CN101706458A - 高分辨率印刷电路板自动检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率印刷电路板自动检测系统及检测方法，所述检测系统由射线源、载物台、可见光采集照相机、射线检测相机、射线检测像增强器及采集卡、图像处理模块和控制及分析显示模块构成，所述载物台和射线源分别通过连接线路和控制及分析显示模块连接，所述可见光采集照相机和射线检测相机分别通过采集卡和图像处理模块连接，所述图像处理模块通过连接电路和控制及分析显示模块连接。它结合了可见光图像导航、X射线检测、自动分析检测标注等功能，是针对焊点、走线的质量做出定量的检测，实现了不可见焊点和内部走线的缺陷自动检测。

Description

高分辨率印刷电路板自动检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨率印刷电路板自动检测系统及检测方法。

背景技术

用于印刷电路板检测的技术主要分为电气测试法和视觉测试法两类。电气测试通常采用惠斯电桥测量网点间的阻抗特性的方法检测所有通导性。视觉测试通过视觉检查电子元件的特征以及印刷线路的特征找出缺陷。

当前常用的用于印刷电路板检测的检测方法有：

1、在线测试(ICT，In Circuit Testing)

检查制成板上在线元器件的电气性能和电路网络的连接情况。能够定量地对电阻、电容、电感、晶振等器件进行测量，对二极管、三极管、光藕、变压器、继电器、运算放大器、电源模块等进行功能测试，对中小规模的集成电路进行功能测试，在线测试通常是生产中第一道测试工序，能及时反应生产制造状况，利于工艺改进和提升。ICT测试过的故障板，因故障定位准，维修方便，可大幅提高生产效率和减少维修成本。因其测试项目具体，是现代化大生产品质保证的重要测试手段之一。但系统调试时间长、夹具成本高、预期开支高。

2、功能测试(Functional Testing)

功能系统测试是在生产线的中间阶段和末端利用专门的测试设备，对电路板的功能模块进行全面的测试，用以确认电路板的好坏。功能测试可以说是最早的自动测试原理，它基于特定板或特定单元，可用各种设备来完成。有最终产品测试(final product test)、最新实体模型(hot mock-up)和“堆砌式”测试(“rack and stack”test)等类型。功能测试通常不提供用于过程改进的脚级，元件级诊断等深层数据，而且需要专门设备及专门设计的测试流程。编写功能测试程序复杂，因此不适用于大多数电路板生产线。

3、针床式测试仪(Bed of Nails Tester)

针床式测试仪以其高速的短路与开路测试、经济的大批量生产成本得到大量应用。譬如制造缺陷分析仪(MDA，Manufacturing DefectAnalyzer)使用一个针床，可以接着诊断输出。针床式测试仪也有很多缺点：针对不同的电路板需要制作不同的模板，制作和调试周期长、成本高，因此不适合低产量原型样机的测试；测试覆盖能力有限.只能测短路和断路缺陷，不能测试到屏蔽了的装配；随着电路板密度越来越高，无法测量问距太小的电路板。

4、飞针式测试仪(Flying Probe Tester)

飞针测试机是专门针对小批量、多品种生产的测试系统，使用四到八个独立控制的、来回移动的探针对整块的电路板进行测试。探针使用无向量(vectorless)技术测试数字、模拟和混合信号元件的连接。飞针测试机的主要优点是，自动测试生成、无夹具成本、良好的诊断和易于编程，精度、稳定性、可靠性高。主要缺点是测试时间长产量低、局限的数字覆盖、由于是物理的接触电路板，可能造成损伤。

5、自动光学检测(AOI，Automatic Optic Inspection)

AOI，也称为自动视觉检测，是基于光学原理，综合采用图像分析、计算机和自动控制等多种技术，对生产中遇到的缺陷进行检测和处理，是较新的确认制造缺陷的方法。AOI通常在回流前后、电气测试之前使用。提高电气处理或功能测试阶段的合格率，此时纠正缺陷的成本远远低于最终测试之后进行的成本，常达到十几倍。AOI是非电气的、无夹具的在线技术，使用了计算机图像分析“学习与比较(learn and compare)”技术来编程检测，现在己经在国外得到广泛的应用。主要优点是易于跟随诊断、编程简单、操作容易、无夹具生产成本低和缺陷覆盖率高；主要缺点是对短路识别较差、失效率较高。

6、自动x光检查(AXI，Automatic X-ray Inspection)

AXI利用不同物质对x光的吸收率的不同，透视需要检测的部位，发现缺陷。主要用于检测超细间距和超高密度电路板以及装配工艺过程中产生的桥接、丢片、对准不良等缺陷，还可利用其层析成像技术检测IC芯片内部缺陷。它是现时测试球栅阵列(BGA，Ball Grid Array)焊接质量和被遮挡的锡球的唯一方法。它的主要优点是能够检测BGA焊接质量和嵌入式元件、无夹具成本。

