胥路平

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 四川綿陽(yáng) 621900）

0 引言

電子技術(shù)的飛速發(fā)展，時(shí)至今日，絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品采用了印制電路板作為實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。在印制電路板中，作為電子元件與電路板之間銜接橋梁的焊點(diǎn)，起著元件與基板的機(jī)械固定作用以及電氣連接、電信號(hào)傳遞作用，具有重要的地位。

傳統(tǒng)的手工焊接方式常常導(dǎo)致焊點(diǎn)一致性較差，焊接缺陷難以避免；然而，就算是電子裝配行業(yè)進(jìn)入了表面組裝時(shí)代，因?yàn)槠溲b配過(guò)程需要通過(guò)錫膏印刷、元件貼片和再流焊接的程序，而這些程序也較難于精細(xì)控制，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)生較多的焊接缺陷。如果這些焊接缺陷不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，將對(duì)電子產(chǎn)品的可靠運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響。作為保障焊點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊點(diǎn)檢測(cè)對(duì)電子產(chǎn)品的成敗起著舉足輕重的作用。本文對(duì)電子元件焊點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，分析各種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足，探討未來(lái)焊點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

焊點(diǎn)的傳統(tǒng)檢測(cè)主要采用目視檢測(cè)和電氣檢測(cè)的方法。目視檢測(cè)在插裝元件的焊點(diǎn)檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)在表貼元件的焊點(diǎn)檢測(cè)中也有應(yīng)用。目視檢測(cè)通常由檢測(cè)人員利用十倍放大鏡進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)速度和精度與人的素質(zhì)、能力密切相關(guān)。目視檢測(cè)無(wú)法有效地發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)缺陷，尤其是對(duì)表貼元件而言。電氣檢測(cè)是將電子產(chǎn)品通電，以檢測(cè)是否達(dá)到要求。該方法能有效地查出目視檢測(cè)所不能發(fā)現(xiàn)的微小缺陷。檢測(cè)時(shí)可使用各種電氣測(cè)量?jī)x，檢測(cè)導(dǎo)通不良及在焊接過(guò)程中引起的元件損壞。前者是由微小裂紋、極細(xì)絲的錫蝕和松香粘附等引起，后者是由于過(guò)熱使元器件失效或助焊劑分解氣體引起元器件的腐蝕和變質(zhì)等。然而由于電氣檢測(cè)為離線(xiàn)檢測(cè)，不能做到及時(shí)地將信息反饋。

隨著印制電路板的集成度越來(lái)越高，更多的小型、微型表貼元件在電子產(chǎn)品中得以應(yīng)用。僅僅依靠目視檢測(cè)和電氣檢測(cè)方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)今的要求，而現(xiàn)代焊點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)成為保障電子產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段。

2 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

隨著表面組裝的廣泛應(yīng)用，以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代焊點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)得以迅速普及。其中，應(yīng)用最為廣泛的是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)和X射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。它們可在裝配過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，相比于傳統(tǒng)檢測(cè)方法有如下的優(yōu)點(diǎn)：

檢測(cè)操作無(wú)限可重復(fù)性，能夠?qū)崿F(xiàn)100%給定條件的檢測(cè)。并且機(jī)器工作過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生疲勞，具有人工檢測(cè)所不具有的重復(fù)性和一致性；不僅能夠檢測(cè)人工目測(cè)檢測(cè)不出來(lái)的缺陷，還可以提高工作效率，節(jié)省生產(chǎn)成本；可提供量化的缺陷信息，供生產(chǎn)者分析與使用。

