CN101839871A

CN101839871A - 一种x射线分层摄影检测方法与系统

Info

Publication number: CN101839871A
Application number: CN 201010181111
Authority: CN
Inventors: 陈忠; 张宪民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: CN101839871B

Abstract

本发明公开了一种X射线分层摄影检测方法与系统，系统包括X射线管、平面X射线探测器、载物台、控制与计算装置，载物台位于X射线管与X射线平面探测器之间，计算装置控制载物台的X轴方向、Y轴方向平动和X射线平面探测器的旋转，并处理X射线平面探测器所获得的X射线图像。检测方法是对被检物体进行递进逐行检测，每行进行旋转平移随动扫描，获得被检物体的多角度X射线成像；对所述ZX中心截面的成像进行组合叠加，以重建被检物体的截线；通过拟合得到被检物体ZX中心截面的外轮廓；根据被检测物体的检测水平截线长度和设定的判定准则，可判定轻微开焊、虚焊和其他焊点缺陷。

Description

一种X射线分层摄影检测方法与系统

技术领域

本发明涉及工业产品的图像检测方法，特别是涉及一种用于电路板组装中的BGA焊点检测与其他插接件焊点检测的X射线分层摄影检测方法与系统。

背景技术

随着集成电路集成度的不断提高，高密度新型封装型式不断涌现，在手机、小型电子产品中大量采用了BGA(球栅阵列)、CSP(芯片级封装)等有代表性的新型封装芯片，由此对电路板联装质量特别是隐藏焊点品质的控制带来了挑战。这些隐藏在芯片下面的焊点已经不能用AOI(自动光学检测方法)实现在线或离线的缺陷检测，X射线检测技术与设备成为必然的选择。用于电路板联装X射线检测方法主要包括2/2.5维透视摄影方法、分层摄影(Laminography)方法、计算机断层成像方法(Computed Tomography，CT)。

由于电路板联装产品一般是一个较大的类平面物体，不能直接采用X射线CT检测方法进行检测分析，而是要进行局部切片，然后离线在X射线CT设备上进行CT检测分析。这使得X射线CT技术无法应用在电路板联装自动线中。因此，发挥2/2.5维X射线透视摄影与分层摄影方法特长，成为新型封装焊点等隐藏结构检测的主流技术。

2/2.5维X射线透视摄影获得的图像是被检物体的对X射线吸收率的线积分，能够实现BGA隐藏焊点的桥接短路、明显的开焊、气泡、锡球过大过小等缺陷的检测。但对微小虚焊或一般虚焊很难检测，即使能检测，其检测的可靠性很差。X射线分层摄影技术是一个在医学检测里广泛使用的技术，通过此方法能够很方便地获取被测物体的截面图像，实现物体内部的检测分析。它的基本原理是透视系统焦平面的截面结构信息在探测器成像平面将形成清晰的图像，而不在焦平面的截面结构信息在探测器成像平面形成模糊的图像；通过获得尽可能多的不同角度的透视图像，通过对这些进行简单平移与缩放，重叠后将可重建不同水平的截面图像。

在电路板联装领域应用的X射线分层摄影方法主要根据获得不同角度透视图像的方法进行区别，包括四大类：

1)被测物体保持位置固定，通过X射线探测器与X射线管作同步圆周运动，使得X射线以相同的倾角、不同的方向穿透被测物体，获得被测物体不同角度的透视图像。实现X射线探测器与X射线管的同步圆周运动一般需要高精度且复杂的机械运动系统。美国专利US4926452公布的分层摄影技术即采用类似的技术，只是该系统的X射线管与相机保持不动，通过电子束的电磁偏转，使得发射出的X射线以圆周方式同步旋转，但X射线探测器仍然需要作机械圆周运动。因此，该系统复杂且昂贵。

2)X射线探测器与X射线管保持静止，而被测物体作直线运动，得到被测物体不同角度的X射线透视图像。美国专利US5583904公布的分层摄影技术即采用类似的技术，它的探测器采用线阵探测器，为了获得高分辨率的截面图像需要更多的探测单元。该类检测系统不能利用2/2.5维X射线检测系的优势，因此检测系统组建成本较高。

