CN105241923B - 倒装焊焊点缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒装焊焊点缺陷检测方法，将倒装焊芯片置于亥姆霍兹线圈所产生的内部磁场范围内，向亥姆霍兹线圈通电对焊球进行加热，采用热像仪获取倒装焊芯片的温度图像，根据温度图像得到各个焊点的温度曲线，并与合格焊点的温度曲线求差，得到温差曲线；然后根据温差曲线对各焊点的情况进行预判；再选取加热结束时刻的温度图像，根据焊点预判结果提取出空洞焊点和裂纹焊点处的图像块，与相应图像模板进行匹配，如果匹配成功则确定为缺陷焊点，否则为合格焊点。本发明通过结合ECPT无损检测物理原理，通过温差曲线和温度图像特征来检测和识别缺陷，其测量时间短、操作简单，对环境要求低。

Description

倒装焊焊点缺陷检测方法

技术领域

本发明属于倒装焊封装技术领域，更为具体地讲，涉及一种倒装焊焊点缺陷检测方法。

背景技术

倒装焊焊点的缺陷检测和可靠性评估对IC制造技术起着至关重要的作用。无损检测技术作为控制产品质量、保证服役设备安全运行的重要手段，已经广泛应用到各个领域。目前，针对倒装焊焊点的无损检测技术有X射线检测和扫描声学显微镜(SAM)检测。X射线检测可以区分焊点的内在特征，但不能区分垂直重叠特征，而且设备昂贵。扫描声学显微镜检测能够对焊点缺陷进行定性分析，但是由于封装结构之间的差异容易造成误判。

脉冲涡流热成像技术(Eddy Current Pulsed Thermography，ECPT)是一种新兴的检测方法，它结合了涡流检测和热成像技术两方面的优势。该技术具有较高的空间分辨率和灵敏度。目前，ECPT测试对象主要是航空航天，铁路轨道，石油管道，复合材料等大型或大面积样本尺寸，并未将该技术应用到微小结构的细小缺陷检测和研究上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种倒装焊焊点缺陷检测方法，基于脉冲涡流热成像进行焊点缺陷检测，该方法具有检测准确率高，操作简单，对环境要求低且检测速度快的优点。

为实现上述发明目的，本发明倒装焊焊点缺陷检测方法包括以下步骤：

S1：将倒装焊芯片置于亥姆霍兹线圈所产生的内部均匀磁场范围内，在倒装焊芯片的中心轴线上设置一个热像仪，用于获取倒装焊芯片的温度图像；

S2：向亥姆霍兹线圈通电，激励电流在220A～380A范围内，频率在200kHz～440kHz，通电时长为t₁；

S3：从亥姆霍兹线圈通电开始，采用热像仪对倒装焊芯片进行时长为t₂的温度图像采集，t₂＞t₁，所得到的温度图像数量记为N；

S4：在温度图像中标注出每个焊点i的中心坐标(x_i,y_i)，i的取值范围为i＝1,2,…,M，M表示焊点数量；对于每个焊点i，在每幅温度图像中以(x_i,y_i)为中心、2L+1为边长，提取出焊点i对应的图像块，每个图像块中有K＝(2L+1)²个像素，将K个像素对应的温度值平均，得到第j幅温度图像中焊点i的温度T_i，从而得到时间t₂内焊点i的温度曲线；将每个焊点的温度曲线与预先在相同测试条件下得到的合格焊点的温度曲线求差，得到温差曲线；

S5：从焊点i对应的温差曲线中得到焊点i与合格焊点的最大温差值δ_i；如果温差值δ_i大于预设阈值Δ₁，则预判为空洞焊点，Δ₁≥0，根据实际情况设置；如果温差值δ_i小于预设阈值Δ₂，则预判为裂纹焊点，Δ₂≤0，根据实际情况设置；否则为合格焊点；

S6：从热像仪获得的N幅温度图像中，选取加热结束即时刻t₁的温度图像I；然后根据焊点预判结果提取出空洞焊点和裂纹焊点处的图像块，与相应的预先获取的空洞焊点图像模板和裂纹焊点图像模板进行匹配，如果匹配成功，则确定该焊点为空洞焊点或者为裂纹焊点，否则为合格焊点。