2.1 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)由于非接觸、無(wú)損、快速、準(zhǔn)確而在表貼生產(chǎn)線(xiàn)上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)主要是基于光學(xué)原理與控制原理，以計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為核心，應(yīng)用必要的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像分析，從而進(jìn)行非接觸式自動(dòng)檢測(cè)的一種新興技術(shù)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)因其在提高檢測(cè)精度、增強(qiáng)檢測(cè)性能、編程操作簡(jiǎn)單、缺陷覆蓋率高、生產(chǎn)檢測(cè)成本低等方面的特殊優(yōu)越性，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)與不足，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在表面組裝檢測(cè)領(lǐng)域。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以精確完成元器件的焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)，使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到相應(yīng)的提高，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)手段所不能解決的問(wèn)題。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)是將元器件或其相應(yīng)特征的圖像，通過(guò)軟件進(jìn)行必要的處理，通過(guò)己知先驗(yàn)知識(shí)，分析焊點(diǎn)質(zhì)量等問(wèn)題，給出檢測(cè)結(jié)果。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的基本工作工程可以描述為：通過(guò)CCD獲得印制電路板的數(shù)字圖像，然后提取圖像中可以區(qū)分各類(lèi)焊點(diǎn)缺陷的特征，最后通過(guò)這些特征對(duì)焊點(diǎn)的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)主要涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)包括：光源、光學(xué)鏡頭及CCD成像、數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別算法、精密機(jī)械移動(dòng)。其中模式識(shí)別算法、光源和數(shù)字圖像處理是主要技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 自動(dòng)X射線(xiàn)檢測(cè)

對(duì)于不同密度和不同厚度的物質(zhì)，X射線(xiàn)具有不同的穿透效果。人們利用這一點(diǎn)特性檢測(cè)電子元件的焊接效果。X射線(xiàn)檢測(cè)與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，是一種比較先進(jìn)的檢測(cè)方法，能夠覆蓋各種焊接缺陷，其應(yīng)用前景廣闊。尤其是對(duì)BGA、CSP等焊點(diǎn)隱藏于本體下方的元件，傳統(tǒng)檢測(cè)手段已經(jīng)無(wú)能為力，而X射線(xiàn)檢測(cè)正好發(fā)揮作用。為適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，自動(dòng)X射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)逐步得以應(yīng)用，它代表了X射線(xiàn)檢測(cè)的發(fā)展方向。自動(dòng)X射線(xiàn)檢測(cè)的工作原理是用X射線(xiàn)照射印制電路板，生成對(duì)應(yīng)的X射線(xiàn)圖像，然后再根據(jù)圖像處理技術(shù)檢測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量。自動(dòng)X射線(xiàn)檢測(cè)的核心組成部分是X光管和圖像分析系統(tǒng)。在面向表面組裝的X射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備中采用兩種X光管：閉管和開(kāi)管，目前普遍采用的是微焦X光管，因?yàn)椴捎梦⒔裹c(diǎn)X光管可以獲得清晰的圖像，適于電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)缺陷分析與檢測(cè)。主流X射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的圖像分析系統(tǒng)均采用成熟的商用圖像分析處理包，但它們?nèi)杂胁煌晟频牡胤?，圖像分析處理系統(tǒng)方面存在各種各樣的短處。

3 焊點(diǎn)檢測(cè)中的圖像處理技術(shù)

從上面的分析可以看出，無(wú)論是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)還是自動(dòng)X射線(xiàn)檢測(cè)，都非常依賴(lài)于圖像處理技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)電子元件焊點(diǎn)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，在焊點(diǎn)檢測(cè)中常用的圖像處理技術(shù)包括：圖像預(yù)處理、缺陷檢測(cè)等。

3.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要包括圖像平滑濾波去噪、圖像對(duì)比度增強(qiáng)、圖像二值化處理和圖像邊緣檢測(cè)等內(nèi)容。

檢測(cè)時(shí)，獲取元件或焊點(diǎn)圖像過(guò)程難免會(huì)因干擾而引入噪聲，所以在對(duì)圖像進(jìn)一步處理之前必須進(jìn)行圖像去噪。圖像去噪方法由噪聲自身特性決定，既可在空域也可在頻域采取相應(yīng)的濾波措施。由于頻域?yàn)V波計(jì)算量大，不適于實(shí)時(shí)檢測(cè)，而空域?yàn)V波直接在圖像空間對(duì)像素點(diǎn)作濾波處理，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。常用的空域?yàn)V波方法主要有：鄰域均值法、中值濾波法。這兩種算法容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算量小，得到了廣泛的應(yīng)用。它們有效地提高了圖像信噪比，改善了圖像質(zhì)量，其缺點(diǎn)是造成圖像邊緣模糊化，這不利于后續(xù)的圖像識(shí)別與檢測(cè)。為了解決圖像邊緣模糊化的問(wèn)題，研究人員提出了灰度最小方差均值濾波和K近鄰中值濾波等方法。最小方差均值濾波去噪效果較好，但是運(yùn)算量較大，而實(shí)驗(yàn)證明K近鄰中值濾波是比較理想的圖像去噪方法。

