基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研究

賈夢(mèng)杰

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基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研究

賈夢(mèng)杰

（中國(guó)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(jì)中的應(yīng)用日漸廣泛，PCB焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能，并給出了其他高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)思路，希望由此能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)一定的啟發(fā)。

無(wú)損檢測(cè)；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(lái)的負(fù)面影響降到最低，正是本文圍繞基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展具體研究的原因所在。

1 高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

在本文開(kāi)展的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了等比例放大方法，同時(shí)借助了高速采集卡、Χ射線，可通過(guò)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(wú)損前提下的PCB板BGA封裝質(zhì)量檢測(cè)。設(shè)計(jì)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(cè)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(jiàn)光，最終使用數(shù)據(jù)處理算法，即可使用計(jì)算機(jī)展示處理獲得的數(shù)字信號(hào)，基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(jì)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(jì)內(nèi)容，前者設(shè)計(jì)中的Χ射線源由受計(jì)算機(jī)控制的RS232串口操控，Χ射線軟件可通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)Χ射線源的強(qiáng)度調(diào)節(jié)、開(kāi)閉控制；后者采集卡與計(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)選擇通過(guò)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像信息的實(shí)時(shí)顯示將由此實(shí)現(xiàn)[1]。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械控制轉(zhuǎn)臺(tái)、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(tái)、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(jiàn)光。

2 焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(huì)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(cè)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(duì)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(jì)及組裝工藝的實(shí)施》（IPC—7095 B）標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(guò)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(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(kāi)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(wú)噪聲圖像、噪聲。

而在有幀圖像疊加平均時(shí)，則能夠得出：

式（4）中：f2為對(duì)應(yīng)的估計(jì)誤差。

相比原有噪聲有：

2.3 性能試驗(yàn)

基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(hào)為HAWK-180ΧI，工業(yè)級(jí)CCD相機(jī)型號(hào)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(wèn)題的電路板進(jìn)行了檢測(cè)，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(wú)損檢測(cè)需要，而在對(duì)存在缺球、小球、連橋缺陷的電路板檢測(cè)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(jiàn)本文研究的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)具備較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

3 其他設(shè)計(jì)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(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)，試件內(nèi)部存在缺陷會(huì)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(huì)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(cè)。該檢測(cè)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(cè)?？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(cè)需采用體積加熱方式，并保證加熱過(guò)程中電流激勵(lì)頻率控制在500 kHz以下。

3.2 脈沖渦流熱成像焊點(diǎn)缺陷評(píng)估

在脈沖渦流熱成像技術(shù)應(yīng)用中，基于無(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)可分為基于渦流場(chǎng)擾動(dòng)的缺陷檢測(cè)、基于溫度場(chǎng)擾動(dòng)的缺陷檢測(cè)兩部分。其中，基于渦流場(chǎng)擾動(dòng)的缺陷檢測(cè)主要圍繞基于集膚深度之內(nèi)的焊點(diǎn)缺陷展開(kāi)，在脈沖渦流熱成像技術(shù)支持下，集膚效應(yīng)渦流會(huì)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(huì)因此不斷減小，端部所感應(yīng)的更高熱量將由此通過(guò)熱像圖呈現(xiàn)，PCB板焊點(diǎn)的裂紋和空洞缺陷的檢測(cè)將由此實(shí)現(xiàn)，裂紋走向與渦流走向的相對(duì)位置則會(huì)直接影響基于渦流場(chǎng)擾動(dòng)缺陷檢測(cè)的精度；基于溫度場(chǎng)擾動(dòng)的缺陷檢測(cè)建立在橫向熱與縱向熱的傳遞上，在被測(cè)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(shí)，表面渦流密度會(huì)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薄Ｔ谶@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(guò)紅外熱像儀即可實(shí)現(xiàn)高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)，被測(cè)焊點(diǎn)陣列中各個(gè)焊點(diǎn)表面溫度變化屬于紅外熱像儀的主要檢測(cè)對(duì)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(guò)程中必須重點(diǎn)關(guān)注焊點(diǎn)缺陷對(duì)溫度場(chǎng)、渦流場(chǎng)的擾動(dòng)。

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(cè)，這種預(yù)測(cè)主要圍繞BGA焊點(diǎn)陣列的使用壽命展開(kāi)，Coffin-Manson模型、DarveauΧ模型、Paris壽命預(yù)測(cè)模型均可較好服務(wù)于其壽命預(yù)測(cè)，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(kāi)，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(wú)損檢測(cè)的高分辨率PCB板焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)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(cè)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(cè)，脈沖渦流熱成像技術(shù)、脈沖渦流熱成像焊點(diǎn)缺陷評(píng)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(jué)精密定位系統(tǒng)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)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(cè)［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〕