本发明倒装焊焊点缺陷检测方法，将倒装焊芯片置于亥姆霍兹线圈所产生的内部磁场范围内，向亥姆霍兹线圈通电对焊球进行加热，采用热像仪获取倒装焊芯片的温度图像，根据温度图像得到各个焊点的温度曲线，并与合格焊点的温度曲线求差，得到温差曲线；然后根据温差曲线对各焊点的情况进行预判；再选取加热结束时刻的温度图像，根据焊点预判结果提取出空洞焊点和裂纹焊点处的图像块，与相应图像模板进行匹配，如果匹配成功则确定为缺陷焊点，否则为合格焊点。本发明通过结合ECPT无损检测物理原理，通过温差曲线和温度图像特征来检测和识别缺陷，其测量时间短、操作简单，对环境要求低。

附图说明

图1是脉冲涡流热成像检测示意图；

图2是本发明倒装焊焊点缺陷检测方法的流程图；

图3是三个焊点的温度曲线图；

图4是三个焊点的温差曲线图；

图5是实验样本温度图像图；

图6是实验样本温度图像预处理结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

为了更好地说明本发明的技术方案，首先对本发明所运用的原理进行说明。本发明是基于脉冲涡流热成像检测来实现倒装焊点缺陷检测的。图1是脉冲涡流热成像检测示意图。如图1所示，根据法拉第电磁感应定律，当在线圈中通入交变电流时，会产生交变的磁场，焊球处于交变的磁场中，在焊球内部会形成涡流。由焦耳定律可知，当导体中有电流存在时，导体内部会产生焦耳热(或阻抗热)。焦耳热Q的大小和导体内部的电流密度J_s或者电场强度E成正比，Q、J_s和E三者的关系可由下述公式描述。

同时，产生的焦耳热会在焊球内部传播，其传播规律遵循公式(2)。

热量在传导和扩散的过程中，由于焊球的运行状态以及缺陷对热传导的阻碍或者促进作用，在焊球表面会形成“热区”和“冷区”，进而以表面温度不均匀的形式表现出来。以红外辐射理论为依据，利用热像仪记录焊球顶端在加热和冷却时段内热视频图像，如果焊球存在内部或表面缺陷，会使焊球表面和焊球内部区域温度有差异，缺陷焊球顶端的温度场分布与正常焊球相比也会存在差异，根据温度差异和热图像的不同特征来判断焊球中存在哪种常见缺陷，从而达到检测和识别的目的。

图2是本发明倒装焊焊点缺陷检测方法的流程图。如图2所示，本发明倒装焊焊点缺陷检测方法包括以下步骤：

S201：测试平台设置：

根据图1所示的脉冲涡流热成像检测示意图可知，将倒装焊芯片置于亥姆霍兹线圈所产生的内部均匀磁场范围内，在倒装焊芯片的中心轴线上设置一个热像仪，用于获取倒装焊芯片的温度图像。

根据实验得到，当倒装焊芯片与导电线圈平行放置，倒装焊芯片的中心轴线与导电线圈轴线重合，所得到温度图像效果较好，据此温度图像进行检测的性能也较好。

热像仪所获取的温度图像，每个焊点处所对应的像素点不宜太少，否则会难以反映焊点处的图像特征，影响温度计算和图像匹配的准确度。因此当倒装焊芯片较大时，可以对倒装芯片分区进行检测。

S102：导电线圈通电：

向导电线圈通电，以加热焊球。由于倒装焊芯片的焊球和缺陷尺寸小，激励电流过大产生的高温会融化焊球，而过小又不能产生足够的热量以影响热像仪的记录结果；激励频率太高会影响材料的集肤效应；同时，线圈与焊球的相对位置不同决定磁场方向和缺陷检测效果，因此需要根据焊球的大小和线圈的尺寸对激励电流、频率和线圈位置进行调整。本发明中所采用的激励电流在220A～380A范围内，频率在200kHz～440kHz，通电时长为t₁。t₁根据实际情况设置。由于焊点的熔点较低，过长的加热时间可能对检测结果造成不利影响。所以加热时间应该控制在一个相对较短的时间内，通常加热时间设定为0.2s-0.5s。