3)X射线探测器与X射线管保持静止，而被测物体作XY平面运动，其探测器采用大面积的平板探测器或几个小平板探测器组合成一个大探测器。美国专利US6748046公布的分层摄影技术即采用类似的技术，它的缺点是需要一巨大的平板探测器或多个小的平板探测器，因此系统复杂、昂贵。

4)被测物体保持静止，X射线探测器与X射线管保持相对位置不变，同时作XY平面运动。中国发明专利ZL200710140075.X和美国专利US7529336B2公布的分层摄影技术即是采用类似技术，它一般采用三个线阵探测器，对一个电路板联装件的检测需要按指定路径完成扫描。由于需要同时移动探测器与X射线管，因此运动质量大、机械系统比较庞大。

以上四类用于电路板联装的X射线分层摄影系统与方法，一个共同的特点是运动平面与焦平面平行，其优点是简化了截面重建算法。但这使得分层摄影系统成为一个相对独立的系统，设备运用成本较高。由于现有的2/2.5维X射线检测系统成本低，已能够完成BGA隐藏焊点的桥接短路、明显的开焊、气泡、锡球过大过小等缺陷的检测，只是对微小虚焊或一般虚焊很难检测或不能检测。同时，电路板联装产品一般是BGA等带有隐藏焊点芯片与其它贴片混装，不需要对电路板组装件全扫。因此，有必要提出一种在传统2/2.5维检测平台的基础上，实现一种有针对性的X射线分层摄影检测方法与系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种X射线分层摄影检测方法与系统，以克服现有方法与系统的一些缺点。本发明基于传统2/2.5维X射线透视检测平台，本发明的检测方法与系统可应用在电路板装联中的BGA等隐藏焊点的在线或离线检测中。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分层摄影检测系统，包括X射线管、X射线平面探测器、载物台和控制与计算装置，以载物台所在平面建立直角坐标系的X轴和Y轴，并以该坐标系的原点建立空间直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴，载物台位于X射线管与X射线平面探测器之间，被检物体置于载物台上；X射线平面探测器在X射线管锥束射线的ZX中心截面内绕X射线管的辐射点S旋转；控制与计算装置控制载物台的X轴方向、Y轴方向平动和X射线平面探测器的旋转，并处理X射线平面探测器所获得的X射线图像；其中，通过X射线平面探测器旋转、载物台的X方向平动完成被检物体多角度的X射线成像。

上述的分层摄影检测系统中，所述X射线管的辐射点S位于X射线管的最前端。

上述的分层摄影检测系统中，X射线管锥束射线的ZX中心截面由载物台的X运动方向、射线锥束轴线与X射线管辐射点S共同确定。

上述的分层摄影检测系统中，所述控制与计算装置组合多角度X射线成像，在ZX中心截面内重建被检物体的截线。

上述的分层摄影检测系统的分层摄影检测方法，包括：对被检物体进行递进逐行检测，每行进行旋转平移随动扫描，获得被检物体的多角度X射线成像；对所述ZX中心截面的成像进行组合叠加，以重建被检物体的截线；通过拟合得到被检物体ZX中心截面的外轮廓；根据被检测物体的检测水平截线长度，判定被检物体是否存在缺陷。

上述的检测方法中，ZX中心截面成像进行组合采用计算每幅X射线成像的平移系数、缩放系数，以完成图像的校正。

上述的检测方法中，平移系数、缩放系数由X射线平面探测器的旋转角以及X射线平面探测器、载物台、X射线管辐射点间的几何参数确定。

上述的检测方法中，所述被检测物体的检测水平截线根据检测水平与被检物体ZX中心截面的外轮廓的交线决定。

上述的检测方法中，所述被检测物体的检测水平截线包括上、中、下三个检测水平或更多。

上述的检测方法中，所述被检测物体包括BGA焊点，所述缺陷包括BGA焊点的轻微开焊和虚焊。

上述的X射线分层摄影检测方法针对感兴趣的局部区域，如BGA芯片焊点，采用X射线平面探测器在BGA芯片焊点行的ZX中心截面内旋转及被检物体的X方向平移随动完成BGA芯片焊点多角度射线扫描成像。然后，对每幅射线成像通过特定的平移与缩放完成图像校正，并通过叠加得到焊点特定截面的图像。焊点特定截面在焊点行的ZX中心截面进行提取，由此得到焊点的特定截线。通过对特定截线端点的拟合，得到焊点ZX中心截面的外轮廓。针对焊点轻微开焊、虚焊，本发明根据焊点ZX中心截面内的外轮廓在不同截面水平下的截线长度，根据设定的判定准则，判定轻微开焊、虚焊和其他焊点缺陷。