通过以上分析可知，无论哪种方法，在操作时都有其局限性，都需要针对检测对象、应用场合选取不同的检测方法。

用于印刷电路板检测的技术主要分为电气测试法和视觉测试法两类。电气测试通常采用惠斯电桥测量网点间的阻抗特性的方法检测所有通导性。视觉测试通过视觉检查电子元件的特征以及印刷线路的特征找出缺陷。

电气测试法的基本思想是：设计针对电路板检测的专门电路，通过测试电路的导通性来判断焊接质量。这类方法主要能判断线路焊点的连接与否，不能对虚焊、气孔等焊接质量问题做出判断，而且其设计的专用检测电路成本高，不具有通用性，可移植性不强，限制了其实使用的灵活性。

视觉测试法分为可见光的检测和X射线检测：可见光下的检测主要是通过成像器件采集被检测器件可见光下的图像，运用图像处理的算法来对器件的排列、外观做出检查。对电路的内部连接无法做出判断。X射线检测是利用X射线具有穿透物体内部的原理来透视被测器件的内部结构，达到对不可见器件内部质量做出判断。

但国内现有的产品中还没有能够达到良好的自动识别缺陷功能，对缺陷的自动检测识别定量判断还限于实验研究阶段，没有完整的检测系统能够达到自动的检测功能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种高分辨率印刷电路板自动检测系统及检测方法，它结合了可见光图像导航、X射线检测、自动分析检测标注等功能，是针对焊点、走线的质量做出定量的检测，实现了不可见焊点和内部走线的缺陷自动检测。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种高分辨率印刷电路板自动检测系统，所述检测系统由射线源、载物台、可见光采集照相机、射线检测相机、射线检测像增强器及采集卡、图像处理模块和控制及分析显示模块构成，所述载物台和射线源分别通过连接线路和控制及分析显示模块连接，所述载物台设定有两个初始位置分别为可见光拍摄位置和射线检测位置，载物台上方可见光拍摄位置设置有可见光采集照相机、射线检测位置设置有射线检测相机和射线检测像增强器，所述射线检测相机拍摄射线检测像增强器中的图像；所述可见光采集照相机和射线检测相机分别通过采集卡和图像处理模块连接，所述图像处理模块通过连接电路和控制及分析显示模块连接.

本发明同时公开了一种所述的高分辨率印刷电路板自动检测系统的检测方法，所述检测方法为：

启动系统电源，运行印刷电路板缺陷检测程序；将待检测电路板放到载物台上，移动载物台到可将光拍摄位置，拍摄可见光下待检测电路板的导航图片，通过采集卡将导航图片传入控制电脑中，载入导航图像；然后移动载物台到射线检测位置，系统进入缺陷检测状态；打开射线源、相机，实时采集缺陷图像；通过帧积分叠加算法对采集图像降噪预处理得到X射线检测图像；用程序设置相机的拍摄参数调整到最佳成像效果；射线检测图像显示的位置对应导航图像的中心位置；通过鼠标指针在导航图像上点击的位置与导航图像中心位置的距离计算出相对位移，控制载物台通过屏幕位置到实际距离的转换的映射计算出实际移动距离，将鼠标点击位置移动到射线检测中心；选择好待检测器件后，在导航图像上通过程序控制选择局部放大部分，机械移动放大待检测器件内部构造；最后保存检测采集图像，通过图像处理程序的电路板上的焊点、走线缺陷图像进行增强、锐化、边缘提取、阈值分割等算法预处理，提取图像的统计特性的算法对缺陷的种类进行自动识别，并标注出典型缺陷的特征值。

本发明的优点：本发明采用可见光图像导航、图像处理、模式识别、无损检测等技术，实现一种独特的、新颖的印刷电路板缺陷自动检测系统。利用可见光图像有效直观地选择待检测部位，避免了由于电路板上器件密集射线检测图像视野宽度有限而对待检部位定位不准确的问题，通过对导航图像的操作来局部放大查找定位监测部位。射线源采用微焦点射线源，有效地减小了成像的不清晰度。采用了MCP-X射线像增强器做为X射线成像器件，MCP-X射线像增强器具有简单的成像链，与传统的倒像式X射线像增强器相比具有体积小、结构简单、成与物体等大小的正立像、分辨率高等优点。

与现有技术相比，本发明突出的优点是：本发明系统在可见光导航图像下操作方便，能够做到实时、准确的缺陷识别；系统硬件实现简单，易于操作并且安装调试方便且价格相对国外产品有很大优势。

本发明新颖之处是基于静态图像序列的实时叠加降噪处理，可见光下导航选取检测部位和采用模式识别技术进行的缺陷自动识别标注，充分利用了灰度图像的统计特性，运用简单而有效的方法实现了缺陷判断。

