CN109470707A - 基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法 - Google Patents

Abstract

基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，包括步骤：1)使用脉冲热源激励测试对象；2)获取下降段的过余温度时间曲线；3)确定双对数坐标曲线；4)获得高阶次拟合曲线的微分方程；5)根据高阶次拟合曲线的微分方程的高阶项系数判定测试对象是否为虚焊焊点。本发明方法有效提取焊点热特性本征信息，解决了现有虚焊焊点热像测试数据与正常焊点测试数据难以区分的难题；本发明进行焊点虚焊热像测试数据处理对比度高，降低了加热不均和外界热流造成的背景噪声。

Description

基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法

技术领域

本发明涉及基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，属于虚焊焊点无损检测技术领域。

背景技术

焊点是电路板的一种典型组成单元，是航空、航天器电源结构中传递电信号，提供机械连接的结构单元。焊点的失效将导致器件乃至整个系统失效。随着焊点尺寸的越来越小，焊点成薄弱的连接环节，电子产品在机械震动冲击过程中，电路板与芯片之间的细小焊点连接是最容易发生破坏的部位，电子产品在运送和服役过程中不可避免的受到温度循环、振动、冲击等因素的作用而导致产品失效。

在航天器及军用装备电子产品生产以及贮存过程中，高密度PCB板由于贴装过程各种环境因素以及加工误差的影响，可能导致板载元器件焊盘表面锈蚀、氧化、污染等虚焊类贴装缺陷，如果在生产工序的最后环节进行检测发现电路板缺陷，将付出十分巨大的代价，甚至会导致整块贴装板甚至是整个电子产品的报废。目前国内外各种检测技术各有利弊，互为补充，但仍不能保证100％检测出焊点的缺陷。例如一些冷焊、局部润湿不良、油污氧化、孔洞、夹杂等焊点，其外观正常，又有电气连接，这种类型缺陷统称为虚焊类缺陷。焊点虚焊类缺陷的检测问题一直是是现今电子产品检测的世界性难题。红外测试主要依靠过余温度进行虚焊类缺陷辨识，但虚焊类缺陷对应的过余温度信号与正常焊点差别较小，导致焊点虚焊缺陷本征热阻信号难以辨识；此外，背景热辐射干扰较大，单纯放大或降倍的方法，可能会造成缺陷信息淹没或丢失，增大虚焊本征信号的提取难度。

哈尔滨工业大学ZL01140590.2号专利《检测电路板焊点可靠性的红外测温检测法》公开了一种对于外观正常的具有缺陷的焊点质量的检测方法。采用红外热像仪获取该待检测焊点的动态图像和该待检测焊点引线处的动态图像，得到待检测焊点和待检测焊点引线处的温度分布曲线；其次，将焊点的温度分布曲线和焊点引线处的温度分布曲线同比叠加在一起；最后，对叠加的结果进行判断：当两条温度分布曲线的分布趋势相同，且两条温度曲线上的最高温度点同步，判定该待检测焊点为合格焊点；否则为不合格焊点。但该方法主要存在以下问题：

(1)通过观察温度分布曲线上的趋势和温差变化主观影响因素较大，误判的可能性较大。

(2)由于热激励过程中热激励角度、激励功率、焊点微观型态的变化，可能会造成焊点内部的传热过程发生变化，导致引线处热量密度及最高温度点的出现时间发生变化，因此虚焊焊点和引线处的温度分布曲线本身就可能存在一定程度差异，因此部分焊点难以通过此方法进行判定。

(3)引线本身的粗细以及外界噪声干扰也会影响引线的温度时间分布曲线，可能会造成缺陷信息淹没在不均匀的背景噪声及引线粗细造成的背景干扰里，虚焊本征信号的提取难度大。

(4)较小的焊点虚焊缺陷传导造成的热阻效应较小，温度变化较小，虚焊本征信号的差别较小，提取效果及稳定性较差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，解决了现有虚焊焊点热像测试数据与正常焊点测试数据稳定性较差，难以区分的问题，提取焊点热特性本征信息，通过对比虚焊缺陷与正常焊点之间的参量变化进行虚焊缺陷辨识，能够可靠的反映焊点虚焊缺陷特征。

