الفحص البصري لعيوب لوحات الدوائر المطبوعة/تجميعات لوحات الدوائر المطبوعة: كيف تُعيد تقنيات الذكاء الاصطناعي والرؤية ثلاثية الأبعاد تشكيل "العين الذكية" في صناعة الإلكترونيات

خلف لوحة الدوائر الصغيرة تكمن ثورة في الفحص البصري بدقة تُقاس بالميكرومترات.

في مجال تصنيع الإلكترونيات، تُحدد جودة لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) ومكوناتها (PCBAs) بشكل مباشر أداء وموثوقية المنتجات الإلكترونية. ومع اتجاه الأجهزة الإلكترونية نحو الكثافة العالية والتصغير، لم يعد الفحص البصري اليدوي التقليدي كافيًا لتلبية متطلبات الصناعة الحديثة من حيث الدقة والكفاءة.

تُحقق تقنية الفحص البصري، من خلال التصوير البصري وخوارزميات الكمبيوتر، سرعة عالية ودقة عالية في تحديد عيوب لوحات الدوائر المطبوعة/لوحات الدوائر المطبوعة تلقائيًا، وقد أصبحت حلقة وصل حاسمة في ضمان جودة تصنيع الإلكترونيات.

1. التطور التكنولوجي: القفزة من الفحص البصري اليدوي إلى الفحص البصري بالذكاء الاصطناعي

اعتمدت عمليات فحص لوحات الدوائر المطبوعة المبكرة بشكل أساسي على الفحص البصري اليدوي المقترن بالاختبارات الكهربائية. كانت هذه الطريقة تعتمد بشكل كبير على خبرة المشغل، وعرضة للإرهاق والعوامل الذاتية، مما أدى إلى ارتفاع معدل الخطأ. مع ازدياد كثافة الدوائر وتصغير حجم مكونات تقنية التجميع السطحي (SMT) وزيادة كثافتها، لم تعد طرق الفحص التقليدية قادرة على تلبية متطلبات الإنتاج الحديث.

ظهرت تقنية الفحص البصري الآلي (AOI)، التي تُتيح تحديد عيوب لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) تلقائيًا من خلال المسح الضوئي ومعالجة الصور. ورغم أن أنظمة الفحص البصري الآلي من الجيل الأول حسّنت كفاءة الفحص إلى حد ما، إلا أنها ظلت تعاني من قصور في تحديد العيوب الدقيقة في البيئات المعقدة.

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع للذكاء الاصطناعي وتقنيات الرؤية ثلاثية الأبعاد، شهدت أنظمة الفحص البصري الآلي (AOI) طفرةً ثورية. وعلى وجه الخصوص، ساهم التطبيق الناجح لخوارزميات التعلم العميق في مجال التعرف على الصور في تحسين دقة وكفاءة الكشف عن عيوب لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بشكل ملحوظ.

لا تستطيع أنظمة الفحص البصري الحديثة التي تعمل بالذكاء الاصطناعي تحديد العيوب فحسب، بل يمكنها أيضًا تحسين عملية الفحص من خلال تحليل البيانات والتعلم، مما يحقق ترقية ذات حلقة مغلقة من "الحكم على العيوب" إلى "تحسين العملية".

تشهد تكنولوجيا الفحص قفزة نوعية من الفحص التقليدي ثنائي الأبعاد إلى "الفحص ثلاثي الأبعاد كامل الأبعاد + التمكين العميق بالذكاء الاصطناعي"، لتصبح قوة دافعة أساسية للتطوير عالي الجودة لتصنيع الإلكترونيات.

2. التكنولوجيا الأساسية: تكوين النظام والاختراقات الخوارزمية للفحص البصري بالذكاء الاصطناعي

يتكون نظام الفحص البصري التلقائي المتكامل (AOI) من أربع مراحل أساسية: التقاط الصور، ومعالجة البيانات، وتحليل الصور، وإنشاء التقارير. يحصل النظام على صور الجسم المراد فحصه عبر مستشعرات بصرية، ثم يحلل الصور ويعالجها باستخدام خوارزميات متطورة، وأخيرًا يحدد العيوب المحتملة.