附图说明

图1为本发明所述检测系统结构框图。

图2为本发明气孔缺陷检测的仿真结果。

图3为本发明灰度变换前后的图像。

具体实施方式

如图1所示，所述检测系统由射线源、载物台、可见光采集照相机、射线检测相机、射线检测像增强器及采集卡、图像处理模块和控制及分析显示模块构成，所述载物台和射线源分别通过连接线路和控制及分析显示模块连接，所述载物台设定有两个初始位置分别为可见光拍摄位置和射线检测位置，载物台上方可见光拍摄位置设置有可见光采集照相机、射线检测位置设置有射线检测相机和射线检测像增强器，所述射线检测相机拍摄射线检测像增强器中的图像；所述可见光采集照相机和射线检测相机分别通过采集卡和图像处理模块连接，所述图像处理模块通过连接电路和控制及分析显示模块连接.

具体为应用Matrox公司的MeteorII-Digital型号采集卡、HAWK-160XI型X-射线源、MCP-X射线像增强器和UNIQ-1830CCD相机，实现了高分辨率印刷电路板检测系统的图像采集功能。

检测方法：启动系统电源，运行印刷电路板缺陷检测程序；将待检测电路板PCB放到载物台上，移动载物台到可将光拍摄位置，拍摄可见光下待检测电路板的导航图片，通过采集卡将导航图片传入控制电脑中，载入导航图像；然后移动载物台到射线检测位置，系统进入缺陷检测状态；打开射线源、相机，实时采集缺陷图像；通过帧积分叠加算法对采集图像降噪预处理得到X射线检测图像；用程序设置相机的拍摄参数调整到最佳成像效果；射线检测图像显示的位置对应导航图像的中心位置；通过鼠标指针在导航图像上点击的位置与导航图像中心位置的距离计算出相对位移，控制载物台通过屏幕位置到实际距离的转换的映射计算出实际移动距离，将鼠标点击位置移动到射线检测中心；选择好待检测器件后，在导航图像上通过程序控制选择局部放大部分，机械移动放大待检测器件内部构造；最后保存检测采集图像，通过图像处理程序的电路板上的焊点、走线缺陷图像进行增强、锐化、边缘提取、阈值分割等算法预处理，提取图像的统计特性的算法对缺陷的种类进行自动识别，并标注出典型缺陷的特征值。

本发明将载物台移动到可见光拍摄位置，通过可见光相机拍摄导航图像并载入导航窗口，导航图像作为操作人员直观选择检测部位的操作窗口。再将载物台移动到射线检测位置，打开射线源和相机采集当前射线图像。当前显示的射线检测部位对应导航图像的中心位置，载物台上有十字刻度坐标来标定印刷电路板的摆放位置。两个相机双垂直并列摆放固定，这种排列方式避免了一个垂直摆放一个倾斜摆放这种采集时倾斜相机采集的图像畸变。避免了用软件调整畸变图像所带来的误差。做X射线检测系统时，考虑到MCP-X射线像增强器荧光屏上的可见光图像完整成像到CCD芯片上并保证对物体的分辨率，所以选择工业相机和镜头时需要综合考虑放大率的影响。

射线源焦点尺寸为f，可分辨的最小物体尺寸为s，焦屏距为FDD，焦物距为FOD，几何放大率M＝FDD/FOD。M的减小意味着入射到探测器上的尺寸较小，即要求X射线探测器分辨率较高。BGA器件焊球最小已达到0.3mm，焊球间距最小已达到0.5mm。按照IPC-7095中规定标准焊接缺陷尺寸最小为焊球的10％的指标，X射线检测机的最小分辨率设计指标应达到0.03mm(约为16.7lp/mm)。射线源焦斑尺寸选择为f＝33μm。

按照系统设计成像参数，M＝3，H＝29μm，反映在MCP-X射线像增强器荧光屏上的最小成像单元h＝87μm，因为荧光屏是一个直径为Φ75mm的圆形，按照4∶3(标准工业相机成像面长边与短边之比)的内接直角三角形的计算出，荧光屏成像的内接直角三角形长边L₁＝60mm，短边L₂＝45mm，则内接直角三角形中共包含最小成像单元的个数为：

$m_1=\frac{L_1}{h}=\frac{60000}{87}\≈690$

$n_1=\frac{L_2}{h}=\frac{45000}{87}\≈518$

若将荧光屏上内接直角三角形(L₁＝60mm，L₂＝45mm)的成像面完全映射到工业相机的靶面上，同时要求相机像素数不得低于m₁×n₁，则相机可以符合系统成像分辨率的要求。以相机光学尺寸为1/2英寸，长短边之比为4∶3为例，则相机长边m₂≈6.4mm，n₂≈4.8mm，则荧光屏至工业相机的成像系统的光学放大率为：