作为优选实施例，对整个BGA芯片焊点的分层摄影检测，通过载物台Y向递进，逐行多角度扫描，以分层摄影方法，分别得到BGA芯片各行焊点的截面外轮廓，并依据提取的不同焊点截面水平下的界限长度，依据设定的判定准则，逐行判定每个焊点是否存在轻微开焊、虚焊或其它缺陷。

本发明的系统与方法具有结构紧凑、经济合理、模块化强、检测精度高的特点，可广泛用于传统2/2.5维X射线透视检测的升级换代，具有巨大的应用潜力。与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明基于传统的2/2.5维X射线检测平台，可以充分利用原有对BGA焊点桥接短路、锡球过大过小、明显开焊等的高效检测能力，以模块化的方式增加对局部感兴趣区域的BGA焊点轻微开焊、虚焊的检测能力；

(2)本发明的分层检测方法与系统具有明显的紧凑、节约成本的优势；

(3)本发明的分层检测方法与系统可用于在线与离线隐藏焊点的轻微开焊、虚焊等缺陷的检测与分析。

附图说明

图1是本发明优选实施例的X射线分层摄影系统示意图；

图2是本发明优选实施例的X射线分层摄影特定截面图像重建原理示意图；

图3是本发明优选实施例的X射线分层摄影的递进扫描检测示意图；

图4A、图4B、图4C、图4D是本发明优选实施例的BGA焊点ZX中心截面轮廓重建示意图；图4A是本发明特定截面重建后得到ZX中心截面的Z水平线簇，并根据线簇端点拟合得到焊点ZX中心截面的外轮廓；图4B是根据重建的焊点ZX中心截面的轮廓设定的上、中、下三个检测水平，得到的截面直径D₃、D₂、D₁；图4C是根据计算出的截面直径D₁＝0，判断焊点开路的示意图；图4D是根据D₁＜设定阈值判断焊点虚焊的示意图；

图5是本发明优选实施例的X射线分层摄影BGA焊点检测流程示意图；

图中示出：101-X射线平面探测器，102-载物台，103-被检物体，104-控制与计算装置，105-X射线管，301-BGA焊点，302-锥束X射线的ZX截面401-BGA芯片焊盘，402-BGA电路板焊盘，403-BGA焊点XY特定截面线，404-BGA焊点拟合外轮廓，405-BGA焊点下检测水平，406-BGA焊点中检测水平407-BGA焊点上检测水平，501-载物台运动，定位在欲检测的BGA第1行位置502-检测参数设定，503-X射线探测器旋转及载物台X方向随动扫描欲检测BGA一行锡球焊点，504-重建当前行焊点的ZX中心截面，505-完成该行焊点的缺陷判定，506-该BGA焊点是否全部扫描完毕？507-载物台完成ΔY步进，定位下一行BGA焊点，508-输出检测结果。

图中其他符号说明：

S-X射线管辐射点；F-焦平面；L-特定截面；I-初始图像平面；θ-以辐射点S为中心ZX面内的图像平面旋转角；I’-旋转θ角后的图像平面；O₁、O₁’-焦平面F上的点；O₂、M、O₂’、M’-特定截面L上的点；N、O₃-初始图像平面I上的点；O_3k”、O₃”、N”-图像平面I’上的点；O_3k’、O₃’、N’-图像平面I延长线上的点；R-辐射点S到图像平面I的距离；H₀-辐射点S到焦平面F的距离；h-焦平面F到特定截面L的距离。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述，但本发明的实施方式不限于此。

作为本发明提出的优选实施例，如图1所示，一个典型的基于传统2/2.5维X射线透视检测平台的分层摄影系统包括X射线管105、平面X射线探测器101、载物台102和控制与计算装置104。其中，被检物体103位于载物台102上；平面X射线探测器101可作旋转运动，旋转中心与X射线管辐射点S在XZ平面投影重合。载物台可实现X、Y向的精密平动。控制与计算装置104负责平面X射线探测器101旋转与载物台XY平动的协同控制与焊点截面轮廓的计算与焊点缺陷检测。

