CN102169156B - 应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，用于非接触式快速检测电子电路的物理和电气缺陷。利用EMScan扫描仪对标准电路板和待测电路板频谱的扫描，将两者的频谱图和基本信息存入数据库；通过标准板和待测板频谱图作差，得频谱差图，设频率对比阈值，得异常频率点；依此异常频点完成上述两板云图扫描及云图对比，得云图差图；选择云图差图阈值得到阈值图像，确定问题区域元器件列表，以便进一步查对。本发明提高了高密度电子电路组装工艺的可控性，保证了其产品质量和可靠性，同时降低了检测工作量，提高了检测效率，缩短了电子装备生产周期。可用于电装行业的高密度电子电路组装过程中检测和其它的故障检测。

Description

应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法

技术领域

本发明属于电子电路故障检测技术领域，涉及高密度电子电路故障的检测方法，具体是一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，可用于电装行业的高密度电子电路组装过程当中。

背景技术

随着军事电子装备向着小型化、智能化、高频率、高可靠性方向的快速发展，高密度电路模块在军事电子装备中的使用越来越广泛，而其组装质量已成为影响装备高可靠、高性能、正常工作的重要因素之一。因此，急需开展对高密度电路模块组装质量的测控技术研究。

近年来，高密度电路模块组装密度大幅度增加，已达到80点/cm²。在组装形式上，出现了高密度立体组装、叠层组装、微组装等多种复杂组装形式。在电气连接方式上，出现了从焊点连接到凸点连接、柔性连接、引线键合等多种连接方式的转变。电子电路组装过程中产生的连接点故障及电气故障等是影响高密度电路模块组装质量的突出因素，传统电子电路板故障检测的方法主要有自动光学检测(AOI)、自动X光检测系统(AXI)和在线测试(ICT)。AOI检测：机器通过摄像头自动扫描电子电路板，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出电子电路板上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整。AXI检测：当组装好的线路板沿导轨进入机器内部后，位于线路板上方有一个X-Ray发射管，其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器(一般为摄像机)接受，由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比，照射在焊点上的X射线被大量吸收呈黑点，因而可以产生图像，再经过简单的图像分析算法来检验焊点缺陷。ICT检测：利用检测电路检测电子电路板存在的电气故障缺陷。

传统的检测方法有其自身的不足，自动光学检测系统不能检测电路错误，同时对不可见焊点的检测也无能为力；自动X光检测系统不能测试电路电气性能方面的缺陷和故障；在线测试技术原则上要求板子上的每一个结点有电气连接，这一点与当前焊点日益增加的复杂电子电路相背。高密度电路模块由于具有频率高、密度高、可靠性要求高等特性，以及组装难度大、产品合格率低、返修率高等一系列问题，对传统的检测流程和检测手段都提出了新的挑战。为解决高密度电子电路组装质量测控问题，仅依靠传统的电子电路板故障检测方法显然是不能满足需要，因此研究新的电子电路组装质量测控方法及手段，成为当前急需解决的问题。

综上所述，提供一种既可以快速检测出板级电路中存在的物理缺陷，又可以快速检测出其中存在的电气缺陷的方法，已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种新的应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，以提高组装工艺可控性、电路模块质量与可靠性，从而缩短军用电子装备生产周期，提高产品质量和可靠性。

为实现上述目的，本发明技术方案的实现步骤是：

本发明是一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，其特征在于：通过频谱分析确定待测板异常频率点，再通过云图分析确定待测板异常区域，然后根据待测板异常区域确定待测板故障器件，检测步骤包括：

步骤1，EMScan扫描仪完成对加电状态下的标准电路板和加电状态下待测电路板的扫描，标准电路板简称标准板，待测电路板简称待测板，得到标准板和待测板的频谱图，分别将标准板和待测板的基本信息存入数据库，该基本信息是与扫描频谱图所对应的基本信息，基本信息的输入由人工完成，待测板和标准板的扫描均是单面扫描。当高密度电子电路正反两面都有器件时，扫描仪对高密度电子电路正反两面分别进行扫描。