得

所以相机最低分辨率h₂应为9.28μm。由此可得工业相机的光学尺寸(对角线)为1/2英寸，像素数大于m₁×n₁＝690×518且分辨率高于9.28μm的UNIQ-1830CCD相机工业相机则可以满足分辨率的要求。

图像的数字化：CCD黑白摄像头输出的标准模拟图像信号进入MeteorII-Digital采集卡，将12位图像转换为8位256级灰度数字图像输出。

本发明所述图像处理模块的功能：首先利用改进的帧积分叠加算法对图像进行降噪，能够显著改善原始图像的质量；其次通过灰度变换对图像进行增强处理，增加感兴趣部分的内部特征；最后提取图像焊点像素值做统计分析，气孔缺陷在焊点内像素百分比以及圆形识别对缺陷进行判别及标定。图像处理功能由主控电脑上图像处理程序完成。

(1)降噪：MCP-X射线像增强器中微通道板的电子倍增的涨落噪声、光电阴极发射电子时的涨落噪声、荧光屏输出光子时的涨落噪声和CMOS工业相机的暗电流背景噪声是构成了图像中的随机噪声的主要原因。直接拍摄的图像存在很大的随机噪声，常用的降噪算法在去除噪声的同时也将对图像产生模糊，并且不适用于实时过程降噪。改进方法：当采集当前帧图像时，将当前帧图像与前面叠加的图像相加叠加并显示，当达到设定叠加帧数N时，第N+1帧图像采集进来代替第一帧图像。

(2)增强：由于射线源照度不均匀使CCD抓拍图像时产生亮度不同。以及实际射线源照射产生的模糊都影响了图像的质量。我们可以根据图像背景帧均值的不同采取相应的灰度变换规则。用灰度变换增加图像的对比度，可以消除图像明暗不均的影响，有利于阈值分割时精确分割出焊点与背景。

特征提取和标注：首先，对(2)中灰度变换以后的图像进行阈值分割，将灰度图像变换成二值图像，并进行边缘检测。采用识别算法对焊点的边缘识别判断是否存在缺陷，若存在判断缺陷类型。判别出缺陷后通过统计计算缺陷连通域像素在焊点像素连通域所占比例计算出缺陷的面积，并结合缺陷类型显示标注出来。最后，选择具有代表性的缺陷图像来显示测试结果。如图2所示。

通过对采集的典型缺陷做程序仿真测试。射线检测图像具有灰度背景比较暗，由于线路比较多所以图像存在一些干扰。采用大量的图像做仿真测试来选择合适的分割阈值。下面就以焊点缺陷为例，选择一幅背景有干扰的缺球缺陷并显示仿真结果。如图3所示。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定.对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动.这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举.而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中.

Claims (2)

1.一种高分辨率印刷电路板自动检测系统，其特征在于：所述检测系统由射线源、载物台、可见光采集照相机、射线检测相机、射线检测像增强器及采集卡、图像处理模块和控制及分析显示模块构成，所述载物台和射线源分别通过连接线路和控制及分析显示模块连接，所述载物台设定有两个初始位置分别为可见光拍摄位置和射线检测位置，载物台上方可见光拍摄位置设置有可见光采集照相机、射线检测位置设置有射线检测相机和射线检测像增强器，所述射线检测相机拍摄射线检测像增强器中的图像；所述可见光采集照相机和射线检测相机分别通过采集卡和图像处理模块连接，所述图像处理模块通过连接电路和控制及分析显示模块连接。

2.一种如权利要求1所述的高分辨率印刷电路板自动检测系统的检测方法，其特征在于：所述检测方法为：

启动系统电源，运行印刷电路板缺陷检测程序；将待检测电路板放到载物台上，移动载物台到可将光拍摄位置，拍摄可见光下待检测电路板的导航图片，通过采集卡将导航图片传入控制电脑中，载入导航图像；然后移动载物台到射线检测位置，系统进入缺陷检测状态；打开射线源、相机，实时采集缺陷图像；通过帧积分叠加算法对采集图像降噪预处理得到X射线检测图像；用程序设置相机的拍摄参数调整到最佳成像效果；射线检测图像显示的位置对应导航图像的中心位置；通过鼠标指针在导航图像上点击的位置与导航图像中心位置的距离计算出相对位移，控制载物台通过屏幕位置到实际距离的转换的映射计算出实际移动距离，将鼠标点击位置移动到射线检测中心；选择好待检测器件后，在导航图像上通过程序控制选择局部放大部分，机械移动放大待检测器件内部构造；最后保存检测采集图像，通过图像处理程序的电路板上的焊点、走线缺陷图像进行增强、锐化、边缘提取、阈值分割等算法预处理，提取图像的统计特性的算法对缺陷的种类进行自动识别，并标注出典型缺陷的特征值。

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