当X射线管发出的锥束X射线ZX中心截面对准某一行BGA焊点时，按如图2所示重建特定截面L的焊点ZX中心截面的特定截线，本领域人员依据本系统也可重建焊点特定截面L。图2显示通过图像平面I绕辐射点S进行步进旋转和被检焊点随动X方向平动扫描可得到焊点特定截面点不同角度的透视图像。在图像平面I与被检焊点的随动协调步进运动中，需保证焦平面F上O₁始终在辐射点S与图像平面I中点O₃、O₃’的连线SO₃、SO₃’上。同时，图2也显示初始位置特定截面L上的点O₂、M对应的图像平面上点分别为点O₃、N，O₃为图像平面I的中点；图像平面旋转θ角后，与点O₂、M对应的特定截面上的点变为O₂’、M’，这样在图像平面I的延长平面上与O₂’、M’相对应的点为O_3k’、O₃’、N’，在图像平面I’上相对应的点为O_3k”、O₃”、N”。

为了重建焊点的特定截面L与焊点ZX中心截面的特定截线，需要计算图像平面I’上成像的ZX中心截面的缩放系数S_θx与平移系数T_θx。推导过程如下：

首先，当成像平面I绕辐射点S旋转θ角及被检焊点随动平移Δx(Δx＝O₁O₁’＝H₀tgθ)，在图像平面I及其延伸面上，被检焊点特定截面上的点O₂的像点O₃变为O_3k’，焦平面上的点O₁的像点O₃变为O₃’。因此，图像平面I延伸面上的平移系数L_θx＝O₃’O₃-O_3k’O₃。根据直角三角形△SO₃O_3k’和△SO₂O₂’是相似三角形，得O_3k’O₃＝O₂O₂’·R/(H₀+h)。同时，O₃O₃’＝R·tgθ和O₂O₂’＝O₁O₁’＝H₀·tgθ。所以，图像平面I延伸面上的平移系数L_θx＝R·tgθ-H₀·tgθ·R/(H₀+h)。最后，根据几何关系，图像平面I’上的平移系数为

T_θx＝L_θx·Cosθ＝[R·tgθ-H₀·tgθ·R/(H₀+h)]·Cosθ

由于焦平面F与图像平面I平行，因而，图像平面I上焊点特定截面的虚像缩放系数为1。这样，图像平面I’上焊点特定截面的像的缩放系数S_θx＝K”N”/K’N’。因为O_3k”O₃”＝O_3K’O₃’·Cosθ和O₃”N”＝O₃’N’·Cosθ，所以，图像平面I’上特点截面像的缩放系数为

S_θx＝(O_3k”O₃”+O₃”N”)/(O_3K’O₃’+O₃’N’)＝Cosθ

根据以上推导的单次步进成像后，图像平面I’上焊点特定截面上的平移系数T_θx和缩放系数S_θx的计算方法，可对各扫描图像进行平移与缩放，然后叠加，就可得到被检焊点特定截面L与焊点ZX中心截面的截线。本领域人员应该认识到，根据以上平移系数与缩放的推导方法，也可拓展到焊点特定截面图像的重建。

参照图4A，根据以上焊点特定截面成像的缩放与平移可在焊点ZX面内重建BGA上焊盘401和BGA下焊盘402间的多个BGA焊点特定截面线403，通过端点曲线拟合，可得到BGA焊点拟合外轮廓404。为了解决传统2/2.5维X射线在检测微弱焊点开焊和虚焊的困难，建立以下基于本发明分层摄影算法的检测方法。如图4B所示，建立BGA焊点上、中、下检测水平，分别得到焊点截面直径D₃、D₂、D₁。如图4C所示，针对轻微焊点开焊，建立判定准则：D₁＝0。当焊点实际D1＝0时，即可判定该焊点开焊。如图4D所示，针对焊点虚焊，建立判定准则：D₁＜设定阈值D_s。设定阈值D_s可是人为设定常数或等于ξD₀。其中，D₀为理想常数阈值，ξ为焊点ZX中心截面错位系数，可表达为：D₂’/D₂₀。其中，D₂’焊点ZX中心截面错位后的焊点实际截面直径D₂，D₂₀为焊点ZX中心截面没有错位的焊点实际截面直径D₂。本领域人员应理解设定阈值D_s不限于所列方法。