S103：获取温度图像：

从亥姆霍兹线圈通电开始，采用热像仪对倒装焊芯片进行时长为t₂的温度图像采集，t₂＞t₁，所得到的温度图像数量记为N。本发明中需要获取加热阶段和降温阶段的温度图像，通常降温时间设定在3s-5s，t₂即为加热时间和降温时间之和。

S104：计算各焊点温差曲线：

在温度图像中标注出每个焊点i的中心坐标(x_i,y_i)，i的取值范围为i＝1,2,…,M，M表示焊点数量。

焊点中心坐标可以直接手动标注，也可以用计算方式得到：以基板的一角为坐标原点，根据焊球尺寸和焊球间距两个定值，可以计算出每个焊球的中心坐标。

对于每个焊点i，在每幅温度图像中以(x_i,y_i)为中心、2L+1为边长，L为正整数。提取出焊点i对应的图像块，每个图像块中有K＝(2L+1)²个像素，将K个像素对应的温度值平均，得到第j幅温度图像中焊点i的温度T_i，从而得到时间t₂内焊点i的温度曲线。将每个焊点的温度曲线与预先在相同测试条件下得到的合格焊点的温度曲线求差，得到温差曲线。

为了减少误差，本实施例中合格焊点的温度曲线是多个合格焊点的温度曲线的平均结果。

S105：焊点缺陷预判：

从焊点i对应的温差曲线中得到焊点i与合格焊点的最大温差值δ_i；如果最大温差值δ_i大于预设阈值Δ₁，则预判为空洞焊点，Δ₁≥0，由于焊点尺寸与阈值设置有关，故阈值Δ₁要根据实际情况设置；如果最大温差值δ_i小于预设阈值Δ₂，则预判为裂纹焊点，Δ₂≤0，同样地，Δ₂也要根据实际情况设置；否则为合格焊点。

S106：确定焊点缺陷：

对于空洞焊点和裂纹焊点，由于缺陷不同，其温度图像也会存在差异，因此本发明对步骤S105预判为空洞焊点和裂纹焊点的焊点采用图像处理技术进一步确定是否确实为缺陷焊点。从热像仪获得的N幅温度图像中，选取加热结束即时刻t₁的温度图像I。这是因为在加热结束时，焊点处温度与非焊点处、缺陷处的温度差异较明显，选取该时刻的温度图像可以获得更为理想的检测效果。为了最大限度地消除实验过程中环境因素或者人为因素的不利影响，也使温度图像I中所体现的特征更为明显，可以先对温度图像I进行预处理。本实施例中采用的预处理过程为：首先对温度图像I进行线性灰度转换，扩展温度图像I的灰度范围，以增强温度图像I的显示效果；然后对温度图像I进行高斯低通滤波，滤除噪声的干扰。

然后根据焊点预判结果提取出空洞焊点和裂纹焊点处的图像块，与相应的预先获取的空洞焊点图像模板和裂纹焊点图像模板进行匹配，如果匹配成功，则确定该焊点为空洞焊点和裂纹焊点，否则为合格焊点。从而完成对倒装焊焊点的缺陷检测。

本实施例中，对每种缺陷，模拟D个不同缺陷尺寸的焊点，在相同测试条件下获得D个缺陷焊点图像块，作为D个缺陷焊点图像模板。在匹配时，分别计算预判提取到的缺陷焊点图像块与每个缺陷焊点图像模板的相似度，如果相似度大于阈值，则说明缺陷焊点图像块与缺陷焊点图像模板匹配。相似度计算方式可以根据需要选择，此处采用的相似度计算公式为：

其中，R表示相似度，S(x,y)表示缺陷焊点图像块中像素点(x,y)的像素值，T(x,y)表示缺陷焊点图像模板中像素点(x,y)的像素值。当R≥80％时，则说明匹配，否则不匹配。

如果缺陷焊点图像块与所有缺陷焊点图像模板都不匹配，则该缺陷焊点不是真实的缺陷焊点，是误判，如果缺陷焊点图像块与任意一个缺陷焊点图像模板匹配，则该缺陷焊点确定为空洞焊点或者为裂纹焊点。