步骤2，从数据库选定某一待测板，将待测板和对应标准板频谱图进行对比，得到频谱差图，设置异常频率幅值对比阀值，得到待测板异常的频率点，并将这些异常频率点存入数据库，如果没有异常频率点，则该待测板检测无故障。

步骤3，读取异常的频率点，根据这些异常频率点完成待测板和对应标准板的云图扫描，将待测板和标准板的云图进行对比，得到标准板和待测板的云图差图，将该云图差图信息存入数据库。

步骤4，设置云图差图选择阈值，经过阈值选择后得到阈值图像，再通过图像处理，将阈值图像的异常区域标记为白色，使异常区域更容易分辨，然后标绘出异常区域的边界。

步骤5，根据各异常区域坐标范围和器件坐标确定该区域内的器件，同时将标有异常区域的阈值图像和器件信息存入数据库，使待测板异常区域和故障器件对应起来，得到故障器件列表。

应用EMScan技术通过上述步骤实现对加电的电路板进行非接触式检测，可快速检测出高密度电子电路中存在的物理缺陷和电气缺陷，使组装质量评价准确率大于90％，可检测组装焊点类型覆盖率大于80％，包括器件下方的不可见焊点。

本发明的实现还在于：步骤2中所述的频谱差图获取是首先创建与频谱图图像大小、格式相同的新图像，将待测板和标准板对应像素值的三个像素分量分别做差，所得结果设为新图像的像素值，此新图像就是标准板和待测板频谱图对比后的频谱差图。

从频谱差图中可以很直观的看出异常频率范围，并能够根据用户设置的异常频率幅值对比阈值，快速计算出待测板异常的频率点。

本发明的实现还在于：步骤3中所述云图差图的获取是首先针对异常频率点应用EMScan扫描仪完成标准板和待测板的云图扫描，创建与云图图像大小、格式相同的新图像，遍历两幅云图图像获取像素值，把每两个对应像素的三个分量分别做差，得到的结果设为新图像的像素值，此新图像就是标准板和待测板云图对比后的云图差图。

得到的云图差图为彩色图像，其上每个像素点的三个像素分量都是标准板和待测板的云图对应像素点三个像素分量的差值，这样云图差图中每个异常区域都是基于标准板云图对应区域，使获得的异常区域准确度很高。

本发明的实现还在于：步骤4中所述设置云图对比阈值，阈值范围为0-255，如果像素值的三个分量有两个分量大于阈值，则保留该处像素值，否则该点像素值设为(0，0，0)，这样经过阈值选择后得到阈值图像。

经过阈值选择得到的阈值图像可以很直观的看出待测电路板异常区域，阈值图像中白色区域即为电路板异常区域，并能很快获得异常区域每个像素的坐标值，为检测故障器件做好准备。

本发明的实现还在于：步骤5中所述确定异常区域器件列表，是首先根据电子电路板设计文件，进行电子电路板的仿真，把电子电路板设计文件中的器件坐标，转换成像素坐标，然后判断该坐标处的像素值是否为白色，如果为白色，则该器件处于故障区域，把该器件加入故障器件列表，由此，可获得该频率下所有故障器件，同时将标有异常区域阈值图像和器件信息存入数据库，使待测板异常区域和故障器件对应起来，得到故障器件列表，供检测人员针对每个故障器件进行具体分析。

