CN101614688A - 一种印制电路板虚焊点的红外检测方法 - Google Patents

一种印制电路板虚焊点的红外检测方法 Download PDF

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Abstract

一种印制电路板虚焊点的红外检测方法，首先使用脉冲热加载装置对被检测焊点进行热加载，同时使用红外热像系统对热加载过程中被检测焊点的表面温度进行连续采集，得到序列热像图；然后在得到的序列热像图，确定被检测焊点上被热加载装置加热的区域；随后在序列热像图上提取被检测焊点上被热加载装置加热的区域在热加载前后温度场的变化曲线图；最后在温度场变化曲线上根据加载前后温度曲线上升和下降过程中是否出现拐点来判定焊点是否虚焊。本发明方法通过在温度曲线上升和下降过程中寻找拐点即可完成对虚焊点的检测，操作简便，可靠性高，通用性强。

Description

一种印制电路板虚焊点的红外检测方法
技术领域
本发明涉及红外热像无损检测技术，特别是一种印制电路板虚焊焊点的红外热像无损检测方法。
背景技术
焊点虚焊是印制电路板生产过程中的常见问题，产生焊点虚焊的因素十分复杂，目前还无法做到从生产工艺上去根除，焊点的检测目前是世界性的难题。现阶段，焊点的检测方法主要有自动光学检测、自动X射线检测、和飞针测试。上述三种检测技术各有利弊、互为补充，但仍无法做到检测各种类型的焊点虚焊，如一些冷焊、局部润湿不良、油污氧化等的焊点。
随着需求的不断提高，上世纪90年代后期，红外热像无损检测技术由于其自身的优点发展起来，并随着计算机和电子技术的发展应用领域不断拓展。目前，红外热像无损检测技术已经逐步应用到了印制电路板虚焊的检测上，如专利申请号为200710030000.6，名称为《一种芯片焊点在线和缺陷辨识装置及芯片封装装置》公开的一种芯片焊点在线检测方法，其方法首先对整个芯片进行被动加热，后采用红外热像仪获取加热后芯片表面的温度图，然后对所述温度图分三种模式进行处理，模式一通过关键点的温度值与温度判据(预设温度区间)进行比较来判断是否存在缺陷，模式二根据缺陷点的温度与正常点的温度差值来定位缺陷点，模式三根据芯片的实际温度值来获取芯片的热阻等性能参数，上述检测方法存在以下不足之处：采用被动加热的方式，只有虚焊比较严重的点温度变化才能有所体现，大部分虚焊不严重的点由于加载电流产生的热量不足、产热不明显或内部产生的少量热量通过热传导辐射反映到焊点外表面造成温度变化并不明显，导致红外热像仪获得的焊点表面温度变化并不明显，再加上不同焊点的外观、体积、形态的差异，因此通过实际温度值来检测方法存在理论和工艺上的不足。
当然目前可以采用主动加热的方式来替代上述被动加热的方式，可以使虚焊点得到足够的热量或温度，根据热传导理论热量在虚焊点处传导时会发生相应的变化如反射、折射等，反映在温度上则是温度趋势的变化，因此这种加载方法的优势相对明显，但不同焊点的外观、体积、形态差异较大，因此在同样的热加载条件下不同焊点处的温度值各不相同，即便是对同一个焊点，随着热加载角度的不同会引起焊点表面反射的变化，从而温度值也不会完全相同，甚至有较大的差异。可见由温度值差异分析的方法实现检测与焊点外观的无限差异性相悖，现又无法排除焊点在外观、体积、形态不确定性的影响，以及不易对加载入射角度进行准确控制，这些都造成了这种采用绝对温度值进行检测方法的局限性。
特别是在航天领域，由于航天器的工作条件相对比较恶劣，因此对在航天器上搭载的各电子设备中电路板的虚焊点检测问题提出了更高的要求，现有的采用绝对值点的检测方法显然无法满足这样的高可靠性要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、操作简便的印制电路板虚焊点的红外检测方法。
本发明的技术解决方案是：一种印制电路板虚焊点的红外检测方法，步骤如下：
(1)使用脉冲热加载装置对被检测焊点进行热加载，同时使用红外热像系统对热加载过程中被检测焊点的表面温度进行连续采集，得到序列热像图；