实施例

为了说明本发明的有效性，采用具体的倒装焊焊点进行了实验验证。为了便于说明，本试验中只采集了直径大小为1mm的三个焊点，分别为空洞焊点、裂纹焊点、合格焊点，分别记为一号焊点、二号焊点和三号焊点，取阈值Δ₁＝1.0，Δ₂＝-2.0。设定导电线圈的激励电流为220A，频率为250kHz，线圈水平放置，提离距离为0mm，加热时间和冷却时间分别为0.2s和2.8s。获得三个焊点的温度曲线。图3是三个焊点的温度曲线图。如图3可知，三个焊点的温度曲线的走势是一致的。直接以合格焊点(三号焊点)的温度曲线作为参照，得到三个焊点的温差曲线。图4是三个焊点的温差曲线图。如图4所示，一号焊点与合格焊点的最大温差值为1.23，大于阈值Δ₁，二号焊点与合格焊点的最大温差值为-2.5，小于阈值Δ₂。因此预判得到一号焊点为空洞焊点，二号焊点为裂纹焊点，与实际情况一致。

然后提取加热结束时刻的温度图像。图5是实验样本温度图像图。如图5所示，裂纹焊点顶端面呈现暗斑，而空洞焊点呈现中间暗两边亮的特征，二者在图像特征上是不同的。为了使特征更加明显，对温度图像进行预处理。图6是实验样本温度图像预处理结果图。根据图5和图6可知，裂纹焊球的顶端温度低于合格焊球和空洞焊球的顶端温度，而空洞焊球顶端边缘温度高于裂纹焊球和合格焊球的顶端温度，而中间区域则处于低温状态。说明了裂纹对焊球涡流场的影响使得焊球顶端温度场处于低温状态，而空洞对焊球涡流场的影响使得焊球顶端温度场处于边缘高温而中间低温的状态。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种倒装焊焊点缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将倒装焊芯片置于亥姆霍兹线圈所产生的内部均匀磁场范围内，在倒装焊芯片的中心轴线上设置一个热像仪，用于获取倒装焊芯片的温度图像；

S2：向亥姆霍兹线圈通电，激励电流在220A～380A范围内，频率在200kHz～440kHz，通电时长为t₁；

S3：从亥姆霍兹线圈通电开始，采用热像仪对倒装焊芯片进行时长为t₂的温度图像采集，t₂＞t₁，所得到的温度图像数量记为N；

S4：在温度图像中标注出每个焊点i的中心坐标(x_i,y_i)，i的取值范围为i＝1,2,…,M，M表示焊点数量；对于每个焊点i，在每幅温度图像中以(x_i,y_i)为中心、2L+1为边长，提取出焊点i对应的图像块，每个图像块中有K＝(2L+1)²个像素，将K个像素对应的温度值平均，得到第j幅温度图像中焊点i的温度T_i，从而得到时间t₂内焊点i的温度曲线；将每个焊点的温度曲线与预先在相同测试条件下得到的合格焊点的温度曲线求差，得到温差曲线；

S5：在焊点i对应的温差曲线中得到焊点i与合格焊点的最大温差值δ_i；如果最大温差值δ_i大于预设阈值Δ₁，则预判为空洞焊点，Δ₁≥0，根据实际情况设置；如果最大温差值δ_i小于预设阈值Δ₂，则预判为裂纹焊点，Δ₂≤0，根据实际情况设置；否则为合格焊点；

S6：从热像仪获得的N幅温度图像中，选取加热结束时刻t₁的温度图像I；然后根据焊点预判结果提取出空洞焊点和裂纹焊点处的图像块，与相应的预先获取的空洞焊点图像模板和裂纹焊点图像模板进行匹配，如果匹配成功，则确定该焊点为空洞焊点或者为裂纹焊点，否则为合格焊点。

2.根据权利要求1所述的倒装焊焊点缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，倒装焊芯片与导电线圈平行放置，倒装焊芯片的中心轴线与导电线圈轴线重合。

3.根据权利要求1所述的倒装焊焊点缺陷检测方法，其特征在于，所述通电时长t₁的取值范围为0.2s-0.5s。

4.根据权利要求1所述的倒装焊焊点缺陷检测方法，其特征在于，所述S6中，对温度图像I进行预处理：首先对温度图像I进行线性灰度转换，然后对温度图像I进行高斯低通滤波。