圖像對(duì)比度增強(qiáng)的目的是強(qiáng)化圖像邊緣，突出圖像細(xì)節(jié)，使圖像更清晰。通常采用灰度值調(diào)整或?qū)D像顏色值進(jìn)行索引的方法實(shí)現(xiàn)圖像的對(duì)比度增強(qiáng)。常用方法主要有分段線(xiàn)性變換增強(qiáng)、非線(xiàn)性變換增強(qiáng)以及直方圖均衡化增強(qiáng)等。

圖像二值化是將多灰度級(jí)的圖像變換為只含有黑白兩種顏色像素的圖像。元件識(shí)別、元件定位、焊點(diǎn)定位和焊點(diǎn)特征提取等都是建立在圖像二值化基礎(chǔ)之上，因此圖像二值化是圖像預(yù)處理中非常重要的環(huán)節(jié)。圖像二值化的流程是選取灰度閾值，比較各像素灰度與閾值的大小然后將其置為黑色或白色。根據(jù)閾值選擇的不同，可以將二值化算法大體分為全局閾值法、局部閾值法以及迭代閾值法。

圖像邊緣是圖像最基本的特征，是分析和理解圖像的基礎(chǔ)，是圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)。邊緣檢測(cè)保留了圖像中重要信息，減少了圖像處理信息量，滿(mǎn)足了特征提取的要求，可以作為圖像分割和特征提取的依據(jù)。邊緣檢測(cè)完成對(duì)圖像邊緣的精確定位并盡可能的抑制噪聲干擾。邊緣檢測(cè)主要通過(guò)微分方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前常用的邊緣檢測(cè)算法主要有：Roberts、Sobel、Prewitt、Laplacian 等。

3.2 缺陷檢測(cè)

為適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)缺陷檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，可采用圖像匹配技術(shù)來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。該方法的具體流程是：首先，創(chuàng)建印制電路板的模板圖像。模板圖像應(yīng)離線(xiàn)制作，在線(xiàn)檢測(cè)時(shí)可直接調(diào)用。模板圖像可以根據(jù)CAD數(shù)據(jù)合成，也可以通過(guò)人工交互操作原始圖像生成。然后將經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理的帶檢測(cè)圖像與模板圖像進(jìn)行模板匹配。模板匹配的作用是將帶檢測(cè)圖像與模板圖像進(jìn)行空間對(duì)準(zhǔn)，使得二者的邊緣基本重合。最后，針對(duì)待檢測(cè)的焊點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行缺陷檢測(cè)。通常進(jìn)行3類(lèi)檢測(cè)：相似性檢測(cè)，平移檢測(cè)和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。相似性檢測(cè)是計(jì)算待檢測(cè)區(qū)域與模板圖像對(duì)應(yīng)區(qū)域的相似程度，相似性度量是相似性的度量指標(biāo)，常用的相似性度量有平方差、歸一化相關(guān)等。平移檢測(cè)是計(jì)算目標(biāo)對(duì)象位置相對(duì)于模板圖像上對(duì)應(yīng)對(duì)象位置的空間平移量。旋轉(zhuǎn)檢測(cè)是計(jì)算目標(biāo)對(duì)象相對(duì)于模板圖像上對(duì)應(yīng)對(duì)象位置的空間旋轉(zhuǎn)量。針對(duì)印制電路板上不同的檢測(cè)區(qū)域應(yīng)分別設(shè)置上述3類(lèi)檢測(cè)結(jié)果的閾值，如果計(jì)算結(jié)果超出閾值則判斷為缺陷。進(jìn)行具體缺陷檢測(cè)時(shí)可將3類(lèi)檢測(cè)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果綜合判斷缺陷類(lèi)別。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電子元件焊點(diǎn)檢測(cè)，分析了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的不足?；谝员砻娼M裝為代表的印制電路大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)需求，介紹了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)和自動(dòng)X射線(xiàn)檢測(cè)，指出了它們的優(yōu)點(diǎn)和涵蓋的核心技術(shù)。針對(duì)基于圖像處理的焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)技術(shù)，闡述了從圖像預(yù)處理到缺陷檢測(cè)的操作過(guò)程，并深入分析了其中的圖像處理技術(shù)。

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