dalla “X”, mentre la diottria rappresenta il raggio di curvatura della lente ed è un termine propriamente ottico legato anch'esso al potere di ingrandimento. Una diottria corrisponde a ¼ di un ingrandimento, di conseguenza una lente deve possedere 4 diottrie per ingrandire 1X mentre ne deve possedere 8 per avere un ingrandimento di 2X.
Nelle lenti, come nei microscopi, rivestono particolare importanza la distanza focale e il campo visivo. La prima è la distanza che intercorre tra l'oggetto (perfettamente a fuoco) e il centro della lente mentre il secondo definisce l'area ingrandita e perfettamente a fuoco ripresa dalla lente. Maggiore è l'ingrandimento e minore è l'area ripresa e minore è la distanza focale disponibile, di conseguenza con un alto numero di ingrandimenti diminuisce la possibilità di poterci operare ad esempio con un saldatore.
Va comunque precisato che per motivi costruttivi e di conseguenza di costo, questo tipo di lenti gode di un numero di ingrandimenti limitato.

Il visore
Il visore si pone tra la lente e il microscopio. Costituisce la risposta alla necessità di avere un ingrandimento maggiore di quello offerto dalla lente, senza dover sottostare alla coercizione degli oculari propria degli stereomicroscopi. Offre un'ampia libertà di manovra a chi deve non solo vedere i particolari, ma anche lavorarci sopra. La buona illuminazione di cui dispongono e la visione stereoscopica consentono all'operatore un'ottima percezione della profondità di campo e la discriminazione dei colori. Con diverse ottiche si arriva a ottenere discreti ingrandimenti fino a 10X, che permettono di ispezionare particolari anche complessi. La struttura snodata del supporto agevola non solo una visione confortevole e senza affaticamento, ma anche un'ampia libertà di movimenti.

Il microscopio
Il microscopio è stato progettato per lavorare congiuntamente con il più sofisticato dispositivo di cattura delle immagini un tempo conosciuto, l'occhio umano, e vanta una storia che risale a oltre trecento anni fa.
Le ottiche giocano un ruolo naturalmente rilevante nel definire l'efficacia di un dispositivo di ispezione visiva. Nella scelta di un microscopio è importante identificare bene i parametri più rilevanti quali la luminosità, gli ingrandimenti, la distanza di lavoro, la profondità di campo e la risoluzione.
In particolare la profondità di campo risulta utile nell'ispezionare oggetti tridimensionali e non scorporabili dal contesto in cui si trovano, come per il caso dei componenti elettronici e i relativi giunti di saldatura.
Lo stereo microscopio fornisce l'immagine tridimensionale dell'area inquadrata, dando elevata profondità di campo e dettagli accurati degli oggetti ripresi, altamente utili anche nel caso in cui si debba intervenire con operazioni di saldatura (o dissaldatura) durante l'osservazione.
Lo stereomicroscopio offre un'ampia gamma di ingrandimenti ottenuti mediante zoom con ingrandimento continuo. I valori d'ingrandimento più diffusi degli obiettivi sono 0,5X - 1,0X - 1,5X e 2,0X. Gli oculari sono anch'essi facilmente intercambiabili con valori che variano da 10X a 15X e 20X, hanno la regolazione per compensare eventuali differenze nella capacità visiva tra i due occhi, così come è regolabile la distanza interpupillare per rendere confortevole l'operazione di ispezione a chiunque.
L'obiettivo è il corpo centrale e più complesso del microscopio e trasmette l'immagine reale dell'oggetto osservato. La sua focale influenza diversi altri fattori quali la risoluzione, il potere di ingrandimento, il campo di ripresa e la quantità di luce che lo attraversa.
Nella progettazione di un obiettivo, le industrie ottiche pongono una particolare attenzione nel ridurre le aberrazioni, che sono la causa del degrado dell'immagine. Le due principali aberrazioni sono quella sferica e quella cromatica; la prima distorce progressivamente l'immagine alla sua periferia, la seconda tende ad alterare i colori.
Attraverso un terzo elemento, l'adattatore trinoculare, si ha la possibilità di installare la telecamera senza ridurre però la flessibilità dello strumento, come si avrebbe invece con l'installazione della telecamera (mediante apposito adattatore)su uno degli oculari.
La risoluzione di un microscopio è usualmente definita come l'abilità nel distinguere i dettagli di un oggetto ed è espressa in termini di coppie di linee per millimetro. Il contrasto è la misura della separazione tra la luminosità e le parti scure dell'immagine ed è espresso in termini percentuali.
La profondità di campo è la capacità del sistema ottico di mantenere la desiderata qualità dell' immagine mentre l'obiettivo muove (avvicinandosi o allontanandosi) attorno al punto di messa a fuoco.
La distorsione definisce un difetto delle lenti (aberrazione) che causa una differenza nell'ingrandimento dell'oggetto in differenti parti dell'immagine (dal centro verso la periferia) ed è espressa in misura percentuale.
La distanza di lavoro è quella che intercorre tra la superficie dell'oggetto ripreso e la prima superficie del sistema di ottiche. È direttamente collegata col concetto di campo visivo, che a sua volta è la porzione visibile di quanto è sotto osservazione.

