Posizionamento dei componenti elettronici: Strategie di illuminazione per i robot pick-and-place

I componenti SMD coprono un’ampia gamma di dimensioni. Spaziano dai componenti passivi 0201 di 0,6 mm × 0,3 mm ai grandi BGA e connettori. Ogni componente, geometria dei terminali e finitura del PCB richiede un approccio di illuminazione differente. Pertanto, un singolo illuminatore ad anello non può coprire ogni applicazione. Comprendere l’ottica tra l’illuminatore, il componente e la telecamera è il punto di partenza per qualsiasi progettazione affidabile di sistemi pick & place.

Perché l’illuminazione determina l’accuratezza del posizionamento

Un sistema di visione per pick & place svolge due compiti distinti. Il primo è il riconoscimento del componente, in cui la telecamera identifica il tipo, legge l’orientamento e conferma la posizione nella sede dell’alimentatore. Il secondo è la verifica del posizionamento: dopo che l’ugello ha depositato il pezzo, una telecamera controlla che sia posizionato correttamente, centrato sulle piazzole e orientato in modo corretto.

Entrambe le attività richiedono immagini ad alto contrasto con bordi definiti. Il contrasto dipende direttamente dalla luce. Un terminale che appare luminoso con una determinata geometria può scomparire sul rame riflettente con un’altra. Pertanto, un illuminatore o una lunghezza d’onda errati rappresentano la causa più comune di falsi scarti e mancati prelievi.

Tecniche di illuminazione per l’ispezione di componenti SMD

Illuminazione diretta ad anello

Gli illuminatori ad anello a LED costituiscono la scelta standard per la visione a livello di componente. Montati coassialmente all’obiettivo, illuminano il pezzo da un intervallo angolare definito. Di conseguenza, producono ombre costanti attorno ai bordi, aumentando il contrasto per il template matching e la rilevazione del centroide.

L’angolo di illuminazione regola il risultato finale. Gli illuminatori ad anello ad alto angolo, da 45° a 90°, forniscono una luce ampia e uniforme sulla superficie superiore. Di conseguenza, sono adatti per la lettura di marcature e controlli di polarità su componenti piatti. Gli illuminatori ad anello a basso angolo, invece, sfiorano la superficie del PCB con luce radente. Di conseguenza, migliorano la visibilità della coplanarità dei terminali, della geometria di saldatura e della trama delle piazzole.

Basso angolo e campo scuro per l’ispezione dei terminali

La coplanarità dei terminali richiede che le minime differenze di altezza siano visibili. La luce in campo scuro a basso angolo (da 10° a 20°) crea giochi di ombre e zone luminose. Pertanto, un terminale piegato o sollevato anche di una frazione di millimetro proietta un’ombra evidente, consentendo all’algoritmo di rilevarlo in modo affidabile.

La stessa tecnica permette di individuare anche altri difetti. Ad esempio, rivela la mancanza di pasta saldante e le stampe di serigrafia fuori allineamento, oltre a evidenziare le sfere di saldatura sollevate sui componenti BGA. Poiché la luce radente massimizza il contrasto, l’elemento difettoso risalta chiaramente rispetto a quello corretto.

Retroilluminazione per l’ispezione della silhouette e dimensionale

I retroilluminatori trasmettono luce diffusa attraverso una superficie uniforme posizionata dietro al componente. La telecamera acquisisce così una silhouette scura su campo chiaro. Pertanto, questa tecnica permette di misurare il passo dei terminali, la larghezza del corpo e la lunghezza dei terminali prima del posizionamento. Consente inoltre di verificare la presa dell’ugello, controllando che il pezzo sia alla corretta altezza e senza inclinazioni. Di conseguenza, la misurazione dei contorni rimane indipendente dalla finitura superficiale.

Illuminazione coassiale per superfici piane riflettenti

Le piazzole in rame nudo e le finiture HASL sono fortemente speculari. In questi casi, un illuminatore ad anello convenzionale crea punti di abbagliamento che nascondono la piazzola. L’illuminazione coassiale risolve il problema inviando la luce lungo l’asse della telecamera tramite un divisore di fascio. Pertanto, elimina i riflessi speculari e mostra le caratteristiche superficiali in modo uniforme. Di conseguenza, è adatta per l’ispezione delle piste, la registrazione delle piazzole e il controllo della stampa della pasta saldante su schede in rame o ENIG.