根据异常区域坐标范围和电子电路板设计文件中的器件坐标，可以很快判断出电子电路板每个器件是否在异常区域内，从而快速得到电子电路板故障器件列表。

由于本发明将EMScan技术应用于检测高密度电子电路组装过程中的故障当中，实现了对高密度电子电路故障的快速检测。用EMScan扫描仪扫描加电测试中的标准板和待测电路板，可以快速获取标准板和待测板的频谱图；将标准板和待测板频谱图对比，得到频谱差图，从频谱差图中能够很直观地看出异常频率范围，并能够根据设置的阈值快速计算出异常频率点；根据异常频率点完成标准板、待测板云图扫描及云图对比，得到标准板和待测板云图差图，经阈值选择并处理后，获得阈值图像，从阈值图像中能够很直观地看出待测板的异常区域；根据异常区域坐标范围和电子电路板设计文件中的器件坐标的对应关系，找出每个故障器件，得到故障器件列表，供检测人员针对每个故障器件进行具体分析，从而在很大程度上减轻了检测人员查找故障器件的工作量。

本发明与现有技术对比具有下述优点：

1)本发明由于是对电子电路的电磁辐射进行扫描，通过分析待测板与标准板电磁辐射的异同来检测电子电路的故障，可以快速检测出电子电路板中各种物理缺陷的故障器件，解决了自动光学检测技术不能检测出不可见焊点故障的技术问题。

2)本发明由于是对电子电路的电磁辐射进行扫描，通过分析待测板与标准板电磁辐射的异同来检测电子电路的故障，可以快速检测出电子电路板中各种物理缺陷的故障器件，克服了自动X光检测技术不能检查器件位置错误的缺陷，以及克服了检测不出器件方向放置不正确的问题。

3)本发明由于通过分析待测板与标准板电磁辐射的异同来检测电子电路的故障，可以快速检测出电子电路板中电气缺陷的故障器件，而自动光学检测和自动X光检测都不能测试出电子电路电气性能方面的缺陷和故障。

4)本发明由于对加电状态下的高密度电子电路故障的非接触式快速检测，可对各种高密度电子电路板进行检测，而在线检测技术因“接触受限”，不能完全适应当今高密度电子电路制造技术发展的需要；本发明具有非接触式快速检测的优点。

综上，本发明提高了高密度电子电路组装工艺的可控性，并提高了电路模块的质量和可靠性，从而缩短了电子装备生产周期，进而提高了高密度电子电路产品质量和可靠性。

附图说明

图1是本发明的故障检测流程图；

图2是本发明的待测板异常频率点获取流程图；

图3是本发明的标准板频谱图；

图4是本发明的待测板频谱图；

图5是本发明的标准板与待测板的频谱差图；

图6是本发明的待测板异常区域获取流程图；

图7a是本发明的标准板云图

图7b是本发明的待测板云图

图7c是本发明的待测板与标准板云图差图；

图8是本发明的阈值图像；

图9是本发明的经图像处理后的阈值图像；

图10是本发明的待测板故障器件获取流程图；

图11是本发明的待测板故障器件示意图；

图12是本发明的检测高密度电子电路故障的系统构成示意图；

图13是本发明的检测软件的构成示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本发明是一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法。具体实施对高密度电子电路的故障检测时，需要运用应用EMScan技术检测高密度电子电路故障的系统，见图12，该系统包括有扫描仪、NEXUS控制器、频谱分析仪和计算机，NEXUS控制器与扫描仪通过控制电缆连接，NEXUS控制器与计算机通过以太网连接，NEXUS控制器与频谱分析仪通过通用接口总线(CPIB)和视频线(VIDEO)连接，频谱分析仪与扫描仪通过射频线(RF)连接。本发明的计算机内装有检测软件和检测信息数据库，检测软件与检测信息数据库进行双向数据传输，检测软件的构成，见图13，检测软件包括有检测主控模块、待测板异常频率点获取模块、待测板异常区域获取模块和待测板故障器件获取模块，检测主控模块与异常频率点获取模块之间进行双向数据传输，检测主控模块与异常区域获取模块之间进行双向数据传输，检测主控模块与故障器件获取模块之间进行双向数据传输，检测主控模块与检测信息数据库之间进行双向数据传输。