La telecamera come strumento d'ispezione
L'invenzione e lo sviluppo dei sensori ottici, cuore delle odierne microtelecamere elettroniche, ha reso possibile la creazione di potenti sistemi di indagine il cui hardware è stato potenziato con capaci software di elaborazione dell'immagine.
Verso la metà degli anni ottanta ha preso avvio il rapido sviluppo della tecnologia dei dispositivi CCD (couple charge device) a colori la cui aumentata capacità ha permesso nel tempo ai moderni sistemi di videomicroscopia (ma anche agli AOI) di catturare immagini ad alta risoluzione mantenendo una elevata profondità di campo.
Tutte le telecamere hanno un sensore dalle dimensioni ben definite che ne costituisce la parte attiva. Indipendentemente dalle dimensioni del pcb, il sensore CCD ne riprenderà solo una porzione che è dipendente dalle sue dimensioni.
Quando l'immagine del particolare elettronico catturato dalla telecamera attraverso le ottiche viene riprodotta sul monitor, ha luogo un ulteriore ingrandimento. Il fattore di ingrandimento si ottiene dividendo la diagonale del monitor per la diagonale del sensore.
Le dimensioni più utilizzate per i CCD sono ½”, 1/3” e ¼” . Con un monitor di 15” e nel caso di un sensore di ½” si avrà un ingrandimento di 47 volte, con un CCD di 1/3” l'ingrandimento è di 63 volte e nell'ultimo caso di 94 volte.
I monitor possono lavorare alla frequenza di 50 o 100 Hertz, che sono le frequenze con cui vengono presentate le immagini sullo schermo.
Normalmente un segnale è composto dalla successione di 25 fotogrammi al secondo. Ciascuno di questi è in realtà suddiviso in due semiquadri contenenti uno le righe pari e l'altro le righe dispari.
Un monitor standard riprodurrà pertanto 50 semiquadri al secondo, cioè lavorerà con una frequenza di 50 Hz. Questo può causare quell'effetto chiamato “flicker”, così fastidioso per l'occhio umano, che consiste in un leggero sfarfallio dell'immagine. Con l'aggiunta di appositi circuiti si è raddoppiato il tempo di permanenza del semiquadro, ottenendone 100 al secondo, portando di fatto la frequenza a 100 Hz. Un monitor a colori con queste caratteristiche consente di ottenere un'immagine più naturale e meno affaticante per l'operatore.

L'illuminazione
La sorgente luminosa, a incandescenza o fredda, caratterizza il sistema d'illuminazione; altri fattori di distinzione sono l'ampiezza del fascio illuminante e il tipo di luce, diffusa o incidente.
Spesso l'operatore si trova a dibattersi tra problemi di contrasto e di risoluzione, senza curarsi dell'importanza della giusta illuminazione che, se ben calibrata, può qualificare l'immagine in termini di qualità, riducendo anche l'affaticamento visivo.
La corretta intensità di luce dipende dalla corretta selezione della sorgente luminosa, una soluzione impropria può generare una falsa percezione dei particolari, adombrandoli o rendendoli troppo luminosi. Un'ombreggiatura indesiderata altera la percezione geometrica degli oggetti e, se si usa la telecamera, il problema può essere amplificato.
Le sorgenti luminose variano dalla lampadina da 10 W (o di poco superiore) all'illuminazione anulare con luce fredda o diffusa, all'illuminatore a fibre ottiche.

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