Selezione della lunghezza d’onda per l’ispezione di PCB e componenti

La lunghezza d’onda incide fortemente sul contrasto. Colori diversi interagiscono in modo differente con i substrati, le saldature e gli inchiostri. Pertanto, la scelta deve essere adeguata all’elemento da ispezionare.

LED rossi e vicino infrarosso

I LED rossi da 620 a 660 nm e il NIR da 780 a 940 nm penetrano il substrato verde del PCB. Di conseguenza, riducono il disturbo causato dalla trama della fibra di vetro. La luce rossa migliora inoltre il contrasto tra saldatura e rame sulle schede HASL. Inoltre, il NIR a 850 nm permette la lettura attraverso il conformal coating e sui corpi scuri dei componenti.

LED blu e ultravioletti (UV)

I LED blu da 450 a 470 nm evidenziano i dettagli più fini sui substrati verdi. I LED UV da 365 a 385 nm eccitano la fluorescenza nei residui di flussante e nei rivestimenti, rendendone chiaramente visibile la distribuzione. Di conseguenza, la luce UV è adatta per la verifica del conformal coating e dei residui di flussante dopo la saldatura.

Illuminazione stroboscopica per linee SMT ad alta velocità

Le moderne macchine pick & place superano i 100.000 componenti all’ora. Pertanto, i tempi di esposizione della telecamera devono rimanere al di sotto di 1 millisecondo per evitare la sfocatura da movimento. Una luce continua a tale livello di luminosità supererebbe i limiti termici dei LED, riducendone la durata operativa.

Un controllore strobo risolve questo problema azionando il LED con impulsi brevi, tipicamente da 50 a 500 microsecondi, sincronizzati con il trigger della telecamera. Durante l’impulso, la corrente può salire da due a cinque volte il valore nominale in continua. Di conseguenza, l’alta luminosità di picco garantisce esposizioni brevi ed efficaci. Gli illuminatori RODER Vision sono completamente compatibili con il funzionamento strobo, garantendo un’emissione di picco stabile e latenze di trigger nell’ordine dei microsecondi.

Considerazioni per l’Integrazione

La distanza di lavoro è spesso ridotta nei sistemi SMT, in quanto la geometria dell’ugello e dell’alimentatore limita lo spazio disponibile. Pertanto, l’illuminatore deve adattarsi attorno all’obiettivo senza ostacolare la testa di prelievo. Si preferiscono illuminatori ad anello sagomati sul corpo dell’obiettivo. Per distanze inferiori a 30 mm, gli illuminatori ad anello ad alta densità o gli illuminatori spot in miniatura garantiscono la corretta geometria.

Anche l’uniformità e la stabilità sono fondamentali per la precisione. Una luce non uniforme sposta la posizione apparente dei bordi e introduce errori. Pertanto, gli illuminatori RODER sono progettati per un’elevata uniformità ottica, verificata in fase di produzione. Inoltre, i driver a corrente costante mantengono stabile l’emissione luminosa anche in presenza di variazioni di alimentazione. La tecnologia termica HTTM© mantiene fredda la giunzione, prolungando la vita utile e stabilizzando l’emissione.

Famiglie di illuminatori RODER Vision per SMT e pick & place

Le seguenti famiglie di prodotti sono adatte per l’ispezione SMD, il posizionamento e il controllo delle schede PCB. Ognuna offre un’elevata uniformità, supporto per il funzionamento strobo ed un’emissione luminosa stabile. Pertanto, la scelta corretta dipende dall’applicazione e dalla geometria.

La scelta corretta dipende dall’applicazione e dallo spazio disponibile. Per il riconoscimento e la lettura delle marcature, l’illuminatore ad anello ad alto angolo DC4 è la scelta principale. Per la coplanarità dei terminali è invece indicato l’illuminatore ad anello a basso angolo DC2. Per le silhouette dimensionali, il retroilluminatore BL2 rappresenta la soluzione ideale. Gli spazi estremamente ridotti favoriscono l’illuminatore spot in miniatura DL3M, facilmente integrabile. In ogni caso, RODER Vision offre supporto tecnico per la selezione della distanza di lavoro e della lunghezza d’onda. Pertanto, è opportuno definire prima il componente, il difetto e lo spazio disponibile, scegliendo poi l’illuminatore corrispondente.

Domande frequenti