检测软件对标准板和待测板的频谱图和云图进行分析处理，检测信息数据库存取检测软件所需和处理后信息，被检测电子电路的相关信息在计算机上处理和显示。

检测之前准备工作是校准EMScan扫描仪近场探头，设置EMScan扫描仪各项参数，然后进行检测程序。

本发明是首先通过频谱分析确定待测板异常频率点，再通过云图分析确定待测板异常区域，然后根据待测板异常区域确定待测板故障器件，检测步骤包括：

步骤1，EMScan扫描仪完成对加电状态下的标准电路板和加电状态下待测电路板的扫描，标准电路板简称标准板，待测电路板简称待测板，得到标准板频谱图和待测板频谱图，标准板频谱图如图3所示，待测板频谱图如图4所示。分别将标准板和待测板的基本信息存入数据库，数据库即检测信息数据库。标准板基本信息包括：标准板编号、设计文件名称、长度、宽度、频谱图名称、频率最小值、频率最大值、频率步长、幅度最小值、幅度最大值、幅度步长；待测板基本信息包括：待测板编号、对应的标准板编号、待测板频谱图、频谱差图、幅度最小值、幅度最大值、幅度步长。基本信息由人工输入。

步骤2，从数据库选定某一待测板，实现待测板和对应标准板频谱图对比，得到频谱差图，如图5，设置异常频率幅值对比阈值，异常频率幅值对比阈值的设置是根据具体的频谱差图的实际情况选取的，例如从图5的频谱差图可见最明显的异常频率范围在20.0以上，因此，设置异常频率幅值对比阈值为20.0。得到待测板异常的频率点为149.8khz，并将这个异常频率点存入数据库。

其中，频谱差图获取是首先创建与频谱图图像大小、格式相同的新图像，分别求取待测板和标准板对应像素值的三个像素分量的差值，所得结果设为新图像的像素值，此新图像就是标准板和待测板频谱图对比后的频谱差图。

步骤3，读取异常的频率点，根据异常频率点，首先应用EMScan扫描仪扫描标准板获得标准板云图，标准板云图如图7a所示；扫描待测板获得待测板云图，待测板云图如图7b所示；再创建与云图图像大小、格式相同的新图像。遍历两幅云图图像获取每个像素的像素值，分别计算待测板和标准板云图对应像素的三个分量的差值，得到结果设为新图像的对应像素的像素值。此新图像就是标准板和待测板云图对比后的云图差图，云图差图如图7c所示。将该云图差图信息存入数据库。

步骤4，设置云图差图选择阈值，云图差图选择阈值范围为0-255。如果像素值的三个分量有两个分量大于阈值，则保留该处像素值，否则该点像素值设为(0，0，0)。例如设置云图差图选择阈值为100，经过阈值选择后得到阈值图像，阈值图像如图8所示。再通过图像处理，将阈值图像为彩色的异常区域转化为白色，如图9所示，使异常区域更容易分辨，然后标绘出异常区域的边界；

步骤5，根据电子电路板设计文件，进行电子电路板的仿真，把电子电路设计文件中的器件坐标，转换成像素坐标，然后再根据各异常区域坐标范围和器件坐标，判断该坐标处的像素值是否为白色。如果为白色，则该器件处于故障区域，把该器件加入故障器件列表并用红色标识出该器件。由此，可获得该频率下所有故障器件。同时将标有异常区域阈值图像和器件信息存入数据库，使待测板异常区域和故障器件对应起来，得到故障器件列表。

实施例2

应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法同实施例1。

在步骤4中所述设置云图差图选择阈值，本例中设置阈值选为0。经过阈值选择后得到阈值图像与原云图差图一样，因为所有像素值的三个分量都有两个分量大于阈值即大于0。这种情况下整块待测电子电路板除了云图差图中原有的黑色区域外都显示为异常区域。这是一种特例，由此可见本发明对高密度电子电路故障检测的可控性通过设置云图差图的选择阈值可以实现对民品级、工业级和军品级的高密度电子电路的故障检测。