في مرحلة التقاط الصور، يعمل نظام الإضاءة والكاميرا ونظام التحكم معًا للحصول على صور فحص عالية الجودة. غالبًا ما تستخدم الأنظمة المتقدمة الحالية إضاءة متعددة الزوايا وكاميرات عالية الدقة، وحتى تقنية التصوير ثلاثي الأبعاد، للحصول على معلومات عن عمق أسطح الأجسام.

في مرحلة معالجة البيانات وتحليلها، تعتمد الطرق التقليدية بشكل أساسي على العتبات والقواعد المحددة مسبقًا، بينما تستخدم أنظمة الكشف الحديثة بالذكاء الاصطناعي خوارزميات التعلم العميق لتعلم ميزات العيوب تلقائيًا من كميات هائلة من البيانات، مما يؤدي إلى تحسين دقة الكشف بشكل كبير.

أظهرت الخوارزميات المتقدمة، مثل YOLO (أنت تنظر مرة واحدة فقط)، مزايا كبيرة في الكشف عن عيوب لوحات الدوائر المطبوعة. وقد حقق إطار عمل مُحسّن مُقترح، YOLO-HMC، دقة متوسطة (mAP) تبلغ 98.6% على مجموعة بيانات عامة لعيوب لوحات الدوائر المطبوعة، حيث تمكن من تحديد العيوب الدقيقة بفعالية، مثل الدوائر المفتوحة والدوائر القصيرة والنتوءات.

يُعد دمج الميزات من زوايا متعددة إنجازًا هامًا آخر. فمن خلال الحصول في آنٍ واحد على صور من الأعلى ومن زوايا جانبية متعددة للوحة الدوائر المطبوعة، يستطيع النظام إجراء فحص شامل للمكونات من زوايا مختلفة، مما يحل بفعالية مشكلة النقاط العمياء البصرية عند استخدام زاوية رؤية واحدة.

بالنسبة للعيوب التي يصعب اكتشافها من منظور علوي، مثل عيوب وصلات لحام الدبابيس ورفع المكونات، تعمل تقنية العرض المتعدد على تحسين موثوقية الكشف بشكل كبير.

يمكن لتقنية فحص الرؤية ثلاثية الأبعاد، من خلال تقنيات مثل إسقاط الشبكة الرقمية ذات التردد المتغير، قياس معلومات ارتفاع المكونات بدقة، مما يحل بشكل فعال مشكلة عدم دقة تحديد عيوب الانحناء والميل في الكشف ثنائي الأبعاد التقليدي.

3. سيناريوهات التطبيق: حلول تقنية لأربعة سيناريوهات أساسية

الكشف عن عيوب عملية اللحام

تُعدّ عملية اللحام عملية أساسية لتوصيل المكونات الإلكترونية بلوحات الدوائر المطبوعة. وتؤثر العيوب الدقيقة (مثل ضعف اللحام، والفراغات، وعدم كفاية اللحام) في عمليات التجميع السطحي (SMT) والتجميع في تغليف ثنائي النقاط (DIP) وتغليف الرقائق، والتي لا تُرى بالعين المجردة، بشكل مباشر على موثوقية المنتج.

أصبحت تقنية الذكاء الاصطناعي ثلاثية الأبعاد عنصراً أساسياً في حل مشكلة الكشف عن العيوب الدقيقة في اللحام. فعلى سبيل المثال، توفر سلسلة أجهزة الفحص البصري الآلي Zenith من شركة Koh Young، والمبنية على تقنية القياس ثلاثي الأبعاد، نتائج الكشف وفقاً لمعيار IPC-610، ويمكنها الكشف بفعالية عن مختلف العيوب مثل نقص اللحام، وعدم المحاذاة، والوصلات غير المتساوية.

يدمج جهاز فحص الأشعة السينية AX9100VS من شركة Unilink Technology إمكانيات الكشف ثنائية الأبعاد/ثنائية الأبعاد ونصف/ثلاثية الأبعاد، ويدعم التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد ثنائي الوضع، سواءً كان تصويرًا مقطعيًا مستويًا أو تصويرًا مقطعيًا مخروطي الشعاع، بدقة تقارب النانومتر، مما يتيح التقاطًا دقيقًا للعيوب على مستوى الميكرون. فحص جودة وضع/إدخال المكونات

مع تطور لوحات الدوائر المطبوعة نحو "الكثافة العالية والتصغير والمرونة"، أصبحت القضايا ثلاثية الأبعاد المتعلقة بـ "وجود وموقع وحالة" المكونات أثناء وضع/إدخال المكونات محورًا رئيسيًا لفحص الجودة.

