賈夢杰

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基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)研究

賈夢杰

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司光電科技分公司，湖南 株洲 412000）

隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展，球柵陣列結(jié)構(gòu)PCB（BGA）在集成電路設(shè)計中的應(yīng)用日漸廣泛，PCB焊點(diǎn)缺陷檢測的受關(guān)注程度也日漸提升?；诖耍敿?xì)論述了高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計與性能，并給出了其他高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測思路，希望由此能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定的啟發(fā)。

無損檢測；印刷電路板；焊點(diǎn)缺陷；引腳

BGA封裝具備引腳多、引線間干擾小等特點(diǎn)，因此，較為適用于大規(guī)模集成電路，但由于該封裝形式需要將焊點(diǎn)隱藏在器件下，焊點(diǎn)缺陷排除難度較大，屬于BGA封裝存在不足。為了將這不足帶來的負(fù)面影響降到最低，正是本文圍繞基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)開展具體研究的原因所在。

1 高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基本原理

在本文開展的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計采用了等比例放大方法，同時借助了高速采集卡、Χ射線，可通過電腦清晰再現(xiàn)BGA封裝的PCB板，而在焊點(diǎn)缺陷分析軟件的支持下，即可實(shí)現(xiàn)無損前提下的PCB板BGA封裝質(zhì)量檢測。設(shè)計采用由電子束（高電壓形成）照射金屬鎢產(chǎn)生的Χ射線，帶有PCB板焊點(diǎn)信息的結(jié)構(gòu)圖將在Χ射線強(qiáng)大的穿透能力支持下實(shí)現(xiàn)反饋，PCB板不同位置焊點(diǎn)的連續(xù)性、大小、形狀檢測將由此實(shí)現(xiàn)。為了配合Χ射線，需采用微通道板像增強(qiáng)器接收穿透PCB板的Χ射線，并選用高性能CCD相機(jī)采集可見光，最終使用數(shù)據(jù)處理算法，即可使用計算機(jī)展示處理獲得的數(shù)字信號，基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測流程可概括為Χ射線源→PCB板→像增強(qiáng)器→CCD相機(jī)→圖像采集卡→計算機(jī)。Χ射線源控制電路、PCB板圖像采集電路則屬于上述流程的主要設(shè)計內(nèi)容，前者設(shè)計中的Χ射線源由受計算機(jī)控制的RS232串口操控，Χ射線軟件可通過RS232串口實(shí)現(xiàn)Χ射線源的強(qiáng)度調(diào)節(jié)、開閉控制；后者采集卡與計算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)選擇通過32-bit的PCI總線，16位黑白相機(jī)的LVDS數(shù)字輸出則負(fù)責(zé)將采集結(jié)果傳入計算機(jī)，計算機(jī)數(shù)字圖像信息的實(shí)時顯示將由此實(shí)現(xiàn)[1]。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械控制轉(zhuǎn)臺、Χ射線源控制電路、PCB板圖像采集傳輸電路、三維載物轉(zhuǎn)臺、高精度圖像采集卡、像增強(qiáng)器、工業(yè)CCD相機(jī)、微焦斑Χ射線源則。其中的微焦斑Χ射線源負(fù)責(zé)輸出Χ射線，而工業(yè)CCD相機(jī)則負(fù)責(zé)采集像增強(qiáng)器轉(zhuǎn)化Χ射線形成的可見光。

2 焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)性能分析

2.1 等比例成像機(jī)理

Χ射線距離、Χ射線照射角度、PDB板位置均會影響Χ射線照射PCB板形成圖像的效果，為了在這種情況下保證圖像的分辨率、尺寸，滿足系統(tǒng)檢測需要，必須在光學(xué)投影比例關(guān)系支持下實(shí)現(xiàn)PCB板灰度圖像的等比例形成，其中，焦點(diǎn)尺寸與幾何不清晰度函數(shù)關(guān)系式為：

式（1）中：，1，2分別為Χ射線源焦點(diǎn)尺寸、焦屏距、PCB板到像增強(qiáng)器距離。

結(jié)合等比例成像方法，可獲得對應(yīng)的幾何放大率：

結(jié)合式（2），即可在等比例成像方法支持下獲得更小焦點(diǎn)，圖像質(zhì)量的改善也將由此實(shí)現(xiàn)，深入分析式（1）（2）可得出：

g=（－1）（3）

結(jié)合式（3）不難發(fā)現(xiàn)，放大倍數(shù)可用于表示幾何不清晰度的函數(shù)，采用微焦點(diǎn)的Χ射線源能夠獲得更大的圖像比例?？紤]到BGA封裝器件的PCB板焊球可達(dá)0.3 mm，而間距可到0.5 mm，結(jié)合上述分析與《BGA的設(shè)計及組裝工藝的實(shí)施》（IPC—7095 B）標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計采用了微焦斑結(jié)合等比例放大光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中設(shè)定為0.030 mm，由此微焦斑結(jié)合等比例放大光學(xué)結(jié)構(gòu)的有效分辨率可達(dá)到30 μm，通過調(diào)整值（放大），即可保證其極限分辨率趨于定制30 μm[2]。

2.2 噪聲分析及降噪算法

基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)必須得到噪聲分析及降噪算法的支持，而在本文開展的研究中，筆者選擇了幀積分疊加方法用于提高圖像信噪比，由此可得（，）=（，）+（，）.其中，（，）和（，）分別為無噪聲圖像、噪聲。

而在有幀圖像疊加平均時，則能夠得出：

式（4）中：f2為對應(yīng)的估計誤差。

相比原有噪聲有：

2.3 性能試驗(yàn)