如图3所示，本发明通过载物台102的以步长ΔY完成Y向步进，使得辐射点S发出锥束扇面302逐行覆盖被检BGA焊点301。

如图5所示，根据本发明提出焊点中心截面轮廓重建方法，按以下步骤完成整个BGA焊点的缺陷检测，特别焊点轻微开焊、虚焊的检测。

1)系统控制与计算装置104执行进程501，控制载物台运动，并把欲检测的BGA第1行焊点定位在X射线管105与X射线平面探测器确定的ZX中心截面内；

2)系统控制与计算装置104执行进程502，进行检测参数的设定，如虚焊判定阈值D_s、BGA焊点逐行检测载物台步长ΔY、各种几何参数等；

3)系统控制与计算装置104执行进程503，X射线平面探测器101旋转及载物台102沿X方向随动扫描该行BGA焊点，得到多幅不同角度的X射线成像图；

4)系统控制与计算装置104执行进程504，根据本发明在优选实施例中提出的焊点中心截面重方法，完成截面重建与ZX中心截面外轮廓的拟合；

5)系统控制与计算装置104执行进程505，通过图像分析方法，计算参数D₁、D₂、D₃，根据本发明在优选实施例中提出的缺陷判定方法，完成该行焊点的缺陷判定；

6)系统控制与计算装置104执行进程506，判定该BGA焊点是否全部扫描完毕。如果条件判定为“是”，则执行进行508，输出检测结果。如果条件判定为“否”，则执行进程507，系统控制与计算装置104控制载物台102完成ΔY步进，完成下一行BGA焊点的定位。然后，系统控制与计算装置104控制再次执行进程503。

本发明以传统2/2.5维X射线透视检测为基本平台，针对大面积电路板联装件的局部感兴趣的检测区域，如BGA芯片隐藏焊点的检测，特别是传统2/2.5维X射线透视检测无法或很难检测的轻微开焊、虚焊的检测，提出一种提取焊点中心截面的分层摄影方法及其焊点缺陷检测方法与系统，具有结构紧凑、经济合理、模块化强、检测精度高的特点，可广泛用于传统2/2.5维X射线透视检测的升级换代，具有巨大的应用潜力。

Claims

1.一种分层摄影检测系统，包括：X射线管、X射线平面探测器、载物台、控制与计算装置，直角坐标系的X轴和Y轴位于与载物台顶面平行的平面上，并以该坐标系的原点建立空间直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴，其特征在于载物台位于X射线管与X射线平面探测器之间，被检物体置于载物台上；X射线平面探测器在X射线管锥束射线的ZX中心截面内绕X射线管的辐射点S旋转；控制与计算装置控制载物台的X轴方向、Y轴方向平动和X射线平面探测器的旋转，并处理X射线平面探测器所获得的X射线图像；其中，通过X射线平面探测器旋转、载物台的X方向平动完成被检物体多角度的X射线成像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述X射线管的辐射点S位于X射线管的最前端。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于X射线管锥束射线的ZX中心截面由载物台的X运动方向、射线锥束轴线与X射线管辐射点S共同确定。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述控制与计算装置组合多角度X射线成像，在ZX中心截面内重建被检物体的截线。

5.权利要求1所述系统的分层摄影检测方法，包括：对被检物体进行递进逐行检测，每行进行旋转平移随动扫描，获得被检物体的多角度X射线成像；对所述ZX中心截面的成像进行组合叠加，以重建被检物体的截线；通过拟合得到被检物体ZX中心截面的外轮廓；根据被检测物体的检测水平截线长度，判定被检物体是否存在缺陷。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于ZX中心截面成像进行组合采用计算每幅X射线成像的平移系数、缩放系数，以完成图像的校正。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于平移系数、缩放系数由X射线平面探测器的旋转角以及X射线平面探测器、载物台、X射线管辐射点间的几何参数确定。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述被检测物体的检测水平截线根据检测水平与被检物体ZX中心截面的外轮廓的交线决定。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述被检测物体的检测水平截线包括上、中、下三个检测水平或更多。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述被检测物体包括BGA焊点，所述缺陷包括BGA焊点的轻微开焊和虚焊。