تستخدم معدات 3D AOI II من شركة Rectron Technology حلاً تكنولوجياً يجمع بين تقنيتي 2D و3D. ومن خلال تقنية إسقاط الشبكة الرقمية ذات التردد المتغير، تحقق هذه المعدات كشفاً دقيقاً للمكونات على ارتفاعات مختلفة، مما يحل بشكل فعال صعوبات الفحص التقليدي ثنائي الأبعاد في تحديد العيوب مثل الميل والتشوه.

يدمج نظام الفحص بالأشعة السينية ثلاثي الأبعاد الذكي V810Ai QX1 من ViTrox التصوير فائق الدقة وخوارزميات الذكاء الاصطناعي المتقدمة، مما يتيح الكشف الدقيق عن العيوب الدقيقة وإعادة بناء الهياكل الداخلية ثلاثية الأبعاد بدقة عالية.

فحص متخصص لحالات محددة

تواجه معدات الفحص التقليدية صعوبة في التعامل مع سيناريوهات خاصة مثل المواد الشفافة (مثل المواد اللاصقة في عمليات التوزيع)، والركائز المرنة، والطلاءات بسبب خصائص المواد أو الإخفاء الهيكلي.

يستخدم نظام Xceed 3D AOI من PARMI تقنية الكشف بالليزر لقياس سمك وتجانس المواد الشفافة بدقة، كما أنه مُكيَّف للكشف عن انحناء الركائز المرنة، مما يعالج قيود الفحص البصري التقليدي في "عدم وضوح تحديد" المواد الشفافة/المرنة.

مراقبة جودة العمليات الكاملة المعتمدة على البيانات

لقد تجاوز فحص الرؤية بالذكاء الاصطناعي الحديث مجرد اكتشاف العيوب البسيطة ويتطور نحو نظام حلقة مغلقة من "الاكتشاف والتحليل والتتبع والتحسين".

تضمن سلسلة أجهزة فحص الأشعة السينية عالية السرعة VT-X750 من شركة أومرون دقة الكشف من خلال تقنية التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد، مع دمج تقنية الذكاء الاصطناعي لتقليل متطلبات المهارة للمشغلين وتقصير وقت البرمجة بشكل كبير.

يوفر نظام AOI InsightX من Lasertek إدارة مركزية للبيانات، ويقدم تحليلاً احترافياً للبيانات ورسوماً بيانية توضيحية لمساعدة مديري خطوط الإنتاج على مراقبة حالة الإنتاج في الوقت الفعلي. وعند حدوث أي تنبيهات غير طبيعية، يمكنه ربط الأقسام المختلفة بسرعة لتحسين معايير خط الإنتاج.

4. التحديات التقنية: صعوبات كبيرة في اكتشاف عيوب لوحات الدوائر المطبوعة

على الرغم من التقدم الكبير في تكنولوجيا فحص الرؤية بالذكاء الاصطناعي، لا تزال هناك العديد من التحديات في التطبيقات العملية:

إن اكتشاف العيوب الدقيقة هو التحدي الأساسي. نظرًا للاختلافات في عملية التصنيع، تكون عيوب سطح PCB عادةً أصغر من 4500 بكسل، مع وجود نتوءات وعيوب أخرى أصغر من 300 بكسل.  يمكن أن تصل صور PCB عالية الدقة إلى 6.5 مليون بكسل، مما يعني أن العيوب الصغيرة لا تمثل سوى 0.005%-0.07% من بكسلات الصورة.

في الخلفيات المعقدة، تحتوي ركيزة لوحة الدوائر المطبوعة على العديد من نقاط اللحام الصغيرة، والوصلات، والأسلاك الكثيفة. تشبه هذه البنى عيوبًا حقيقية، مما يعيق بشدة قدرة النموذج على استخلاص السمات الرئيسية بدقة.