基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)采用VC++編程實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)調(diào)用Χ射線源、CCD相機(jī)、圖像采集卡的調(diào)用，其Χ射線源型號為HAWK-180ΧI，工業(yè)級CCD相機(jī)型號為UNIQ-2000。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際性能，筆者就多組存在印刷質(zhì)量問題的電路板進(jìn)行了檢測，由此可確定系統(tǒng)的最高分辨率為17 lp/mm，該數(shù)值雖然略低于理論值16 lp/mm（30 μm），但已經(jīng)可以滿足PCB板焊點(diǎn)無損檢測需要，而在對存在缺球、小球、連橋缺陷的電路板檢測中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各種缺陷信息的快速找出，并能夠給出缺陷的大小、位置、形狀等特征信息，由此可見本文研究的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)具備較高的實(shí)踐應(yīng)用價值。

3 其他設(shè)計思路

3.1 脈沖渦流熱成像技術(shù)

脈沖渦流熱成像技術(shù)同樣可較好地服務(wù)于基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測，試件內(nèi)部存在缺陷會導(dǎo)致渦流分布發(fā)生變化，由此形成的低渦流密度區(qū)、高渦流密度區(qū)會導(dǎo)致不同渦流密度區(qū)域的表面溫度圖像產(chǎn)生差異，由此分析溫度圖像，即可實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)缺陷的檢測。該檢測可分為感應(yīng)渦流加熱、熱傳導(dǎo)、紅外輻射三部分，由此即可實(shí)現(xiàn)PCB板焊點(diǎn)表面缺陷、亞表面缺陷、內(nèi)部缺陷、下表面缺陷的檢測?？紤]到PCB板焊點(diǎn)尺寸較小，基于脈沖渦流熱成像技術(shù)的檢測需采用體積加熱方式，并保證加熱過程中電流激勵頻率控制在500 kHz以下。

3.2 脈沖渦流熱成像焊點(diǎn)缺陷評估

在脈沖渦流熱成像技術(shù)應(yīng)用中，基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測可分為基于渦流場擾動的缺陷檢測、基于溫度場擾動的缺陷檢測兩部分。其中，基于渦流場擾動的缺陷檢測主要圍繞基于集膚深度之內(nèi)的焊點(diǎn)缺陷展開，在脈沖渦流熱成像技術(shù)支持下，集膚效應(yīng)渦流會在焊點(diǎn)缺陷邊緣底部或尖端聚集，邊緣底部和尖端的渦流密度將由此增大，距離邊緣較遠(yuǎn)位置的渦流密度則會因此不斷減小，端部所感應(yīng)的更高熱量將由此通過熱像圖呈現(xiàn)，PCB板焊點(diǎn)的裂紋和空洞缺陷的檢測將由此實(shí)現(xiàn)，裂紋走向與渦流走向的相對位置則會直接影響基于渦流場擾動缺陷檢測的精度；基于溫度場擾動的缺陷檢測建立在橫向熱與縱向熱的傳遞上，在被測焊點(diǎn)陣列相水平的感應(yīng)線圈受到交變脈沖電流作用時，表面渦流密度會因集膚效應(yīng)影響高于內(nèi)部，焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于焊點(diǎn)表面，焊點(diǎn)內(nèi)部溫度較低區(qū)域?qū)⒂纱顺蔀闊崃康摹澳康牡亍?。在這種熱量的傳遞中，焊點(diǎn)表面裂紋、內(nèi)部空洞將成為熱量傳遞的阻礙，PCB焊點(diǎn)表面溫度異常情況將由此出現(xiàn)，通過紅外熱像儀即可實(shí)現(xiàn)高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測，被測焊點(diǎn)陣列中各個焊點(diǎn)表面溫度變化屬于紅外熱像儀的主要檢測對象?？紤]到BGA封裝的PCB板焊點(diǎn)尺寸一般均比集膚深度要小，因此，在應(yīng)用體積加熱的過程中必須重點(diǎn)關(guān)注焊點(diǎn)缺陷對溫度場、渦流場的擾動。

值得注意的是，脈沖渦流熱成像技術(shù)還能夠用于BGA封裝的PCB板焊點(diǎn)的壽命預(yù)測，這種預(yù)測主要圍繞BGA焊點(diǎn)陣列的使用壽命展開，Coffin-Manson模型、DarveauΧ模型、Paris壽命預(yù)測模型均可較好服務(wù)于其壽命預(yù)測，比如其中的Coffin-Manson模型主要圍繞BGA封裝的PCB板焊點(diǎn)塑性形變影響展開，這同樣需要得到業(yè)界人士關(guān)注。

4 結(jié)論

綜上所述，基于無損檢測的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測系統(tǒng)具備較為廣闊的應(yīng)用潛力。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的等比例成像機(jī)理、噪聲分析及降噪算法性能試驗(yàn)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測路徑，而為了實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的BGA封裝的PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測，脈沖渦流熱成像技術(shù)、脈沖渦流熱成像焊點(diǎn)缺陷評估應(yīng)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，二者也將成為筆者下一步的研究方向。

［1］周軍，許爍，屠大維.PCB焊點(diǎn)的機(jī)器視覺精密定位系統(tǒng)［J］.機(jī)械制造與自動化，2016，45（03）：172-175.

［2］王付軍.電子元件焊接質(zhì)量特征提取算法研究［J］.中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2015（10）：201-202.

［3］鄭磊.基于微焦點(diǎn)Χ射線BGA焊點(diǎn)缺陷檢測［J］.電子制作，2015（12）：18.

2095－6835（2018）18－0074－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.074

〔編輯：張思楠〕