(2)根据得到的序列热像图确定被检测焊点上被热加载装置加热的区域；
(3)在序列热像图上提取被检测焊点上被热加载装置加热的区域在热加载前后温度场的变化曲线图；
(4)在温度场变化曲线图上根据热加载前后温度曲线上升和下降过程中是否出现拐点来判定焊点是否虚焊。
所述步骤(4)中判定焊点是否虚焊的方法为：在温度曲线图上如果温度上升和下降过程中都存在至少一个拐点，则说明焊点存在虚焊的情况，拐点前后温度曲线的斜率变化度越大则焊点的虚焊程度越高。
所述的脉冲热加载装置为点状加载热源，包括脉冲激光器，或高能聚光灯，或红外加热装置，或微波加热装置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法以红外热传播理论为依据，利用脉冲热能量加载焊点处时热量在焊点内进行热传导、反射以及表面辐射、对流等原理，通过判断焊点表面温度曲线是否存在温度变化趋势的改变即拐点，来实现对印制板虚焊焊点的检测，可以有效避免因温度值随焊点本身各个物理状态以及加载条件不同造成的差异，不再利用绝对温度值来进行虚焊点的检测，只需根据温度曲线的趋势变化即可完成判断，大大了提高了检测的可靠性，特别是像航天等对可靠性要求特别高的领域，更显示出了本发明方法的优势，其操作简便，可以极大的提高检测的可靠性，防止航天器在轨运行时由于虚焊点的存在而造成无法估量的损失，当然，本发明也可应用民品中涉及的电路板虚焊点检测问题，因此本发明方法还具有通用性强的优点；
(2)由于拐点前后温度曲线斜率的变化即温度的趋势变化程度直接反映了焊点的焊接质量或虚焊程度，因此本发明方法仅通过在温度曲线上升和下降过程中寻找拐点即可完成对虚焊点的检测，操作简便，而且使检测的精度得到有效提高；
(3)本发明方法采用点状加载热源如脉冲激光器、高能聚光灯等热加载装置对焊点进行加载，这种加载方法简单、有效，既能防止虚焊点由于热量不足引起的温度变化不明显，又能使局部温度明显升高形成温度差而产生热传导，这样虚焊焊点处由于热传导的作用温度变化趋势相对明显，从而更加有利虚焊焊点的检测，间接的提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明检测方法的流程框图；
图2为本发明检测方法的原理图；
图3为本发明实施例中焊点质量完好的温度曲线示意图；
图4为本发明实施例中焊点质量20％虚焊的温度曲线示意图；
图5为本发明实施例中焊点质量50％虚焊的温度曲线示意图；
图6为本发明实施例中焊点质量80％虚焊的温度曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，为本发明检测方法的方案流程框图，主要包括六个步骤。首先，要正确连接红外热像仪和计算机设备，详见图2；其次打开热象仪并调节其参数，如焦距、发射率、采样频率、与检测试件的距离等，其中热像仪的采集频率根据温度的变化速率来确定；再次，要正确连接脉冲加载设备，调整其功率、入射角度、离检测试件距离参数，详见图2；接着，对检测试件进行脉冲加载，同时通过计算机采集序列热像图并存储在硬件设备上；然后，需要在采集的序列热像图中选取所加载区域并提取该区域的温度曲线图，区域选取得方法是在焊点上即能够包含脉冲点状热源如激光器加热的区域，又不能超出焊点的范围；最后，就是对得到的温度曲线图进行分析，在温度场变化曲线上根据加载前后温度曲线上升和下降过程中是否出现拐点来判定焊点是否虚焊。若在温度曲线图上如果温度上升和下降过程中都存在至少一个拐点，则说明焊点存在虚焊的情况，拐点前后温度曲线的斜率变化度越大则焊点的虚焊程度越高。
图2为本发明印制板虚点焊点红外检测方法的原理框图。图中1为印制板焊点，2为脉冲热加载装置(激光器)，3为红外热像系统(红外热像仪)，4为计算机。在具体操作时，按照上述原理框图进行硬件连接即可完成虚焊点的检测。
下面结合实例来说明印制板焊点红外检测方法的检测过程。