يُعدّ الكشف المتزامن عن عيوب متعددة تحديًا كبيرًا أيضًا. إذ يمكن أن تُنتج عملية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة أنواعًا مختلفة من العيوب، وأي خلل طفيف في الجودة قد يؤثر على استقرار أداء المكونات. وهذا يفرض متطلبات أعلى على النموذج لتحديد العيوب المتعددة بكفاءة ودقة في آنٍ واحد.

علاوة على ذلك، يحتاج نظام الكشف إلى تحقيق توازن بين السرعة والدقة وتعقيد النموذج. فبينما يوفر نموذج YOLOv8 الأحدث دقة محسّنة، ازداد عدد المعاملات بشكل ملحوظ (حوالي 30.07 مليون معامل)، مقارنةً بحوالي 7.03 مليون معامل في نموذج YOLOv5، مما يجعل نشره على الأجهزة التي لا تدعم وحدة معالجة الرسومات (GPU) أكثر صعوبة.

5. اتجاهات التطوير: الذكاء، والتكامل، والتوحيد القياسي

تتطور تقنية الكشف البصري عن العيوب في لوحات الدوائر المطبوعة/تجميعات لوحات الدوائر المطبوعة نحو اتجاه أكثر ذكاءً وكفاءة، وتظهر ثلاثة اتجاهات رئيسية:

يعد التكامل العميق للذكاء الاصطناعي اتجاهًا أساسيًا. يتم نشر نظام إعادة الفحص بالذكاء الاصطناعي من Dezhi بطريقة تعتمد على النظام الأساسي، مما يدعم خطوط إنتاج متعددة تتقاسم نفس النموذج ومنصة التدريب وواجهة إعادة الفحص، مما يحقق إعادة استخدام موارد النموذج وإدارة موحدة للبيانات.

تعميق تطبيقات تقنية الأبعاد الثلاثية والأشعة السينية. يمكن لأجهزة فحص الأشعة السينية ثلاثية الأبعاد، مثل جهاز AX9500 من شركة Union Technology، إجراء تحليل إعادة بناء ثلاثي الأبعاد لرقائق BGA والرقائق المغلفة، مما يتيح اختبار العيوب الداخلية دون إتلافها. تم تطوير نظام الأشعة السينية CA20 من شركة Comet Yxlon خصيصًا لمواجهة تحديات الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد المعقدة في التغليف المتقدم، حيث يوفر صورًا ثنائية وثلاثية الأبعاد فائقة الجودة للكشف عن التفاصيل الدقيقة على مستوى الميكرون بدقة نانومترية.

أصبح تحسين الأداء التعاوني للأجهزة والبرامج أمرًا بالغ الأهمية. يعمل نظام PILOT VX من Seica على تحسين عملية الاختبار تلقائيًا في الوقت الفعلي من خلال تحليل الذكاء الاصطناعي، مما يقلل وقت الاختبار بنسبة تصل إلى 50%. كما يمكن دمج جهاز TR7600F3D SII Plus من TRI بسلاسة مع خطوط إنتاج المصانع الذكية وأنظمة إدارة عمليات التصنيع (MES)، مما يضمن التوافق ويحسّن عمليات الإنتاج المستقبلية.

سيعتمد تصنيع الإلكترونيات في المستقبل بشكل أكبر على أنظمة الكشف الذكية القائمة على البيانات. وسيجمع معرض ميونخ-شنغهاي لمعدات إنتاج الإلكترونيات 2026 شركات رائدة في هذا المجال، مثل كوه يونغ، وجوزي تكنولوجي، وأومرون، لعرض أحدث حلول الاختبار والقياس المبتكرة.

لن تقتصر أنظمة فحص الرؤية من الجيل التالي على كونها أدوات لتحديد العيوب فحسب، بل ستكون أيضاً جوهر إدارة الجودة الشاملة. فمن خلال جمع وتحليل بيانات الإنتاج في الوقت الفعلي، تستطيع هذه الأنظمة التنبؤ بالمشاكل المحتملة، وتحسين معايير العمليات، والوصول في نهاية المطاف إلى تصنيع ذكي خالٍ من العيوب.

يتحول نظام مراقبة الجودة في صناعة الإلكترونيات من "الفحص بعد الإنتاج" إلى "الوقاية في الوقت الفعلي"، مما سيعيد تشكيل نظام معايير الجودة في صناعة الإلكترونيات.