实施例3

应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法同实施例1。

在步骤4中所述设置云图差图选择阈值，阈值选取255。经过阈值选择后得到阈值图像为全黑色图像，这是因为所有像素值的三个分量都都不会有两个分量大于阈值，所有像素都被设为(0，0，0)。这种情况下待测电子电路板显示没有异常区域，无故障器件。这是本发明的又一种特例，可对部分免检产品和免检环节选择这一阈值，通常是不采用的。

云图差图选择阈值的设置在实际过程中根据具体情况和经验相结合进行选择。阈值越小检测越严格，随着阈值的增大，检测的精度逐渐变小。

实施例4

应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法同实施例1。

在步骤4中所述设置云图差图选择阈值，阈值选取为122，应用于返修电路板的故障检测。

实施例5

应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法同实施例1，其步骤详细说明如下：

步骤1，获取标准板和待测板频谱图并输入基本信息。

参照图2，具体实现如下：

(1a)EMScan扫描前准备

校准EMScan扫描仪近场探头，设置EMScan扫描仪各项参数。

(1b)获取标准板和待测板频谱图

用EMScan扫描仪的Pre-Scan功能扫描加电的标准电路板和待测电路板，获取标准板频谱图见图3和待测板的频谱图见图4，并将其以.bmp文件格式进行存储。

(1c)人工输入标准板和待测板的基本信息

将频谱图的频率范围，幅度范围，电子电路设计文件，扫描得到的频谱图存入数据库。

步骤2，实现标准板和待测板频谱图对比，得到频谱差图，通过设置的频率对比阈值，计算出异常频率点，同时存入数据库，见图2。

具体实现如下：

(2a)获取频谱差图

从数据库选定某一待测板，将待测板和对应标准板频谱图进行对比，即对应像素值三个像素分量分别做差，所得结果设为差图图像的像素值，从而得到频谱差图，见图5。

(2b)获得异常频率范围

设置异常频率幅值对比阈值为20.0，见图5。根据设置的阈值，获得幅度大于阈值的频率范围。

(2c)找出异常频率点

在大于阈值的频率范围中，选择该范围的极大值149.8khz作为异常频率点，见图5。同时将计算出的异常频率点存入数据库，供后续查询。

步骤3，根据异常频率点完成标准板、待测板云图扫描及云图对比，得到标准板和待测板云图差图。

参照图6，具体实现如下：

(3a)获取标准板和待测板云图

从数据库中得到异常频率点149.8khz，扫描标准板和待测板在异常频率点下的空间云图。

(3b)提取基本云图

得到扫描后的空间云图，包含背景栅格图像，按电子电路板的大小，云图只占其中的一部分，所以需要提取基本云图，得到只含云图部分的图像。标准板云图见图7a，待测板云图见图7b。

(3c)微调待测电子电路云图大小

由于辐射强度不同或电子电路板间细微的大小差异，导致提取后的云图大小有细微的差别，按照标准板云图大小，对待测板基本云图调整至标准云图大小，为后续求云图的差图做好准备。

(3d)求云图差图

将待测板和标准板的云图进行对比，创建与云图图像大小、格式相同的新图像。遍历两幅云图图像获取像素值，分别计算待测板和标准板云图对应像素的三个分量的差值，得到的结果设为新图像的像素值，此新图像就是标准板和待测板云图对比后的云图差图，见图7c。