实例中采用的印制板焊点表面温度场施加的热加载方式是脉冲激光加载的方法。参照图2，激光器对印制板焊点加载脉冲热能量，对被检测点的加热量根据焊点的物理外形即外观、体积、形态和脉冲加载装置的功率共同决定，焊点在此脉冲热能的作用下温度升高，从而形成与焊点内部温度场的差值；根据热传导、反射等理论，热在印制板焊点内外传动逐步达到新的平衡，在热传导期间，内部热流动在焊点表面有一定形式的表征，在加载前后对印制板焊点表面温度场用红外热像仪进行序列采集，并存储在计算机或其它硬件设备上；对加载前后焊点处的温度场进行温度数据提取，形成相应的温度场曲线图；从温度场曲线图中可以得到加载前后温度的分布，也就是热传导的趋势分布图。热在质地均匀的材料内传导是均衡或平缓的，发生趋势改变即出现温度的拐点则是材料内出现的不连续变化，其中可能有空隙、裂纹、夹杂、油污等各种现象。总之，这些都影响了焊接质量，都归结为虚焊。
实施例假定在某次对印制电路板的焊点进行检测中，试件上焊点分别为人工模拟的焊接良好的焊点、人工模拟的虚焊20％的焊点、人工模拟的虚焊50％的焊点和人工模拟的虚焊80％的焊点。在本次检测过程中使用到的加载设备为脉冲激光器，根据焊点的物理外形其加热功率选取0.2～5瓦，加载时间选取20～400ms；红外热像系统选用FLIR公司的SC3000型红外热像仪，其采样频率选取20～100Hz。使用上述本发明提供的方法对热像图进行处理后得到其温度曲线分布图，如图3-图6所示，图中纵坐标表示所选焊点区域的温度，横坐标表示红外热像仪序列采集的帧数。其中图3为焊点质量完好的温度曲线示意图，图4为焊点虚焊20％的温度曲线示意图，图5为焊点虚焊50％的温度曲线示意图，图6为焊点虚焊80％的温度曲线示意图。从上述各种焊点虚焊程度的温度曲线示意图可见，焊接良好的焊点温度曲线(图3所示)在加载前后温度上升和下降的时候温度变化非常平缓，并没有发生趋势的突变；有20％虚焊的焊点温度曲线(图4所示)在加载前后温度上升和下降的时候温度变化节奏较为平缓，但在过程中变化趋势发生了较小的突变，即出现了拐点；有50％虚焊的焊点温度曲线(图5所示)在加载前后温度上升和下降的时候温度变化节奏较为剧烈，在过程中变化趋势发生比较明显的突变，即拐点越加明显；有80％虚焊的焊点温度曲线(图6所示)在加载前后温度上升和下降的时候温度变化节奏则更加剧烈，在过程中变化趋势发生的突变甚至不止一个，即可有多个拐点存在；这些拐点都是焊点虚焊的体现。由此可见，从根据温度曲线图中出现拐点及出现拐点的时机、曲线中拐点前后陡缓变化趋势和焊接质量或虚焊程度紧密相关，本发明方法能对印制板焊点的焊接质量或虚焊程度进行准确评估，具有很好的使用前景。
目前，本发明方法已广泛应用于航天领域，特别是航天器上所涉及到的关键集成电路器件，使用效果良好，检测可靠性高，保证航天器未由于虚焊点存在的原因发生异常。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1、一种印制电路板虚焊点的红外检测方法，其特征在于步骤如下：
(1)使用脉冲热加载装置对被检测焊点进行热加载，同时使用红外热像系统对热加载过程中被检测焊点的表面温度进行连续采集，得到序列热像图；
(2)根据得到的序列热像图确定被检测焊点上被热加载装置加热的区域；
(3)在序列热像图上提取被检测焊点上被热加载装置加热的区域在热加载前后温度场的变化曲线图；
(4)在温度场变化曲线图上根据热加载前后温度曲线上升和下降过程中是否出现拐点来判定焊点是否虚焊。
2、根据权利要求1所述的一种印制电路板虚焊点的红外检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中判定焊点是否虚焊的方法为：在温度曲线图上如果温度上升和下降过程中都存在至少一个拐点，则说明焊点存在虚焊的情况，拐点前后温度曲线的斜率变化度越大则焊点的虚焊程度越高。
3、根据权利要求1或2所述的一种印制电路板虚焊点的红外检测方法，其特征在于：所述的脉冲热加载装置为点状加载热源，包括脉冲激光器，或高能聚光灯，或红外加热装置，或微波加热装置。
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