本发明的技术方案是：

基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，包括步骤如下：

1)选取待测试的焊点作为测试对象，使用脉冲热源激励测试对象；

2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化，生成过余温度时间曲线；

3)提取步骤2)过余温度时间曲线中温度下降段的过余温度时间曲线；

4)对下降段过余温度时间曲线的横纵坐标同时求对数，获得双对数坐标曲线；

5)将步骤4)获得的双对数坐标曲线中的离散点进行高阶次的多项式拟合，获得高阶次拟合曲线方程；

6)对步骤5)获得的高阶次拟合曲线方程求导，获得高阶次拟合曲线的微分方程；

7)将所述高阶次拟合曲线的微分方程与标准焊点的微分方程中最高阶次项系数做差，获得做差的差值，若所述差值的绝对值大于0.1，则判定该测试对象为虚焊焊点，完成判定工作；若所述差值的绝对值小于或等于0.1，则判定该测试对象不是虚焊焊点，进入步骤8)。

8)判断所述高阶次拟合曲线的微分方程对应的微分曲线是否存在奇点，若存在奇点，则判定该测试对象为虚焊焊点，完成判定工作；若不存在奇点，则判定该测试对象非虚焊焊点，完成判定工作。

所述脉冲热源为激光器或氙灯。

所述脉冲热源激励的时间取值范围为0.3～0.9秒，脉冲热源激励形成的光斑大小小于焊点面积的80％，脉冲热源激励测试对象的表面升温速率取值范围为15-50℃/s。

所述脉冲热源激励角度取值范围为45～60°。

所述脉冲热源激励角度与测试对象的表面切向垂直。

所述步骤1)的脉冲热源采用激光器实现，所述激光器的功率为1W至10W。

所述步骤2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化使用红外热像仪实现，所述红外热像仪的测温范围包含0℃至100℃，采样频率不低于50Hz。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明采对数温度时间微分曲线处理，能够有效降低帧间时域噪声减小加热不均效应，增强缺陷对比度；

2)本发明对焊点虚焊热像测试数据处理的结果对比度高，降低了加热不均和外界热流造成的背景噪声，可快速、准确获取缺陷特征参量。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本实施例过余温度时间曲线图；

图3为本发明双对数坐标曲线图。

具体实施方式

本发明采用拟合曲线求导得到的最高次系数替代过余温度进行虚焊缺陷辨识，首先通过红外热像采集温度时间序列，将时间序列的SEQ格式转化为DAT格式之后，将图像上各个像素点的离散时间灰度值用高次多项式拟合，得到每个拟合多项式的系数，将系数值作为特征参量进行虚焊缺陷与正常焊点进行比对，判定有无虚焊缺陷。

根据半无限大的物体导热微分方程，两边取对数得到下式：

因此，对数温度时间曲线是一条斜率为0.5的直线；时间变量独立于加热能量和材料的物性参数；直线的斜率与加热能量和红外热像仪的校准等均没有关系，这些参数的改变只会影响总体响应的水平即截距。实际应用中，物体是有限厚度的，即使在无缺陷区也不可能严格满足半无限大物体模型，即一维热传导条件，所以实测lnθ-lnt曲线不会是严格的直线，而是通常含有高次项，如二次和三次项。但是与有缺陷区相比无缺陷区lnθ-lnt曲线的直线行为更明显。所以实测lnθ-lnt曲线不会是严格的直线，而是通常含有高次项，如二次和三次项。但是与有缺陷区相比无缺陷区lnθ-lnt曲线的直线行为更明显。通过对比正常焊点和缺陷焊点微分曲线上的奇点以及最高阶次系数能够有效辨识由于热阻造成的热传导过程缺陷对热流的阻碍作用，一般情况下缺陷越大，距离表面越近，对热流的阻碍作用越明显，曲线的拐点与导数的极值点或二阶导数的过零点相对应，虚焊会引起导数信号的特征点及最高阶次系数发生明显的变化，因此会造成微分曲线奇点的出现。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，包括步骤如下：

1)选取待测试的焊点作为测试对象，使用脉冲热源激励测试对象；所述脉冲热源为激光器或氙灯，或其它聚光热源。激光器的功率为1W至10W。脉冲热源激励的时间取值范围为0.3～0.9秒，脉冲热源激励形成的光斑大小小于焊点面积的80％，脉冲热源激励测试对象的表面升温速率取值范围为15-50℃/s，脉冲热源激励角度取值范围为45～60°。

2)使用红外热像仪采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化，生成过余温度时间曲线；红外热像仪的测温范围包含0℃至100℃，采样频率不低于50Hz。

3)提取步骤2)过余温度时间曲线中温度下降段的过余温度时间曲线；

4)对下降段过余温度时间曲线的横纵坐标同时求对数，得到双对数坐标曲线；

5)将步骤4)获得的双对数坐标曲线中的离散点进行高阶次的多项式拟合，获得高阶次拟合曲线方程；

6)对步骤5)获得的高阶次拟合曲线方程求导，获得高阶次拟合曲线的微分方程；

7)将所述高阶次拟合曲线的微分方程与标准焊点的微分方程中最高阶次项系数做差，获得做差的差值，若所述差值的绝对值大于0.1，则判定该测试对象为虚焊焊点，完成判定工作；若所述差值的绝对值小于或等于0.1，则判定该测试对象不是虚焊焊点，进入步骤8)。