步骤4，设置云图差图选择阈值，进行阈值选择，得到阈值图像，标记出异常区域，见图6。

具体实现如下：

(4a)云图差图阈值选择

设置云图差图选择阈值为160，经过阈值选择后得到阈值图像见图8。

(4b)处理阈值图像

对阈值图形进行图像处理，将阈值图像为彩色的异常区域转化为白色，参见图9，

使异常区域更容易分辨。

(4c)确定异常区域坐标范围

标绘出异常区域的边界，确定出异常区域坐标范围。

步骤5，给出电子电路板中故障器件列表

参照图10，具体实现如下：

(5a)转换器件坐标

把电子电路设计文件中的器件坐标转换成像素坐标。

(5b)获取故障器件列表

根据各异常区域坐标范围和器件坐标，判断该坐标处的像素值是否为白色，如果为白色，则该器件处于故障区域，把该器件加入故障器件列表。

(5c)标识故障器件

将故障器件标识为红色，并与阈值图像叠加，列出故障器件，见图11。

本发明应用EMScan技术对电子电路的电磁辐射进行扫描，通过分析待测板与标准板电磁辐射的异同来检测电子电路的故障，可以快速检测出电子电路板中存在各种物理缺陷的故障器件，解决了某些检测技术不能检测出不可见焊点故障，不能检查器件位置错误和检测不出器件方向放置不正确等技术问题。实现了非接触式快速检测，提高了高密度电子电路组装工艺的可控性，提高了电路模块质量和可靠性，从而缩短了电子装备生产周期，进而提高了高密度电子电路产品的质量和可靠性。减轻了检测工作量，提高了检测工作效率。可用于电装行业的高密度电子电路组装过程中检测和其它的故障检测。

Claims (5)

1.一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，检测步骤包括：

步骤1，EMScan扫描仪完成对加电状态下的标准电路板和加电状态下待测电路板的扫描，标准电路板简称标准板，待测电路板简称待测板，得到标准板和待测板的频谱图，分别将标准板和待测板的基本信息存入数据库，该基本信息是与频谱图所对应的基本信息，基本信息的输入由人工完成，待测板和标准板的扫描均是单面扫描；

步骤2，从数据库选定某一待测板，将待测板和对应标准板频谱图进行对比，得到频谱差图，设置异常频率幅值对比阈值，得出待测板异常的频率点，并将这些异常频率点存入数据库，如果没有异常频率点，则该待测板检测无故障；

步骤3，读取异常的频率点，根据这些异常频率点完成待测板和对应标准板的云图扫描，将待测板和标准板的云图进行对比，得到标准板和待测板的云图差图，将该云图差图信息存入数据库；

步骤4，设置云图差图选择阈值，经过阈值选择后得到阈值图像，再通过图像处理，将阈值图像的异常区域标记为白色，使异常区域更容易分辨，然后标绘出异常区域的边界；

步骤5，根据各异常区域坐标范围和器件坐标确定该区域内的器件，同时将标有异常区域的阈值图像和器件信息存入数据库，使待测板异常区域和故障器件对应起来，得到故障器件列表。

2.如权利要求1所述的一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，其特征在于：步骤2中所述的频谱差图获取是首先创建与频谱图图像大小、格式相同的新图像，分别计算待测板和标准板频谱图对应像素值的三个像素分量的差值，所得结果设为新图像的像素值，此新图像就是标准板和待测板频谱图对比后的频谱差图。

3.如权利要求2所述的一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，其特征在于：步骤3中所述云图差图的获取是首先针对异常频率点应用EMScan扫描仪完成标准板和待测板的云图扫描，创建与云图图像大小、格式相同的新图像，遍历两幅云图图像获取像素值，分别计算待测板和标准板云图对应像素的三个分量的差值，得到的结果设为新图像的像素值，此新图像就是标准板和待测板云图对比后的云图差图。

4.如权利要求3所述的一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，其特征在于：步骤4中所述设置云图差图选择阈值，所述选择阈值范围为0-255，如果像素值的三个分量有两个分量大于所述选择阈值，则保留该处像素值，否则该点像素值设为(0，0，0)，这样经过阈值选择后得到阈值图像。

5.如权利要求4所述的一种应用EMScan技术对高密度电子电路故障的检测方法，其特征在于：步骤5中所述确定异常区域器件，是首先根据电子电路板设计文件，进行电子电路板的仿真，把电子电路板设计文件中的器件坐标，转换成像素坐标，然后判断该坐标处的像素值是否为白色，如果为白色，则该器件处于异常区域，最后用红色标识出该器件并把该器件加入故障器件列表，由此，可获得该频率下所有故障器件。

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