8)判断所述高阶次拟合曲线的微分方程对应的微分曲线是否存在奇点，若存在奇点，则判定该测试对象为虚焊焊点，完成判定工作；若不存在奇点，则判定该测试对象非虚焊焊点，完成判定工作。标准焊点的高阶次拟合曲线微分方程对应的微分曲线为光滑曲线，不存在奇点。

实施例

本发明的试验测试载体为一种内置标准虚焊焊点缺陷的电路板焊点，每张电路板上焊点数量为48，焊点形式为1210，焊点大小为2mm×0.8mm，共计5张电路板。

步骤1：采用红外热像设备采集热激励下被测焊点表面温度时间序列热图像，激励源采用808nm聚焦激光，激光光斑大小为1.5mm×0.5mm，激光功率为3W，热象仪的采样频率为60Hz。

步骤2：采用格式转化软件将温度时间图像序列的SEQ格式转化为DAT格式。

步骤3：选取焊点上一点，提取此点的过余温度时间曲线，如图2所示。

步骤4：对每个像素点对应的过余温度数据用下式作N次对数多项式回归，设：

其中，阶次N由试验确定。利用最小二乘法可求得待定系数a_n(n＝0,1,2,…,N)，得到理论温升信号lnθ(t)，作lnθ(t)-lnt曲线。

步骤5：对lnθ(t)-lnt曲线进行求导，如图3所示；获得微分曲线的最高阶次系数；获得虚焊焊点与标准焊点微分曲线的最高阶次系数的差值，根据差值判断是否为虚焊焊点，完成虚焊焊点确定工作。如表1所示，本实施例测试结果中测试对象的最高次系数差值绝对值大于0.1，因此可判定测试对象存在虚焊缺陷。

表1测试数据

本发明方法基于趋势分析方法处理之后的红外热像测试数据能够大大降低时域背景噪声，减小加热不均效应，并能增强缺陷的对比度，实现热波图像的增强和消噪。趋势分析方法得到微分曲线的最高次系数能够有效分辨焊点虚焊缺陷损伤。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)选取待测试的焊点作为测试对象，使用脉冲热源激励测试对象；

2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化，生成过余温度时间曲线；

3)提取步骤2)过余温度时间曲线中温度下降段的过余温度时间曲线；

4)对下降段过余温度时间曲线的横纵坐标同时求对数，获得双对数坐标曲线；

5)将步骤4)获得的双对数坐标曲线中的离散点进行高阶次的多项式拟合，获得高阶次拟合曲线方程；

6)对步骤5)获得的高阶次拟合曲线方程求导，获得高阶次拟合曲线的微分方程；

7)将所述高阶次拟合曲线的微分方程与标准焊点的微分方程中最高阶次项系数做差，获得做差的差值，若所述差值的绝对值大于0.1，则判定该测试对象为虚焊焊点，完成判定工作；若所述差值的绝对值小于或等于0.1，则判定该测试对象不是虚焊焊点，进入步骤8)。

8)判断所述高阶次拟合曲线的微分方程对应的微分曲线是否存在奇点，若存在奇点，则判定该测试对象为虚焊焊点，完成判定工作；若不存在奇点，则判定该测试对象非虚焊焊点，完成判定工作。

2.根据权利要求1所述的基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，所述脉冲热源为激光器或氙灯。

3.根据权利要求1所述的基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，所述脉冲热源激励的时间取值范围为0.3～0.9秒，脉冲热源激励形成的光斑大小小于焊点面积的80％，脉冲热源激励测试对象的表面升温速率取值范围为15-50℃/s。

4.根据权利要求3所述的基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，所述脉冲热源激励角度取值范围为45～60°。

5.根据权利要求3所述的基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，所述脉冲热源激励角度与测试对象的表面切向垂直。

6.根据权利要求5所述的基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，所述步骤1)的脉冲热源采用激光器实现，所述激光器的功率为1W至10W。

7.根据权利要求6所述的基于红外热像测试数据判定虚焊焊点的方法，其特征在于，所述步骤2)采集测试对象表面在脉冲热源激励影响产生的温度变化使用红外热像仪实现，所述红外热像仪的测温范围包含0℃至100℃，采样频率不低于50Hz。